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.

Modelação da perda de carga na filtração direta ascendente em meio granular de areia grossa e pedregulho / Modeling of the head loss in up flow coarse sand and gravel direct filtration

Compreender e quantificar os mecanismos relacionados à perda de carga e à remoção de partículas em um meio filtrante granular é de importância fundamental para o estudo do processo da filtração. Este trabalho apresenta o desenvolvimento dos modelos de perda de carga na filtração em meios porosos e a proposição da modelação matemática semiempírica da perda de carga para meios filtrantes limpos e do desenvolvimento do perfil de perda de carga ao longo do tempo de filtração a partir da equação de Ergun. Objetivou-se a determinação dos valores das constantes da equação de Ergun para meio granular de areia grossa e pedregulho. Alguns exemplos de aplicação dessa modelação matemática são também apresentados e discutidos pelos autores com base em dados experimentais obtidos em uma estação piloto de dupla filtração.

To understand and to quantify the head loss due to the particles removal in a porous medium has primary importance to filtration process study. This paper presents the development of the models of head loss used in the filtration in porous media and proposes a mathematical semi-empiric model for head loss in clean beds and head loss increasing profile during the filtration run length, by means of the Ergun equation. The goal was the determination of Ergun’s equation coefficients for granular material constituted of coarse sand and gravel. Examples of application of these mathematical modeling are also presented and discussed by the authors based on experimental data obtained in a double filtration pilot plant.

Formação de subprodutos orgânicos halogenados nas operações de pré-oxidação com cloro, ozônio e peroxônio e pós-cloração em água conténdo subtância húmica / Formation of halogenated organic byproducts using preoxidation with chlorine, ozone and peroxone and post-chlorination of water containing humic substances

Dentre os compostos orgânicos halogenados que podem ser encontrados na água distribuída à população, destacam-se: trialometanos, ácidos haloacéticos, haloaldeídos, halocetonas, halofenóis e halopicrinas. O presente trabalho teve como objetivo avaliar o efeito da formação de 22 subprodutos com a utilização dos pré-oxidantes: cloro, ozônio e peroxônio. A formação de subprodutos foi observada em água preparada com adição de substâncias húmicas extraídas de solo turfoso, por meio do uso da pré-oxidação, presença e ausência de coagulação, filtração e pós-cloração. Os subprodutos foram quantificados por cromatografia gasosa com detetor de captura de elétrons. Os resultados obtidos mostraram que o uso de pré-oxidantes alternativos, ozônio e peroxônio, associados à coagulação, filtração e pós-cloração, formam quantidades pequenas de subprodutos.

When chlorine is used as preoxidant, the formation of halogenated organic byproducts found in water treated and distriduted to the population, are: trihalometane, haloacetic acids, haloaldehyde, haloketone, halophenol and halopicrin. This research was performed to evaluate the formation potential of 22 byproducts using the following preoxidants: chlorine, ozone and peroxone. The formation of byproducts was simulated in water prepared with the addition of humic substances extracted from peat soil by the use of preoxidants, coagulation, filtration, and post-chlorination. Byproducts have quantified by gas chromatography with electron capture detector. The results obtained showed that the use of alternative preoxidants, such as ozone and peroxone, associated with coagulation, filtration, and post-chlorination form a low concentration of byproducts.

Tratamento de água de abastecimento por meio da tecnologia de filtração em múltiplas etapas - FIME / Water treatment by multistage filtration systems - MSF

A pesquisa apresenta uma avaliação do sistema de Filtração em Múltiplas Etapas (FiME), utilizando instalação piloto composta por duas unidades de pré-filtros dinâmicos em série, três linhas de pré-filtros de escoamento ascendente, em série e em camadas, e quatro filtros lentos com diferentes meios filtrantes. O desempenho do sistema foi avaliado através de parâmetros como turbidez, cor aparente, sólidos suspensos, coliformes totais e fecais e ferro. Os resultados mostraram que as três linhas de pré-filtros de escoamento ascendente apresentaram comportamento semelhante em todas as carreiras de filtração. Os quatro filtros lentos tiveram igual desempenho com relação a sólidos suspensos e os filtros lentos 3 e 4 alcançaram as maiores remoções de ferro, turbidez e cor em algumas carreiras de filtração.

