Como o carvão ativado granulado (GAC) é cada vez mais empregado para tratar substâncias per e polifluoroalquil (PFAS), novos profissionais podem melhorar seus resultados sabendo o que esperar, graças aos dados e à experiência adquiridos em instalações anteriores.
O impacto de substâncias per e polifluoroalquil (PFAS) e outros contaminantes emergentes (ECs) na água potável, fez com que muitas concessionárias de água implementassem tecnologias de tratamento adicionais. Um dos tratamentos mais utilizados para a remoção de certos PFAS é o carvão ativado granulado (GAC). No entanto, muitas concessionárias de água potável, especialmente aquelas que usam recursos hídricos subterrâneos, geralmente empregam apenas a desinfecção e, portanto, não estão familiarizadas com o uso de tecnologias de tratamento como o GAC.
Imagem: Water Online
Existem cinco aspectos da implementação de um sistema GAC que não são bem compreendidos por aqueles que não projetam ou operam esses sistemas regularmente:
- Requisitos de imersão
- Requisitos de retrolavagem
- Período de ajuste de pH
- Conteúdo de arsênico
- Desinfecção
Requisitos de imersão
Quando um novo GAC é adicionado ao sistema, ele está seco e o espaço vazio externo e os espaços porosos internos são preenchidos com ar. O material GAC ocupa apenas 20% do volume do leito; o restante é ar. Os poros internos de GAC são aproximadamente 40% do volume do leito de GAC. A imersão permite que a água se difunda nos poros e desloque o ar aprisionado. Como as superfícies do GAC são hidrofóbicas, leva um tempo razoavelmente longo para molhar os poros de carbono e deslocar o ar. A quantidade de tempo necessária é uma função da temperatura e do tamanho da malha de carbono. Temperaturas mais altas permitem uma difusão mais rápida; por outro lado, partículas maiores têm poros mais longos e requerem mais tempo para difusão.
Em temperaturas ambientes (50–60°F ou 10–15,6°C), a imersão requer de 48 a 72 horas. O recipiente deve ser preenchido no modo de fluxo ascendente a não mais que 5 gpm/ft2. Durante o período de imersão, o recipiente deve ser isolado do processo de tratamento e a água mantida estática dentro do recipiente. Um exemplo de umedecimento em função do tempo e do tamanho das partículas de carbono é fornecido na Figura 1.
Após a imersão em água, o leito de carbono precisa ser retrolavado ou drenado e reabastecido com fluxo ascendente a não mais que 2 gpm/ft2 para deslocar todo o ar aprisionado (dos poros de carbono). O ar não será deslocado na operação normal de fluxo descendente.
Se o carbono não for devidamente umedecido/desaerado, podem ocorrer problemas operacionais e de desempenho. Estes incluem um aumento na queda de pressão à medida que o ar é deslocado dos poros de carbono e preso dentro do leito, e adsorção pobre ou muito pequena (a migração/difusão dos contaminantes para os locais de adsorção dentro das partículas de carbono só pode ocorrer se houver água nos poros).
Figura 1. Exemplo de curvas de umidificação para GAC betuminoso de malha 8×30 e 12×40. (Fonte: Calgon Carbon Corporation)
Requisitos de retrolavagem
A retrolavagem do GAC recém-instalado é necessária para remover finos de carbono e estratificar o leito. A estratificação permite que as partículas de carbono maiores se assentem no fundo do recipiente e forneçam distribuição vertical do tamanho das partículas. Os procedimentos de retrolavagem recomendados podem variar de fornecedor para fornecedor, mas há três aspectos importantes que devem ser seguidos:
- A taxa específica do fluxo de retrolavagem necessária depende da temperatura da água e do produto GAC específico instalado.
- A incorporação de um período de aceleração (ramp-up) separa suavemente o carbono e remove o ar aprisionado.
- A incorporação de um período de desaceleração (ramp-down) permitirá a estratificação do GAC.
A Tabela 1 fornece os requisitos gerais que devem ser planejados no projeto e na operação do sistema. A água de retrolavagem deve estar limpa e livre de sólidos. Os requisitos específicos dependerão do produto do carbono, pH e capacidade de tamponamento da água e valores alvo de pH. O efluente da retrolavagem precisa ser descartado em esgoto ou coletado para descarga/descarte dependendo da configuração.
Uma expansão do leito de 25% a 30% deve ser direcionada para a retrolavagem. A seguir estão as diretrizes gerais para a retrolavagem:
- Período de aceleração (ramp-up) de 5 min. com expansão de 0% a 15%
- Período de retrolavagem de 20 a 25 min.
- Período de desaceleração (ramp-down) de 5 min. com expansão de 15% a 0%.
Vazões reversas para fluidização do leito em termos de gpm/ft2 estão disponíveis para o meio específico usado na temperatura da água do sistema. Estes devem ser usados para quantificar a quantidade de água de retrolavagem necessária. Como a água é mais densa em temperaturas mais frias, requer menos vazão volumétrica para fluidizar o leito. É importante ficar atento à temperatura da água. Se a taxa de fluxo utilizada for maior do que a recomendada para a temperatura dada, é muito possível que a mídia possa ser lavada para fora do recipiente.
