Introdução aos métodos de pré-tratamento de água de reposição
Embora aplicações como reposição de torre de resfriamento ou água de serviço para a infraestrutura da usina de lavagem possam ser simples, outras aplicações exigem água de alta pureza.
Este capítulo examina os métodos de pré-tratamento usados para refinar a água bruta e reduzir o potencial de corrosão, incrustação e incrustação a jusante em instalações que exigem reposição de alta pureza, como geradores de vapor de concessionárias, fabricantes de semicondutores e fábricas farmacêuticas.
Uma visão geral das fontes primárias de água bruta e impurezas
A seção a seguir fornece uma breve visão das principais características dos suprimentos comuns de diluente bruto, seguida por uma visão geral das impurezas primárias nesses suprimentos.
Água de superfície
A água coleta partículas de areia, solo e outros detritos, incluindo material orgânico e micróbios à medida que flui ao longo da superfície terrestre. As características físicas e químicas de qualquer suprimento de água de superfície flutuarão consideravelmente ao longo do tempo. Por exemplo, grandes mudanças nos sólidos suspensos são comuns nos suprimentos de rios após precipitação intensa. A triagem de detritos grandes, clarificação/filtração e tratamento com biocidas para controlar a incrustação microbiológica são normalmente necessários para remover partículas suspensas da água de superfície antes do uso a jusante. A filtração de carvão ativado também pode ser necessária para suprimentos que tenham altas concentrações de orgânicos dissolvidos.
Águas subterrâneas
Muitos suprimentos de águas subterrâneas são essencialmente livres de partículas, orgânicos e micróbios, pois são removidos quando a água passa pelo solo e formações rochosas. Embora a química e a temperatura das águas subterrâneas tendam a ser estáveis, a concentração de sólidos dissolvidos varia dependendo da profundidade do aquífero e da química das formações através das quais a água passa. As águas subterrâneas podem ter níveis elevados de dureza, alcalinidade de bicarbonato, sílica, metais pesados, como ferro e até mesmo sulfeto de hidrogênio, dependendo da localização.
Fontes de água de maquilhagem RO: Abordar a qualidade variável da água para manter a eficiência do sistema
O precipitado, carbonato de cálcio (CaCO3), tem sido o composto formador de incrustaçãomais problemático em sistemas de água de resfriamento e trocadores de calor há décadas. Essa escala comumente se desenvolve em encanamento doméstico e é frequentemente chamada incorretamente de formação de CaCO3 em calcário, que também pode ocorrer nos elementos a jusante das membranas de osmose reversa devido ao aumento contínuo das concentrações de cálcio e bicarbonato no fluxo de rejeitos.
Alumínio (Al): o alumínio está frequentemente presente em particulados suspensos em água bruta e é removido por filtração mecânica. No entanto, os sais de alumínio são comumente usados como coagulantes para clarificadores a montante de unidades de osmose reversa (OR). O transporte do excesso de alimentação coagulante pode causar incrustação grave das membranas de OR. Concentrações de alumínio tão baixas quanto 50 partes por bilhão (ppb, aproximadamente equivalente a 0,050 mg/L) podem resultar em um declínio no desempenho.
Amônia e outras espécies de nitrogênio: íon de amônio (NH4+), nitrito (NCO2–) e nitrato (NO3-) frequentemente existem em suprimentos de água de superfície em pequenas concentrações devido à atividade biológica e à degradação de compostos orgânicos de nitrogênio. Em fábricas que utilizam efluentes POTW para reposição, concentrações mais altas de compostos de nitrogênio estão frequentemente presentes. As espécies de nitrogênio são muito solúveis e não formam depósitos de incrustação, mas fornecem nutrientes para micróbios, o que pode causar incrustação em sistemas de água de resfriamento, membranas de OR e outros locais.
Bário: o bário está presente em algumas águas de poço, com uma faixa de concentração tipicamente abaixo de 0,05–0,2 ppm. A maior preocupação é que o bário pode formar uma escala de sulfato duro em membranas de OR, particularmente em elementos de fuga. Essa reação de deposição é muito lenta, no entanto, e pode ser controlada com o anti-incrustante adequado. O bário que foi removido na unidade de troca catiônica de um desmineralizador pode se tornar problemático durante regenerações com ácido sulfúrico. Os depósitos de BaSO4 podem ser difíceis de remover.
Cloreto (Cl): O cloreto existe em quase todas as águas naturais, mas as concentrações são elevadas em suprimentos salobras. Os compostos de cloreto são muito solúveis, mas o íon cloreto pode ser corrosivo, particularmente para aço inoxidável. Mesmo concentrações relativamente pequenas de cloreto em geradores de vapor de alta pressão podem ser problemáticas, exigindo produção de água de reposição de alta pureza para essas unidades.
Fluoreto (F): O flúor existe naturalmente em baixas concentrações em algumas águas de poço, mas pode atingir concentrações de até 2,5 ppm em água municipal tratada com flúor. Fluoreto de cálcio (CaF2) e hexafluorossilicato de sódio (Na2(SiF6))podem causar incrustação em certas aplicações de OR.
Dureza: Cálcio e magnésio são os principais íons de dureza. O cálcio reage prontamente com vários ânions para formar depósitos. Além do carbonato de cálcio, dois exemplos adicionais incluem sulfato de cálcio (CaSO4) e fosfato de cálcio (Ca3(PO4)2). Este último tornou-se problemático em aplicações de água de resfriamento desde a mudança para a química de tratamento de fosfato/fosfonato na década de 1980. Da mesma forma, o magnésio pode se combinar com sílica e outros íons para formar depósitos tenazes onde o pH tem uma grande influência na química.
Sulfeto de hidrogênio (H2S): Em baixas concentrações, o sulfeto de hidrogênio tem um cheiro de ovo podre e, muitas vezes, está presente em águas de poço. Níveis de H2S tão baixos quanto 0,1 mg/L podem afetar adversamente o desempenho dos sistemas de OR ou nanofiltração (NF). Se a água for exposta ao ar ou a outros oxidantes, o gás pode se converter em enxofre elementar ou sulfetos metálicos. Uma reação com oxidantes geralmente resulta em depósitos pretos ou cinzas, o que leva à formação de um resíduo que sufoca as membranas da OR.
Ferro (Fe) e manganês (Mn): Fe e Mn podem existir em um estado solúvel ou particulado na água. As espécies dissolvidas são comuns em águas de poços onde a ausência de ar estabelece condições de redução. A coloração de banheiros e lavatórios ocorre frequentemente em casas com água potável, pois ambos os elementos reagem com o oxigênio para formar precipitados escuros. Da mesma forma, em águas de superfície, esses elementos se combinam com oxigênio para formar partículas. Ambos os elementos podem sujar resinas de troca iônica e membranas de OR, e podem catalisar ataques oxidativos de membranas de OR. Uma diretriz comum para proteger os sistemas de água contra incrustação de ferro e manganês é manter uma concentração abaixo de 0,05 mg/L para cada um. Em sistemas de pré-tratamento com clarificadores e filtros multimídia de polimento, partículas de ferro e manganês são frequentemente capturadas. No entanto, para algumas aplicações, como alimentação direta de água para equipamentos de processo, verdes manganês e filtração podem ser necessários para remover os metais.
Ortofosfato (PO4): O fosfato pode estar presente em suprimentos de superfície devido ao escoamento de fertilizantes dos campos agrícolas. Altas concentrações de fosfato são comuns em efluentes POTW, particularmente se o tratamento secundário for a etapa final do processo. Assim como a alcalinidade natural, o ortofosfato existe em várias espécies, como H3PO4, H2PO4-, HPO42-e PO43-, de acordo com o pH de suprimento. Em alguns sistemas, como torres de resfriamento, onde a água “reciclam”, o controle da deposição de fosfato de cálcio Ca3(PO4)2é extremamente importante.
