princípios de tratamento de Água - tradução da edição norte-americana

água

K e r r y J . H owe | Dav i d W. H a n d | J o h n C. C r i tte n d e nR . R h o d e s Tr u ss e l l | G e o rge Tc h o ba n o g l o u s

OUTRAS OBRAS

Introdução A HIdráulIcA, HIdrologIA e gestão de águAs PluvIAIs tradução da 4-ª edição norte-americana John e. gribbin FundAmentos de QuímIcA AnAlítIcA tradução da 9-ª edição norte-americana douglas A. skoog, donald m. West, F. James Holler, stanley r. crouch

PrIncíPIos detrAtAmento de

Kerry J. How

e • David W

. Hand • John C

. Crittenden

R. R

hodes Trussell • George Tchobanoglouseste livro é destinado a profissionais e estudantes que buscam sólida compreensão

sobre os mais recentes desenvolvimentos em processos de tratamento de água.

são abordados diferentes processos, como coagulação, floculação, sedimentação e filtração, dando ênfase para tecnologias avançadas, como adsorção, troca iônica, osmose inversa e oxidação avançada.

Problemas atuais relacionados com as distintas etapas do tratamento de águas, com conceitos amplamente discutidos, problemas práticos resolvidos como exemplo, resu-mos dos capítulos e perguntas de revisão ao final dos capítulos – este livro fornece todas as ferramentas necessárias para que um estudante ou profissional de engenharia sanitária, ambiental, civil, química ou demais cursos correlatos com a área de recursos hídricos tenha uma carreira bem-sucedida e gratificante.

esta obra une teoria e prática, sendo útil para professores, estudantes de graduação ou pós-graduação e profissionais em plena atividade.

Aplicações: este livro pode ser adotado como referência para as disciplinas tratamento de água, tratamento de efluentes líquidos, tratamento de efluentes Industriais e opera-ções unitárias, oferecidas em cursos correlatos com a área de recursos hídricos.

Para suas soluções de curso e aprendizado, visite www.cengage.com.br

águaK e r r y J . H owe | Dav i d W. H a n d | J o h n C. C r i tte n d e n

R . R h o d e s Tr u ss e l l | G e o rge Tc h o ba n o g l o u s


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ISBN 13 978-85-221-2200-4ISBN 10 85-221-2200-8

9 7 8 8 5 2 2 1 2 2 0 0 4

Tratamento de Água_OK.indd 1 1/8/16 10:59 AM

P957 Princípios de tratamento de água / Kerry J. Howe ... [et al.] ; tradução Noveritis do Brasil ; revisão técnica Elvis Carissimi. – São Paulo, SP : Cengage, 2016. 624 p. : il. ; 28 cm.

Inclui bibliografia. Tradução de: Principles of water treatment. ISBN 978-85-221-2200-4

1. Água - Tratamento. 2. Água - Qualidade. 3. Sustentabilidade. 4. Engenharia ambiental. 5. Saúde pública. I. Howe, Kerry J.

CDU 628.16 CDD 628.16

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)(Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil)

Índice para catálogo sistemático: 1. Água : Tratamento 628.16

(Bibliotecária responsável: Sabrina Leal Araujo – CRB 10/1507)

Livro Principios Tratamento Agua.indb 2 13/01/2016 14:36:50

Austrália • Brasil • Japão • Coreia • México • Cingapura • Espanha • Reino Unido • Estados Unidos

Princípios de tratamento de água

Kerry J. Howe, Ph.D., P.E., BCEE Professor Associado na Civil Engineering University of New Mexico

David W. Hand, Ph.D., BCEEM Professor de Engenharia Civil e Ambiental na Michigan Technological University

John C. Crittenden, Ph.D., P.E., BCEE, NAE Hightower Chair e pesquisador na Georgia Research Alliance Diretor do Brook Byers Institute for Sustainable Systems Georgia Institute of Technology

R. Rhodes Trussell, Ph.D., P.E., BCEE, NAE Diretor da Trussell Technologies, Inc.

George Tchobanoglous, Ph.D., P.E., NAE Professor Emérito de Engenharia Civil e Ambiental na University of California em Davis

TraducãoNoveritis do Brasil

Revisão TécnicaElvis Carissimi


© 2012 John Wiley & Sons Todos os direitos reservados.Esta tradução foi publicada sob licença da editora da versão original: John Wiley & Sons, Inc. versão original em inglês.

Todos os direitos reservados. Nenhuma parte deste livro poderá ser reproduzida, sejam quais forem os meios empregados, sem a permissão, por escrito, da Editora. Aos infratores aplicam-se as sanções previstas nos artigos 102, 104, 106 e 107 da Lei no 9.610, de 19 de fevereiro de 1998.