Deve-se enfatizar que a principal razão para realizar uma retrolavagem no novo carbono é a remoção de finos. Como tal, a água de retrolavagem geralmente contém concentrações elevadas (> 50 mg/L) de sólidos suspensos totais (TSS). Também é típico que a maior concentração seja liberada nos primeiros 5 minutos de retrolavagem, com concentrações decrescentes de TSS em função do tempo de retrolavagem.
Período de ajuste de pH
Muitas vezes, a inicialização de sistemas GAC exibe aumentos inaceitáveis no pH do efluente, o que pode resultar em um pH do efluente excedendo os valores permitidos. Não é raro observar valores superiores a 9,5 ou 10 Unidade Padrão (SU). A extensão da excursão do pH depende da qualidade da água (principalmente pH inicial e capacidade de tamponamento).
O aumento do pH também mostrou ser amplamente independente do material de base GAC e se o carbono foi ou não lavado com ácido pelo fabricante (Farmer, 1996). A causa do pH elevado é devido aos grupos funcionais de superfície do processo de ativação do GAC, que impulsionam a protonação (atração de H+) e, assim, elevam os valores de pH da água.
Observe que o pH diminui em função do tempo de execução. Isso ocorre porque após a protonação, a superfície é neutralizada com os ânions (cloreto, sulfato, etc.) presentes na água (Farmer, 1996). O pH do efluente pode ser elevado para 200 a 500 volumes de leito. Além disso, esse pH elevado pode resultar na lixiviação de alumínio, manganês e outros metais de transição do carbono reativado (Desotec, 2020).
A recirculação pode limitar a quantidade de volumes de leito necessários para obter um pH neutro, mas a lavagem direta com água influente é o melhor curso de ação. Na maioria dos cenários, a lavagem necessária pode exigir de dois a três dias de operação contínua. Assim, o planejamento da conexão de esgoto no projeto é sempre melhor. No entanto, se a conexão de esgoto não estiver disponível, será necessária a coleta temporária para descarga/descarte. A tabela geral de Farmer et al. fornece uma ideia geral dos materiais de base.
Tabela 1. Tipo de carvão ativado, pH inicial e volumes de enxágue necessários para estabilização do pH (Adaptado de Farmer et. al., 1996)
Como pode ser visto na Tabela 1, a lavagem com ácido pode reduzir o volume de enxágue necessário para reduzir o pH do efluente a um nível aceitável. No entanto, a lavagem com ácido por só, muitas vezes não é suficiente para eliminar os valores inicialmente altos de pH do efluente. Existem também produtos com pH estabilizado disponíveis. Estes podem reduzir significativamente ou eliminar a quantidade de tempo de enxágue. O carbono deve ter uma especificação adicional de um “pH de contato modificado” máximo, para mostrar que é um produto com pH estabilizado.
Os resultados da neutralização do pH de um sistema projetado por Jacobs são fornecidos na Figura 2.
Como pode ser visto nestes exemplos, o pH inicial do efluente GAC variou entre 8,8 e 9,2 SU. O Local A (mostrado em vermelho) é um produto à base de coco, enquanto o Local B (mostrado em azul) é um produto à base de betuminoso. A água da fonte também parece mais tamponada no Local A, o que exigia um volume de descarga maior (~70 volumes de leito [BVs]) até que o pH começasse a diminuir. Isso resultou em um volume total de descarga necessário de 130 BVs. A água da fonte do Local B é menos tamponada e começou a diminuir em 5 BVs e exigiu cerca de 50 BVs para estabilizar o pH no valor influente de 8,1 SU.
Esses exemplos mostram que as informações originalmente fornecidas pela Calgon Carbon na tabela podem ser conservadoramente altas, mas úteis para o planejamento do pior caso. O volume necessário será uma função do tipo real de material GAC, lote de produto recebido e força de tamponamento da água influente.
Figura 2. pH vs. volumes do leito (dados de enxágue de passagem única [não recirculado]) (Fonte: Jacobs)
Teor de Arsênio
Todo carvão contém algum arsênio, que está presente principalmente na pirita mineral intercalada no carvão (USGS, 2005). Isto significa que os produtos betuminosos e sub-betuminosos amplamente utilizados contêm frequentemente arsénio. Muitas vezes, pensa-se que o GAC à base de coco é menos provável de conter arsênio. No entanto, como as cascas de coco usadas para produzir GAC são frequentemente colhidas em locais com solo rico em arsênio, o coqueiro absorve o arsênio e o concentra na casca do coco.
