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água

Kerry J. Howe | David W. Hand | John C. Crittenden R. Rhodes Trussell | George Tchobanoglous Este livro é destinado a profissionais e estudantes que buscam sólida compreensão sobre os mais recentes desenvolvimentos em processos de tratamento de água.

Problemas atuais relacionados com as distintas etapas do tratamento de águas, com conceitos amplamente discutidos, problemas práticos resolvidos como exemplo, resumos 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 Operações Unitárias, oferecidas em cursos correlatos com a área de recursos hídricos.

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

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

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princípios 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.

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

princípios de tratamento de

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

princípios de tratamento de

água 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

9 788522 122004 1/8/16 10:59 AM


Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil) 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 Índice para catálogo sistemático: 1. Água : Tratamento 628.16 (Bibliotecária responsável: Sabrina Leal Araujo – CRB 10/1507)

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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 Traducão Noveritis do Brasil Revisão Técnica Elvis Carissimi

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

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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

© 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.

Assistente editorial: Joelma Andrade

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.

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

A Editora não se responsabiliza pelo funcionamento dos sites contidos neste livro que possam estar suspensos.

Especialista em direitos autorais: Jenis Oh

Tradução: Noveritis do Brasil Revisão técnica: Elvis Carissimi Copidesque e revisão: Cristiane Morinaga, Fábio Gonçalves e Nelson Barbosa Diagramação: PC Editorial Ltda. Capa: BuonoDisegno Imagem de capa: slavik 65/Shutterstok

Para informações sobre nossos produtos, entre em contato pelo telefone 0800 11 19 39 Para permissão de uso de material desta obra, envie seu pedido para direitosautorais@cengage.com Versão em português © 2016 Cengage Learning. Todos os direitos reservados. ISBN-13: 978-85-221-2200-4 ISBN-10: 85-221-2200-8 Cengage Learning Condomínio E-Business Park Rua Werner Siemens, 111 – Prédio 11 – Torre A – Conjunto 12 Lapa de Baixo – CEP 05069-900 – São Paulo – SP Tel.: (11) 3665-9900 – Fax: (11) 3665-9901 SAC: 0800 11 19 39 Para suas soluções de curso e aprendizado, visite www.cengage.com.br

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

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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 engenharia civil e ambiental da Universidade de Wisconsin-Madison, licenciatura de M.S. em engenharia de saúde ambiental da Universidade do Texas, em Austin, 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 tratamento 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 Universidade Tecnológica de Michigan. Obteve sua licenciatura em B.S. em engenharia na Universidade Tecnológica de Michigan, licenciatura de M.S. em engenharia 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 Engenharia Ambiental da Academia Americana de Engenheiros Ambientais. Dr. John C. Crittenden é professor na Faculdade de Engenharia Civil e Ambiental 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

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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 tratamento e remoção de materiais perigosos da água potável e das águas subterrâneas. Possui quatro produtos de programas protegidos por direitos autorais e três patentes nas áreas de prevenção da poluição, decapagem, troca iônica, oxidação/catálise avançada, adsorção e transporte de água subterrânea. 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 estado 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 empresa 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 Associação 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 Califórnia em Davis. Obteve grau de B.S. em engenharia civil pela Universidade do Pacífico, grau de M.S. em engenharia sanitária da Universidade da Califórnia, pela Berkeley, e Ph.D. em engenharia ambiental pela Universidade 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 coautor 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 inúmeras sociedades profissionais, ex-presidente da Associação de Engenharia Ambiental e Professores de Ciência. É engenheiro civil registrado na Califórnia e membro da Academia Nacional de Engenharia.

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Sumário Sobre os autores

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Prefácio xiii Agradecimentos xv

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

2 Qualidade de água e saúde pública

5

2-1 Relação entre qualidade da água e a saúde pública 5 2-2 Fontes de água para sistemas municipais de água potável 8 2-3 Regulamentos de tratamento de água nos Estados Unidos 15 2-4 Evolução das tendências e desafios no tratamento de água potável 19 2-5 Resumo e guia de estudo 21 Referências 22

3 Seleção de processo

23

3-1 Seleção de processo com base nas propriedades do contaminante 24 3-2 Outras considerações na seleção de processo 28 3-3 Considerações sobre sustentabilidade e energia 32 3-4 Projeto e seleção do tipo de processo 36 3-5 Resumo e guia de estudo 39 Problemas 40 Referências 42

4 Princípios fundamentais de engenharia ambiental 4-1 4-2 4-3 4-4 4-5

Unidades de expressão para concentrações químicas Equilíbrio químico Cinética química Reações usadas no tratamento de água Análise de balanço de massa

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43 44 47 55 57 60

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4-6 4-7 4-8 4-9 4-10

Introdução aos reatores e análises de reator 66 Reações em reatores batelada 70 Características hidráulicas de reatores de fluxo ideais 73 Reações em reatores de fluxo ideal 76 Medição das características hidráulicas de reatores de fluxo com testes de traçadores 80 4-11 Descrevendo o desempenho hidráulico de reatores de fluxo real 87 4-12 Reações em reatores de fluxo real 92 4-13 Introdução à transferência de massa 94 4-14 Difusão molecular 95 4-15 Coeficientes de difusão 97 4-16 Modelos e correlações para transferência de massa em uma interface 105 4-17 Avaliação do gradiente de concentração com os diagramas de operação 115 4-18 Resumo e guia de estudo 120 Problemas 121 Referências 125

