UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL INSTITUTO DE PESQUISAS HIDRÁULICAS DEPARTAMENTO DE OBRAS HIDRÁULICAS
IPH 214 - TRATAMENTO DE ÁGUA COAGULAÇÃO E FLOCULAÇÃO Conceitos teóricos e aplicações práticas em estações de tratamento de água para abastecimento público
Ponto 3
Prof a Carmen Maria Barros de Castro
2005 COAGULAÇÃO E FLOCULAÇÃO
2
1. Introdução Na forma convencional do tratamento de água para abastecimento público, o processo de coagulo-floculação tem como objetivo geral: a remoção de turbidez orgânica ou inorgânica que não sedimenta rapidamente devida principalmente à presença de partículas de argila, sob forma grosseira, ou de suspensões coloidais provenientes da erosão do solo, que por serem de mais difícil remoção, necessitam de tratamento químico. a remoção de cor verdadeira e aparente, devida principalmente à presença de substâncias químicas provenientes da degradação da matéria orgânica (folhas e plantas aquáticas); a eliminação de bactérias, vírus e organismos patogênicos patogênicos que costumam estar associados a partículas responsáveis pela turbidez que parecem utilizálas como substrato e forma de proteção; a destruição de algas e planctons em geral; a eliminação de substâncias produtoras de sabor e odor e de precipitados químicos; a remoção de fosfatos, os quais servem como nutrientes para o crescimento de algas. A remoção destes materiais produzirá uma água esteticamente aceitável e que poderá ser desinfectada apropriadamente, garantindo o padrão de turbidez expresso na Portaria 1469/00 (ver Quadro 3.1), assegurando a qualidade microbiológica da água, em complementação às exigências relativas aos indicadores microbiológicos.
Quadro 3.1 - Padrão de turbidez para água pós-filtração ou pré desinfecção Tratamento da água VMP (Valor Máximo Permissível) Desinfecção (água subterrânea) 1,0 uT em 95% das amostras Filtração rápida (tratamento completo 1,0 uT ou filtração direta) Filtração lenta 2,0 uT em 95% das amostras Fonte: Portaria 1469/00 - Ministério da Saúde
OBS: Ainda, com vistas a assegurar a adequada eficiência de remoção de enterovírus, cistos de Giárdia e oocitos de Cryptosporidium, a Portaria recomenda, enfaticamente, que, para filtração rápida se estabeleça como meta a obtenção de efluente filtrado com valores de turbidez inferiores a 0,5 uT em 95% dos dados mensais e nunca superiores a 5,0 uT.
2. A estabilidade dos colóides 2
3
Grande parte das impurezas presentes na água, particularmente àquelas que causam cor e turbidez, encontra-se naturalmente no estado coloidal formando o que poderíamos chamar de dispersão coloidal. Há vários tipos de dispersão coloidal, porém, sob o ponto de vista do tratamento de água, a que mais interessa é aquela em que a fase dispersante é líquida (água) e a fase dispersada é sólida (colóide ou impureza). Desta forma, remover cor e turbidez da água significa remover colóides que apresentam grande estabilidade em solução; daí, a dificuldade de removê-los unicamente por processos de separação de partículas como sedimentação e/ou filtração. Esta estabilidade é devida, principalmente, a três fatores: o tam anh o d as p artícu las coloidais , como
é mostrado na tabela 1, dificulta a sua sedimentação em um período de tempo razoável assim como também dificulta a sua retenção nos poros de filtros de areia,
Quadro 3.2 - Tempo de sedimentação x tamanho de partícula Diâmetro de partícula: mm
Tipo de partícula
Tempo p/ sedimentação em 1,0 m.
10 1 10101010-4 1010-
Cascalho Areia Areia fina Argila Bactéria Colóide Colóide Colóide
1 segundo 10 segundos 2 minutos 2 horas 8dias 2 anos 20 anos 200 anos
Os colóides estão também continuamente sujeitos ao M o v i m e n t o B r o w n i a n o (fenômeno observado pelo botânico inglês John Brown em 1928) que é um movimento meramente randômico, resultante do intenso bombardeio das partículas dispersas pelas moléculas da fase dispersante. Este bombardeio é constante, uma vez que a agitação da fase dispersante sempre existe.