Sílica (SiO2): A sílica pode existir na forma solúvel, coloidal ou particulada. Como a sílica é um componente primário no solo e na crosta terrestre, as partículas nas águas superficiais geralmente contêm grandes quantidades de sílica. No entanto, esta forma não é quimicamente reativa e pode ser removida da água usando clarificação e/ou filtração padrão. A sílica dissolvida, comumente chamada de sílica reativa, é a espécie de sílica mais problemática. Em um pH levemente ácido, ele pode formar depósitos duros e tenazes de SiO2. Por outro lado, nos níveis de pH 8 e acima, a sílica exibe uma tendência de reagir com metais, incluindo Ca, Mg, Fe, Mn e Al, para formar uma escala de silicato metálico tenaz. Uma diretriz comum para operações unitárias, incluindo OR e torres de resfriamento, é um limite de sílica reativa de aproximadamente 120 a 150 mg/L (em temperatura ambiente) em qualquer lugar do sistema. Sob certas condições, a sílica pode polimerizar para formar coloides. Eles não são reativos em temperaturas ambientes. Antes da introdução da OR ao setor de energia, surgiram dificuldades quando eventos como chuva intensa desalojaram a sílica coloidal dos sedimentos inferiores dos suprimentos de superfície. Isso leva a coloides entrando no fluxo de diluente. Embora esses coloides não reativos passem de forma limpa pela resina de troca aniônica do desmineralizador, eles se decompõem em sílica reativa dentro da caldeira.
Sulfato (SO4): Embora o sulfato possa se combinar com muitos cátions, aqueles de preocupação primária para sistemas de reposição são cálcio, bário e estrôncio, cada um capaz de incrustar as membranas de OR. As regenerações da resina de cátion desmineralizante são frequentemente conduzidas em estágios, com dosagens mais baixas de ácido sulfúrico no início do processo para controlar a precipitação de CaSO4. À medida que o cálcio é removido, a concentração de ácido pode ser aumentada.
Total de sólidos dissolvidos (TDS): O TDS mede o número de compostos dissolvidos, inorgânicos e orgânicos, em uma amostra de água. O procedimento típico é filtrar a amostra quanto a partículas e, em seguida, secar um volume medido até completar em um forno a uma temperatura ligeiramente acima do ponto de ebulição. O TDS se correlaciona aproximadamente com a condutividade específica (S.C.) da água, portanto, as leituras de S.C. são comumente usadas para monitoramento geral e controle químico de muitos sistemas, incluindo RO. A melhor prática sugere um fator de conversão condutividade-TDS de 0,65, mas essa razão é variável dependendo da espécie iônica na solução.
Carbono orgânico total (TOC): TOC É A MEDIÇÃO DE CARBONO ORGÂNICO EM SISTEMAS AQUOSOS. Um limite superior de TOC de 3 mg/L deve ser mantido para evitar RO grave e incrustação de desmineralizador. Compostos orgânicos comuns a águas brutas incluem taninos, ligninas e ácidos húmicos, que são moléculas grandes que têm potencial de incrustação significativo.
Turbidez: A clareza ou turbidez de uma amostra de água está relacionada às partículas suspensas na amostra. Visualmente, a água pode parecer turva ou turva. Os nefelômetros modernos fornecem medições precisas com leituras relatadas como unidades de turbidez nefelométrica (NTU). Alguns sistemas modernos de micro e ultrafiltração podem produzir alimentação de OR com turbidez inferior a 0,05 NTU.
Análises completas e precisas da água bruta, preferencialmente durante um período de tempo suficiente para destacar variações sazonais, são fundamentais para determinar o projeto de pré-tratamento adequado para proteger o equipamento de alta pureza a jusante.
Métodos de pré-tratamento
Embora o foco principal desta seção seja o pré-tratamento de águas de superfície, ela também discutirá detalhes sobre outras fontes de maquiagem. Começaremos com a tecnologia bem estabelecida de clarificação para remoção de sólidos em suspensão.
Seis maneiras de otimizar o pré-tratamento da sua fábrica
A Figura 2.1 ilustra as faixas de sólidos dissolvidos e suspensos em água e destaca as técnicas de filtração para remoção de sólidos.
Figura 2.1. Tamanho relativo de sólidos suspensos e dissolvidos
Uma bacia de assentamento de entrada, uma característica primária de alguns sistemas de pré-tratamento de água de reposição, reduz a taxa de fluxo linear do afluente e permite que materiais maiores precipitem usando gravidade. No entanto, muitas partículas pequenas permanecem após esse processo. Normalmente, esses particulados são leves, carregados negativamente e repelentes mútuos. Os clarificadores, que utilizam métodos físicos e químicos, são comumente usados para remover esses sólidos. Os clarificadores de estilo mais antigo contavam com um grande volume para melhorar o assentamento. Um exemplo é mostrado na Figura 2.2.
Figura 2.2. Grandes clarificadores circulares.
Os clarificadores desse estilo normalmente têm taxas de elevação, que é a razão entre o fluxo do produto e a área de superfície na parte superior do clarificador, de 0,5 a 1,5 gpm/pé2. Taxas de elevação baixas são necessárias para permitir que aditivos químicos tenham tempo de reagir com os sólidos suspensos. O processo normal, conforme descrito na Figura 2.3, é a adição de coagulante (compostos carregados positivamente) para reduzir a carga negativa sobre as partículas, seguido por tratamento com floculante para coalescer as partículas coaguladas em flocos maiores que se depositam.
Figura 2.3. #1, Sólidos suspensos disseminados; #2, Partículas neutralizadas por coagulante;
No 3, Formação de flocos.
Tecnologia e equipamento de clarificação
Os parâmetros comuns de projeto para clarificadores básicos são:
Fluxo: Definido como gpm, galões por dia (gpd) ou pés cúbicos por minuto (pés3/minuto)
Cálculo do tempo de retenção: Volume do clarificador dividido pelo fluxo. As unidades são geralmente expressas em minutos ou horas. O intervalo típico é de uma a quatro horas.
Cálculo do fluxo do clarificador horizontal: Fluxo de entrada (ft3) dividido pela área transversal do clarificador (ft2). As unidades são calculadas em pés/minuto.
Taxa de elevação (ou carga hidráulica): Fluxo de entrada em gpm dividido pela área de superfície do clarificador em pés2. Em projetos de clarificador originais, a taxa de elevação típica variou de 0,5 a 1,5 gpm/pé2. 25 gpm/pé2 ou mais é possível em algumas unidades modernas, como é discutido em breve.
Taxa de transbordamento de barragem do clarificador: Fluxo de entrada em gpd/pés lineares de barragem, geralmente 10.000 a 20.000 gpd/pé linear.
Os clarificadores convencionais incluem uma zona de mistura rápida, uma zona de floculação de mistura lenta e uma grande zona de decantação. Dois tipos comuns são mostrados abaixo, ambos proporcionando longos tempos de permanência hidráulica e exigindo uma grande área ocupada.
Figura 2.5. Esclarecedor de recirculação de lodo
Figura 2.6. Esclarecedor de recirculação de lodo – Projeto alternativo
A mistura rápida e a coagulação ocorrem no cilindro de entrada do clarificador. A floculação ocorre abaixo da capela muito maior, onde as taxas de fluxo linear são menores. O assentamento ocorre nas regiões externas do recipiente, onde partículas recém-floculadas são capturadas pela manta de lodo estabelecida. Os ancinhos inferiores removem o lodo acumulado para descarte ou processamento adicional em uma prensa de filtro. Os ancinhos inferiores podem operar continuamente ou em um programa programado. A purga de lodo pode ser automatizada ou manual, normalmente periodicamente. Para purga manual, o operador deve se lembrar de interromper a purga no momento adequado. Há casos em que os operadores sangraram toda a manta de lodo, o que levou à transferência de sólidos suspensos do clarificador. Uma vez que isso ocorra, é necessário um esforço considerável para restaurar a manta de lodo.
A Figura 2.7 ilustra um clarificador retangular, com as zonas de mistura rápida, floculação e decantação claramente delineadas. Uma versão ainda mais moderna de um clarificador retangular aparece em breve.
Figura 2.7. Esclarecedor retangular
A baixa taxa de aumento dos primeiros clarificadores e a grande presença que os acompanha levaram os engenheiros a produzir unidades com taxas de aumento aumentadas, melhor eficiência e tamanhos menores. Um dos primeiros desenvolvimentos a esse respeito foi o clarificador de lamela.