Esta editora empenhou-se em contatar os responsáveis pelos direitos autorais de todas as imagens e de outros materiais utilizados neste livro. Se porventura for constatada a omissão involuntária na identificação de algum deles, dispomo-nos a efetuar, futuramente, os possíveis acertos.

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Versão em português © 2016 Cengage Learning. Todos os direitos reservados.

ISBN-13: 978-85-221-2200-4ISBN-10: 85-221-2200-8

Cengage LearningCondomínio E-Business ParkRua Werner Siemens, 111 – Prédio 11 – Torre A – Conjunto 12 Lapa de Baixo – CEP 05069-900 – São Paulo – SP Tel.: (11) 3665-9900 – Fax: (11) 3665-9901SAC: 0800 11 19 39

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Princípios de tratamento de água

Kerry J. Howe, David W. Hand, John C. Crittenden, R. Rhodes Trussell, George Tchobanoglous

Gerente editorial: Noelma Brocanelli

Editora de desenvolvimento: Gisela Carnicelli

Supervisora de produção gráfica: Fabiana Alencar Albuquerque

Editora de aquisições: Guacira Simonelli

Especialista em direitos autorais: Jenis Oh

Assistente editorial: Joelma Andrade

Título original: Principles of water treatment (ISBN 13: 978-0-470-40538-3

Tradução: Noveritis do Brasil

Revisão técnica: Elvis Carissimi

Copidesque e revisão: Cristiane Morinaga, Fá-bio Gonçalves e Nelson Barbosa

Diagramação: PC Editorial Ltda.

Capa: BuonoDisegno

Imagem de capa: slavik 65/Shutterstok

Impresso no Brasil.Printed in Brazil.1 2 3 4 5 6 7 8 19 18 17 16 15


Sobre os autores

Dr. Kerry J. Howe é professor associado do Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Novo México. Sua carreira no tratamento de água abrange tanto consultoria como a carreira acadêmica. Possui licenciatura de B.S. em en-genharia civil e ambiental da Universidade de Wisconsin-Madison, licenciatura de M.S. em engenharia de saúde ambiental da Universidade do Texas, em Aus-tin, e Ph.D. em engenharia ambiental da Universidade de Illinois em Urbana--Champaign. Depois de uma temporada na CH2M-Hill, trabalhou por mais de dez anos na MWH, Inc., onde esteve envolvido com planejamento, projeto e construção de instalações de tratamento de água e de águas residuais até 380 ML/d (100 mgd) em capacidade. Tem experiência em tratamento de água de superfície convencional e outras tecnologias de tratamento, tais como tratamen-to de membrana, ozonização e aeração de torre embalada. Na Universidade do Novo México, sua docência e pesquisa centram-se em processos de membrana e dessalinização, processos de tratamento físico-químicos, qualidade da água, sustentabilidade e projeto de engenharia. Dr. Howe é engenheiro profissional registrado em Wisconsin e no Novo México e engenheiro ambiental certificado no Conselho da Academia Americana de Engenheiros Ambientais.

Dr. David W. Hand é professor de engenharia civil e ambiental na Universida-de Tecnológica de Michigan. Obteve sua licenciatura em B.S. em engenharia na Universidade Tecnológica de Michigan, licenciatura de M.S. em engenha-ria civil na Universidade Tecnológica de Michigan e Ph.D. em engenharia pela Universidade Tecnológica de Michigan. Sua docência e pesquisa centram-se em engenharia de tratamento de água e águas residuais, com ênfase em processos de tratamento físico-químicos. É autor e coautor de mais de 130 publicações técnicas, incluindo seis livros, duas patentes e oito programas de computação protegidos por direitos autorais. Recebeu a Medalha da ASCE Rudolf Hering, um prêmio de destaque no ensino e prêmio de publicação da Associação de Engenharia Ambiental e Professores de Ciência, e um prêmio de publicação da American Water Works Association. É membro certificado do Conselho de En-genharia Ambiental da Academia Americana de Engenheiros Ambientais.