Finalmente, a estabilidade dos colóides também é explicada pelo fato de que, de uma maneira geral, tod os o s co lóides dispers os em águ as cujo p H se e portanto repelem-se encontra entre 5 a 10, po ssu em carga negativa entre si antes que possam colidir.
Portanto, para que estas impurezas possam ser removidas, é necessário desestabilizá-las, ou seja, é preciso que sejam eliminadas as forças repulsivas que as mantém separadas, agregando-as em um volume maior para posterior sedimentação. Isto pode ser feito através da adição de um eletrólito à água que
3
4
tenha uma carga oposta em sinal a das partículas coloidais. O efeito será tanto melhor, quanto maior seja o número de cargas do eletrólito; assim, um íon bivalente é de 30 a 60 vezes mais efetivo que um íon monovalente, e um íon trivalente é de 700 a 1000 vezes mais efetivo que o monovalente e de 10 a 100 vezes mais efetivo que um bivalente (lei de Schulze-Hardt).
3. Coagulantes e auxiliares de coagulação 3.1 Coagulantes Além das características químicas citadas anteriormente, é ainda, evidentemente necessário, que a aplicação do produto empregado como coagulante não cause problemas à saúde dos consumidores de água tratada. O custo, a disponibilidade (facilidade de obtenção) e o tipo de água, também são fatores decisivos para a escolha do coagulante mais adequado. Entre os principais compostos utilizados como coagulantes no tratamento de água citamse: sais de alumínio como o sulfato de alum ínio e o alum inato de s ódio e sais de ferro como o cl or eto fé rr ic o, o su lfat o fé rr ic o e o su lfat o ferroso . O sulfato de alumínio, Al 2 (SO 4)3.18 H2O é um pó de cor marfim, extraído da bauxita, originalmente hidratado. Atualmente é fornecido às estações na forma líquida, em soluções concentradas a 50%. É um eletrólito trivalente e bom coagulante para águas que contenham matéria orgânica, é fácil de transportar e manejar, seu custo é baixo e é produzido em várias regiões brasileiras. É o coagualante mais empregado em tratamento de águas para consumo humano. O aluminato de sódio é essencialmente alumina dissolvida em hidróxido de sódio. O principal uso do aluminato de sódio é como um coagulante adicional ao sulfato de alumínio, geralmente para abrandamento de águas. Os sais de ferro são efetivos em ampla faixa de pH e geralmente mais eficientes na remoção de cor da água, mas usualmente são mais caros que os sais de alumínio. As principais vantagens em se utilizar sais férricos, particularmente o cloreto férrico e o sulfato férrico são que: (i) a coagulação é efetiva em uma ampla faixa de pH, (ii) o precipitado produzido sedimenta mais rápido porque forma flocos mais pesados, (iii) são mais efetivos na remoção de compostos que conferem cor, sabor e odor à água. No quadro 3.3 estão relacionadas as faixas adequadas de pH para os coagulantes citados:
Quadro 3.3 – Coagulantes x pH Coagulantes Sulfato de alumínio
Faixa de pH 5,0 a 8,0 4
5
Sulfato ferroso Sulfato férrico(1) Cloreto férrico Aluminato de sódio
8,5 a 11,0 5,0 a 11,0 5,0 a 11,0 6,0 a 8,5
(1) empregado no tratamento de águas altamente coloridas ou ácidas
3.2 Auxiliares de coagulação Os auxiliares de coagulação são produtos utilizados nas estações de tratamento, em conjunto com os coagulantes, com a finalidade de ajustar as propriedades da água a valores que conduzam a uma coagulação eficiente. Também são muito utilizados em estações que trabalham acima de sua capacidade nominal (sub-dimensionadas). Os principais auxiliares no processo de coagulação são: os ajustadores de pH (ácidos e álcalis) e, os polieletrólitos. Os ácidos e álcalis são usados para ajustar o pH da água na faixa ótima de coagulação. Os ácidos mais comumente empregado para abaixamento do pH são o ácido sulfúrico e o ácido fosfórico, enquanto o hidróxido de cálcio (cal apagada), o carbonato de sódio (soda barrilha) e o hidróxido de sódio são os álcalis mais usados para elevar o pH. Os polieletrólitos ou polímeros são compostos de longas cadeias moleculares que podem apresentar, quando lançados na água, um número de cargas muito grande, responsáveis pela atração e fixação dos colóides que se deseja remover da água em tratamento. O uso desses produtos tem se mostrado bastante promissor em estações de tratamento de água que trabalham acima da sua capacidade nominal ou nos casos em que se deseja melhoria na qualidade da água tratada. Além de estimular a formação de flocos, o uso de polieletrólitos permite reduzir bastante o consumo de coagulantes, resultando, em vista de os flocos serem mais compactos e da menor quantidade de coagulante empregado, na redução do volume de lodo nos decantadores, com significativa melhora dos processos de decantação e filtração. Tanto polímeros sintéticos, como naturais (amidos em geral), têm sido usados como auxiliares de floculação, buscando-se desta forma aumentar a velocidade de sedimentação dos flocos, a resistência dos mesmos às forças de cisalhamento que podem ocorrer na veiculação da água floculada e a diminuição da dosagem de coagulante primário. Os polímeros são chamados polímeros catiônicos quando se dissociam para formar íons carregados positivamente e de polímeros aniônicos quando se dissociam para formar íons poliméricos carregados negativamente. Os polieletrólitos podem ser usados sem a aplicação do coagulante primário (para os tipos de água mais comuns) o que não se poderá fazer quando se tratar de polieletrólitos aniônicos ou não iônicos.
