EFICIÊNCIA DE MEMBRANAS FILTRANTES DE …

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EFICIÊNCIA DE MEMBRANAS FILTRANTES DE NANOFILTRAÇÃO E OSMOSE INVERSA NO PÓS- TRATAMENTO DE ESGOTO DOMÉSTICO ROMERITO MORAIS DA NÓBREGA TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO NATAL-RN 2016 U F R N

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NANOFILTRAÇÃO E OSMOSE INVERSA NO PÓS-
TRATAMENTO DE ESGOTO DOMÉSTICO
ROMERITO MORAIS DA NÓBREGA
NATAL-RN
2016
CENTRO DE TECNOLOGIA
E OSMOSE INVERSA NO PÓS-TRATAMENTO DE ESGOTO
DOMÉSTICO
Monografia, submetido ao Departamento de
Engenharia Civil da Universidade Federal do
Rio Grande do Norte como parte dos requisitos
necessários para a obtenção do Título de
Bacharel em Engenharia Civil.
Coorientador (a): Larissa Caroline Saraiva Ferreira
NATAL/RN, 01 DE JUNHO DE 2016
SUMÁRIO
3.2 Principais membranas utilizadas no processo de separação ........... 13
3.2.1 Microfiltração .................................................................................... 14
3.2.2 Ultrafiltração ...................................................................................... 14
3.2.3 Nanofiltração ..................................................................................... 14
3.4.1 Módulo com fibra oca ....................................................................... 17
3.4.2 Módulo espiral .................................................................................. 18
3.6.1 Classificação dos tipos de reúso ...................................................... 21
3.6.2 Reúso na indústria ............................................................................ 22
4 MATERIAIS E MÉTODOS ............................................................................ 27
4.1 Características das membranas .......................................................... 27
4.2 Obtenção dos permeados .................................................................... 31
4.3 Limpeza das membranas ...................................................................... 32
4.4 Métodos analíticos ................................................................................ 33
5.1 Nanofiltração ......................................................................................... 36
5.3.1 Água de caldeira ............................................................................... 38
5.3.2 Água para torre de resfriamento ....................................................... 40
5.3.3 Polo Petroquímico da Região do ABC Paulista (Aquapolo) .............. 41
5.3 Comparação entre as membranas ....................................................... 43
6 CONCLUSÃO ............................................................................................... 45
7 REFERÊNCIAS ............................................................................................. 46
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Desenho esquemático do processo de separação por membranas.
Figura 2: Módulo de membrana de fibra oca.
Figura 3: Módulo espiral utilizando membranas planas.
Figura 4: Comparação esquemática entre Filtração Convencional (Filtração
frontal) e a Filtração em Escoamento Tangencial ou Filtração Tangencial.
Figura 5: Detalhe do sistema de Ultrafiltração: painel elétrico (A), membrana de
ultrafiltração (B) e painel hidráulico (C).
Figura 6: Detalhe do sistema de osmose inversa: painel hidráulico (A), tanque
de permeado (B), tanque de alimentação (C) e bomba hidráulica (D).
Figura 7: Detalhe do suporte em aço inox das membranas de nanofiltração e
osmose inversa.
Figura 8: Etapas do módulo experimental. 1) Alimentação 2) Entrada do
afluente na membrana 3) Saídas das corrente líquida do permeado 4) Saída da
corrente líquida do concentrado.
Tabela 2: Critérios de Qualidade Requeridos para Água de Caldeiras.
Tabela 3: Qualidade da água recomendada para torres de resfriamento.
Tabela 4: Qualidade da água para reúso industrial no empreendimento Aquapolo.
Tabela 5: Características das membranas.
Tabela 6: Parâmetros e métodos utilizados para as análises físico-químicas.
Tabela 7: Valores do limite superior referentes ao gráfico box plot para alguns
parâmetros.
Tabela 8: Valores médios do permeado nas membranas de NF e OI.
Tabela 9: Dados de leitura estatística do Teste-t.
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1: Comparação estatística entre as variáveis estudadas e o padrão do
fabricante na NF
Gráfico 2: Comparação estatística entre as variáveis estudadas e o padrão do
fabricante na OI
Gráfico 8: Amônia – Reúso Projeto Aquapolo
Gráfico 9: Fósforo total – Reúso Projeto Aquapolo
RESUMO
O uso de membranas filtrantes no pós-tratamento de esgoto vem sendo
empregado na produção de águas de reúso, a fim de diminuir a utilização de
água potável advinda das concessionárias de distribuição, para fins que não o
necessitem. No caso do setor industrial, por exemplo, existe uma demanda por
água com elevado grau de pureza. Com isso, o objetivo desse trabalho foi
verificar a eficiência do uso das membranas de nanofiltração e osmose inversa
no pós-tratamento de esgoto doméstico, bem como avaliar a possibilidade de
reúso do permeado no ramo da indústria, que requer água com padrão mais
nobre. Para isso, o efluente, antes já tratado em sistema de decanto-digestor e
filtros biológicos, foi filtrado em uma membrana de ultrafiltração, cujo permeado
alimentou as membranas de NF e OI. Os permeados de cada filtração eram
coletados e enviados ao laboratório para análise de bicarbonato, cálcio, fósforo
total, magnésio, cloreto, amônia, sódio, potássio e condutividade. Ao final,
concluiu-se que os módulos estudados são eficientes, apresentando um
permeado compatível com reúso para caldeiras e torres de resfriamento,
ambos no ramo da indústria. Além disso, verificou-se que para a maioria das
variáveis as membranas de nanofiltração e osmose inversa não houve
diferença estatística significativa, sendo, portanto, necessário o uso apenas da
membrana de NF, por motivos de menores gastos energéticos e de operação,
uma vez que a membrana de nanofiltração requer uma pressão de trabalho
menor que a de osmose inversa.
