Desempenho técnico e avaliação de ciclo de vida do tratamento de água com auxiliares de floculação em neutralização de cargas e varredura

O tratamento de água para abastecimento público tem na coagulação-floculação uma etapa crítica, na qual os mecanismos de neutralização de cargas e de varredura, predominantes quando se utiliza cloreto de polialumínio (PAC), atuam, com características operacionais distintas, na desestabilização de sistemas coloidais. Tratando-se de um processo não linear, a modelagem específica é complexa, enquanto a definição da contribuição de cada mecanismo pode trazer vantagens operacionais. Adicionalmente, a associação de auxiliares de floculação é uma prática consolidada, e explorar alternativas, como biopolímeros ou polímeros reciclados, pode indicar configurações com vantagens ambientais. Dessa forma, este trabalho propõe a investigação técnica e a modelagem computacional de baixo custo dos mecanismos dominantes de coagulação-floculação, empregando diagramas de coagulação interpretados por um sistema de inferência fuzzy, aplicados a águas naturais e sintéticas. A partir da delimitação das zonas de neutralização de cargas e varredura, investigou-se, por meio da integração de ensaios de jar test e Avaliação do Ciclo de Vida (ACV), o desempenho de auxiliares de floculação de três classes distintas: o polímero sintético comercial de poliacrilamida (PAM), o polímero à base de poli(acrilamida-co-acrilato de sódio) (PAAm-NaA) obtido da reciclagem de resíduos têxteis e o polímero natural de tanato quaternário de amônio (TQA) de origem vegetal, quanto à redução da dosagem de coagulante, à aceleração da sedimentação, à geração de lodo, e aos respectivos desempenhos ambientais. Os resultados iniciais indicaram condições representativas para a neutralização de cargas entre 2 e 5 mg L⁻1 de PAC em pH 6,2 e para a varredura em 50 mg L⁻1 de PAC em pH 7,0. Apenas os auxiliares TQA e PAM mostraram-se eficazes na redução da dosagem de PAC, reduzindo a turbidez final e a formação de lodo em comparação ao cenário base, sem auxiliar. Para a varredura, por sua vez, os três auxiliares contribuíram para acelerar a sedimentação. O resultado da ACV para o cenário base evidencia a relevância de investigar a redução na dosagem de PAC, uma vez que este insumo figura como fonte de grande contribuição para os impactos ambientais avaliados. No contexto da neutralização de cargas, a configuração com PAM apresentou desempenho ambiental superior, promovendo reduções mais expressivas em relação ao cenário base quando comparada à configuração com TQA. Já na etapa de varredura, a configuração com PAAm-NaA revelou-se inicialmente desvantajosa, resultando em aumentos mais expressivos nos impactos em múltiplas categorias. No entanto, com a contabilização dos créditos ambientais decorrentes da reciclagem, seus impactos tornaram-se mais equilibrados em relação aos do TQA. A configuração com PAM manteve-se como a opção de desempenho ambiental mais favorável.

Abstract (english)

Water treatment for public supply has in coagulation-flocculation a critical step, in which the charge neutralization and sweeping mechanisms, predominant when using polyaluminium chloride (PAC), act, with distinct operational characteristics, on the destabilization of colloidal systems. As a nonlinear process, specific modeling is complex, while defining the contribution of each mechanism can bring operational advantages. Additionally, the use of flocculation aids is a well-established practice, and exploring alternatives, such as biopolymers or recycled polymers, can offer environmental benefits. Thus, this work proposes a technical investigation and low-computational-cost modeling of the dominant coagulation-flocculation mechanisms, employing coagulation diagrams interpreted by a fuzzy inference system, applied to natural and synthetic waters. Based on the delimitation of charge neutralization and sweeping zones, the performance of three classes of flocculation aids was investigated through an integration of jar test experiments and Life Cycle Assessment (LCA): commercial synthetic polyacrylamide polymer (PAM), poly(acrylamide-co-sodium acrylate) (PAAm-NaA) obtained from textile waste recycling, and the natural polymer quaternary ammonium tannate (TQA) of vegetable origin, regarding coagulant dose reduction, sedimentation acceleration, sludge generation, and the consequent potential environmental advantages. Initial results indicated representative conditions for charge neutralization at 2-5 mg L-1 of PAC at pH 6.2 and for sweeping at 50 mg L-1 of PAC at pH 7.0. Only the TQA and PAM aids proved effective in reducing PAC dosage, reducing the final turbidity and the sludge formation compared to coagulant use alone. For sweeping, all three aids contributed to sedimentation acceleration. The LCA results for the base scenario highlight the relevance of reducing PAC doses, as this input is a major contributor to the environmental impacts assessed. In the context of charge neutralization, the PAM configuration showed superior environmental performance, achieving more pronounced reductions in relation to the baseline scenario when compared to the TQA configuration. In the sweeping stage, the PAAm-NaA configuration initially proved disadvantageous, resulting in higher impact increases across multiple categories. However, when environmental credits from recycling were accounted for, its performance became more aligned with that of TQA. The PAM configuration consistently remained the option with the best environmental performance.

Keywords

Água potável , Água - Purificação - Floculação , Polímeros , Gestão ambiental , Drinking water , Water - Purification - Flocculation , Polymers , Environmental management

Language

Portuguese

Citation

MARQUES, Diego Gouveia. Desempenho técnico e avaliação de ciclo de vida do tratamento de água com auxiliares de floculação em neutralização de cargas e varredura. 2026. Tese (Doutorado em Ciências Ambientais) - Instituto de Ciência e Tecnologia, Universidade Estadual Paulista, Sorocaba, 2026.