5
6
É recomendável que todas as novas instalações projetadas, tenham possibilidade de permitir a aplicação desses produtos que, em muitos casos, pode trazer economia sobre o tratamento apenas com coagulantes primários. Como no Brasil ainda não há estudos específicos sobre os efeitos fisiológicos desses produtos, recomenda-se a obediência aos limites máximos de dosagem estabelecidos pela Environmental Protection Agency - EUA.
4. O processo de coagulo-floculação Denomina-se genericamente de coagulação-floculação ao processo pelo qual as partículas se aglutinam em pequenas massas (flocos), com peso específico superior ao da água. Porém, este processo ocorre em duas etapas seqüenciais, cujos aspectos fundamentais devem ser distinguidos. Assim: a) a COAGULAÇÃ O corresponde à desestabilização das partículas suspensas, ou seja a remoção das forças que as mantém separadas. Inicia-se no exato instante em que o coagulante é adicionado à água, e dura fração de segundos. Basicamente, consiste numa série de processos físicos e reações químicas envolvendo o coagulante, as impurezas, algumas substâncias presentes na água, especialmente as que conferem alcalinidade e a própria água. b) a FLOCULA ÇÃ O corresponde ao transporte e aglomeração destas partículas já desestabilizadas, dentro do líquido, geralmente estabelecendo pontes entre si e formando uma malha de coágulos maiores e porosos denominados de flocos, que podem ser removidos posteriormente por sedimentação, flotação ou filtração rápida. Tendo em vista que o sulfato de alumínio, entre os diversos produtos químicos utilizados como coagulante, vem sendo o mais adotado nas estações de tratamento de água brasileiras, somente a química de coagulação deste composto será aqui abordado. Quando o sulfato de alumínio é adicionado à água, as moléculas dissociam-se para produzir SO42-, e vários complexos hidrolisados tais como Al(OH)n+, Al(OH)3, e Al(OH)4-. As várias espécies positivas que são formadas podem combinar-se com os colóides carregados negativamente para neutralizar parte da carga da partícula coloidal, reduzindo as forças repulsivas a um valor onde é possível ocorrer a aglomeração das partículas: Al3+ + [COLÓIDE] -
Al [COLÓIDE]-
Assim, ao adicionar um coagulante a água, este se hidroliza e pode produzir a desestabilização das partículas, por simples adsorção específica dos
6
7
produtos de hidrólise (geralmente com carga positiva) aos colóides carregados negativamente (1a fase) Por outro lado, os produtos das hidrólises dos coagulantes sofrem reações de polimerização, se transformando em grandes cadeias tridimensionais com extremos ativos (2a fase) Estas cadeias podem ser facilmente adsorvidas nos sítios vagos de adsorção dos colóides existentes na suspensão, deixando os extremos estendidos na água (3a fase) Tais extremos podem aderir-se a outros colóides que também tenham sítios vagos, formando assim massas esponjosas de partículas de suspensão ligadas por cadeias poliméricas (4a fase). Este processo deve ser ajudado agitando-se lentamente a água. Ao sedimentar-se estes coágulos, fazem um efeito de varredura (5a fase), arrastando em sua queda novas partículas que se incorporam aos microflóculos em formação. Portanto, a coagulação, é o resultado de dois fenômenos: o primeiro, essencialmente químico, consiste nas reações do coagulante com a água e na formação de espécies hidrolisadas com carga positiva e depende da concentração do coagulante e pH final da mistura; o segundo, fundamentalmente físico, consiste no transporte das espécies hidrolisadas para que haja contato com as impurezas presentes na água.