5 Coagulação e floculação

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5-1 Papel da coagulação e da floculação no tratamento de água 128 5-2 Estabilidade das partículas na água 129 5-3 Princípios da coagulação 135 5-4 Prática de coagulação 136 5-5 Princípios de mistura para coagulação e floculação 146 5-6 Prática de mistura rápida 148 5-7 Princípios de floculação 149 5-8 Prática de floculação 154 5-9 Considerações sobre energia e sustentabilidade 168 5-10 Resumo e guia de estudo 169 Problemas 170 Referências 172

6 Sedimentação 173 6-1 Princípios de sedimentação de partícula discreta (tipo I) 175 6-2 Sedimentação discreta em tanques de sedimentação retangulares ideais 180 6-3 Princípios de sedimentação de partícula floculenta (tipo II) 185 6-4 Princípios de sedimentação zonal (tipo III) 186 6-5 Projeto de um tanque de sedimentação convencional 190 6-6 Processos de sedimentação alternativos 198 6-7 Fatores físicos que afetam a sedimentação 206 6-8 Considerações de energia e sustentabilidade 208 6-9 Resumo e guia de estudo 209 Problemas 210 Referências 212

7 Filtração granular rápida 7-1 7-2 7-3 7-4

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Descrição física de um filtro granular rápido Descrição do processo de filtração rápida Captura de partícula na filtração granular Perda de carga através de um filtro de leito limpo

213 214 219 222 231

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Sumário

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7-5 Modelagem de desempenho e otimização 234 7-6 Hidráulica da Retrolavagem 241 7-7 Considerações sobre energia e sustentabilidade 248 7-8 Resumo e guia de estudo 249 Problemas 250 Referências 253

8 Filtração por membrana

255

8-1 Classificação dos processos de membrana 256 8-2 Comparação para filtração granular rápida 259 8-3 Características principais do equipamento de filtração por membrana 260 8-4 Descrição do processo de filtração por membrana 268 8-5 Captura de partícula na filtração por membrana 273 8-6 Hidráulica de fluxo através de filtros de membrana 277 8-7 Incrustação na membrana 280 8-8 Dimensionamento de módulos (skids) de membrana 286 8-9 Considerações sobre energia e sustentabilidade 289 8-10 Resumo e guia de estudo 291 Problemas 292 Referências 295

9 Osmose inversa

297

9-1 Principais características de uma instalação de osmose inversa 299 9-2 Pressão osmótica e osmose inversa 304 9-3 Transferência de massa de água e solutos através de membranas de OI 308 9-4 Dependência da temperatura e pressão no desempenho 311 9-5 Polarização da concentração 317 9-6 Incrustação e escamação 321 9-7 Seleção de elemento e projeto de matriz de membrana 326 9-8 Considerações de energia e sustentabilidade 329 9-9 Resumo e guia de estudo 331 Problemas 332 Referências 335

10 Adsorção e troca iônica

337

10-1 Introdução ao processo de adsorção 338 10-2 Equilíbrio de adsorção 344 10-3 Cinética de adsorção 350 10-4 Introdução ao processo de troca iônica 353 10-5 Equilíbrio da troca iônica 360 10-6 Cinética da troca iônica 364 10-7 Contatores de leito fixo 365 10-8 Reatores de meio suspenso 386 10-9 Considerações de energia e sustentabilidade 392 10-10 Resumo e guia de estudo 392 Problemas 393 Referências 397

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Princípios de tratamento de água

11 Arraste com ar (air stripping) e aeração

399

11-1 Tipos de contatores de arraste com ar (air stripping) e aeração 400 11-2 Equilíbrio gás-líquido 404 11-3 Fundamentos do arraste com ar (air stripping) em torres compactadas 410 11-4 Projeto e análise de arraste com ar (air stripping) em torre compactada 419 11-5 Considerações de energia e sustentabilidade 431 11-6 Resumo e guia de estudo 432 Problemas 433 Referências 434

12 Oxidação avançada

437

12-1 Introdução à oxidação avançada 438 12-2 Ozonização como processo de oxidação avançado 445 12-3 Peróxido de hidrogênio/processo de ozônio 452 12-4 Processo peróxido de hidrogênio/processo luz UV 462 12-5 Considerações sobre energia e sustentabilidade 474 12-6 Resumo e guia de estudo 475 Problemas 475 Referências 477