Dr. John C. Crittenden é professor na Faculdade de Engenharia Civil e Am-biental no Instituto de Tecnologia da Geórgia e diretor do Instituto Brook Byers para Sistemas Sustentáveis. Nessa posição, lidera a criação de uma iniciativa integrada em Sistemas Urbanos Sustentáveis. É professor emérito

v


vi Princípios de tratamento de água

na Georgia Research Alliance (GRA) em Sistemas Sustentáveis e ocupa a Cadeira Hightower de Tecnologias Sustentáveis. Dr. Crittenden é perito em sustentabilidade, prevenção da poluição, processos de tratamento físico--químicos, nanotecnologia, tratamento do ar e da água, transferência de massa, métodos numéricos e modelagem de ar, águas residuais e processos de tratamento de água. Recebeu vários prêmios por sua pesquisa no trata-mento e remoção de materiais perigosos da água potável e das águas sub-terrâneas. Possui quatro produtos de programas protegidos por direitos au-torais e três patentes nas áreas de prevenção da poluição, decapagem, troca iônica, oxidação/catálise avançada, adsorção e transporte de água subterrâ-nea. O Instituto Americano da Comissão para a Celebração Centenária dos engenheiros químicos (AIChE) nomeou o Dr. Crittenden como um dos cem melhores Engenheiros Químicos da Era Moderna na sua centésima reunião anual em 2008. É membro da Academia Nacional de Engenharia.

Dr. R. Rhodes Trussell é engenheiro civil e de corrosão registrado no es-tado da Califórnia, com quarenta anos de experiência no tratamento de água. Possui B.S., M.S. e Ph.D. em engenharia ambiental da Universidade da Califórnia em Berkeley. Fundou a Trussell Technologies, Inc., uma em-presa de consultoria especializada na aplicação da ciência à engenharia, depois de trabalhar por 33 anos para a MWH, Inc. É autor de mais de 200 publicações, incluindo vários capítulos nas três edições de MWH’s Water Treatment Priciples and Design. Atua como presidente do Comitê do Conselho Consultivo Científico da EPA sobre Água Potável, no Comitê de Filiação para a Academia Nacional de Engenharia e como presidente do Conselho de Ciência e Tecnologia da Água para as Academias Nacionais. Na Asso-ciação Internacional da Água, atua como membro do Conselho Técnico e Científico, Conselho Editorial e no Comitê de Programa. Em 2010, foi premiado com a prestigiada Condecoração Preta A. P. da American Water Works Association.

Dr. George Tchobanoglous é professor emérito de engenharia ambiental no Departamento de Engenharia Civil e Ambiental da Universidade da Ca-lifórnia em Davis. Obteve grau de B.S. em engenharia civil pela Universi-dade do Pacífico, grau de M.S. em engenharia sanitária da Universidade da Califórnia, pela Berkeley, e Ph.D. em engenharia ambiental pela Univer-sidade de Stanford. Seus principais interesses de pesquisa estão nas áreas de tratamento de águas residuais, filtração de águas residuais, desinfecção por UV, recuperação e reutilização de águas residuais, gestão de resíduos sólidos, gestão de águas residuais para pequenos sistemas. É autor e coau-tor de mais de 500 publicações técnicas, incluindo 22 livros didáticos e oito obras de referência. Atua nacional e internacionalmente como consultor para agências governamentais e empresas privadas. É membro ativo de inú-meras sociedades profissionais, ex-presidente da Associação de Engenharia Ambiental e Professores de Ciência. É engenheiro civil registrado na Cali-fórnia e membro da Academia Nacional de Engenharia.


Sumário

Sobre os autores v

Prefácio xiii

Agradecimentos xv

1Introdução 11-1 A importância dos princípios 21-2 A importância da sustentabilidade 3Referências 4

2Qualidade de água e saúde pública 52-1 Relação entre qualidade da água e a saúde pública 52-2 Fontes de água para sistemas municipais de água potável 82-3 Regulamentos de tratamento de água nos Estados Unidos 152-4 Evolução das tendências e desafios no tratamento de água potável 192-5 Resumo e guia de estudo 21Referências 22

3Seleção de processo 233-1 Seleção de processo com base nas propriedades do contaminante 243-2 Outras considerações na seleção de processo 283-3 Considerações sobre sustentabilidade e energia 323-4 Projeto e seleção do tipo de processo 363-5 Resumo e guia de estudo 39Problemas 40Referências 42

4Princípios fundamentais de engenharia ambiental 434-1 Unidades de expressão para concentrações químicas 444-2 Equilíbrio químico 474-3 Cinética química 554-4 Reações usadas no tratamento de água 574-5 Análise de balanço de massa 60

vii


viii Princípios de tratamento de água

4-6 Introdução aos reatores e análises de reator 664-7 Reações em reatores batelada 704-8 Características hidráulicas de reatores de fluxo ideais 734-9 Reações em reatores de fluxo ideal 764-10 Medição das características hidráulicas de reatores de fluxo com testes

de traçadores 804-11 Descrevendo o desempenho hidráulico de reatores de fluxo real 874-12 Reações em reatores de fluxo real 924-13 Introdução à transferência de massa 944-14 Difusão molecular 954-15 Coeficientes de difusão 974-16 Modelos e correlações para transferência de massa em uma interface 1054-17 Avaliação do gradiente de concentração com os diagramas de operação 1154-18 Resumo e guia de estudo 120Problemas 121Referências 125