Palavras-chave: Membranas filtrantes. Nanofiltração. Osmose inversa.
Permeado. Águas de reúso industrial.
9
O lançamento indiscriminado de esgotos em estado bruto ou com
tratamento insuficiente, ou seja, sem a remoção necessária de nutrientes,
matéria orgânica e organismos patogênicos, tem comprometido a qualidade
dos mananciais e agravado os impactos ambientais e sociais advindos da
escassez de água em certas regiões.
Por exemplo, nas regiões áridas e semiáridas, a água se tornou um fator
limitante para o desenvolvimento urbano, industrial e agrícola, tendo em vista a
ausência de chuvas e, portanto, a pouca disponibilidade de reservas de água
doce. Planejadores e entidades gestoras de recursos hídricos, procuram,
continuadamente, novas fontes de recursos para complementar a pequena
disponibilidade hídrica ainda disponível (HESPANHOL, 2002). Além disso, o
esgotamento progressivo das reservas de água potável e/ou os altos custos de
mobilização de novos mananciais, localizados a grandes distâncias dos centros
consumidores, levou muitas empresas de saneamento básico a considerar
tecnologias de filtração por membranas para reciclar águas residuárias
(SCHNEIDER e TSUTIYA, 2001).
Dessa forma, desenvolver sistemas de tratamento de esgoto, que sejam
eficazes, tanto do ponto de vista econômico quanto operacional, ou seja,
redução dos custos e menores áreas de implantação, respectivamente, é viável
não apenas por ser uma fonte alternativa de reabastecimento dos corpos
hídricos, mas também por possibilitar o uso do esgoto tratado para
determinados fins, como por exemplo, irrigação de canteiros, lavagem de ruas
e praças, irrigação agrícola etc.
No ramo industrial, existem alguns processos, a exemplo de câmaras de
refrigeração e caldeiras, que demandam água com elevada qualidade, ou seja,
sem a presença de sais, sólidos totais, turbidez, nitrogênio e fósforo total, que
atualmente é fornecida pelas concessionárias de água (SCHNEIDER e
TSUTIYA, 2001). Portanto, usar uma tecnologia que permita, com o pós-
tratamento do esgoto doméstico, a produção de água que atenda às condições
de qualidade necessárias para esses setores, é fundamental tendo em vista a
10
preservação da quantidade e qualidade dos corpos hídricos e redução dos
custos com água obtida pelas distribuidoras. Nesse sentido, a tecnologia de
membranas, especificamente de Nanofiltração e Osmose Inversa, tem se
destacado, uma vez que, é capaz de eliminar contaminantes físicos, químicos e
microbiológicos dos esgotos.
No que diz respeito ao reúso, o Conselho Nacional de Recursos Hídricos
(CNRH) considera que se constitui em prática de racionalização e de
conservação de recursos hídricos, conforme princípios estabelecidos na
Agenda 21, podendo tal prática ser utilizada como instrumento para regular a
oferta e a demanda de recursos hídricos; além disso, reduz a descarga de
poluentes em corpos receptores, conservando os recursos hídricos para o
abastecimento público e outros usos mais exigentes quanto à qualidade, como
também, diminui os custos associados à poluição, contribuindo para a proteção
do meio ambiente e da saúde pública.
Portanto, é de fundamental importância estudar o uso de membranas
filtrantes como tecnologia eficiente na produção de águas de reúso com
elevado grau de pureza.
2.1 Objetivo geral
Analisar a eficiência do uso de membranas de Nanofiltração e Osmose
Inversa no pós-tratamento de esgoto doméstico na produção de permeados
com elevado grau de pureza.
2.2 Objetivos específicos
Comparar a eficiência entre as membranas de Nanofiltração e Osmose
Inversa;
Verificar a possibilidade do reúso dos permeados das membranas de
nanofiltração e osmose inversa em água de caldeira e torres de
resfriamento;
pelo fabricante.
3.1 Processo de separação por membranas
A partir do início da década de 1970, em adição aos processos clássicos
de separação como destilação, filtração, absorção, troca iônica, centrifugação,
extração por solvente, cristalização e outros, surge uma nova classe de
processos que utilizam membranas sintéticas como barreira seletiva. As
membranas sintéticas surgem como uma tentativa de se assemelhar as
membranas naturais, em particular quanto as suas características únicas de
seletividade e permeabilidade (HABERT, BORGES E NOBREGA, 2006).
Uma membrana pode ser definida como um filme fino sólido que separa
duas soluções e atua com barreira seletiva para o transporte de componentes
destas soluções, quando aplicada algum tipo de força externa (Figura 1). As
forças externas que impulsionam a filtração em membranas utilizadas em
saneamento básico são pressão, sucção ou potencial elétrico (SCHNEIDER e
TSUTIYA, 2001).
Conforme mostra a figura abaixo, o processo de filtração resultará em
duas fases: permeado e concentrado. O permeado é todo componente que
conseguiu atravessar a membrana, enquanto o concentrado é uma corrente
líquida que não conseguiu atravessar a membrana, ou seja, ficando retida
contendo os compostos rejeitados.
Figura 1. Desenho esquemático do processo de separação por membranas.
Fonte: Chamon (2011)
A filtração por membrana envolve a separação de dissolvidos, coloidais
e partículas constituintes a partir de um fluido pressurizado usando materiais
microporosos. Em geral, os processos de separação por membranas são
classificados em termos do tamanho dos poros ou do peso molecular de corte
e da pressão aplicada. Com base no tamanho dos poros, as membranas são
classificadas em quatro grupos principais, a saber, Microfiltração (MF),
Ultrafiltração (UF), Nanofiltração (NF) e Osmose Inversa (OI), conforme
podemos ver na tabela 1 (VIGNESWARAN et al., 2012). Além disso, os
processos de separação com membranas utilizam diferença de pressão
através da membrana como força motriz e têm sido utilizados para concentrar,
fracionar e purificar soluções diluídas, em particular soluções aquosas
(HABERT, BORGES E NOBREGA, 2006).