4.1 Fatores intervenientes na eficiência do processo de coagulo-floculação: A eficiência do processo de coagulação depende, fundamentalmente, de dois fatores: a alcalinidade e, o pH.
4.1.1 O efeito amortizador ou efeito tampão da alcalinidade: O sulfato de alumínio, Al 2(SO4)3, quando está em solução encontra-se hidrolizado, isto é, associado com a água:
Al2(SO4)3 + 6 H2O Al(H2O)6
+++
+ 3 SO42- ou
2 Al(OH)3 +6 H+ + 3 SO4
7
8
Os íons de alumínio hidratado Al(H2O)6+++ , ou seja os íons hidrogênio, atuam como um ácido no sentido Brönsted-Lowry e reagem, portanto, com as bases que se encontram na água, diminuindo o pH de tal modo que podem prejudicar ou mesmo impedir o processo de coagulação por situá-la numa faixa de pH onde a coagulação não ocorre ou ocorre de forma muito ineficiente. Do ponto de vista da teoria de ácidos e bases, as bases que constituem a alcalinidade, presente na água na forma de compostos de bicarbonatos: (HCO 3), carbonatos: (CO3)2- e hidroxilas: (OH) -, são mais fortes que a H 2O, e assim o Al(H2O)6+++ reagirá sempre antes com elas do que com a molécula de água, havendo um consumo de alcalinidade e um abaixamento de pH, caso não haja alcalinidade suficiente ao processo. Além disso, a reação do sulfato de alumínio com a alcalinidade gera ácidos fracos como HCO3 - e H2CO3 , ao contrário da reação com a água quando é formado o H3O+ (hidrônio), ácido extremamente forte, levando a uma brusca queda do pH, comprometendo a eficiência do processo e tornando a água excessivamente corrosiva, prejudicando as canalizações. A alcalinidade atua portanto, como um tam pão o u s ol ução am or tizad or a da qu eda b ru sc a do p H.
1. Reações do (Al 2SO4)3 com a alcalinidade : [Al(H2O)6]3+ + (OH)- [Al(H2O)5(OH)+2 + H2O [Al(H2O)6]3+ + (CO3)-2 [Al(H2O)5(OH)+2 + (HCO3 )-1 [Al(H2O)6]3+ + (HCO3 )-1 [Al(H2O)5(OH)+2 + H2CO3
2. Reações do (Al2SO4)3 com a água: [Al(H2O)6]3+ + H2O [Al(H2O)6]3+ + (H3O)-1
Das relações de peso molecular entre o sulfato de alumínio e a alcalinidade representada como bicarbonato de cálcio pode-se estimar a necessidade de 0,5 mg/l de alcalinidade para cada 1,0 mg/l de sulfato de alumínio, ou seja, cada 600 partes de sulfato consomem 300 partes de alcalinidade.
4.1.2 O pH ótimo para a coagulação:
8
9
A concentração de íons hidrogênio da mistura final: água e sulfato de alumínio é de fundamental importância na formação do floco, visto que em todas as reações entre o Al(H2O)6+++ e a água, os íons [H] + e [OH]- estão envolvidos Assim, o pH da água assume grande importância no processo de coagulação, não só porque governa a carga das impurezas coloidais presentes, mas também porque determina a natureza dos produtos de hidrólise formados, valores baixos de pH tendem a favorecer cargas positivas. Em geral, os complexos de maior carga positiva são mais efetivos, aumentando a eficiência e a taxa de coagulação. Na figura 3.1 pode-se observar que em pH próximo a 5,0, o sulfato de alumínio é quase que completamente precipitado na forma de Al(OH) 3, restando muito pouco Al+3 na água coagulada. Já em pH menor que 5,0, a concentração de [OH]-1 é insuficiente para precipitar completamente o Al +3. O processo de coagulação em pH final muito baixo, não ocorre ou ocorre de forma muito incipiente, além de tornar a água corrosiva. Estes fatos confirmam porque é esssencial ter uma alcalinidade residual durante a coagulação, para servir como tampão para sistemas com níveis de pH acima de 5,0 assegurando uma completa precipitação dos íons coagulantes. Ainda, devido ao caráter anfotérico do alumínio, observa-se que a pH acima de 7,0 há tendência de formação de íons aluminato: (AlO 4)-, que são espécies carregadas negativamente e portanto sem caráter coagulante.