5Coagulação e floculação 1275-1 Papel da coagulação e da floculação no tratamento de água 1285-2 Estabilidade das partículas na água 1295-3 Princípios da coagulação 1355-4 Prática de coagulação 1365-5 Princípios de mistura para coagulação e floculação 1465-6 Prática de mistura rápida 1485-7 Princípios de floculação 1495-8 Prática de floculação 1545-9 Considerações sobre energia e sustentabilidade 1685-10 Resumo e guia de estudo 169Problemas 170Referências 172

6Sedimentação 1736-1 Princípios de sedimentação de partícula discreta (tipo I) 1756-2 Sedimentação discreta em tanques de sedimentação retangulares ideais 1806-3 Princípios de sedimentação de partícula floculenta (tipo II) 1856-4 Princípios de sedimentação zonal (tipo III) 1866-5 Projeto de um tanque de sedimentação convencional 1906-6 Processos de sedimentação alternativos 1986-7 Fatores físicos que afetam a sedimentação 2066-8 Considerações de energia e sustentabilidade 2086-9 Resumo e guia de estudo 209Problemas 210Referências 212

7Filtração granular rápida 2137-1 Descrição física de um filtro granular rápido 2147-2 Descrição do processo de filtração rápida 2197-3 Captura de partícula na filtração granular 2227-4 Perda de carga através de um filtro de leito limpo 231


7-5 Modelagem de desempenho e otimização 2347-6 Hidráulica da Retrolavagem 2417-7 Considerações sobre energia e sustentabilidade 2487-8 Resumo e guia de estudo 249Problemas 250Referências 253

8Filtração por membrana 2558-1 Classificação dos processos de membrana 2568-2 Comparação para filtração granular rápida 2598-3 Características principais do equipamento de filtração por membrana 2608-4 Descrição do processo de filtração por membrana 2688-5 Captura de partícula na filtração por membrana 2738-6 Hidráulica de fluxo através de filtros de membrana 2778-7 Incrustação na membrana 2808-8 Dimensionamento de módulos (skids) de membrana 2868-9 Considerações sobre energia e sustentabilidade 2898-10 Resumo e guia de estudo 291Problemas 292Referências 295

9Osmose inversa 2979-1 Principais características de uma instalação de osmose inversa 2999-2 Pressão osmótica e osmose inversa 3049-3 Transferência de massa de água e solutos através de membranas de OI 3089-4 Dependência da temperatura e pressão no desempenho 3119-5 Polarização da concentração 3179-6 Incrustação e escamação 3219-7 Seleção de elemento e projeto de matriz de membrana 3269-8 Considerações de energia e sustentabilidade 3299-9 Resumo e guia de estudo 331Problemas 332Referências 335

10Adsorção e troca iônica 33710-1 Introdução ao processo de adsorção 33810-2 Equilíbrio de adsorção 34410-3 Cinética de adsorção 35010-4 Introdução ao processo de troca iônica 35310-5 Equilíbrio da troca iônica 36010-6 Cinética da troca iônica 36410-7 Contatores de leito fixo 36510-8 Reatores de meio suspenso 38610-9 Considerações de energia e sustentabilidade 39210-10 Resumo e guia de estudo 392Problemas 393Referências 397

Sumário ix


x Princípios de tratamento de água

11Arraste com ar (air stripping) e aeração 39911-1 Tipos de contatores de arraste com ar (air stripping) e aeração 40011-2 Equilíbrio gás-líquido 40411-3 Fundamentos do arraste com ar (air stripping) em torres compactadas 41011-4 Projeto e análise de arraste com ar (air stripping) em torre compactada 41911-5 Considerações de energia e sustentabilidade 43111-6 Resumo e guia de estudo 432Problemas 433Referências 434

12Oxidação avançada 43712-1 Introdução à oxidação avançada 43812-2 Ozonização como processo de oxidação avançado 44512-3 Peróxido de hidrogênio/processo de ozônio 45212-4 Processo peróxido de hidrogênio/processo luz UV 46212-5 Considerações sobre energia e sustentabilidade 47412-6 Resumo e guia de estudo 475Problemas 475Referências 477