Figura 2.8. Lamella Clarifier
Os clarificadores de Lamella têm placas inclinadas que aumentam a interação das partículas fluindo para cima, com partículas mais pesadas se depositando para baixo. Taxas de elevação hidráulica de 6 gpm/pé2 são possíveis, embora uma unidade possa não atingir tais taxas se a água de entrada tiver sólidos suspensos excessivos, que podem se acumular entre as placas. Os sólidos podem então transbordar para o efluente, exigindo uma redução de carga.
Uma modificação do projeto de lamela inclui reciclagem de lodo para melhorar a eficiência, conforme mostrado na Figura 2.9. O fluxo de reciclagem semeia o processo. Essa modificação oferece flexibilidade operacional para variações na qualidade da água de entrada.
Figura 2.9. Recirculação de lodo em um clarificador Lamella
O design com baile é um avanço moderno na tecnologia de clarificador que, em parte, é baseado no conceito de reciclagem. Uma configuração bem conhecida, Acti-Flo®, é mostrada abaixo.
Figura 2.10. Fluxograma do processo do Acti-Flo®.
A unidade tem zonas de mistura rápida e lenta alinhadas com os métodos normais de coagulação e floculação, e sua característica proeminente é a injeção e recirculação de microareia. As partículas de areia reúnem os flocos, mas se depositam rapidamente no clarificador principal com suas placas de lamela, pois são significativamente mais pesadas. Com sistemas com esferas, são possíveis taxas de elevação de 25 gpm/pé2 ou mais. Como mostra a figura, um hidrociclone é parte integrante do processo. O movimento circular transmitido pelo hidrociclone faz com que as partículas de microareia mais pesadas saiam através do subfluxo e de volta para o processo, enquanto as partículas de floco liberadas saem do transbordamento para descarte final. Esse processo recupera a maior parte da microareia, reduzindo muito as adições novas.
Embora outros sistemas semelhantes tenham evoluído, eles apresentam diferenças importantes. Um exemplo principal é o processo Co-Mag® com um material de lastro do óxido de ferro, magnetita (Fe3O4). Esse processo surgiu como um tratamento eficaz para efluentes industriais contendo metais pesados, alguns dos quais coprecipitam bem com magnetita e são diretamente removidos da solução.
Variáveis operacionais do clarificador e técnicas de monitoramento/resolução de problemas
A etapa inicial na avaliação do programa químico adequado para um novo clarificador é o teste de jarros, frequentemente realizado no local onde as amostras de diluente bruto são acessíveis.
Figura 2.11. Uma configuração comum de agitação mecânica para teste de jarra. Normalmente, os misturadores são ajustados a uma velocidade rápida para adição de coagulante e, em seguida, são desacelerados para adição de floculante.
Com o teste de jarros, tanto coagulantes quanto floculantes devem ser testados em combinação, e o teste pode levar tempo para otimizar as taxas de química e dosagem.
Figura 2.12a. Lodo com assentamento ruim, são necessários testes adicionais. Figura 2.12b. Lodo bem assentado.
Como ilustram as Figuras 2.13a e 2.13b, os resultados de um teste de jarra bem conduzido ajudaram a transformar o desempenho historicamente problemático de um clarificador suavizante de cal em uma operação mais confiável.
Figura 2.13a. Esclarecedor com seleção fraca de coagulante/floculante
Figura 2.13b. O mesmo clarificador com química coagulante e floculante ajustada inicialmente calculada a partir do teste de jarros e otimizada no campo.
Os testes de jarros não são uniformes e são exclusivos para cada local. Para melhores resultados, os testes devem ser realizados por um profissional experiente.
Os pontos de alimentação de coagulante e floculante devem permanecer consistentes com as diretrizes descritas anteriormente neste capítulo. Além do tratamento com coagulante/floculante, uma alimentação de biocida oxidante (frequentemente alvejante) é comum para clarificadores bem a montante para fornecer tempo máximo de contato.
Durante a inicialização do novo sistema e periodicamente para os sistemas existentes, são necessários testes para garantir que os produtos químicos estejam sendo alimentados nas dosagens corretas. Os sistemas de alimentação de produtos químicos adequadamente projetados incluem um cilindro graduado com uma conexão em "T" à linha de sucção da bomba para medir as taxas de alimentação de produtos químicos. Para operação normal, muitos sistemas utilizam comunicações eletrônicas que ajustam automaticamente as taxas de alimentação de produtos químicos com base nas leituras de fluxo de água de entrada. Os dados podem ser exibidos remotamente no sistema de alimentação de produtos químicos e na sala de controle da fábrica.
As concentrações de sólidos da pasta do clarificador indicam o inventário de sólidos disponíveis para reação. A maioria dos clarificadores inclui torneiras de amostra instaladas em várias alturas para a coleta de sólidos.
Uma amostra de 1.000 ml coletada em um cilindro graduado é deixada em repouso por dez (10) minutos. O teste, também conhecido como volume decantado sobre volume inicial (V/Vo), deve estar na faixa alvo de 20 a 40% de sólidos de pasta fluida.
Figura 2.14 – Teste V/V de sólidos em pasta fluida
Esses testes podem auxiliar no controle de purga dos clarificadores e fornecer observações visuais da qualidade do sobrenadante, como a água limpa acima dos sólidos assentados.
Em um clarificador em operação adequada, o lodo forma uma manta distinta que pode ser observada de cima do clarificador, como na Figura 2.13b. O fornecedor do clarificador deve fornecer uma faixa de manta de lodo recomendada. A medição de nível é importante para garantir que uma manta suficiente esteja presente para coletar novos flocos, e os dados também são importantes para controlar a purga. Vários métodos estão disponíveis para medir a profundidade do lodo, incluindo abaixar uma corda amarrada em intervalos de um metro com uma placa presa à extremidade. A placa desaparecerá quando exposta à parte superior do leito de lodo, permitindo que a profundidade do lodo seja determinada com precisão. Além disso, outro método utiliza um amostrador Sludge Judge®, que cria um perfil físico da água no clarificador. O amostrador apresenta marcações em incrementos de um pé para medir a profundidade do lodo e fornecer um perfil de qualidade da água. Sistemas de sonar também estão disponíveis para medição da profundidade do lodo.
Figura 2.15. Ilustração de um Juiz de Lodo.
O controle cuidadoso da profundidade do lodo por purga é uma prioridade, pois o acúmulo excessivo de lodo pode resultar em transferência de partículas para o efluente ou obstrução da tubulação de extração de lodo. O excesso de purga também pode degradar o desempenho do clarificador ao remover o material que captura flocos recém-formados. Essa situação pode exigir a resseca do clarificador com agentes artificiais. Um material de semente comum é a ninhada de gatos.
A turbidez do efluente é uma medida importante para o desempenho do clarificador. Instrumentos eletrônicos de turbidez são bem estabelecidos para medir a quantidade de luz espalhada pelo material na água, conforme mostrado na Figura 2.16.
Figura 2.16. Ilustração gráfica da medição de turbidez.
Silte, matéria orgânica e inorgânica finamente dividida, algas, organismos microscópicos e compostos orgânicos solúveis e coloridos são exemplos de materiais que influenciam a turbidez. O monitoramento de turbidez da entrada e saída do clarificador fornece dados comparativos valiosos.
Figura 2.17. Um modelo de turbidímetro on-line. As leituras estão em unidades de turbidez nefelométrica, conforme discutido anteriormente neste capítulo. Foto por cortesia da Hach.
O monitor contínuo pode ser definido como alarme quando as condições de turbidez forem excessivas. A alta turbidez na entrada pode exigir um ajuste das taxas de alimentação de produtos químicos e, em casos graves, testes de jarros adicionais e ajustes químicos.
Vários fatores podem perturbar o desempenho do clarificador, como alterações na química da água, temperatura ou um aumento repentino do fluxo que aumenta a taxa de elevação e faz com que a manta se expanda. Flutuações de sólidos suspensos são comuns em clarificadores que tratam suprimentos de água de superfície, especialmente durante eventos de precipitação intensa. Além disso, a rotatividade do lago na primavera e no outono pode aumentar a concentração de sólidos suspensos. Por outro lado, o efeito inverso pode ser problemático se uma diminuição no carregamento de sólidos suspensos fizer com que a manta de lodo encolha.