This work presents an evaluation of some alternatives of multistage filtration system (MSF), using a pilot plant comprising two dynamic roughing filters, in series, three lines of upflow roughing filters, linked in series and in layers and four slow sand filters with different granular media composition. The performance of the system was evaluated by monitoring some water quality parameters such as: turbidity, suspended solids, total coliforms, fecal coliforms and particle size. The results showed that the MSF system produced effluents with low turbidity, solids and coliforms. The three lines of upflow roughing filters indicated the same efficiency in all tests. The four slow sand filters had similar performance concerning solids reductions and the slow sand filters 3 and 4 reached the greatest reductions in iron, organic matter, turbidity and color, in some experiments.

Modelação matemática macroscópica da perda de carga e da remoção de sólidos suspensos totais na filtração direta ascendente / Macroscopic mathematical modeling of the head loss and total suspended solids removal in up flow direct filtration

A utilização de um modelo matemático permite a obtenção de condições otimizadas de operação, o que conduz à melhoria do controle e da previsão do processo de filtração. Os modelos matemáticos descrevem o processo de filtração através dos mecanismos de remoção de partículas que ocorre no meio filtrante. Este trabalho propõe a modelação matemática baseada nos modelos que descrevem macroscopicamente o processo de filtração e que incluem, por exemplo, o mecanismo de desprendimento de partículas do meio filtrante e a alteração da porosidade do material retido durante a filtração. O modelo desenvolvido foi adaptado para a aplicação à filtração direta ascendente em material granular de areia grossa inserido no processo de dupla filtração.

The use of a mathematical model allows optimization of the operation conditions, what drives to the improvement of the control and predicting of the filtration process. The mathematical models describe the filtration process through the mechanisms of removal of particles that it happens in the porous media. This work proposes the mathematical modeling based on the models that describe macroscopically the filtration process and that they include, for example, the mechanism of particles detachment from porous media and the alteration of the porosity of retained particles during the filtration. The model developed out adapted for the application to the up flow direct filtration in material to granulate of thick sand inserted in the process of double filtration.

Avaliação da toxicidade aguda de uma cepa de Microcystis spp. por meio de testes com camundongos / Acute toxicity evaluation for a Microcystis spp. strain by bioassay with male swiss albino mice

Este estudo teve como objetivo complementar a caracterização da toxicidade de uma cepa de Microcystis spp., por meio de testes de toxicidade aguda com camundongos, após caracterização química preliminar de microcictinas - MCs realizada por cromatografia líquida de alta eficiência com detector de diodo HPLC-PDA e espectrometria de massas com ionização por electrospray MS-ESI. Os testes de toxicidade aguda com camundongos demonstraram, segundo classificação proposta por Lawton et al (1994b), que a cepa tóxica testada enquadra-se no grau de elevada toxicidade com valor de DL50 24h de extrato seco menor que 100 mg/kg p.c. (peso corpóreo) (13,7 mg/kg p.c.), de DL50 24h de microcistinas totais estimada de 24,2 µg/kg p.c. e concentração de MCs no material seco maior que 1,0 µg/mg p.s. (entre 1,64 e 1,86 µg/mg p.s.).

This study was carried out to evaluate the toxicity of a strain of Microcystis spp, using acute toxicity bioassays with swiss albino mice and to characterize chemically the microcistins using high efficiency liquid chromatography with photodiode array detector (HPLC-PDA) and mass spectrometry with electrospray ionization (MS-ESI). The acute toxicity tests with mice showed that according to the classification proposed by Lawton et al (1994b), the toxic strain here tested corresponds to the degree of high toxicity with DL50 24h values for the dry extract lower than 100 mg/kg corporal weight (13,7 mg/kg corporal weight), while DL50(24h) for total microcystin - MCs concentration around 24,2 µg/kg corporal weight. and concentration of MCs in the dry material higher than 1,0 µg/mg dry weight (between 1.64 and 1.86 µg/mg d.w.).

Emprego do reagente de fenton como agente coagulante na remoção de substâncias húmicas de água por meio da flotação por ar dissolvido e filtração / Fenton's reagent as coagulant agent on removing humic substances from water through dissolved air flotation and filtration

O reagente de Fenton foi empregado como agente coagulante no tratamento de água com cor verdadeira elevada (100 ± 5 uH) causada pela introdução de substâncias húmicas extraídas de turfa, empregando-se a flotação por ar dissolvido. Otimizou-se o par de valores dosagem de coagulante x pH de coagulação para posterior construção dos diagramas de coagulação, obtendo-se eficiências de remoção de cor aparente pouco superiores a 60 por cento. Procurou-se simular um tratamento em ciclo completo, realizando-se ensaio de filtração em areia após flotação, obtendo-se efluente de excelente qualidade, apresentando cor aparente, turbidez e absorvância a 253,7 nm remanescentes menores ou iguais a 2 uH, 0,40 uT e 0,009 cm-1, respectivamente, e ferro total residual < 0,005 mg/L e COD < 0,001 mg/L.