13Desinfecção 47913-1 Agentes e sistemas de desinfecção 48013-2 Desinfecção com cloro livre e combinado 48413-3 Desinfecção com dióxido de cloro 48913-4 Desinfecção com ozônio 49013-5 Desinfecção com luz ultravioleta 49413-6 Cinética de desinfecção 50513-7 Cinética de desinfecção em reatores de fluxo real 51413-8 Projeto de contatores de desinfecção com baixa dispersão 51613-9 Subprodutos da desinfecção 51913-10 Manutenção residual 52313-11 Considerações sobre energia e sustentabilidade 52413-12 Resumo e guia de estudo 525Problemas 526Referências 528

14Gestão de resíduos 53114-1 Definição do problema 53214-2 Propriedades físicas, químicas e biológicas dos resíduos 53614-3 Lodo de coagulação de alúmen e ferro 54014-4 Resíduos líquidos de filtros de meio granular 54314-5 Gestão de fluxos de resíduos líquidos 54614-6 Gestão de lodo residual 54814-7 Reutilização e disposição final de resíduos semissólidos 55713-12 Resumo e guia de estudo 559Problemas 560Referências 561


Apêndice A – Fatores de conversão 563

Apêndice B Propriedades físicas de gases selecionados e da composição do ar 569

B-1 Densidade do ar em outras temperaturas 571B-2 Mudança na pressão atmosférica com a elevação 571

Apêndice C – Propriedades físicas da água 573

Apêndice D – Tabela periódica 575

Índice remissivo 579

Lista de siglas

Sumário xi


Prefácio

Sem água, a vida não pode existir. Assim, garantir um fornecimento ade-quado de água limpa e fresca é essencial para a saúde da humanidade e para o funcionamento da sociedade moderna. A água também é conhecida como o solvente universal, que é capaz de dissolver um grande número de produtos químicos naturais e sintéticos. O aumento da população e a con-taminação da água com resíduos urbanos, agrícolas e industriais levaram a uma deterioração da qualidade da água e quase todas as fontes de água requerem alguma forma de tratamento antes do uso potável. Este livro foi concebido para servir como uma introdução para o campo de tratamento de água e os processos usados para tornar a água segura para beber.

Os autores deste livro colaboraram em dois livros relacionados um com o outro, ambos publicados pela John Wiley and Sons, Inc. Trata-se, MWH’s Water Treatment: Principles and Design – 3a edição (Crittenden et al., 2012), que foi a fonte para uma parcela significativa do material do presente trabalho. O foco deste livro são os princípios do tratamento de água; ele é adequado como livro--texto para cursos de graduação e pós-graduação. O outro livro é uma edição ampliada, com quase o triplo do volume desta obra, que fornece uma cobertura mais abrangente do campo de tratamento de água potável, e é adequado tanto como um livro quanto como uma referência para a prática de profissionais. A unidade dos capítulos sobre o processo de MWH’s Water Treatment: Principles and Design contém uma análise detalhada dos princípios de processos de tra-tamento, bem como material em profundidade sobre projeto; além de fornecer extensos capítulos sobre física, química e qualidade microbiológica da água, remoção de contaminantes selecionados, corrosão interna de condutos de água e estudos de casos que não estão incluídos neste livro. Os estudantes que usam este livro em uma aula sobre tratamento de água e prosseguem em uma carrei-ra no projeto de instalações de tratamento de água são incentivados a consultar MWH’s Water Treatment: Principles and Design para temas que estão além do es-copo deste livro.

xiii


Agradecimentos

Os autores agradecem às pessoas que ajudaram na preparação deste livro. Crédito especial vai para Dr. Harold Leverenz, da Universidade da Califór-nia em Davis, que adaptou a maioria das figuras para este livro, depois de prepará-las para a 3ª edição do MWH’s Water Treatment: Principles and Design. As figuras para vários capítulos foram preparadas pelo Sr. James Howe, da Universidade Rice. O Sr. Daniel Birdsell e a Sra. Lana Mitchell, da Universi-dade do Novo México, revisaram e verificaram os capítulos, incluindo as fi-guras, as tabelas e os números das equações, a matemática em problemas de exemplo e as referências nos finais dos capítulos. A Sra. Lana Mitchell tam-bém auxiliou na preparação do manual de soluções dos “Problemas para trabalhos de casa”. O Dr. Sangam Tiwari da Trussell Technologies auxiliou com a escrita do capítulo 2; o Dr. Daisuke Minakata da Georgia Tech auxi-liou com a escrita dos capítulos 10 e 12; e o Dr. Lu Zhongming da Georgia Tech auxiliou com a escrita do capítulo 10.