Figura 3.1 Espécies formadas x pH
9
10
O pH ótimo para a remoção dos colóides negativos varia com a natureza da água, mas usualmente situa-se na faixa de 5,0 a 6,5 .
Embora muitas destas reações sejam de natureza puramente química, a coagulação como um todo é bastante complexa, e a adsorção dos íons e colóides é também de grande importância. Por esta razão, é importante que o sulfato de alumínio seja distribuído através da massa de água de forma a propiciar o contacto entre todas as partículas coloidais antes que outras mudanças menos desejáveis possam ocorrer.
5. A dosagem de coagulantes - Ensaio de jarros. Para avaliar a adequada dosagem de coagulante emprega-se o ensaio ou teste de jarros, também conhecido como jar-test. Este ensaio também é utilizado na obtenção de outras informações úteis, como gradientes de velocidade e/ou tempo de mistura que podem auxiliar tanto no projeto de uma nova estação de tratamento como na avaliação ou revisão das estações já existentes, otimizando o processo de clarificação. O ensaio de jarros simula, em escala de bancada, os processos de coagulação, floculação e sedimentação para amostras de água bruta de diferentes características, com a função de determinar a melhor dosagem de coagulante, a chamada DOSAGEM ÓTIMA. Para execução do ensaio de jarros é utilizado um agitador como o mostrado na figura 3.2. Aos copos dos agitadores que contém um volume determinado de amostra de água bruta são adicionados pequenos volumes da solução coagulante de forma a reproduzir dosagens diferenciadas (normalmente em ordem crescente) de sulfato de alumínio em cada um dos copos. Depois de executada as rotinas de ensaio são coletadas alíquotas das amostras de água já sedimentadas e analisadas para determinação da cor e turbidez residuais. Desta forma, é possível com os dados obtidos, determinar a dosagem que permitirá a máxima eficiência de remoção de cor e turbidez ou a menor concentração residual de cor e turbidez. Esta dosagem corresponde à dosagem ótima. Maiores detalhes do ensaio serão dados na aula prática.
10
11
Figura 3.2 Modelo de agitador utilizado no ensaio de jarros 6. Parâmetros de projeto a serem considerados no processo de coagulação-floculação O sulfato de alumínio, ao ser colocado em contato com a água, reage quase que instantaneamente, promovendo uma reação de hidrólise, que levará a formação de determinados compostos que irão juntamente com as impurezas presentes, constituir os flocos que serão separados posteriormente nas unidades de decantação e filtração. Portanto, essa reação deve se desenvolver homogênea e continuamente em toda a massa de água bruta. Continuamente porque a água bruta escoa de forma contínua e homogeneamente, porque, pelo fato da reação ser praticamente instantânea, antes que ela se processe, é necessário que toda a massa de água esteja em contato com a quantidade adequada de coagulante. Em tratamento de água chama- se este processo de “mistura” ou “dispersão” e deverá estar concluído em um intervalo de tempo menor do que o tempo de reação do coagulante. Evidentemente que o processo de mistura interveniente no processo de coagulação, também é arrolada como fundamental na eficiência da floculação, pois após executada a dispersão do coagulante na água, é necessário que se promova sua movimentação através de uma lenta agitação ou “mistura” dessa
massa líquida, a fim de que as partículas já desestabilizadas possam se aglutinar formando os flocos. Desta forma as unidades onde se promove a coagulação são denominadas de unidades de MISTURA RÁPIDA ou DISPERSÃO e as unidades onde se executa a floculação são denominadas de MISTURA LENTA ou AGLUTINAÇÃO.
11
12
Os parâmetros básicos para o dimensionamento de unidades de dispersão ou mistura rápida e aglutinação ou mistura lenta são:
a vazão de instalação (Q) gradiente de velocidade (G) o tempo de detenção (t) o número de Camp (NC).