Fenton's reagent was used as coagulant agent to treat water with high true color (100 ± 5 HU) caused by the introduction of humic substances extracted from peat, using dissolved air flotation. The pair value of coagulant dosage x coagulation pH was optimized to posterior construction of coagulation diagrams, reaching apparent color removal efficiency slightly superior to 60 percent. It was tried to simulate a treatment with complete cycle, carrying out an experiment with sand filtration after flotation, obtaining an effluent with excellent quality, presenting remnant apparent color, turbidity and absorbance of 253.7 nm less or equal to 2 HU, 0.40 TU and 0.009 cm-1, respectively, and residual total iron< 0.005 mg/L and DOC < 0.001 mg/L.

Remoção de substâncias húmicas por meio da oxidação com ozônio e peróxido de hidrogênio e FiME / Removal of humic substances by means of oxidation with ozone and hydrogen peroxide and FiME

A filtração em múltiplas etapas (FiME) se apresenta como uma alternativa para realizar o tratamento de água de comunidades de pequeno porte, entretanto, a eficiência quanto à remoção de cor verdadeira associada ao carbono orgânico dissolvido (COD) ou às substâncias húmicas, tem sido questionada ou relatada como baixa. A presente pesquisa avaliou a remoção de substâncias húmicas na FiME com pré-oxidação, com ozônio e peróxido de hidrogênio, utilizando para essa avaliação parâmetros indiretos como cor verdadeira, absorvância UV (254 nm) e COD. Foram realizados cinco ensaios, utilizando quatro filtros lentos, sendo dois com camada de carvão ativado granular (CAG). Foram ensaiadas várias alternativas de pré-oxidação com ozônio e peróxido de hidrogênio. Foram obtidos bons resultados, tendo como principal conclusão que os filtros lentos com CAG, precedidos de oxidação com ozônio e depois peróxido de hidrogênio, apresentaram remoção média de cor verdadeira de 64 por cento, mas que o peróxido de hidrogênio afeta o desenvolvimento da camada biológica, interferindo no desenvolvimento da perda de carga, na remoção de turbidez, na remoção de coliformes e na remoção de substâncias húmicas.

Influência das características das substâncias húmicas na eficiência da coagulação com sulfato de alumínio / The influence of humic substances characteristics on the coagulation efficiency using aluminum sulfate

Neste trabalho foi estudada a influência das características das substâncias húmicas (SH), em especial a massa molar das moléculas, na eficiência da coagulação com o uso do sulfato de alumínio. Utilizando-se de água proveniente de poço profundo, foram preparadas quatro águas de estudo, todas com cor verdadeira de aproximadamente 100 uH. As SH foram extraídas de turfa e fracionadas em massas molares: i) SH filtradas em membranas de 0,45 æm; ii) SH filtradas em membranas de 0,45 æm e maiores que 100 kDa, iii) SH com moléculas entre 30 e 100 kDa; iv) SH com moléculas menores do que 30 kDa. Verificou-se que quanto maior a massa molar das SH maior foi a eficiência de remoção da cor aparente, com as menores dosagens de coagulante.O pH de coagulação ótimo, esteve entre 6,0 e 7,0, para todas as águas de estudo. Os estudos da porcentagem de ácido húmico (AH) e ácido fúlvico (AF) presentes em cada fração de diferente massa molar mostraram que quanto maior foi à porcentagem de AF presente, maior foi à dosagem de coagulante exigida para se obter os melhores resultados de remoção da cor aparente.

Uso de modelação matemática para projeto de câmaras mecanizadas de floculação em série em estações de tratamento de água / The use of mathematical modeling to the design of continous flow completely mixed chambers in series for flocculation in water treatment plants

A metodologia encontrada na literatura para a otimização do gradiente de velocidade médio em reatores de mistura completa, com câmaras em série de escoamento contínuo, a partir de ensaios em reator estático tipo jarteste, baseia-se em modelos matemáticos que descrevem a cinética dos encontros entre partículas durante a floculação. Considerando-se que a aplicabilidade desta metodologia tem-se revelado inconsistente, como observado por diversos autores, este trabalho propõe uma metodologia racional para utilizar e otimizar os dados experimentais obtidos em reatores estáticos e, utilizando modelos matemáticos, obter dados para o projeto de floculadores mecanizados em série em estações de tratamento de água.