Vários capítulos foram revisados por revisores externos e as suas observa-ções auxiliaram a melhorar a qualidade deste livro. Os revisores incluíram:

Srta. Elaine W. Howe, Trussell Technologies Inc.Dr. Jaehong Kim, Instituto de Tecnologia da GeórgiaDr. David A. Ladner, Universidade ClemsonDr. Qilin Li, Universidade RiceDr. Edward D. Schroeder, Universidade da Califórnia-DavisDr. John E. Tobiason, Universidade de Massachusetts-Amherst

Agradecemos o apoio e a ajuda da equipe Wiley, particularmente Bob Hil-bert, James Harper, Robert Argentieri e Daniel Magers.

Kerry J. Howe David W. Hand John C. CrittendenR. Rhodes Trussell George Tchobanoglous

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Revisão técnica

Elvis Carissimi

Doutor em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul, com período de doutorado na University of Utah (Estados Unidos).

Professor do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil e em Engenharia Ambiental da Universi-dade Federal de Santa Maria.

Atua nos cursos de Engenharia Civil e Engenharia Sanitária e Ambiental, mi-nistrando disciplinas com ênfase em Abastecimento de Águas, Gestão de Recursos Hídricos, Tratamento de Águas de Abastecimento e Águas Residuárias, Operações Unitárias, Processos Convencionais e Processos Avançados de Tratamento de Águas visando o Reúso/Reaproveitamento.

xvii


1

Introdução

1-1 A importância dos princípios 21-2 A importância da sustentabilidade 3Referências 4

Garantir e manter um fornecimento adequado de água tem sido um dos fatores essenciais no desenvolvimento dos assentamentos humanos. As primeiras comuni-dades estavam preocupadas principalmente com a quantidade de água disponível. O aumento da população, no entanto, tem exercido mais pressão sobre as limitadas fontes superficiais de água de elevada qualidade e sua contaminação com resíduos urbanos, agrícolas e industriais tem levado a uma deterioração da qualidade da água em muitas outras fontes. Ao mesmo tempo, as normas de qualidade da água tornaram-se mais rigorosas, os métodos analíticos para a detecção de contaminan-tes tornaram-se mais apurados e o público tornou-se mais exigente quanto à qua-lidade da água. Assim, não se deve ignorar a qualidade de uma fonte de água no desenvolvimento de um sistema de abastecimento. Na verdade, a maior parte das fontes de água requer alguma forma de tratamento antes do uso para consumo humano.

Pode-se definir o tratamento da água como o processamento desta para atingir uma qualidade que atenda os objetivos ou padrões específicos estabelecidos pelo usuário final ou por uma comunidade através de suas agências reguladoras. Metas e padrões podem incluir as exigências dos órgãos reguladores, requisitos adicionais estabelecidos por uma comunidade local e requisitos associados a processos indus-triais específicos.

O foco principal deste livro são os princípios do tratamento de água para a produção de água potável ou de consumo público em municípios. O tratamento da água, no entanto, abrange uma gama mais ampla de problemas e usos finais, in-cluindo unidades de tratamento domiciliares e instalações para tratamento de água industrial, com uma grande variedade de requisitos de qualidade que dependem de cada indústria específica. Os processos do tratamento de água também são apli-cáveis à remediação de águas subterrâneas contaminadas e outras fontes de água e ao tratamento das águas residuárias quando o efluente tratado é reciclado. As ques-tões e os processos abordados neste livro são relevantes para todas essas aplicações.

1


2 Princípios de tratamento de água

Este livro cobre completamente os princípios fundamentais que regem o projeto e a operação dos processos do tratamento da água. Após essa introdução, os três capítulos seguintes fornecem informações básicas necessárias para entender o esco-po e a complexidade dos processos de tratamento. O capítulo 2 descreve a relação entre a qualidade da água e a saúde pública, introduz os tipos de componentes que estão presentes em várias fontes de água e descreve alguns dos desafios enfrentados pelos profissionais de tratamento de água. O capítulo 3 apresenta como as proprie-dades físico-químicas dos constituintes na água e outros fatores orientam a seleção dos processos de tratamento. O capítulo 4 apresenta os princípios centrais necessá-rios para a compreensão dos processos de tratamento, tais como o equilíbrio quími-co e a cinética, a análise do balanço de massa, a análise de reator e a transferência de massa. Os capítulos 5 a 13 são o coração do livro, apresentando material em profundidade sobre cada um dos processos unitários principais tradicionalmente utilizados no tratamento público de água. O capítulo 14 apresenta material sobre o processamento dos resíduos do tratamento, um assunto que pode ter um impacto significativo sobre o projeto e a operação das instalações de tratamento.