As membranas de NF e OI são consideradas como barreira final, uma
vez que, removem vários tipos de contaminantes, como por exemplo, matéria
orgânica natural, nutrientes, subprodutos da desinfecção e compostos
desreguladores endócrinos, das quais, por tratar-se de processos de
separação, a eficácia das membranas é geralmente medida pelo parâmetro
denominado rejeição (r), que é definido como o quociente da concentração do
material rejeitado no permeado dividido pela sua concentração no canal de
alimentação (SCHNEIDER e TSUTIYA, 2001).
3.2 Principais membranas utilizadas no processo de separação
Tabela 1: Principais tipos de membranas
MEMBRANA POROSIDADE MATERIAL RETIDO
Microfiltração 0,1 µm Protozoários, bactérias, vírus (maioria), partículas
Ultrafiltração 1.00 – 100.000 D + coloides, totalidade dos vírus
Nanofiltração 200 – 1.000 D + íons divalentes e trivalentes, moléculas orgânicas com
tamanho maior do que a porosidade média da membrana
Osmose Inversa < 200 D + íons, praticamente toda a matéria orgânica
Fonte: SCHNEIDER e TSUTIYA (2001)
14
3.2.1 Microfiltração
A microfiltração (MF) é o processo de separação com membranas mais
próximo da filtração clássica. Utiliza membranas porosas com poros na faixa
entre 0,1 e 10 μm (100 e 10.000 nm), sendo, portanto indicado para a retenção
de bactérias, protozoários, maioria dos vírus e materiais em suspensão e
emulsão. Como as membranas de MF são relativamente abertas, as pressões
empregadas como força motriz para o transporte são pequenas, dificilmente
ultrapassando 3 bar. Na MF o solvente e todo o material solúvel permeia a
membrana. Apenas o material em suspensão é retido (HABERT, BORGES e
NOBREGA, 2006).
3.2.2 Ultrafiltração
técnica de separação por membrana utilizada para segregar substâncias de
acordo com o peso e tamanho molecular, sendo baseada em um diferencial de
pressão através da membrana semipermeável. É um processo conduzido de
pressão, operando numa faixa mais baixa de 100-1.000 kPa (VIGNESWARAN
et al., 2012).
Sendo assim, é um processo utilizado quando se deseja purificar e
fracionar soluções contendo macromoléculas. As membranas de UF
apresentam poros na faixa entre 1 e 100 nm, portanto mais fechadas do que as
membranas de MF. Soluções contendo solutos numa ampla faixa de massa
molar (103 – 106 Dalton) podem ser tratadas por este processo. Como os
poros das membranas de UF são menores, uma força motriz maior é
necessária para obter fluxos de permeados elevados o suficiente para que o
processo possa ser utilizado industrialmente. Por este motivo as diferenças de
pressão através da membrana variam na faixa de 2 a 10 bar (HABERT,
BORGES e NOBREGA, 2006).
3.2.3 Nanofiltração
A nanofiltração (NF) é o processo de separação por membranas, cuja
técnica é capaz de separar soluções heterogêneas e solutos que se encontram
15
dissolvidos na água. A membrana atua como uma barreira seletiva, ou seja,
permite apenas a passagem de determinados componentes, enquanto impede
a passagem de outros. Essa técnica retém os sais bivalentes com 0,001µm
molecular e requer pressão de trabalho entre 10 a 25 bar (CHEIS, 2013).
Atualmente, é muito comum o uso da tecnologia de nanofiltração nas
indústrias farmacêuticas e alimentar, entre outros setores, como:
mineração;
ultrafiltração (UF) como exigido;
purificação dos químicos usados em limpeza em circuito fechado em
equipamentos de esterilização;
alimentos, lácteos e produtos ou coprodutos da indústria de bebidas.
3.2.4 Osmose Inversa
A osmose inversa (OI) é um processo de separação com membranas
usado quando se deseja reter solutos de baixa massa molar, tais como sais
inorgânicos ou pequenas moléculas orgânicas como glicose. Por este motivo,
as membranas de OI devem ser mais fechadas (poros menores) apresentando,
portanto, uma maior resistência à permeação e, consequentemente, pressões
de operação mais elevadas do que as utilizadas em UF. Na verdade, as
membranas de OI apresentam características intermediarias entre as
membranas porosas usadas em MF e UF e as membranas densas
empregadas em pervaporação e permeação de gases. O nome Osmose
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Inversa se deve ao fato de que neste tipo de processo o fluxo permeado é no
sentido inverso do fluxo osmótico normal (HABERT, BORGES e NOBREGA,
2006).
As membranas de osmose inversa têm sido amplamente utilizadas para
o tratamento da água, como por exemplo na produção de água de composição
ultrapura, para caldeiras em campos industriais, no processo de dessalinização
de água do mar e da água salobra na produção de água potável, além do
tratamento de águas residuais para reúso nos campos industrial e agrícola, por
exemplo (UEMURA; HENMI, 2008).
3.3 Fouling
Como a membrana é responsável por filtrar as impurezas do líquido a
ser tratado, o material retido nos poros, ou seja, aqueles que possuem
tamanho maior que o poro da membrana, acaba formando uma camada que
obstrui a membrana (processo de incrustação), tornando a filtração menos
eficaz, uma vez que é perdido fluxo no sistema. Em virtude disso, as
incrustações em membranas têm sido um dos principais obstáculos para as
suas aplicações no tratamento de água (VIGNESWARAN et al., 2012).