Em um estudo relatado na revista Water Conditioning & Purification, 16 de 20 GACs betuminosos e 11 de 19 de coco resultaram em níveis detectáveis de arsênio após testes de lixiviação. Como tal, quando o GAC é colocado on-line, independentemente da fonte do material de base, há uma grande probabilidade de que o arsênio lixiviável presente na superfície do carvão ativado possa ser transferido para o líquido e acabar na água potável. Assim, muitas vezes é necessária uma descarga de GAC para drenar.
A Figura 3 mostra os resultados de um start-up recente usando um produto à base de betume.
Os vários conjuntos de dados representam diferentes recipientes dentro do sistema geral. Cada recipiente recebeu o mesmo produto betuminoso, mas de vários lotes de fornecedores. Como pode ser visto, a concentração inicial de arsênio variou de 8 a 20 μg/L. Para cada recipiente, a concentração de arsênio no efluente foi reduzida para menos de 5 μg/L em menos de 30 BVs. Isso garante que a descarga de arsênico pode ser realizada dentro do mesmo processo exigido para o pH.
O GAC lavado com ácido, fornecido pelo fabricante pode reduzir ou eliminar a necessidade de lavagem, mas é mais caro. E como a lavagem do pH é mais frequentemente necessária (como discutido acima), gastar dinheiro extra em carbono lavado com ácido para redução de arsênio pode nem sempre ser garantido.
Figura 3. Concentração de arsênio versus volume do leito de startups do GAC betuminosos (Fonte: Jacobs)
Desinfecção
A desinfecção de vasos de adsorção vazios, tubulações e outros equipamentos deve ser alcançada por meio de cloração via procedimentos padronizados da AWWA (ANSI/AWWA C653-97).
Embora a ativação do GAC ocorra em altas temperaturas (800–1000°C) e destrua toda a contaminação bacteriológica da matéria-prima, é possível que o GAC seja contaminado durante o transporte. Assim, antes de ser colocado em serviço, o GAC deve ser avaliado para verificar se está livre de contaminação bacteriológica. Depois que o GAC é instalado, encharcado, retrolavado e enxaguado conforme descrito acima, o sistema precisa ser verificado quanto à presença de bactérias por meio de um procedimento de lavagem.
A lavagem deve ser realizada na vazão de projeto que corresponde a um tempo de contato com leito vazio (EBCT) de 10 minutos. Duas amostras para análise bacteriana (contagem de placas de coliformes e/ou heterotróficas [HPC]) devem ser coletadas do efluente do GAC aos 10 minutos e 60 minutos de enxágue (ou um intervalo alternativo não inferior a 30 minutos). Níveis de HPC inferiores a 500 unidades formadoras de colônias por mililitro (cfu/ml) são considerados aceitáveis, mas regulamentações estaduais específicas, devem ser consideradas.
Se o sistema precisar de desinfecção, isso pode ser feito adicionando uma solução de hipoclorito de sódio a 5% no recipiente de GAC. No entanto, o carbono decompõe rapidamente o íon hipoclorito, que pode competir com o processo de desinfecção bacteriana. Alternativamente, o pH do recipiente de GAC pode ser elevado para >12 usando hidróxido de sódio (NaOH). A quantidade de soda cáustica necessária depende do pH da água, capacidade de tamponamento e tamanho do recipiente. Recomenda-se recircular a solução por 2 a 3 horas seguidas de imersão por pelo menos 8 horas. Durante este processo, o pH deve ser mantido em um valor >12. A solução deve ser neutralizada com ácido clorídrico, circulada, encharcada e descarregada para drenagem.
Resumo
À medida que mais concessionárias estão considerando o GAC para tratamento de PFAS, há aspectos de start-up do sistema GAC que não são amplamente divulgados, e o projetista assim como o operador devem estar cientes desses itens críticos.
A consideração de imersão, retrolavagem, neutralização de pH, lavagem com arsênio e desinfecção deve ser avaliada como parte de um projeto de sistema GAC. Recomenda-se a conexão a um esgoto para o novo sistema GAC. No entanto, para sistemas em locais remotos, pode ser necessária à coleta temporária de água e o transporte/descarte em uma estação de tratamento de efluentes próxima.
Referências:
Farmer, R. W., Dussert, B. W., & Kovacic, S. L. (1996). Improved granular activated carbon for the stabilization of wastewater pH, Spring Tech. Meet., Am. Chem. Soc., Div. Fuel Chem. 41:456–460.
Desotec,https://www.desotec.com/en/carbonology/carbonology-academy/activatedcarbon-ph-acidity.
Gandy, N.F., and Maas, R.P. (2004). Extractable Arsenic from Activated Carbon Drinking Water Filters, Water Conditioning & Purification. http://archive.wcponline.com/pdf/1104 arsenic.pdf
USGS, U.S. Geological Survey Fact Sheet 2005-3152. (2005). https://pubs.usgs.gov/fs/2005/3152/index.html
Schuliger, W., Nowicki, H.G., Sherman, B., & Nowicki, H. (2010), Granular Activated Carbon Not Working?, www.wqpmag.com, October, 2010
Autor: Scott A. Grieco
Fonte: Water Online
Adaptado por Digital Water
