Predição da performance de carvão ativado granular para remoção de herbicidas com ensaios em coluna de escala reduzida / Prediction of granular activated carbon performance in removing herbicides with rapid small-scale column tests

RESUMO: Na região de Ribeirão Preto está localizado um dos polos produtores da cana-de-açúcar, com vasta área cultivada e uso intensivo de herbicidas, tais como o diuron e a hexazinona, os quais possuem elevado potencial de contaminação em águas superficiais e subterrâneas. Diversas tecnologias podem ser utilizadas para remover esses microcontaminantes da água, em função de, neste caso, não ser eficiente a técnica de tratamento em ciclo completo (ou convencional). Neste trabalho, estudou-se o desempenho do carvão ativado granular na remoção destes herbicidas. A água de estudo foi preparada em laboratório e fortificada com diuron e hexazinona. Foi construída e operada uma instalação piloto com colunas de adsorção em carvão ativado granular, cujos resultados obtidos mostraram que a difusividade intrapartícula predominante entre o carvão e os herbicidas diuron e hexazinona pode ser considerada constante, em relação ao tamanho do grão de carvão ativado. Eles também possibilitaram a validação do método de ensaios rápidos em coluna de carvão ativado em escala reduzida, com vista à predição do tempo para ruptura de um filtro de carvão ativado granular em escala real.

ABSTRACT: Ribeirão Preto has one of the producer poles of sugarcane, with a vast sugarcane plantation area and intensive use of herbicides, especially diuron and hexazinone, which have high potential of contaminating surface waters and groundwater. Several technologies can be used to remove these micro-contaminants from water, since the conventional treatment in complete cycle is not an efficient technique for this case. In the present study, the performance of the granular activated carbon in removing these herbicides was evaluated. The water sample was prepared in a laboratory and supplemented with diuron and hexazinone. A pilot granular activated carbon column was built and operated, and the results showed that the prevailing intra-particle diffusivity between carbon and diuron and hexazinone herbicides could be considered constant, with regard to the size of the activated carbon grain. The results obtained also enabled the validation of the rapid small-scale column test method to predict the full scale breakthrough time of a granular activated carbon filter.

Tratamento de água de reservatórios por dupla filtração, oxidação e adsorção em carvão ativado granular / Double filtration, oxidation and granular activated carbon adsorption for treating lake water

Este trabalho teve como objetivo avaliar o tratamento de água bruta proveniente de um reservatório de água, utilizando instalação piloto de dupla filtração (DF), composta por filtro ascendente de pedregulho (FAP) e filtro rápido descendente de areia (FRD), seguida de uma unidade de pós-tratamento com carvão ativado granular (CAG). Adicionalmente, foi verificado o efeito da pré e interoxidação (entre o FAP e o FRD) na eficiência global do tratamento e na formação de subprodutos orgânicos halogenados (SOH). Em função dos resultados obtidos, foi observado que a pré-oxidação melhorou a qualidade do efluente do FAP e a interoxidação favoreceu que resultassem valores menores de turbidez e cor no efluente do FRD. O processo de tratamento por adsorção em carvão ativado granular, utilizado como pós-tratamento, mostrou-se eficiente para assegurar a qualidade dos efluentes finais nos ensaios realizados, especialmente, em relação à remoção de matéria orgânica, cianobactérias e cor. As concentrações máximas de SOH encontrados nos efluentes do FRD e do FCAG não ultrapassaram os valores limites da Portaria nº 2.914/2011 do Ministério da Saúde.

This study evaluated the treatment of raw lake water using a double filtration (DF) pilot plant consisting of an up-flow gravel filter (UGF) in series with a down-flow sand filter (DSF) and followed by a post-treatment granular activated carbon (GAC) unit. Additionally, the study examines the effect of pre and inter-oxidation (between UGF and DSF) on overall efficiency in the treatment and the formation of halogenated organic byproducts (HOB). According to the results obtained, it was observed that the pre-oxidation improved the quality of the UGF effluent and the inter-oxidation favored lower values of turbidity and color in the DSF effluent. Also, the treatment process by adsorption on granular activated carbon, used as a post-treatment, was efficient to ensure the quality of final effluent in the tests, especially regarding the removal of organic matter, cyanobacteria, and color. The maximum concentrations of HOB found in the effluents from the DSF and GAC did not exceed the limits of the Brazilian drinking water standards (Portaria nº 2.914/2011).