6.1 Gradiente de velocidade (G): As dimensões e a densidade dos flocos formados são fortemente influenciadas pelas colisões decorrentes das diferentes velocidades das linhas de corrente contíguas na seção transversal ao escoamento. À magnitude das diferenças de velocidade das linhas de corrente dá-se o nome de GRADIENTE . Em outras palavras, o gradiente de velocidade mede o grau DE VELOCIDADE de agitação decorrente da variação da velocidade de escoamento (v), segundo uma direção perpendicular a direção do fluxo:
V2 dz G = dv
V1
dz
(por definição)
dv
Na prática, o gradiente de velocidade é uma função da força (energia) produzida ou introduzida em uma unidade de volume de água. Segundo Camp e Stein o gradiente de velocidade G pode ser expresso por:
G = √P/ V onde: -1 G = gradiente de velocidade, s P = potência útil introduzida na água (Kgf.m/s) 2 = viscosidade absoluta, (Kgf.s/m ) V = volume no qual é dissipada a energia correspondente à potência P, em m3 Valores adotados para G: Mistura Rápida : 700 s-1
G 1100 s-1
Mistura Lenta: 10 s-1 G 70 s-1
12
13
6.2 Tempo de detenção (t): No sentido estrito do termo, o tempo de detenção corresponde à relação entre o volume da unidade de mistura e a vazão afluente:
t = V/Q onde: t = tempo de detenção, s V = volume, m3 Q = vazão, m3 /s
Valores adotados para t: Mistura rápida: 1s t 20s Mistura lenta: 20 min t 80 min
6.3 Número de Camp (NC): Nas unidades de mistura rápida e lenta, há uma relação intrínseca entre o tempo de detenção e o gradiente de velocidade aplicado à massa líquida. Esta relação consubstancia-se no número adimensional G.T, usualmente denominado Número de Camp (NC). O conceito que o fundamenta se refere à perspectiva de conferir idêntica probabilidade de choques entre as partículas desestabilizadas. Assim, misturadores com menor tempo de detenção hidráulico deveriam ser dotados de gradientes de velocidade mais elevados e vice-versa, de forma a manter a mesma eficiência, ou seja a mesma probabilidade de choques em todas as câmaras de mistura: G
t
G
t
13
14
Isto é particularmente verdadeiro quando se faz a fl o c ul ação es ca lo n ad a , com valores decrescentes de G e crescentes de t, permitindo assim melhores condições para a formação do floco.
7. Classificação e projeto de misturadores rápidos e lentos O processo de coagulação-floculação se realiza em plantas de tratamento de água em três etapas envolvendo:
A adição de coagulantes, A dispersão dos coagulantes (mistura rápida) e A aglutinação de partículas (mistura lenta)
7.1 - Adição de coagulantes Coagulantes metálicos como Al(III) devem sempre ser aplicados em solução verdadeira. A aplicação em suspensão ou ainda em pó, sem que as partículas do composto tenham tempo de dissolver-se, diminui notavelmente a efetividade do processo, o que se traduz em desperdício de substância química. A solução de coagulante pode ser preparada de duas formas: a) dosando o pó em forma contínua em um tanque de hidratação, de onde se leva a solução até o ponto de aplicação, o que impropriamente se chama de DOSAGEM A SECO; b) preparando a solução previamente e dosando-se por gravidade ou bombeamento ao ponto de aplicação, o que se chama de DOSAGEM ÚMIDA. Em ambos os casos os coagulantes já estão misturados com a água quando aplicados, porém a dosagem a seco apresenta desvantagens quando comparada com a dosagem úmida, como por exemplo: o pequeno tamanho das câmaras de solução, faz por vezes com que os coagulantes não se dissolvam completamente antes de serem aplicados, o que prejudica o processo de mistura e induz ao desperdício de coagulantes; a medida do coagulante não é exata pois é influenciada pelo tamanho do grão. Os dosadores a seco podem ser volumétricos ou gravimétricos. Os dosadores em solução por via úmida podem ser em: formas de sistemas por
14
15
gravidade que se constitui de tanques de solução, tanque dosador e elemento hidráulico de medida, ou em forma de sistemas de bombeamento que se constitui de tanques de solução e bombas dosadoras.