13 Desinfecção 479 13-1 Agentes e sistemas de desinfecção 480 13-2 Desinfecção com cloro livre e combinado 484 13-3 Desinfecção com dióxido de cloro 489 13-4 Desinfecção com ozônio 490 13-5 Desinfecção com luz ultravioleta 494 13-6 Cinética de desinfecção 505 13-7 Cinética de desinfecção em reatores de fluxo real 514 13-8 Projeto de contatores de desinfecção com baixa dispersão 516 13-9 Subprodutos da desinfecção 519 13-10 Manutenção residual 523 13-11 Considerações sobre energia e sustentabilidade 524 13-12 Resumo e guia de estudo 525 Problemas 526 Referências 528

14 Gestão de resíduos

531

14-1 Definição do problema 532 14-2 Propriedades físicas, químicas e biológicas dos resíduos 536 14-3 Lodo de coagulação de alúmen e ferro 540 14-4 Resíduos líquidos de filtros de meio granular 543 14-5 Gestão de fluxos de resíduos líquidos 546 14-6 Gestão de lodo residual 548 14-7 Reutilização e disposição final de resíduos semissólidos 557 13-12 Resumo e guia de estudo 559 Problemas 560 Referências 561

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Sumário

Apêndice A – Fatores de conversão

563

Apêndice B Propriedades físicas de gases selecionados e da composição do ar B-1 Densidade do ar em outras temperaturas B-2 Mudança na pressão atmosférica com a elevação

569 571 571

Apêndice C – Propriedades físicas da água

573

Apêndice D – Tabela periódica

575

Índice remissivo

579

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Lista de siglas

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Prefácio Sem água, a vida não pode existir. Assim, garantir um fornecimento adequado 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 contaminação 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 tratamento, 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 carreira 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 escopo deste livro.

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Agradecimentos Os autores agradecem às pessoas que ajudaram na preparação deste livro. Crédito especial vai para Dr. Harold Leverenz, da Universidade da Califórnia 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 Universidade do Novo México, revisaram e verificaram os capítulos, incluindo as figuras, as tabelas e os números das equações, a matemática em problemas de exemplo e as referências nos finais dos capítulos. A Sra. Lana Mitchell também 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 auxiliou 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 observações auxiliaram a melhorar a qualidade deste livro. Os revisores incluíram: Srta. Elaine W. Howe, Trussell Technologies Inc. Dr. Jaehong Kim, Instituto de Tecnologia da Geórgia Dr. David A. Ladner, Universidade Clemson Dr. Qilin Li, Universidade Rice Dr. Edward D. Schroeder, Universidade da Califórnia-Davis Dr. John E. Tobiason, Universidade de Massachusetts-Amherst Agradecemos o apoio e a ajuda da equipe Wiley, particularmente Bob Hilbert, James Harper, Robert Argentieri e Daniel Magers. Kerry J. Howe David W. Hand John C. Crittenden R. 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 Universidade Federal de Santa Maria. Atua nos cursos de Engenharia Civil e Engenharia Sanitária e Ambiental, ministrando 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.

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Introdução

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

Garantir e manter um fornecimento adequado de água tem sido um dos fatores essenciais no desenvolvimento dos assentamentos humanos. As primeiras comunidades 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 contaminantes tornaram-se mais apurados e o público tornou-se mais exigente quanto à qualidade 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 industriais 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, incluindo 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 aplicáveis à remediação de águas subterrâneas contaminadas e outras fontes de água e ao tratamento das águas residuárias quando o efluente tratado é reciclado. As questões e os processos abordados neste livro são relevantes para todas essas aplicações.

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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 escopo 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 propriedades físico-químicas dos constituintes na água e outros fatores orientam a seleção dos processos de tratamento. O capítulo 4 apresenta os princípios centrais necessários para a compreensão dos processos de tratamento, tais como o equilíbrio químico 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 tratamento 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 compreensão 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 contaminação 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. Esses objetivos do tratamento foram relativamente bem definidos, comparados às exigências 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 prévia. 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.

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Introdução

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A tecnologia tem acelerado o ritmo do desenvolvimento de equipamentos de tratamento. Os engenheiros são confrontados com situações nas quais os fornecedores 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 saúde pública e os consumidores esperam ter água disponível continuamente. O conhecimento 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 problema, 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 projetar instalações de tratamento de água são extensas e não podem ser aprendidas em um único semestre na faculdade; engenheiros de projeto precisam tanto de conhecimento 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 energia 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 retirada, 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 considerações 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 escassas as fontes adequadas de água de alta qualidade localmente disponíveis. Simultaneamente, a capacidade de detectar contaminantes tornou-se mais sofisticada; efeitos negativos para a saúde de alguns constituintes tornaram-se mais evidentes;

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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 consumo 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 profissões 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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água

Kerry J. Howe | David W. Hand | John C. Crittenden R. Rhodes Trussell | George Tchobanoglous Este livro é destinado a profissionais e estudantes que buscam sólida compreensão sobre os mais recentes desenvolvimentos em processos de tratamento de água.

Problemas atuais relacionados com as distintas etapas do tratamento de águas, com conceitos amplamente discutidos, problemas práticos resolvidos como exemplo, resumos 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 Operações Unitárias, oferecidas em cursos correlatos com a área de recursos hídricos.

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

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Princípios de Tratamento de Água - tradução da edição norte-americana  

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