Dessa forma, o Fouling tem sido considerado como o problema mais
grave na operação de sistemas de NF e OI. O método usual para prevenir a
incrustação biológica é a administração contínua de cloro à água, ou, conforme
orientado pelos fabricantes, como é o caso das membranas dessa pesquisa,
que por serem de poliamida (material degradado pelo cloro) foi utilizado
hidróxido de sódio.
Portanto, é importante prever um bom sistema de pré-tratamento, pois
isto está diretamente relacionada ao aumento da vida útil das membranas, que
deixam de apresentar entupimentos prematuros e, consequentemente, de
passar por limpezas químicas frequentes, sem perda de capacidade de
filtração.
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3.4 Configurações dos módulos de membranas
O módulo é o elemento básico de um sistema de membrana que
congrega todas as estruturas necessárias para viabilizar a operação da
unidade de separação. Ele contém os seguintes elementos:
Membranas;
Estruturas de suporte da pressão, do vácuo ou da corrente elétrica
aplicados ao sistema;
Canais de alimentação e remoção do permeado e do concentrado.
Além disso, os módulos devem ser projetados para atender requisitos,
tais como: simplicidade de manuseio, facilidade de limpeza e baixo volume
morto (SCHNEIDER e TSUTIYA, 2001).
Os tipos de módulos mais comuns utilizados são módulos de placa
plana, módulos em espiral, módulos tubulares e módulos de fibra oca
(VIGNESWARAN et al., 2012). Os módulos em espiral e de fibra oca são
abordados abaixo em mais detalhes por serem os utilizados nessa pesquisa.
3.4.1 Módulo com fibra oca
As fibras ocas são caracterizadas por apresentarem um diâmetro
externo inferior a 0,5 mm. As fibras são fixadas nas duas extremidades de um
tubo, empregando uma resina, que também possibilita a vedação e separação
dos compartimentos de efluente bruto e permeado (HABERT, BORGES e
NÓBREGA, 2006).
Os módulos de fibras ocas (figura 2) são aplicados em maior escala em
sistemas de MF e UF, apresentando área de membrana por volume de módulo
de cerca de 1000 m²/m³. Essa elevada relação entre a área de permeação e o
volume do módulo constitui uma vantagem para as membranas de fibras ocas,
uma vez que há melhor utilização do espaço resultando numa redução do
custo do equipamento (SCHENEIDER e TSUTIYA, 2001).
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Figura 2: Módulo de membrana de fibra oca. Fonte: Radjenovic et al (2007)
3.4.2 Módulo espiral
O módulo espiral (figura 3) é mais utilizado em aplicações que
demandam pressões altas e intermediárias, ou seja, na NF e OI.
Nesse módulo utiliza-se a membrana entre dois espaçadores. Um
desses serve como canal de coleta para o permeado, enquanto o outro fornece
espaço para escoar a solução de alimentação. As membranas conjuntamente
com os espaçadores são enroladas em torno de um duto perfurado, para o qual
o permeado escoa. O conjunto é selado externamente com resina (SILVA,
2014).
Figura 3: Módulo espiral utilizando membranas planas. Fonte: HABERT, BORGES E NÓBREGA (2006)
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3.5 Tipos de filtração
Os módulos de membranas podem ser operados por filtração frontal e
tangencial, conforme observamos na Figura 4.
Figura 4. Comparação esquemática entre Filtração Convencional (Filtração frontal) e a Filtração em Escoamento Tangencial ou Filtração Tangencial.
Fonte: HABERT, BORGES E NÓBREGA (2006)
No caso de uma solução ou suspensão sendo processada no modo
filtração frontal, o permeado passa através da membrana e o soluto, ou os
materiais em suspensão, são retidos, acumulando-se na superfície da
membrana. Trata-se de um modo de operação fundamentalmente transiente,
uma vez que a concentração do soluto próximo à membrana aumenta com o
tempo. No caso da MF, por exemplo, de maneira análoga ao que ocorre na
filtração clássica, este acúmulo pode se traduzir na formação de depósito ou de
uma torta de filtração (HABERT, BORGES e NÓBREGA, 2006).
Já a filtração de escoamento tangencial, a solução ou suspensão, escoa
paralelamente à superfície da membrana, à medida que o permeado é
transportado transversalmente a mesma. Neste caso, o escoamento paralelo à
membrana limita o acúmulo do material retido sobre a mesma, tornando
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possível uma operação do sistema em condições de regime estabelecido de
transferência de massa. Em outras palavras, o fluxo de permeado pode
permanecer constante com o tempo, mas em um valor menor do que o obtido
com o solvente puro, na mesma pressão de operação, uma vez que o aumento
da concentração das espécies retidas próximo à superfície da membrana
provoca uma resistência adicional à transferência de massa do solvente. Note
que o aumento da concentração das espécies retidas próximo à superfície da
membrana continua presente, mas seu efeito pode ser minimizado, em
particular, alterando-se a hidrodinâmica do escoamento da corrente de
alimentação (HABERT, BORGES e NÓBREGA, 2006).
3.6 Águas de reúso
Através do ciclo hidrológico a água se constitui em um recurso
renovável. Quando reciclada através de sistemas naturais, é um recurso limpo
e seguro que é, através da atividade antrópica, deteriorado à níveis diferentes
de poluição. Entretanto, uma vez poluída, a água pode ser recuperada e
reutilizada para fins benéficos diversos. A qualidade da água utilizada e o
objeto específico do reúso, estabelecerão os níveis de tratamento
recomendados, os critérios de segurança a serem adotados e os custos de
capital, operação e manutenção associados. As possibilidades e formas
potenciais de reúso dependem, evidentemente, de características, condições e
fatores locais, tais como decisão política, esquemas institucionais,
disponibilidade técnica e fatores econômicos, sociais e culturais (HESPANHOL,
2002).