Os clarificadores operados com eficiência geralmente produzem água com turbidez de 2 NTU ou menos e concentrações de sólidos suspensos inferiores a 5 ppm. Esses valores podem ser reduzidos com a filtração a jusante, que é comum e será discutida posteriormente neste capítulo.
Em alguns casos, altas concentrações de dureza, alcalinidade e sílica podem exigir tratamento químico adicional para precipitar uma porção desses elementos e compostos para reduzir o potencial de formação de incrustação da composição. A próxima seção examina essa tecnologia.
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O objetivo do amaciamento por precipitação é formar sólidos insolúveis de dureza, especificamente carbonato de cálcio (CaCO3) e hidróxido de magnésio (Mg(OH)2), que são removidos do clarificador juntamente com sólidos suspensos. Além disso, alguma sílica pode coprecipitar com hidróxido de magnésio.
Em conjunto com o cal, pode ser necessário tratamento suplementar com carbonato de sódio (Na2CO3 ou carbonato de sódio). Para fornecer contexto para a compreensão da química das reações de amaciamento com cal, considere a seguinte amostra de água de reposição bruta, que detalha os principais cátions e ânions e seus equivalentes de carbonato de cálcio.
Figura 2.18. Um exemplo de água bruta para ilustrar o principal equilíbrio cátion-ânion.
As águas naturais, onde os cátions e ânions são equilibrados, são eletricamente neutras. Os equivalentes de CaCO3servem como uma ferramenta de contabilidade que indica o equilíbrio cátion-ânion geral, que inclui espécies monovalentes, como íons de sódio (Na+) e cloreto (Cl–), e os íons divalentes Ca2+, Mg2+ e SO42−.
Esta ferramenta de contabilidade permite o seguinte gráfico de barras, que mostra como os íons se associam à água.
Figura 2.19. Associação de íons na água. Valores extraídos da Figura 2.20.
A dureza associada à alcalinidade de bicarbonato ou espécies relacionadas é conhecida como dureza de "carbonato" ou "temporária". A dureza associada ao cloreto ou sulfato é conhecida como dureza permanente e requer a adição de carbonato de sódio.
É importante observar que, nas equações 2,9 e 2,10, nenhuma dureza é reduzida. Cloreto de magnésio e sulfato são substituídos por cloreto de cálcio e sulfato de cálcio.
Dependendo dos requisitos finais de dureza, a dureza do não-carbonato de cálcio presente na água bruta e criada a partir das equações 2,9 e 2,10 pode ser reduzida com cinzas de soda.
CaCl2 + Na2CO3 → CaCO3↓ + 2NaCl Eq. 2-11
CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3↓ + Na2SO4 Eq. 2-12
A necessidade de alimentação de carbonato de sódio em conjunto com cal é determinada pela composição da água bruta e pelos requisitos de dureza da água tratada.
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Os clarificadores de amaciamento produzem lodo significativo, conforme demonstrado pelas reações de precipitação acima. No entanto, se a água bruta tiver uma concentração apreciável de sólidos suspensos, o amolecimento sozinho pode não remover sólidos suficientes. Isso pode levar a água tratada com turbidez indesejável. Neste caso, um coagulante catiônico pode ser necessário para condicionar o afluente clarificador. Floculantes de alto peso molecular podem ajudar a se estabelecer e garantir um efluente consistentemente claro.
Se o transporte de sólidos no efluente do clarificador se tornar problemático, um método simplista como o teste de dureza acidificada pode revelar a fonte. Para realizar um teste de dureza acidificada, o ácido é adicionado a uma porção de uma amostra dividida, onde o ácido dissolve os produtos de reação de amolecimento. Medições de dureza subsequentes em ambas as amostras revelarão a diferença de dureza, caso exista. Se a dureza da amostra acidificada for consideravelmente maior, a suspeita recai sobre a química de amolecimento. Caso contrário, a bioquímica de coagulação/floculação deve ser investigada.
Os clarificadores de amaciamento de cal dependem de um leito de lodo ou design de contato de sólidos para aumentar o tamanho de precipitados recém-formados, muito parecido com os clarificadores projetados para remoção de sólidos suspensos. Os precipitados amaciantes de cal, no entanto, podem ter propriedades diferentes daquelas dos clarificadores básicos de sólidos suspensos, incluindo maior densidade e maior volume. Estabelecer um leito estável pode exigir um condicionador de lodo. Um exemplo principal é se a relação cálcio-magnésio for grande. O precipitado de hidróxido de magnésio atua como um agente condicionador de leito natural que garante que o lodo esteja bem suspenso. Se hidróxido de magnésio insuficiente estiver presente, o lodo pode se tornar muito pesado e difícil de circular. A alimentação suplementar de alumínio e coagulante de ferro pode gerar um floco de hidróxido mais leve que melhora as propriedades do lodo.
Abrandamento por cal quente
O abrandamento com cal quente já foi um método comum para o pré-tratamento primário da água de alimentação de caldeiras industriais, mas tecnologias modernas, como OR, substituíram o abrandamento a quente em um grau significativo.
O amaciamento a quente utiliza altas temperaturas para reduzir a dureza a níveis baixos, injetando vapor para aquecer a água a aproximadamente 235°F, equivalente a 10 psig de pressão. É necessário um respiradouro na parte superior da unidade para manter a temperatura, pressão e permitir que o ar liberado da água escape. Os amaciadores quentes são frequentemente selecionados para pré-aquecer a composição e fornecer desaeração para caldeiras industriais de baixa pressão. As unidades podem reduzir as concentrações de dureza para bem abaixo do que é possível alcançar com amaciantes de cal frios.
Os amaciantes de processo a quente são projetados como mantas de lodo de fluxo ascendente ou unidades de fluxo descendente. No projeto de fluxo ascendente, produtos químicos e vapor são alimentados na parte superior da unidade em um funil interno. A recirculação de lodo é comum.
Figura 2.22. Projeto básico de um amaciador quente de manta de lodo de fluxo ascendente.
As reações de amolecimento começam no cachimbo do funil. A mistura é direcionada para o fundo da unidade e para uma manta de lodo pré-estabelecida onde grandes precipitados se formam em sólidos previamente precipitados. Normalmente, a dureza pode ser reduzida para menos de 5 mg/L. A água tratada flui para cima e para fora da unidade.
Um amaciante de fluxo descendente depende muito de lodo recirculado.
Figura 2.23. Design básico de um amaciante de processo a quente de fluxo descendente.
Como no projeto de fluxo ascendente, produtos químicos, vapor e lodo recirculado são introduzidos na parte superior da unidade. A água flui para baixo através do recipiente enquanto os precipitados se acumulam no fundo e são removidos ou recirculados conforme necessário. O efluente flui para cima através da capela e depois para o processo. As concentrações de dureza podemser reduzidas para menos de 15 mg/L neste desenho.
Filtração
A clarificação remove muitos sólidos que podem causar incrustação e incrustação em sistemas de resfriamento de instalações industriais, trocadores de calor, caldeiras, sistemas de tratamento de reposição de alta pureza e outros equipamentos. Normalmente, uma forma de filtração também é utilizada para remover ainda mais os sólidos. Em alguns casos em que a composição bruta é água doce limpa, como de um lago ou reservatório, a filtração (micro e ultrafiltração, conforme descrito em uma seção posterior) pode ser suficiente para a remoção de sólidos suspensos. No entanto, suprimentos alternativos oferecem maiores desafios aos processos de pré-tratamento, incluindo filtração. Além da remoção de partículas, outras formas de filtração também podem ser usadas para remover oxidantes, ferro dissolvido e manganês ou impurezas adicionais.