Análise e modelação matemática da interação entre partículas na filtração direta utilizando a teoria coloidal / Mathematical modeling and analysis of the particle interactions in the direct filtration using the colloidal theory

Este trabalho utilizou a teoria coloidal para descrever o comportamento físico pelo balanço de forças e balanço de energia de complexos coloidais na água bruta e daqueles formados durante a filtração direta em escoamento ascendente. Nele são descritos os perfis de energia de interação entre as superfícies dos colóides para três geometrias: esférica, plana e cilíndrica; e quatro arranjos de interação entre as superfícies: dois cilindros, dois planos, duas esferas e uma esfera e um plano. Duas situações foram analisadas, antes e após a desestabilização eletrostática pela ação de sulfato de alumínio em águas de estudo contendo caulinita, utilizando-se a modelação e análise pela teoria DLVO (das iniciais de Derjarguin-Landau-Verwey-Overbeek) modificada, ou XDLVO, que inclui à abordagem tradicional das forças da dupla camada elétrica (DCE), forças de atração de superfície ou London-van der Waals (LvdW), forças estéricas, força hidrofóbica e forças de outras origens no cálculo do balanço de forças, a saber: repulsão molecular, denominada repulsão de Born, e a força oriunda das funções químicas ácido e Base (AB) de Lewis.

This work used the colloidal theory to describe forces and energy interactions of colloidal complexes in the water and those formed during filtration run in direct filtration. Many interactions of particle energy profiles between colloidal surfaces for three geometries are presented here in: spherical, plate and cylindrical; and four surface interactions arrangements: two cylinders, two spheres, two plates and a sphere and a plate. Two different situations were analyzed, before and after electrostatic destabilization by action of the alum sulfate as coagulant in water studies samples prepared with kaolin. In the case were used mathematical modeling by extended DLVO theory (from the names: Derjarguin-Landau-Verwey-Overbeek) or XDLVO, which include traditional approach of the electric double layer (EDL), surfaces attraction forces or London-van der Waals (LvdW), esteric forces and hydrophobic forces, additionally considering another forces in colloidal system, like molecular repulsion or Born Repulsion and Acid-Base (AB) chemical function forces from Lewis.

Pré-oxidação e adsorção em carvão ativado granular para remoção dos herbicidas Diuron e Hexazinona de água subterrânea / Preoxidation and adsorption in granular activated carbon for the removal of Diuron and Hexazinone from groundwater

O cultivo da cana-de-açúcar exige a utilização de herbicidas, destacando-se o Diuron e a Hexazinona. Alguns dos poços de abastecimento de Ribeirão Preto (SP) construídos no Aquífero Guarani estão situados em pontos de recarga, e a presença de solo de textura arenosa nessas áreas aumenta a vulnerabilidade da água subterrânea à contaminação por herbicidas. Neste trabalho foram monitorados alguns poços localizados na área de recarga e estudou-se a remoção de Diuron e Hexazinona por meio da adsorção em carvão ativado granular (CAG) e da pré-oxidação com cloro e dióxido de cloro em uma instalação piloto de escoamento contínuo. Verificou-se que o tempo de saturação do CAG no ensaio com a pré-oxidação foi inferior ao obtido no ensaio sem a pré-oxidação com ambos os oxidantes, possivelmente pela formação de subprodutos que competiram com a adsorção dos herbicidas.

The cultivation of sugarcane demands the use of herbicides such as Diuron and Hexazinone. Some supply wells from Ribeirão Preto, SP, Brazil, built in the Guarani Aquifer are located in recharge points, and the presence of sandy Quartzarenic Neosol in these areas increases the vulnerability of the groundwater to contamination from herbicides This paper reports the water quality monitored in some wells located in the recharge area and the removal of Diuron and Hexazinone by means of adsorption in granular activated carbon (GAC), preceded or not by preoxidation with chlorine and chlorine dioxide in a pilot plant. The results indicated that Diuron was more strongly adsorbed than Hexazinone and that the saturation time of the GAC in the test with preoxidation was shorter than in the test without preoxidation, which may have occurred mainly due to the formation of by-products that competed with the adsorption of the herbicides.