A reciclagem, de forma mais ampla, e o reúso de água, mais
especificamente, têm sido procurados como uma forma de resolver os
problemas criados pelas limitações em se dar um destino adequado aos
efluentes gerados. As alternativas de reúso encontradas a partir do paradigma
do “resíduo inevitável” limitam-se à busca de opções para se colocar os
efluentes de forma aceitável, em algum lugar. Assim, tais alternativas têm sido
desenvolvidas sob uma ótica em que o gerador do efluente procura um meio
onde o mesmo possa ser aceito, ao menor custo (AISSE et al., 2006).
21
A implantação de um sistema de reúso leva o empreendedor a investir
em melhores tecnologias de tratamento, adaptando os esgotos para um uso
previsto, impedindo assim que efluentes de qualidade inferior sejam lançados
em corpos receptores, o que resulta na diminuição da poluição hídrica (SILVA,
2014).
3.6.1 Classificação dos tipos de reúso
A água produzida a partir de efluentes de estações de tratamento ou
esgoto bruto pode atender a três mercados distintos, muito embora o reúso não
potável e o reúso potável indireto sejam os mais empregados (SCHNEIDER e
TSUTIYA, 2001):
usos que não demandam água com qualidade potável como, por
exemplo, lavagem de carros, rega de jardins, descarga em vasos
sanitários etc;
Reúso potável indireto onde a água tratada nos sistemas de
membrana é utilizada para recompor reservatórios no lençol
freático ou na superfície;
Reúso potável direto.
Em se tratando, especificamente, a água de reúso direto não potável, a
resolução 54/2005 do CNRH em seu artigo 3º, estabelece modalidades,
diretrizes e critérios gerais para a prática do reúso direto não potável de água,
conforme descritos a seguir:
I - reúso para fins urbanos: utilização de água de reúso para fins de
irrigação paisagística, lavagem de logradouros públicos e veículos,
desobstrução de tubulações, construção civil, edificações, combate a incêndio,
dentro da área urbana;
II - reúso para fins agrícolas e florestais: aplicação de água de reúso
para produção agrícola e cultivo de florestas plantadas;
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III - reúso para fins ambientais: utilização de água de reúso para
implantação de projetos de recuperação do meio ambiente;
IV - reúso para fins industriais: utilização de água de reúso em
processos, atividades e operações industriais; e,
V - reúso na aquicultura: utilização de água de reúso para a criação
de animais ou cultivo de vegetais aquáticos.
3.6.2 Reúso na indústria
processamento, alimentação de caldeiras, lavagem, transporte de material,
podendo também integrar o processo industrial. Os requisitos de qualidade da
água para reúso são função da aplicação específica, sendo impossível de
serem generalizados. Aproximadamente 75% de todo reúso industrial destina-
se a refrigeração (CROOK, 1993)
De uma maneira genérica, pode-se dizer que a água encontra as
seguintes aplicações na indústria (CROOK, 1993):
Consumo humano: água utilizada em ambientes sanitários, vestiários,
cozinhas e refeitórios, bebedouros, equipamentos de segurança (lava-
olhos, por exemplo) ou em qualquer atividade doméstica com contato
humano direto;
Matéria Prima: como matéria-prima, a água será incorporada ao produto
final, a exemplo do que ocorre nas indústrias de cervejas e refrigerantes,
de produtos de higiene pessoal e limpeza doméstica, de cosméticos, de
alimentos e conservas e de fármacos, ou então, a água é utilizada para
a obtenção de outros produtos, por exemplo, o hidrogênio por meio da
eletrólise da água;
Uso como fluido auxiliar: a água, como fluido auxiliar, pode ser utilizada
em diversas atividades, destacando-se a preparação de suspensões e
soluções químicas, compostos intermediários, reagentes químicos,
veículo, ou ainda, para as operações de lavagem;
23
Uso para geração de energia: Para este tipo de aplicação, a água pode
ser utilizada por meio da transformação da energia cinética, potencial ou
térmica, acumulada na água, em energia mecânica e posteriormente em
energia elétrica;
Uso como fluído de aquecimento e/ou resfriamento: Nestes casos, a
água é utilizada como fluido de transporte de calor para remoção do
calor de misturas reativas ou outros dispositivos que necessitem de
resfriamento devido à geração de calor, ou então, devido às condições
de operação estabelecidas, pois a elevação de temperatura pode
comprometer o desempenho do sistema, bem como danificar algum
equipamento;
Outros Usos: Utilização de água para combate à incêndio, rega de áreas
verdes ou incorporação em diversos subprodutos gerados nos
processos industriais, seja na fase sólida, líquida ou gasosa.
Além disso, a prática do reúso em sistemas industriais proporciona
benefícios ambientais significativos, pois permite que um volume maior de água
permaneça disponível para outros usos. Em certas condições, pode reduzir a
poluição hídrica por meio da minimização da descarga de efluentes. Existem
também benefícios econômicos, uma vez que a empresa não acrescenta a
seus produtos os custos relativos à cobrança pelo uso da água (HESPANHOL,
2004). Destacando ainda que, dependendo da disponibilidade hídrica, além de
iniciativas para a redução do consumo de água, a produção industrial fica
condicionada à análise das seguintes opções, que não são necessariamente
excludentes:
públicos de distribuição e dos recursos hídricos superficiais e subterrâneos;
II - Adquirir água de reúso ou água de utilidade, produzida por
companhias de saneamento, através de tratamento complementar de seus
efluentes secundários; ou,
24
III - Reusar, na medida do possível, os seus próprios efluentes, após
tratamento adequado.