Filtros de mídia
Os filtros de meiodependem de leitos estratificados de material para remover partículas de tamanhos variáveis. Esses filtros são do tipo gravidade ou pressão. Os filtros de gravidade dependem da gravidade para forçar a água através do meio com uma taxa de fluxo típica de 2–4 gpm/pé2 de área de superfície. Devido ao seu tamanho menor, os filtros de pressão são comuns e podem ser entregues fora da prateleira. A taxa de fluxo para filtros de pressão é tipicamente de 4–6 gpm/pé2.
Um design de filtro multimídia comum é mostrado na Figura 2.24.
Figura 2.24. Um esquema de filtro multimídia comum.
Os vários meios funcionam juntos para remover partículas de tamanho variável, como segue:
Antracito: O antracito tem formato irregular e tem grãos fraturados, proporcionando boa filtração de partículas suspensas maiores. Um diâmetro de grão típico varia de 0,95 a 1,05 mm. O antracite não é tão durável quanto a areia ou a granada e se fratura em grãos menores, que escapa gradualmente durante as retrolavagens. Isso torna necessário o reabastecimento periódico.
Areia: Os grãos de areia geralmente têm aproximadamente 0,4–0,55 mm de tamanho, com uma média de 0,5 mm. A maioria dos sólidos suspensos fica presa entre os quatro e seis polegadas superiores da camada de areia. O acúmulo desse "bolo" ou camada de esteira, comumente chamado pelo seu nome alemão "schmutzdecke", aumenta gradualmente a queda de pressão na cama. Sem retrolavagem regular, os particulados podem entupir irreversivelmente o leito e potencialmente penetrar nele.
Garnete: A granada é a mídia mais pesada e de menor tamanho, com diâmetros de grãos variando de 0,25 a 0,3 mm. Ele atua como uma camada de polimento.
A combinação de antracito, areia e granada filtra progressivamente partículas grandes a pequenas. Um filtro multimídia comum, por exemplo, pode conter:
18 polegadas de antracite
12 polegadas de areia
15 cm de granada
O espaço vazio dos diferentes meios também pode influenciar o carregamento nos vários leitos.
Antracito, ~50%
Areia, ~39%
Garnete, ~47%
Considere o exemplo a seguir de um filtro com uma taxa de fluxo de 4 gpm/pé2. A velocidade linear através do antracito pode ser determinada com os seguintes cálculos que incorporam os dados de espaço vazio mostrados acima.
4 gpm/pé2 ÷ 7,48 galões/pé3 = 0,53 pés/min
0,53 pés/min ÷ 0,5 = 1,06 pés/min
À medida que o fluxo se move para a camada de areia, o cálculo se torna:
0,53 pés/minuto ÷ 0,39 = 1,36 pés/minuto
Um cálculo semelhante pode ser realizado para a granada.
À medida que a água flui para o filtro, as partículas sofrem um aumento do impacto com o antracito devido ao aumento da velocidade. O mesmo efeito ocorre na areia. Se as partículas recebidas forem delicadas, o que é comum no efluente clarificador, há uma alta probabilidade de que elas se fraturem em material mais fino. Este efeito ilustra a importância da camada de granada para o polimento, que pode remover partículas de até 10 mícrons.
Embora os filtros de mídia sejam considerados de baixa tecnologia, ainda é importante monitorar sua operação e manter um desempenho consistente. Um filtro com defeito pode sujar gravemente o equipamento a jusante, mais notavelmente as unidades de OR. Um auxiliar de filtro (baixa dose de coagulante catiônico) pode ser eficaz na melhoria da remoção de sólidos suspensos. É necessário cuidado, no entanto, uma vez que coagulantes catiônicos/floculantes podem sujar gravemente as membranas de OR, que normalmente têm uma carga negativa.
Turbidez de efluentes e quedas de pressão em todo o meio são parâmetros importantes para o monitoramento do desempenho do filtro. A lista a seguir descreve os iniciadores comuns de retrolavagem:
ΔP, NORMALMENTE 10 PSI ACIMA DA LINHA DE BASE
Turbidez
Rendimento
Hora
O monitoramento contínuo dos diferenciais de pressão normalmente fornece os resultados mais confiáveis para iniciar a retrolavagem.
O fluxo de retrolavagem flui contracorrentemente para o fluxo normal do processo. Consequentemente, a taxa de retrolavagem deve ser calculada com base no meio mais leve na unidade, antracito, e deve considerar a temperatura. A densidade da água aumenta significativamente com a diminuição da temperatura. Se a taxa de retrolavagem não for ajustada para a temperatura da água ou estiver acima das diretrizes operacionais em qualquer temperatura, o antracito será lavado.
Se a válvula de retrolavagem abrir rapidamente, o surto de água pode induzir rupturas de meio que expelem o material da unidade. Uma solução típica envolve uma abordagem gradual para a entrada de água, onde as válvulas são mantidas parcialmente abertas por vários minutos antes de serem totalmente abertas.
Embora a retrolavagem seja fundamental para um desempenho estável do filtro, o meio ainda pode acumular detritos que exigem limpezas periódicas. A bioincrustação é possível, embora a alimentação a montante de um biocida oxidante ajude no controle do crescimento microbiológico. Para determinar se a incrustação se tornou problemática, testes de lâmina de imersão de bactérias aeróbicas devem ser realizados simultaneamente nos fluxos de entrada e saída. Se as concentrações de bactérias forem maiores na saída, isso é um sinal de que colônias bacterianas estão presentes no meio. A limpeza off-line com uma combinação de alvejante e surfactante pode ser eficaz. Um procedimento comum é injetar os produtos químicos de limpeza na unidade através do sistema de retrolavagem, deixando a solução embeber o meio por um longo período.
A matéria particulada arrastada na água é conhecida como sólidos suspensos; o termo de relatório analítico é o total de sólidos suspensos (TSS). O controle de sólidos suspensos é importante para minimizar o acúmulo de lodo na descarga da planta e para evitar que materiais tóxicos arrastados sejam descarregados com os sólidos. O TSS pode ser um requisito de relatório e é um método para avaliar o desempenho de sistemas químicos de coagulação/floculação, sistemas de filtração e sistemas de tratamento de lodo ativado.
Óleo e graxa referem-se às gorduras, óleos, ceras e outros materiais relacionados encontrados em águas residuais. A análise de óleo e graxa (O&G) identifica esses poluentes que podem estar presentes na descarga de águas residuais. A redução de óleo e graxa é frequentemente necessária antes dos sistemas de tratamento de águas residuais biológicas, pois o excesso de O&G pode sujar o equipamento e reduzir a eficiência da absorção de oxigênio dos microrganismos do lodo ativado.
As seções posteriores deste capítulo discutem as técnicas de desbaste de óleo e flutuação de ar dissolvido (DAF) para remoção de O&G.
Muitos fluxos de águas residuais contêm compostos ácidos ou alcalinos (básicos). Estes podem prejudicar seriamente os organismos aquáticos. Uma faixa comum de pH de descarga de NPDES é de 6,0–9,0. (Algumas diretrizes locais ou regionais podem ter uma faixa ligeiramente diferente.)
O Capítulo 7forneceu detalhes sobre a alimentação de biocidas oxidantes e não oxidantes para o controle da incrustação microbiológica do sistema de resfriamento. A redução das concentrações de biocidas residuais na descarga da fábrica pode ser necessária para alguns sistemas de águas residuais.
Em refinarias, plantas petroquímicas e instalações relacionadas, produtos químicos orgânicos frequentemente aparecem em fluxos de águas residuais. Esses compostos podem variar de pequenas moléculas a grandes cadeias, e alguns podem ser diretamente tóxicos para criaturas aquáticas, animais e humanos. Além disso, orgânicos e O&G (e nutrientes como nitrogênio e fósforo) influenciam diretamente a demanda bioquímica de oxigênio (BOD) e a demanda química de oxigênio (COD) das águas receptoras.
O teste BOD5 mede as cargas de poluentes orgânicos em águas residuais. De acordo com a Referência 2, o DBO “é comumente medido pela determinação da quantidade de oxigênio utilizada por organismos aquáticos adequados durante um período de cinco dias enquanto se decompõe poluentes orgânicos”. Os testes de BOD são geralmente necessários para efluentes de águas residuais industriais e municipais. Muitas fábricas industriais não têm o pessoal ou equipamento treinado para realizar análises BOD5 e devem enviar amostras para um laboratório certificado.
