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Caracterização da matéria orgânica dissolvida em processos de tratamento de água para consumo humano usando fracionamento rápido

Resumo

Matéria orgânica natural (MON) é uma complexa matriz de compostos orgânicos originados de fontes naturais que estão presentes em corpos hídricos. A MON é comprovada precursora de subprodutos da desinfecção (SPD), além de afetar processos de tratamento de água, tais como a coagulação, a desinfecção, a oxidação, a adsorção em carvão ativado e a filtração em membranas. Por essas razões, a redução da MON no tratamento de água para consumo humano é importante. Vários métodos são usados para caracterizar e quantificar a MON, tais como adsorção em resinas e parâmetros de massa. Carbono orgânico total (COT), carbono orgânico dissolvido (COD), absorção na região do ultravioleta (UV254) e absorbância específica de luz ultravioleta (AEUV) são usualmente utilizados como parâmetros de massa. O fracionamento rápido é uma técnica que usa diferentes resinas para separar frações da MON. Nesse contexto, este trabalho teve como objetivo geral caracterizar a matéria orgânica dissolvida (MOD) em processos de tratamento de água para consumo humano usando o método do fracionamento rápido e os parâmetros COD, UV254 e AEUV. Também foram analisados as variáveis turbidez, cor, pH e alcalinidade. Foram avaliados os efeitos dos processos de coagulação, sedimentação, filtração e adsorção em carvão ativado nas frações que formam a MON. Ácidos muito hidrofóbicos (AMH) constituíram a principal fração da MOD na água estudada, havendo redução de 89% entre a água bruta e o efluente do filtro de carvão ativado granular (CAG). A segunda fração predominante foi de ácidos levemente hidrofóbicos (ALH), reduzidos em 83% ao longo do tratamento. Na água bruta, as frações de matérias hidrofílicas carregadas (MHC) e de neutras (MHN) apresentaram concentrações de 0,11 mg L-1 e 0,04 mg L-1, não sendo removidas pelo tratamento.

Introdução

A matéria orgânica natural (MON) compreende complexa matriz de compostos orgânicos oriundos de fontes naturais e que estão presentes em corpos de água (CRITTENDEN et al., 2012). As estruturas químicas de tais compostos orgânicos ainda não são totalmente definidas, mas incluem substâncias alifáticas e aromáticas fortemente coloridas (MATILAINEN; VEPSÄLÄINEN; SILLANPÄÄ, 2010; EDZWALD; TOBIASON, 2011; MATILAINEN et al., 2011; CRITTENDEN et al., 2012). Além da variedade de constituintes químicos, a MON apresenta diferentes tamanhos moleculares (THURMAN, 1985; SWIETLIK et al., 2004). Sua composição elementar inclui cerca de 45 a 60% de carbono, 4 a 5%de hidrogênio, 35 a 40% de oxigênio e 1% de nitrogênio (THURMAN, 1985).

A remoção de MON em águas de abastecimento é importante porque ela afeta os processos de tratamento de água para consumo humano, além de ser precursora de subprodutos da desinfecção (EDZWALD; TOBIASON, 2011; CRITTENDEN et al., 2012). Vários processos são empregados para a remoção de MON no tratamento de água, incluindo a coagulação, a coagulação aprimorada e/ou otimizada, a adsorção em carvão ativado e em resinas de troca iônica magnética (MIEX®), a filtração em membranas, os processos oxidativos avançados (POAs), o biotratamento e a ozonização (MATILAINEN; VEPSÄLÄINEN; SILLANPÄÄ, 2010; BOND et al., 2011; MATILAINEN et al., 2011; CRITTENDEN et al., 2012; SILLANPÄÄ, 2015).

Os processos mais comuns e economicamente viáveis para a remoção de MON são a coagulação e a floculação, seguidas de sedimentação/ flotação e de filtração por areia. O dois primeiros processos são eficazes para a remoção de matérias orgânicas hidrofóbicas de alto peso molecular (APM), tais como os ácidos húmicos. Contudo, os processos são limitados com relação à remoção de compostos hidrofílicos de tamanhos menores (MATILAINEN; VEPSÄLÄINEN; SILLANPÄÄ, 2010; MATILAINEN et al., 2011; TREGUER et al., 2010; SILLANPÄÄ, 2015). Com relação à adsorção em carvão ativado granular (CAG), a remoção de MON decorre em três formas principais:

• adsorção de MON solúvel;
• filtração física de partículas de MON;
• biodegradação de MON, caso um biofilme ativo se desenvolva nas partículas de CAG (GIBERT et al., 2013).

Métodos usados na caracterização de MON compreendem adsorção em resinas, cromatografia de exclusão por tamanho (SEC), espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN) e espectroscopia de fluorescência. Já a quantificação de MON na água tem sido estimada sobretudo por parâmetros substitutos, como carbono orgânico total (COT) e carbono orgânico dissolvido (COD), absorção de luz ultravioleta em 254 nm (UV254) e absorbância específica de luz ultravioleta (AEUV) (EDZWALD; TOBIASON, 2011; MATILAINEN et al., 2011; APHA; AWWA; WEF, 2012).

O fracionamento rápido é uma técnica usada para a caracterização da MON. Essa técnica utiliza três resinas de troca iônica (DAX-8, XAD-4 e IRA-958) para separar a MON em quatro frações orgânicas: ácidos muito hidrofóbicos (AMH), ácidos levemente hidrofóbicos (ALH), matérias hidrofílicas carregadas (MHC) e matérias hidrofílicas neutras (MHN) (CHOW; FABRIS; DRIKAS, 2004; VIEIRA et al., 2012). Essas frações são definidas quanto às resinas adsorventes:

• AMH: A fração de MON que é adsorvida pela resina DAX-8;
• ALH: A fração de MON que é adsorvida por XAD-4;
• MHC: A fração de MON que é adsorvida por IRA-958;
• MHN: A fração de MON que não é adsorvida por nenhuma das resinas (EIKEBROKK; JUHNA; ØSTERHUS, 2006).

De acordo com Thurman (1985), os ácidos hidrofóbicos constituem aproximadamente 50% do carbono orgânico total na água, são constituídos de ácidos húmicos, fúlvicos e de humina e apresentam carbono aromático, ligações duplas conjugadas e estruturas fenólicas, variando em peso molecular e em grupos funcionais. A matéria hidrofílica contém compostos alifáticos de carbono e nitrogênio, como carboidratos, açúcares, proteínas e aminoácidos.

O objetivo deste trabalho foi utilizar a técnica de fracionamento rápido para caracterizar e quantificar o efeito dos processos de coagulação, sedimentação, filtração granular em areia e adsorção em CAG na remoção da MON de água usada em uma estação de tratamento em escala real. Essa caracterização foi feita com análises de carbono orgânico dissolvido e absorção de luz ultravioleta em 254 nm.

Autores: Felipe José Hillebrand e Antônio Domingues Benetti.