Muitas vezes, não existe informação sobre o nível mínimo de
qualidade de água para uma atividade industrial, o que pode dificultar a
identificação de oportunidades de reúso. É necessário, portanto, um estudo
mais detalhado do processo industrial para a caracterização da qualidade de
água. Simultaneamente, é preciso realizar um estudo de tratabilidade do
efluente, para que seja estabelecido um sistema de tratamento que produza
água com qualidade compatível com o processo industrial considerado
(HESPANHOL, 2004). Entretanto, existem estudos que já indicam alguns
parâmetros para uso em caldeiras e torres de resfriamento, por exemplo,
conforme tabelas 2 e 3, respectivamente.
Tabela 2: Critérios de Qualidade Requeridos para Água de Caldeiras
Critérios de Qualidade Requeridos para Água de Caldeiras
Parâmetro
Industrial
(1) Aceito como recebido. Fonte: CROOK (1993)
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Tabela 3: Qualidade da água recomendada para torres de resfriamento
(1) Aceito como recebido. Fonte: CROOK (1993)
Além disso, existe hoje no Brasil um empreendimento destinado a
produção de água para reúso industrial para o Polo Petroquímico da Região do
ABC Paulista, o Aquapolo, resultado de uma parceria entre empresa de
engenharia e a Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo
(SABESP). Os parâmetros e qualidade da água que devem ser alcançados ao
final de todo o processo foram determinadas pelo próprio Polo Petroquímico,
conforme pode ser observado na tabela 4, que a utiliza para limpar torres de
resfriamento e caldeiras, principalmente.
Tabela 4: Qualidade da água para reúso industrial no empreendimento Aquapolo
Parâmetro Valor máximo permitido
Qualidade da água recomendada para torres de resfriamento
Parâmetro Sem recirculação Com recirculação
Água doce Água salobra Água doce Água salobra
Bicarbonato (mg/L) 600 140 24 140
Cálcio (mg/L) 200 420 50 420
Magnésio (mg/L) (1) (1) (1) (1)
Amônia (mg/L) (1) (1) (1) (1)
Cloreto (mg/L) 600 19000 500 19000
26
Sendo assim, para fins industriais a água utilizada exige padrões de
elevado grau de pureza, que é conseguido através do uso das membranas de
osmose inversa e nanofiltração, uma vez que, por exemplo, a presença de
possíveis compostos orgânicos na água utilizada em caldeiras, quando sujeitos
a altas temperaturas, podem se transformar em ácidos orgânicos e
automaticamente provocar a corrosão da caldeira. Ainda, sem o devido
cuidado, o risco de formação de biofilme e de incrustação de cálcio e sílica nas
paredes da caldeira é alto, podendo vitrificar e fragilizar sua estrutura. Deve,
portanto, em termos gerais apresentar menor quantidade possível de sais e
óxidos dissolvidos, ausência de oxigênio e outros gases dissolvidos, além de
materiais orgânicos, isenta de materiais em suspensão, temperatura elevada e
pH adequado (faixa alcalina).
A pesquisa foi realizada na Estação de Tratamento de Esgoto
Experimental, localizada no campus da Universidade Federal do Rio Grande do
Norte, utilizando dois módulos de membranas filtrantes, Nanofiltração e
Osmose Inversa. Entretanto, o esgoto coletado da ETE passava por uma pré-
filtração na membrana de Ultrafiltração.
O esgoto bruto – que era essencialmente doméstico, proveniente das
residências universitárias, do departamento de educação física, do restaurante
e do pouso universitário do Campus Central da UFRN, em Natal – passava por
tratamento biológico contendo decanto-digestor, seguido de filtro anaeróbio, e
então coletado em galões de forma manual para serem pré-filtrados na
membrana de Ultrafiltração, e finalmente, filtrados nas membranas de NF e OI.
4.1 Características das membranas
Foram utilizados dois módulos integrados de membrana, onde um foi
destinado às membranas de baixa pressão (UF) e outro às membranas de alta
pressão (NF e OI).
As principais características das membranas utilizadas na pesquisa
estão apresentadas na tabela 5, de acordo com informações do fabricante.
Tabela 5: Características das membranas
UF NF OI
Configuração dos
Retenção 50 (Retenção molar –
Diâmetro externo 0,70 mm - -
Temperatura
máxima
55 ºC 45 ºC 45 ºC
Área da membrana 4,085 m² 2,5 m² 2,5 m²
Limites de pH 4 - 10 2 - 11 2 - 11
Fonte: PAM – Membranas Seletivas.
O módulo consiste da membrana propriamente dita, uma estrutura de
PVC para suporte das membranas, fixadas nas extremidades por uma resina
específica. Além disso, tinha os tanques de alimentação e armazenamento do
permeado, tubulações e conexões, bomba e painéis elétrico e hidráulico (figura
5).
29
Figura 5: Detalhe do sistema de Ultrafiltração: painel elétrico (A), membrana de ultrafiltração (B)
e painel hidráulico (C).
membranas de UF são:
concentrado/lavagem pela carcaça e permeado/retrolavagem;
4 (quatro) rotâmetros para medição das vazões de concentrado,
permeado, lavagem pela carcaça e retrolavagem;
4 (quatro) válvulas globo para controle das pressões e vazões de
concentrado, permeado, lavagem pela carcaça e retrolavagem;
1 (uma) bomba centrífuga de alimentação, permitindo vazões de até
10m³/h com pressão nominal de até 10 bar; e 1 (uma) bomba c de até
10m³/h com pressão nominal de até 2 bar;
30
1 (um) tanque para armazenamento da alimentação do sistema, com
capacidade para 50 litros;
1 (um) tanque para armazenamento do permeado do sistema, com
capacidade para 30 litros;
O equipamento com módulo integrado de membranas de NF e OI possui
estrutura semelhante ao descrito anteriormente (figura 6), com algumas
diferenças para atender as condições exigidas por membranas que operam
com pressão superior. Por exemplo, o suporte das membranas de NF e OI são
de aço inox (figura 7), e todas as interligações do módulo são em material
compatível com a pressão de trabalho exercida. Além disso, não há
necessidade de compressor de ar, uma vez que, para essas membranas não
há retrolavagem. Os demais componentes de controle, medição e
armazenamento são similares ao do módulo de UF.