O teste COD emprega um oxidante químico forte, o dicromato de potássio, para oxidar matéria orgânica de todos os tipos. Normalmente, as análises de COD produzem uma leitura mais alta do que os resultados de BOD porque mais compostos são quimicamente oxidados do que biologicamente oxidados. As análises de COD podem ser realizadas em duas a três horas e são um parâmetro importante para monitorar o desempenho do tratamento de águas residuais. Empresas comoHach,CHEMetrics eCole Parmeroferecem equipamentos analíticos para realizar análises de amostras COD no local.
Espécies de nitrogênio (principalmente amônia e nitrito/nitrato) e fósforo (como fosfatos) fornecem nutrientes primários aos micro-organismos e criam demanda de oxigênio no fluxo receptor se diretamente descarregadas para os corpos receptores de água. As flores de algas tóxicas tornaram-se um grande problema em muitas áreas do país e estão fortemente correlacionadas com descargas de nutrientes e águas receptoras. Fontes não pontuais (escoamento agrícola, etc.) fornecem uma parte significativa dos nutrientes finalmente descarregados nas águas receptoras, embora seja bastante difícil medir e gerenciar. Fontes pontuais (instalações industriais, obras de tratamento de propriedade pública, etc.) são normalmente mais fáceis de monitorar quanto a nitrogênio e fósforo e, portanto, são mais facilmente reguladas.
Por outro lado, a amônia e o fósforo são nutrientes necessários para o tratamento de águas residuais de lodo ativado, e a alimentação direta desses nutrientes pode ser necessária para manter a proporção ideal de BOD:N:P e garantir uma operação confiável.
Testes analíticos simples estão disponíveis para medição desses compostos.
A descarga de metais pesados tem sido cada vez mais examinada pela EPA, pelas obras de tratamento de propriedade pública (POTWs) e pelas agências reguladoras estaduais nas últimas décadas devido à toxicidade material-extrema de alguns elementos; sendo o mercúrio o mais conhecido. Os limites de descarga para muitos metais estão em uma faixa baixa de microgramas por litro (μg/l, equivalente a partes por bilhão) ou mesmo nanogramas por litro (ng/l, equivalente a partes por trilhão) para mercúrio.
As indústrias mais responsáveis pela descarga de metais incluem:
Tratamento de efluentes POTW como reposição de planta industrial
Cada vez mais, por mandato ou escolha, as instalações industriais estão aceitando efluentes da POTW como composição. Como essa água muitas vezes só recebeu tratamento secundário na estação de águas residuais, ela ainda contém concentrações significativas de amônia e nitrito/nitrato, fosfato, orgânicos, sólidos suspensos e micróbios. Esses constituintes podem iniciar e exacerbar a incrustação microbiológica grave em sistemas de resfriamento e outras redes de água. Alguns dos compostos, mais notavelmente as espécies de nitrogênio e muitos dos orgânicos, não são capturados por clarificação/filtração convencional. Métodosdetratamento microbiológico surgiram para plantas que lidam com esses problemas, incluindo biorreatores de membrana (MBR) e biorreatores de leito móvel (MBBR). Um esquema básico de um MBR está incluído abaixo.
Figura 2.25. Projeto básico do MBR
O processo fundamental de MBR envolve a reciclagem do lodo ativado, de modo que os microrganismos benéficos consumam os alimentos e nutrientes introduzidos no vaso principal a partir da zona de mistura. Um fluxo de reciclagem ajuda a trazer organismos ativos e bem estabelecidos para a entrada da zona de mistura. Uma diferença significativa entre o MBR e o lodo ativado convencional é o uso de membranas de microfiltro no lugar de um clarificador tradicional para separação sólido-líquido no efluente. O processo de microfiltração produz um fluxo transparente, essencialmente livre de sólidos suspensos. Embora a amônia no fluxo seja convertida em nitrito/nitrato, uma limitação desse processo básico de MBR é que o nitrogênio permanece no fluxo. Portanto, o nitrogênio ainda funciona como um nutriente no sistema de água de resfriamento da planta. Se necessário, isso pode ser mitigado expandindo o sistema MBR para incluir câmaras de reação anóxica ou anaeróbica contendo microorganismos que convertem nitrito/nitrato em nitrogênio elementar.
O MBBR emprega um recipiente agitado com meio plástico móvel que circula dentro do compartimento. Esses meios fornecem locais para os micróbios se depositarem e desenvolverem colônias saudáveis. O MBBR se assemelha a uma versão moderna da antiga tecnologia de leito de gotejamento para tratamento de águas residuais. Ao contrário do MBR, os micro ou ultrafiltros que polim o efluente MBBR devem estar localizados externamente ao recipiente de reação.
Figura 2.26a-b. Meio comum para MBBR, antes do biofilme (2.26a) e após (2.26b) a fixação do biofilme.
Microfiltração e ultrafiltração
Conforme descrito anteriormente, a clarificação combinada com a filtração multimídia tem sido uma tecnologia comum há muito tempo para o pré-tratamento de reposição, com um objetivo principal de remoção de sólidos suspensos a montante de sistemas de água de reposição de alta pureza. Tecnologias adicionais de membranas, mais notavelmente micro e ultrafiltração, surgiram como métodos para reduzir ainda mais a carga de sólidos suspensos nas membranas de OR e resinas de troca iônica. As aplicações foram estendidas para tratamento municipal de água e águas residuais, produção de alimentos e bebidas e para a indústria de petróleo e gás. Muitas vezes, esses sistemas servem como substitutos diretos para clarificação convencional de sólidos suspensos e filtração multimídia.
A Figura 2.1 ilustra os intervalos de filtração de MF, UF, nanofiltração (NF) e RO. MF e UF são estritamente para filtração de partículas, enquanto NF e RO removem íons dissolvidos.
Existem três projetos potenciais para membranas MF/UF:
Fibra oca
Tubular
Ferida em espiral
O design de fibra oca é mais comum, com sistemas pressurizados e a vácuo disponíveis. Um exemplo de um sistema pressurizado está incluído abaixo.
Figura 2.27. Vista em corte das membranas de fibra oca tipo espaguete em um recipiente de pressão MF. Foto cedida pela Pall Corporation.
Um diâmetro externo de 0,7–1,5 mm e um diâmetro interno de 0,3–0,9 mm são as dimensões comuns para cada membrana .
Figura 2.28. Vista ampliada de uma única membrana da Figura 2.27. O caminho do fluxo nessas membranas é de fora para dentro. Foto cedida pela Pall Corporation.
A figura abaixo mostra a disposição do vaso de pressão para um sistema de microfiltração de 300 gpm.
Figura 2.29. Configuração de vaso de pressão para um sistema de 300 gpm. Foto de Brad Buecker.
Polietersulfona (PES), fluoreto de polivinilideno (PVDF), polipropileno (PP) e polissulfona (PS) são exemplos de materiais de membrana típicos, sendo PES e PVDF os mais comuns. Cada uma é hidrofílica, o que significa que a superfície do lúmen fica completamente umedecida, oferecendo resistência à incrustação orgânica. O PES tem permeabilidade ligeiramente superior à do PVDF. Com relação à limpeza off-line, o PES tem uma tolerância cáustica maior (para remoção de matéria orgânica e microbiológica durante limpezas off-line), enquanto o PVDF tem uma tolerância ao cloro e durabilidade da membrana mais altas. Esses são fatores importantes ao decidir qual material é melhor para uma fonte de água específica.
Os filtros multimídia descritos anteriormente no capítulo podem produzir efluentes com turbidez próxima de 1 NTU, enquanto os efluentes MF e UF são normalmente muito mais limpos. Por exemplo, um microfiltro instalado como substituição direta a um clarificador antigo reduziu a turbidez da água de alimentação para uma unidade de OR de 1,0 NTU para menos de 0,05 NTU1. Isso levou a uma redução drástica na limpeza do filtro e da membrana do cartucho de OR, e prolongou a vida útil da membrana.