7.2 Dispersão dos coagulantes (mistura rápida): A velocidade com que se dispersam os coagulantes na água, é de vital importância para todo o processo de clarificação, pois se as reações físicoquímicas entre a água e os coagulantes se completarem antes dos coagulantes terem tido oportunidade de ser adsorvidos pelas partículas coloidais, a eficiência do processo diminuirá notavelmente, o que se traduz em um desperdício de coagulante, uma vez que se terá que dosar mais para se obter os resultados que seriam obtidos se a mistura fosse adequada. Desta forma, para a dispersão do coagulante na água necessitaremos de um ponto de agitação suficientemente grande de forma a assegurar a mistura completa do coagulante com a água num tempo suficientemente pequeno. Em plantas de tratamento de água a mistura rápida (dispersão) pode ser realizada através de sistemas hidráulicos ou mecânicos de mistura. As condições ideais em termos de gradiente de velocidade, tempo de mistura e concentração da solução de coagulante devem ser determinadas preferencialmente através de ensaios de laboratório. Quando estes ensaios não puderem ser realizados, devem ser adotados os seguintes valores estabelecidos na NBR 12216 – Projeto de estação de tratamento de água para abastecimento público:
700 s-1 G 1100 s-1 1s t 5 s
7.2.1 Sistemas hidráulicos: historicamente, os primeiros dispositivos a serem empregados para a mistura foram hidráulicos, isto é, utilizavam a energia hidráulica para a dispersão do coagulante. Os melhores sistemas hidráulicos utilizados na dispersão são os que utilizam o ressalto hidráulico: fenômeno que ocorre quando a corrente líquida passa do regime rápido para o regime lento (através da profundidade crítica) acompanhado de agitação e de grande perda de energia, e que pode ser produzido através de uma das seguintes variações: canal ou canalização onde ocorra turbulência intensa, medidor ou calha Parshall, ressaltos hidráulicos. Dentre estes dispositivos, é a calha Parshall a que encontra maior aplicação nas estações de tratamento de água por poder aliar à função de medidor de vazão afluente a função de dispersar adequadamente o coagulante (mistura rápida).
15
16
A calha Parshall,mostrada na figura 3.3, trabalhando normalmente com descarga livre é um medidor de regime crítico, onde se produz um ressalto, através da passagem da corrente líquida de uma condição supercrítica para uma subcrítica. Foi idealizada em 1927 por R. L. Parshall e patenteada para vários tamanhos, com as dimensões constantes da tabela 3.1 (anexa).
Figura 3.3 – Calha Parshall adotada como misturador rápido Compete, entretanto, ao projetista selecionar um tamanho e estabelecer condições para que a perda ou dissipação de energia e a agitação resultem adequadas para a finalidade que se pretende. Com um bom projeto a calha Parshall poderá combinar as características de um bom medidor com as de um misturador rápido adequado. Para isto são recomendadas as seguintes características para a calha: a) a velocidade da água na passagem pela garganta da calha (W) deve ser próxima ou superior a 2,0 m /s, b) a perda de carga total deve ser superior a 0,20 m. c) o gradiente de mistura deverá se superior a 1000 s-1 Obs: Nessas condições, a calha Parshall produzirá em tempo bastante curto, da ordem de 1,0 segundo, a agitação necessária à mistura, que corresponde a um valor de G superior a 1000 s -1. A potência dissipada neste processo é hidráulica e pode ser calculada pela expressão:
P = Q hf onde: P = potência em Kgfm/s = peso específico da água = 10 3 kgf/m3 Q = vazão da instalação (m3 /s) Q = f(H) n
16
17
hf = perda de carga na unidade (m) Considerando que Q = V/t, onde V = volume total (m 3) e t = tempo de detenção na unidade (seg), vem que: P = Vh /t f Mas como, G = P/ V , então podemos expressar o gradiente produzido por:
G=
hf / t
7.2.2 Sistemas mecânicos (rotores): os tipos de rotores mais comuns para fins de dispersão são as pás, as hélices e as turbinas, como a mostrada na figura 3.4. Através de estudos de padronização de misturadores mecanizados, chegou-se a conclusão de que o rotor tipo turbina, instalado em tanques de seção quadrada é o mais adequado. Um agitador de turbina é um aparelho mecânico que produz movimento em um líquido através do movimento rotativo dos impulsores.
Figura 3.4 – agitador mecânico tipo turbina para mistura rápida A potência aplicada à água pelas turbinas depende do volume e forma da câmara de mistura, da velocidade de rotação e da geometria do impulsor. Essas variáveis estão inter-relacionadas, de modo que o projeto da câmara de mistura é dependente do tipo de turbina e vice-versa.