Figura 6: Detalhe do sistema de osmose inversa: painel hidráulico (A), tanque de permeado
(B), tanque de alimentação (C) e bomba hidráulica (D).
31
Figura 7: Detalhe do suporte em aço inox das membranas de nanofiltração e osmose inversa
4.2 Obtenção dos permeados
O esgoto na saída do filtro anaeróbio foi filtrado na membrana de
ultrafiltração, e o permeado resultante dessa filtração alimentou as membranas
de NF e OI, focos desse estudo.
Na figura 8 podemos ver o desenho esquemático de todo o processo de
filtração, com as etapas seguindo a ordem conforme a numeração indicada.
Primeiramente era abastecido o tanque de alimentação (com o esgoto coletado
na saída do filtro anaeróbio, no caso da membrana de ultrafiltração, e com o
permeado da UF, no caso das membranas de NF e OI). O esgoto era então
bombeado e filtrado, gerando assim duas correntes, a corrente do permeado
que era coletada para análise em laboratório e para abastecer a alimentação
das membranas de alta pressão (aqui se refere ao permeado da membrana de
UF, que servia de alimentação para as membranas de NF e OI), e a corrente
do concentrado, que era descartado.
32
Vale ressaltar que, embora as membranas de NF e OI possam trabalhar
com pressões máximas de 15 bar, a utilizada na pesquisa foi de 5 bar, em
virtude de limitações da bomba utiliza no sistema.
4.3 Limpeza das membranas
carcaça e retrolavagem, segundo procedimentos conforme seguem abaixo.
No caso dessa pesquisa, a limpeza química só se fez necessária uma
vez para cada membrana, antes de iniciarmos as 10 coletas previstas, tendo
em vista que não houve perda de fluxo entre coletas da mesma membrana.
A limpeza química seguiu orientações do fabricante, que indicou o uso
de solução de hipoclorito de sódio (1000ppm), para as membranas de fibra oca
(UF), enquanto que para as membranas planas (NF e OI), solução de hidróxido
de sódio a pH 10 seguida de ácido clorídrico a pH 4.
Para a membrana de Ultrafiltração eram colocados 30 litros de água e
1,5 L de água sanitária no tanque de alimentação. Feito isso, ligava-se o
sistema no modo de filtrar durante uma hora em recirculação, de forma que as
Figura 8: Etapas do módulo experimental. 1) Alimentação 2)
Entrada do afluente na membrana 3) Saídas das corrente líquida
do permeado 4) Saída da corrente líquida do concentrado
33
duas correntes líquidas (permeado e concentrado) eram direcionados ao
tanque de alimentação. Transcorrida uma hora, o sistema era drenado, e
filtrava-se dessa vez apenas água a fim de remover os resíduos do hipoclorito
de sódio. Para certificar-se que todo o cloro tinha sido eliminado, era utilizado o
indicador de orto-toluidina na coleta do permeado.
Para as membranas de nanofiltração e osmose inversa era adicionada
uma solução de hidróxido de sódio 1N em 30 litros de água no tanque de
alimentação até que se obtivesse um pH 10. Essa solução ficava recirculando
por uma hora no sistema e, em seguida, era filtrada apenas água limpa isenta
de cloro para limpeza dos resíduos da solução. Logo após, era recirculada uma
solução de ácido cítrico a pH 4, também por uma hora e, em seguida, filtrada
água limpa isenta de cloro para limpeza dos vestígios da última solução.
Na lavagem pela carcaça, o que ocorre é apenas a filtração utilizando
água da rede de abastecimento e retrolavagem, utilizando água da rede de
abastecimento da UFRN. No caso da retrolavagem, foi realizada segundo o
manual do fabricante, que consiste na filtração seguindo sentido inverso.
4.4 Métodos analíticos
Depois de filtradas nas membranas de Ultrafiltração, fazíamos a coleta
do permeado. O restante abastecia as membranas de NF e OI para também
serem coletados os permeados. Foram feitas dez coletas para cada uma das
duas membranas.
Todas as amostras eram levadas ao laboratório, onde eram analisados
os seguintes parâmetros, segundo procedimento experimental da APHA
(2012), conforme tabela 6.
Tabela 6. Parâmetros e métodos utilizados para as análises físico-químicas.
Parâmetro Método Frequência
alcalinidade
chama
chama
Os resultados obtidos foram processados estatisticamente através do
Teste-t, com nível de significância de 5% (p = 0,05), de forma que os dez
valores de eficiências coletados, para cada uma das membranas, foram
comparados com um valor de eficiência padrão, fornecido pelo manual do
fabricante, utilizando o teste de uma única amostra com um padrão.
Além disso, foi feita análise estatística que comparou as eficiências de
remoção para cada variável entre as membranas, com o objetivo de avaliar
estatisticamente se as duas membranas utilizadas apresentavam eficiências
35
diferentes para cada parâmetro, com uso do teste na modalidade de duas
amostras independentes
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
De acordo com manual do fabricante, foi garantida uma eficiência de
97,5% para membrana de nanofiltração na remoção de íons polivalentes e,
99,5% no caso da osmose inversa para íons monovalentes.