Os sistemas pressurizados têm um caminho de fluxo de dentro para fora ou de fora para dentro. Em contraste, os projetos submersíveis, onde as membranas são suspensas em um tanque com a água de alimentação, utilizam um caminho de fluxo de fora para dentro, com um vácuo suave puxando a água para o núcleo central das membranas.
Os critérios comuns de seleção de membrana ou sistema incluem:
O caminho do fluxo de dentro para fora é adequado para baixas concentrações de sólidos suspensos.
Fora para dentro é superior para níveis mais altos de sólidos suspensos devido à melhor eficiência de retrolavagem.
Membranas submersíveis são comuns para aplicações de alto TSS, como tratamento de água residual/recuperável em um reator biológico de membrana (MBR). As membranas são colocadas na extremidade do efluente do recipiente para maximizar o tempo de permanência para que as reações microbiológicas ocorram.
As membranas de fora para dentro têm uma área de superfície aproximadamente três vezes maior que a dos módulos de dentro para fora, enquanto os sistemas submersíveis normalmente operam a uma taxa de fluxo menor do que os sistemas pressurizados.
A taxa de fluxo representa a taxa de fluxo volumétrica dividida pela área de superfície da membrana, e é uma medição fundamental da saída e desempenho de MF/UF. As medições comuns da taxa de fluxo são galões/pé2/dia ou litros/m2/h. A taxa de fluxo alcançável ou necessária para qualquer aplicação depende do fabricante da membrana, caminho do fluxo, material da membrana, características da água e temperatura da água. O fluxo é influenciado pela pressão transmembrana (TMP), que é a diferença entre as pressões de alimentação e do filtrado.
Calcular o fluxo e TMP como uma razão fornece apermeabilidade, expressa como gfd/psi, do sistema, que pode ser usada para determinar o desempenho operacional.
J = P/R
Onde J = fluxo de filtrado (gfd).
Q= fluxo de filtrado em galões por dia (gpd).
A = área de superfície da membrana (pés2).
TMP = ((PT + PB)/2) – PF
Onde TMP = Pressão transmembrana (psi).
PT = Pressão da água de alimentação na parte superior do filtro (psi).
PB = Pressão da água de alimentação na parte inferior do filtro (psi).
PF = Pressão do filtrado (psi).
O termo fluxo específico refere-se ao fluxo de filtrado que foi normalizado para pressão transmembrana.
FTM = F/ TMP20°C
Onde FTM = Fluxo específico (gfd/psi).
F = fluxo de filtrado (gfd).
TMP20°C = PRESSÃO TRANSMEMBRANA COMPENSADA POR TEMPERATURA (PSI).
A MF/UF utiliza uma combinação de filtração de fluxo cruzado e sem saída, onde a água de alimentação flui paralelamente à superfície da membrana, permitindo que partículas se acumulem dentro das membranas. As partículas devem ser removidas periodicamente com um processo de retrolavagem/limpeza do ar. Por exemplo, no sistema mostrado na Figura 2.29, a sequência de produção típica é de 20 minutos seguida por uma retrolavagem/lavagem de ar de um minuto. Embora a retrolavagem nesta aplicação seja iniciada em uma base cronometrada, a retrolavagem desencadeada por um aumento no TMP também pode ser considerada uma alternativa.
Algumas águas podem conter impurezas que causam incrustação além dos sólidos suspensos “normais” que existem em águas de superfície ou estão presentes no efluente de um sistema de clarificador/amaciante a montante. Por exemplo, devido ao seu tamanho pequeno, os coloides podem obstruir as membranas. Partículas finas de ferro podem fazer o mesmo. Coagulantes ou floculantes orgânicos podem adsorver na superfície da membrana. Óleo e graxa também são agentes poluentes em potencial e podem cegar rapidamente as membranas e são difíceis de remover. A incrustação microbiológica também é preocupante. Se as membranas forem de material PES ou PVDF, no entanto, a oxidação da alimentação de biocidas a montante da unidade é comum para minimizar a incrustação microbiológica.
Um recurso adicional dos projetos MF/UF é a retrolavagem quimicamente aprimorada (CEB). Após um número definido de retrolavagens padrão, o CEB é iniciado. O CEB introduz um produto químico ou produtos químicos para combater poluentes problemáticos. Por exemplo, se os óxidos de ferro são um problema, o ácido cítrico é uma escolha comum. O ácido cítrico reduz o pH, mas é um quelante que pode dissolver o ferro. Se compostos orgânicos e/ou micróbios forem problemáticos, o CEB normalmente incluirá cáustico e alvejante.
As tendências de TMP e os estudos de permeabilidade são benéficos para estabelecer a frequência de CEB e as concentrações químicas. Sempre consulte e siga as diretrizes do fabricante para avaliar a tolerância química das membranas. Uma descarga curta e direta após um CEB é comum para evitar que produtos químicos residuais entrem na água produzida.
Apesar do uso de CEB, as partículas se acumularão gradualmente, exigindo um procedimento de limpeza no local (CIP) aproximadamente uma vez por trimestre ou em um intervalo semelhante. Embora o CIP seja um procedimento off-line, ele normalmente pode ser realizado dentro de um turno de trabalho padrão. Muitos dos produtos químicos CEB semelhantes, como ácido cítrico, cáustico, alvejante, também são usados para CIP em concentrações mais altas. Exemplos incluem:
Limpezas cáusticas, valores alvo de pH variam para diferentes materiais de construção: 10–11 para PVDF e 11,5–12,5 para PES.
As membranas PVDF geralmente têm maior tolerância ao cloro do que o PES.
Com a limpeza do ácido cítrico para incrustação de partículas de ferro, um agente redutor como o bissulfito de sódio (SBS) pode aliviar a incrustação interna dos poros. As dosagens variam de 1 a 3% de ácido cítrico com 0,2 a 0,4% de SBS.
Às vezes, a incrustação pode ser tão grave que é necessária uma fórmula química especial. Podem ser misturas de surfactantes, cáusticos e quelantes.
A melhor prática é seguir as diretrizes do fabricante ao desenvolver procedimentos CIP.
O parâmetro principal na determinação da frequência de CIP é um aumento na TMP ou uma diminuição na permeabilidade. A Figura 2.30 descreve uma possível curva de desempenho de TMP ao longo do tempo. O fator de correção de temperatura é aplicado aos dados de permeabilidade para contabilizar as variações sazonais e a determinação do desempenho da membrana de longo prazo.
Figura 2.30. Descrição geral do aumento de TMP e os efeitos da retrolavagem e
limpeza off-line.
Com milhares de membranas em uma unidade de fibra oca típica, quebras ocasionais de membrana não são incomuns. Um aumento na turbidez do efluente pode revelar uma falha da membrana. Se houver suspeita, o método de detecção padrão é um teste de queda de pressão off-line ou um teste de retenção de vácuo. Isso envolve injetar ar no lado de alimentação do módulo de membrana e vedar o módulo. Se a pressão residual ainda estiver dentro de 90% da pressão inicial após cinco minutos, o teste será bem-sucedido. Caso contrário, é necessário um teste de bolha de ar para localizar a membrana(s) quebrada e instalar um pino na extremidade de entrada. É importante observar que alguns designs são mais estáveis do que outros. Por exemplo, a unidade mostrada na Figura 2.29 operou por anos sem falha de membrana.
Aplicações adicionais de MF/UF
MF e, particularmente, UF estão se tornando mais comuns como componentes-chave dos sistemas de tratamento de água potável. Poros de membrana menores que 0,1 mícron podem obter remoção total de patógenos como cistos de giardia ou oocistos de criptosporídio, que variam em tamanho de 3 a 10 mícrons. A integridade da fibra é importante, principalmente devido a problemas relacionados à saúde humana. Qualquer método que valide a integridade deve ser sensível o suficiente para detectar com precisão e consistência um defeito de 3 mícrons. O teste de integridade da membrana on-line é vital para garantir que a qualidade da água atenda constantemente às regulamentações de consumo de água potável.