1-1 A importância dos princípios

A partir da década de 1850 até por volta da década de 1950, as instalações de trata-mento de água eram frequentemente projetadas por engenheiros experientes, que se baseavam em práticas bem-sucedidas de projetos anteriores. Melhorias foram feitas através de mudanças incrementais de uma planta para a seguinte. Processos de tratamento foram muitas vezes considerados uma “caixa-preta’’ e a compreen-são detalhada dos princípios científicos que regem o processo não foi essencial para a conclusão de projetos bem-sucedidos. Nos últimos anos, no entanto, tem havido mudanças significativas na indústria do tratamento da água, as quais exigem que os engenheiros tenham maior compreensão dos princípios fundamentais subjacentes aos processos de tratamento. Algumas dessas mudanças incluem o aumento da con-taminação do abastecimento de água, a taxa de desenvolvimento tecnológico cada vez maior e a crescente sofisticação das instalações de tratamento.

O foco das práticas de tratamento iniciais estava principalmente na qualidade estética da água e na prevenção da contaminação por organismos patogênicos. Es-ses objetivos do tratamento foram relativamente bem definidos, comparados às exi-gências de hoje. Desde cerca de 1950, dezenas de milhares de produtos químicos têm sido desenvolvidos para uma ampla variedade de propósitos – cerca de 3.300 produtos químicos são produzidos em quantidades superiores a 454.000 kg/ano (1.000.000 lb/ano) nos Estados Unidos. Alguns produtos químicos vazaram para o abastecimento de água e têm impactos cancerígenos ou outros impactos negativos na saúde dos seres humanos. Muitas fontes de água são impactadas por descargas de instalações de tratamento de águas residuais e esgotos urbanos. Os engenheiros podem ser solicitados para identificar e projetar estratégias de tratamento para os produtos químicos para os quais não há disponível nenhuma informação pré-via. Como será apresentado no capítulo 3, os processos de tratamento dependem de princípios físico-químicos bem estabelecidos. Se os princípios científicos forem entendidos, é possível identificar os processos adequados, com base na interação esperada entre as propriedades dos contaminantes e as capacidades dos processos. Por exemplo, conhecendo-se a volatilidade e a hidrofobicidade de uma substância química orgânica sintética, pode-se prever se a remoção por arraste com ar ou a adsorção em carvão ativado é uma estratégia adequada de tratamento.


Introdução 3

A tecnologia tem acelerado o ritmo do desenvolvimento de equipamentos de tratamento. Os engenheiros são confrontados com situações nas quais os fornecedo-res e os fabricantes de equipamentos desenvolvem processos novos ou inovadores, sendo-lhes atribuída a tarefa de recomendar a um cliente se o equipamento deve ou não ser avaliado como uma opção viável. A água potável é uma parte necessária da sociedade moderna, processos de trabalho apropriados são uma questão de saú-de pública e os consumidores esperam ter água disponível continuamente. O co-nhecimento prático de projetos anteriores bem-sucedidos pode não ser suficiente para predizer se um novo equipamento irá funcionar. Compreender os princípios científicos que regem os processos do tratamento fornece ao engenheiro uma base para avaliar as inovações do processo.

Estações de tratamento têm se tornado mais complexas. Às vezes, as instalações não funcionam corretamente e o engenheiro é chamado para identificar o proble-ma, ou para recomendar estratégias para melhorar o desempenho. Muitas vezes, a diferença entre o desempenho eficaz e o ineficaz é o resultado de princípios científicos – uma dose de coagulante muito baixa para desestabilizar as partículas, uma alteração na densidade da água devido a uma mudança na temperatura, o tratamento sendo realizado fora da faixa eficaz de pH. Nesses casos, os princípios científicos podem orientar o processo de tomada de decisões a respeito de por que um processo não está funcionando e quais alterações na operação resolveriam o problema.

Como resultado, a gama de conhecimentos e a experiência necessária para pro-jetar instalações de tratamento de água são extensas e não podem ser aprendidas em um único semestre na faculdade; engenheiros de projeto precisam tanto de co-nhecimento sobre os princípios fundamentais dos processos como de experiência prática em projeto. Este livro fornece uma base sólida para o primeiro; outros livros se concentram mais na segunda, tais como os livros de Kawamura (2000) e AWWA e ASCE (2004). Além disso, um livro escrito pelos autores, MWH’s Water Treatment Principles and Design, 3a ed. (Crittenden et al., 2012), abrange ambos, princípios e projeto. Embora a cobertura desse livro seja ampla, seu volume é quase o triplo do volume deste, sendo difícil abarcar em detalhes em um único curso de engenharia. A abordagem deste livro está centrada nos princípios do tratamento da água, com a perspectiva da aplicação dos princípios durante o projeto e a operação, vindo a se tornar uma introdução útil para o campo do tratamento de água.