5.1 Nanofiltração
Pela análise estatística concluiu-se que apenas as variáveis fósforo total
e magnésio atingiram a eficiência garantida pelo fabricante, como podemos
observar no gráfico 1. As variáveis que não atingiram a eficiência de fábrica
(gráficos abaixo), já era esperado – com exceção do cálcio – uma vez que, a
eficiência padrão estabelecida é válida apenas para íons polivalentes.
Gráfico 1: Comparação estatística entre as variáveis estudadas e o padrão do fabricante na NF
37
5.2 Osmose inversa
Pela análise estatística, concluiu-se que apenas o magnésio e o cloreto
atingiram a eficiência de remoção do fabricante, conforme se pode perceber no
gráfico 2. Embora seja esperado que a membrana de OI remova íons
monovalentes, o fato dela não ter atingido a eficiência de remoção padrão para
a maioria das variáveis, possivelmente se deve à perda de eficiência ao longo
do tempo, tendo em vista que a membrana utilizada na pesquisa já possui três
anos de uso.
Gráfico 2: Comparação estatística entre as variáveis estudadas e o padrão do fabricante na OI
38
5.3.1 Água de caldeira
Pela análise das tabela 2, que trata dos padrões exigidos para água de
reúso em caldeira e ainda dos gráficos abaixo, que trazem a leitura estatística
dos dados dessa pesquisa para as membranas de nanofiltração e osmose
inversa, bem como os valores máximos admitidos para cada variável, percebe-
se que o permeado tanto da membrana de nanofiltração quanto de osmose
inversa não se mostraram eficientes para reúso como água de caldeira apenas
para a variável amônia. Sendo ainda que, para o cálcio o permeado atinge o
padrão exigido somente para sistemas de baixa pressão, ao passo que o
magnésio alcançou os padrões exigidos para pressões de trabalho baixa e
intermediária.
Nos gráficos de cálcio e magnésio não foram mostrados valores
máximos para baixa pressão tendo em vista que a água de reúso é aceita
como recebida. Bem como para o cloreto, que não foi mostrado gráfico, uma
vez que é aceito como recebido nas três modalidades de pressões.
5.3.2 Água para torre de resfriamento
Pela análise da tabela 3, que trata dos padrões exigidos para água de
reúso em torre de resfriamento e também os gráficos abaixo, que trazem a
leitura estatística dos dados dessa pesquisa para as membranas de
nanofiltração e osmose inversa, bem como os valores máximos admitidos para
cada variável, percebe-se que o permeado tanto da membrana de nanofiltração
quanto de osmose inversa se mostraram eficientes em todos os parâmetros
para reúso como água de torres de resfriamento, embora para o parâmetro
bicarbonato se tenha verificado uma limitação de reúso, no caso do sistema
operar com recirculação, atingido o padrão exigido somente para água salobra.
Nanofiltração Osmose
Não foram apresentados gráficos para os outros parâmetros e variações,
uma vez que, como mostrado na tabela 3, para o magnésio e a amônia a água
é aceita como recebida, enquanto que para os outros parâmetros os valores
máximos permitidos estão bem acima que os valores obtidos.
5.3.3 Polo Petroquímico da Região do ABC Paulista (Aquapolo)
De acordo com a tabela 4, que trata da Qualidade da água para reúso
industrial no empreendimento Aquapolo, e ainda através dos gráficos abaixo,
que trazem a leitura estatística dos dados dessa pesquisa para as membranas
de nanofiltração e osmose inversa, bem como os valores máximos admitidos
para cada variável, os permeados das duas membranas só atenderiam a
variável condutividade.
Nanofiltração Osmose
Não foi apresentado gráfico para variável condutividade, pois como visto
na tabela 4 o valor máximo permitido está muito acima dos valores obtidos.
5.4 Comparação entre as membranas
Na tabela 9, percebe-se que a maioria dos parâmetros, com exceção do
cloreto, não possui diferença estatística significativa (pnível de significância > 0,05), ou
seja, para essas variáveis a mesma qualidade de permeado é conseguida tanto
na filtração pela NF quanto na OI. Sendo assim, podendo ser utilizada apenas
a membrana de Nanofiltração que opera em condições de pressão menores
que a OI, garantindo economia de energia no processo e, consequentemente,
menor custo de operação, uma vez que a NF pode operar com pressões
menores.
Infere-se ainda da análise da tabela 9, que apenas a variável cloreto
apresentou diferença estatística significativa (pnível de significância < 0,05), quando
utilizados módulos de membranas diferentes. Porém, na análise das tabelas 2
e 3, percebeu-se que para água de reúso em caldeiras e torres de resfriamento
os valores alcançados na NF já atendem aos padrões exigidos.
Dessa forma, concluiu-se que o padrão do permeado da NF já atenderia
ao exigido para as formas de reúso sugeridas nesse trabalho.
Tabela 9: Dados de leitura estatística do Teste-t.
Parâmetro Amostra Mediana Valor p
Bicarbonato
44
Magnésio
6 CONCLUSÃO
Tanto a membrana de Nanofiltração quanto a de Osmose Inversa se
mostraram eficientes no pós-tratamento de esgoto doméstico,
produzindo um permeado com elevado grau de pureza;
Para reúso em água de caldeira, percebeu-se que os permeados não
atingiram todos os padrões exigidos para nenhuma das três faixas de
pressão. Porém, no caso de processos trabalhando em baixa pressão,
apenas a variável amônia não atendeu à concentração padrão exigida.
Para reúso em torres de resfriamento, as duas membranas atenderam
aos padrões exigidos, sendo necessário nesse caso apenas o uso da
membrana de nanofiltração, possibilitando um sistema com menor gasto
de energia e, portanto, menor custo de operação.
46
7 REFERÊNCIAS
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novembro de 2005. Estabelece modalidades, diretrizes e critérios para prática
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