Como discutido anteriormente no capítulo, MF e UF estão se tornando cada vez mais populares como substitutos para clarificadores padrão (não unidades de amaciamento de cal). Devido a essa mudança, no entanto, uma questão preocupante é a remoção do TOC. Se a concentração de TOC de água bruta for significativa, MF ou UF isoladamente pode ser insuficiente para proteger o equipamento a jusante, pois as taxas de remoção flutuam entre 20 e 80%.
A ChemTreat ajuda uma vinícola a melhorar a eficiência do sistema de OR e a reduzir a frequência da limpeza
A osmose reversa é comumente usada para desmineralização a granel, seguida por polimento por troca iônica. O principal material para a maioria das membranas de OR é a poliamida, que é suscetível a ataques por biocidas oxidantes, particularmente o cloro. Normalmente, as membranas podem tolerar 1.000 ppm-horas de cloro livre, o que significa que elas podem sobreviver por 1.000 horas em um ambiente de cloro livre de 1 ppm ou uma hora em um ambiente de cloro de 1.000 ppm, com qualquer combinação intermediária. Para manter as melhores práticas, o biocida oxidante deve ser removido antes do contato com as membranas de OR. (Os oxidantes também degradarão as resinas de troca iônica.) Metais de transição como ferro, cobre ou cobalto atuam como catalisadores oxidantes e podem acelerar a degradação da membrana.
A filtração de carvão ativado e a injeção do agente redutor são os dois métodos primários usados para remover biocidas oxidantes da alimentação de OR/desmineralizador. Conforme observado, biocidas oxidantes reagem dentro das primeiras polegadas do leito de carbono, deixando o restante do leito como um local de reprodução para os organismos que sobrevivem ao tratamento. Consequentemente, muitos sistemas modernos não têm filtração de carvão ativado e dependem da injeção de agente redutor para remover oxidantes residuais. Embora muitos agentes redutores estejam disponíveis, os dois mais comuns são:
Bissulfito de sódio (NaHSO3, o agente redutor mais comum e barato, geralmente fornecido como uma solução líquida a 30%)
Metabissulfito de sódio (Na2S2O5, forma granular de bissulfito de sódio)
As reações desses dois compostos são mostradas abaixo.
2HOCl + 2NaHSO3 → 2H2SO4 + 2NaCl Eq. 2-14
2HOCl + Na2S2O5 + H2O → 2H2SO4 + 2NaCl Eq. 2-15
O ponto de injeção deve estar o mais próximo possível dos filtros de cartucho RO, preferencialmente após os filtros. Alguns organismos entram em hibernação quando contatados por um biocida oxidante e, em seguida, ressurgim assim que o resíduo do biocida desaparece. Os micróbios podem então estabelecer grandes colônias em pré-filtros e membranas de OR. Por isso, é fundamental ter a injeção de descloração o mais próximo possível das membranas ou resina.
É vital realizar monitoramento contínuo após o ponto de injeção do agente redutor. A medição primária é o cloro residual, com potencial de oxidação-redução (ORP) como reserva.
Figura 2.31. Hach CL-17 analisador de cloro contínuo. Foto por cortesia da Hach.
O objetivo principal é implementar um sistema de alarme para detectar inconsistências na alimentação do agente redutor, garantindo que as membranas de OR estejam protegidas. Para controle aprimorado, o pessoal da fábrica pode usar sinais do analisador para regular a alimentação do agente redutor. No mínimo, os sinais podem desencadear um aumento na alimentação caso o residual de cloro seja observado no analisador.
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Sistemas de pré-tratamento bem projetados, meticulosamente mantidos e operados profissionalmente são essenciais para evitar corrosão, incrustação e incrustação em água de resfriamento, reposição de alta pureza e outros sistemas em instalações industriais e comerciais. Análises históricas detalhadas de água bruta são essenciais ao projetar um sistema. Isso garante que o sistema seja adequadamente adaptado à química da água bruta e suas possíveis alterações, evitando assim a necessidade de remoção de sistemas inadequadamente projetados.
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Buecker, B., “Microfiltração: uma abordagem ascendente e futura para o pré-tratamento para a indústria de energia”; 26o workshop anual de química de concessionárias de energia, 9 de maio-11, 2006, Champaign, Illinois.
Post, R. e Buecker, B., “Grey Water – A Sustainable Alternative for Cooling Water Makeup”; International Water Conference, 4 de novembro-8, 2018, Scottsdale, Arizona.
Hydranautics, “Pré-tratamento químico para OR e NF”, Aplicação técnica cód. cat. 111.
Sobre os autores
Katie Perrymam
Gerente, Pré-tratamento
Katie Perryman, gerente de pré-tratamento, é bacharel em Química pelo Virginia Polytechnic Institute e trabalha em tratamento de água industrial desde 2014, com foco na separação de membranas e troca de íons. Ela está fortemente envolvida na consulta e solução de problemas de sistemas de pré-tratamento em vários setores e aplicações. Ela se apresentou em várias conferências e gerencia o programa de treinamento de carreira inicial da ChemTreat.
Brad Buecker
Presidente da Buecker & Associates, LLC
Brad Buecker é presidente da Buecker & Associates, LLC e, mais recentemente, atuou como publicitário técnico sênior na ChemTreat. Tem mais de quatro décadas de experiência ou apoio à indústria de energia, grande parte dela em química de geração de vapor, tratamento de água e controlo de qualidade do ar. Buecker tem uma licenciatura em Química pela Iowa State University. Foi autor ou coautor de mais de 250 artigos para várias revistas técnicas de comércio e escreveu três livros sobre química de centrais elétricas e controlo da poluição atmosférica. Participa no Conselho Consultivo Editorial de Tecnologia da Água e é membro do comité de planeamento da ACS, AIChE, AIST, ASME, NACE (agora AMPP) e da Oficina de Química de Serviços Eléctricos.
Ed Sylvester
Diretor; Tecnologias de filtração, troca iônica e membrana
Ed Sylvester começou a trabalhar no tratamento de água em 1976, enquanto atuava na Marinha dos EUA. Como diretor de tecnologias de troca iônica e membranas da ChemTreat, Sylvester recebeu reconhecimento da empresa por seu envolvimento em projetos de economia de energia e seu apoio a clientes nas indústrias de etanol, hidrocarboneto, química e de médio porte. Suas áreas de especialização incluem pré-tratamento (filtração de membrana, troca de íons e clarificação) e tratamento de caldeira de alta pressão.
Li Yang
Consultor técnico, tecnologias de membrana
Li Yang é Ph.D. em Engenharia Química pela Nanjing Tech University e está na ChemTreat desde 2014. Suas áreas de especialização incluem formulação e aplicação de anti-incrustantes/limpadores, solução de problemas de membranas e suporte em campo.
Oscar Echeverri
Consultor de serviços técnicos
Depois de obter seu bacharelado em biologia pela Old Dominion University, Oscar entrou no campo do tratamento de água. Atualmente, ele tem mais de 23 anos de experiência em tratamento de água industrial, com sólida experiência em operações, serviços e comissionamento de equipamentos de pré-tratamento e aplicações de água pura.
Jean M. Gucciardi
Consultor da equipe técnica da ChemTreat, aposentado
Jean Gucciardi trabalhou em tratamento de água industrial por quase quatro décadas, concentrando-se em aplicações de afluentes, caldeiras, resfriamento e águas residuais. Gucciardi foi publicada em várias publicações do setor ao longo de sua carreira. Ela é bacharel e mestre em Engenharia Ambiental pela Universidade de Wisconsin.
David Marturana
Consultor técnico sênior
Dave Marturana trabalha em tratamento de água industrial desde 1981 e ingressou na ChemTreat em 2008. Ele é bacharel em Engenharia Química e Engenheiro Profissional licenciado na Comunidade da Pensilvânia. Consultora de aplicações para tratamento de água de efluentes industriais e afluentes, a Marturana tem ampla experiência em seleção e otimização de coagulantes e floculantes, tratamento primário e biológico de águas residuais, tratamento municipal de águas cinzentas e aplicações de drenagem de lodo.
Embora aplicações como reposição de torre de resfriamento ou água de serviço para a infraestrutura da usina de lavagem possam ser simples, outras aplicações exigem água de alta pureza.