1-2 A importância da sustentabilidade

Outro conceito presente neste livro é que a sustentabilidade e o consumo de ener-gia devem ser considerados na seleção dos processos de tratamento, ao projetá-los e operá-los. Existem várias razões para essa abordagem. Em primeiro lugar, a reti-rada, o transporte, o tratamento e a distribuição de água potável – e a subsequente coleta, o tratamento e a descarga das águas residuais domésticas – é uma das mais importantes indústrias, em termos de uso de energia, nos Estados Unidos. Apenas as indústrias metalúrgicas e químicas utilizam mais energia. Um foco em conside-rações sobre sustentabilidade e energia auxiliará a indústria do tratamento da água a desenvolver maneiras de ser mais eficiente, enquanto se preservam os recursos.

A demanda de água tem crescido nas áreas urbanas, sendo cada vez mais escas-sas as fontes adequadas de água de alta qualidade localmente disponíveis. Simul-taneamente, a capacidade de detectar contaminantes tornou-se mais sofisticada; efeitos negativos para a saúde de alguns constituintes tornaram-se mais evidentes;


4 Princípios de tratamento de água

os regulamentos se tornaram mais rigorosos e as expectativas dos consumidores de água de alta qualidade tornaram-se mais evidentes. A crescente tendência quanto à utilização de fontes de água de baixa qualidade, juntamente com esses outros efeitos, tem estimulado um tratamento mais avançado que requer mais energia e recursos. O aumento da energia e a utilização dos recursos contribuirão para maior poluição e degradação ambiental; portanto, incorporar a sustentabilidade e o con-sumo de energia em processos e práticas de projeto compensará essa tendência e permitirá níveis mais elevados de tratamento de água sem os impactos negativos.

Em última análise, a razão mais importante para considerar a sustentabilidade no projeto da instalação de tratamento de água é uma questão de liderança. Os profissionais de engenharia ambiental – os engenheiros que projetam instalações de tratamento de água – deveriam ser mais bem informados sobre as considerações ambientais do que o público em geral, e deveriam demonstrar para as outras pro-fissões que é possível ser bem-sucedido em um projeto quando se levam em conta os impactos ambientais. A seção sobre as considerações de sustentabilidade e de energia no final de cada um dos capítulos de processo neste livro é um pequeno começo nesse sentido.

Referências

AWWA e ASCE. Water Treatment Plant Design, 4. ed., McGraw-Hill, Nova York.CRITTENDEN. J. C., TRUSSELL, R. R., HAND, D. W., HOWE, K. J. e TCHOBANOGLOUS,

G. (2012) MWH’s Water Treatment: Principles and Design, 3. ed., Wiley, Hoboken, NJ. 2004.KAWAMURA, S. () Integrated Design and Operation of Water Treatment Facilities, Wiley, Nova York,

2000.


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K e r r y J . H owe | Dav i d W. H a n d | J o h n C. C r i tte n d e nR . R h o d e s Tr u ss e l l | G e o rge Tc h o ba n o g l o u s

OUTRAS OBRAS

Introdução A HIdráulIcA, HIdrologIA e gestão de águAs PluvIAIs tradução da 4-ª edição norte-americana John e. gribbin FundAmentos de QuímIcA AnAlítIcA tradução da 9-ª edição norte-americana douglas A. skoog, donald m. West, F. James Holler, stanley r. crouch


Kerry J. How

e • David W

. Hand • John C

. Crittenden

R. R

hodes Trussell • George Tchobanoglouseste livro é destinado a profissionais e estudantes que buscam sólida compreensão

sobre os mais recentes desenvolvimentos em processos de tratamento de água.

são abordados diferentes processos, como coagulação, floculação, sedimentação e filtração, dando ênfase para tecnologias avançadas, como adsorção, troca iônica, osmose inversa e oxidação avançada.

Problemas atuais relacionados com as distintas etapas do tratamento de águas, com conceitos amplamente discutidos, problemas práticos resolvidos como exemplo, resu-mos dos capítulos e perguntas de revisão ao final dos capítulos – este livro fornece todas as ferramentas necessárias para que um estudante ou profissional de engenharia sanitária, ambiental, civil, química ou demais cursos correlatos com a área de recursos hídricos tenha uma carreira bem-sucedida e gratificante.

esta obra une teoria e prática, sendo útil para professores, estudantes de graduação ou pós-graduação e profissionais em plena atividade.

Aplicações: este livro pode ser adotado como referência para as disciplinas tratamento de água, tratamento de efluentes líquidos, tratamento de efluentes Industriais e opera-ções unitárias, oferecidas em cursos correlatos com a área de recursos hídricos.

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ISBN 13 978-85-221-2200-4ISBN 10 85-221-2200-8

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princípios de tratamento de Água - tradução da edição norte-americana

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