17
18
7.3 Transporte e aglutinação de partículas (mistura lenta): Uma vez dispersados os coagulantes, temos que produzir uma lenta agitação na água para permitir o crescimento dos flocos. Este crescimento é induzido pelo contato entre partículas maiores que 1 , contato este criado pelo transporte (agitação) da massa líquida. Portanto, a forma de produzir a agitação, o gradiente de velocidade e o tempo de detenção, são características essenciais que devem ser estudadas em todo o processo de floculação, de maneira a atingir os objetivos básicos da floculação: - reunir os microflocos para formar partículas maiores com peso específico superior ao da agua, - compactar o floco, isto é, diminuir o seu grau de hidratação (somente 2 a 11% é matéria sólida) - evitar a pré-sedimentação ou a quebra de floco e os curto circuitos (gradientes de velocidade muito elevados podem vir a romper flocos previamente formados, enquanto que valores baixos levam a uma floculação incompleta).
vfloculação < vquebra mas vfloculação > vsedimentação Assim como para a mistura rápida, existem dois sistemas básicos para se promover a floculação: os sistemas hidráulicos e os sistemas mecânicos, e da mesma forma, os valores de G e t devem ser prioritariamente determinados por ensaios de laboratório com a água a ser tratada, mas dependendo do porte da estação , não sendo possível proceder aos ensaios específicos podem ser adotados os seguintes valores para G e t: Floculadores hidráulicos: 20 min t 30 min Floculadores mecânicos: 30 min t 40 min -1
Floculadores hidráulicos e mecânicos: 10 s G 70 s
-1
7.3.1 Sistemas hidráulicos: utiliza a energia hidráulica disponível, sendo a mesma dissipada pela água. Assim, qualquer sistema que utilize a energia hidráulica dissipada em forma de perda de carga no fluxo da água através de um tanque, canal ou canalização, pode ser utilizado como floculador hidráulico. Uma série de dispositivos tem sido utilizada como floculadores hidráulicos: - canal com diversos compartimentos em série, interligados por passagens ou tubulações, conhecidos como floculadores tipo Alabama ; - canal sinuoso de fluxo horizontal ou vertical, onde a água é obrigada a passar ao redor de chicanas, dando giros sucessivos de 180 o no sentido do fluxo, conhecido como floculador de chicanas. Figura 3.5
18
19
Figura 3.5 – Floculadores hidráulicos de fluxo horizontal e vertical Os floculadores de fluxo horizontal são os mais utilizados como unidade de floculação. Neles, o gradiente de velocidade constitui-se em um importante parâmetro no dimensionamento e é calculado pela mesma fórmula de Camp e Stein já definida para misturadores rápidos do tipo hidráulico:
G=
h /f t
A perda de carga total nos floculadores de chicanas é resultado das perdas devido a: mudança de direção nas curvas - h1 : h1 = kN v2 /2g
onde: - k é função da rugosidade das chicanas, da temperatura, da viscosidade, da forma da ponta das chicanas e do espaçamento parede-chicana. Usualmente k = 3,0. - N é o número de chicanas. - v é a velocidade média do fluxo = Q (vazão) /A (área transversal) = Q/h.a, onde h é a altura da lâmina de água e a é o espaçamento entre as chicanas. - g é a aceleração gravitacional.
perdas ocorridas por atrito nos trechos retos - h2: h2 = sL = (vn)2.L/Rh4/3
onde: - s é a declividade do canal calculada por Chézy, -L é a distância do percurso = v.t = (N+1).l, onde (N+1) corresponde ao n o de espaços (canais entre chicanas) e l a largura da câmara, - Rh é o raio hidráulico, calculado pela relação entre a área e o perímetro molhado: Rh = h.a / (2h+a). E a perda total é:
19
20
hf = h1 + h2 Ou seja: hf = kNv2 /2g +(vn)2.L/RH4/3
Obs: As perdas de carga devidas às trocas de direção - h 1- (giros de 1800) ao longo do floculador, predominam sobre as perdas contínuas no canal - h 2 -, representando cerca de 70% ou mais da perda total.
Obs: Recomendações práticas para o projeto de floculadores hidráulicos de chicanas: - A velocidade média do fluxo da água deve estar compreendida entre 0,1 m/s a 0,6 m/s. Velocidades maiores que 0,8 m/s podem romper o floco e menores que 0,1 m/s podem sedimentar o floco. - O espaçamento mínimo entre chicanas fixas, deverá ser de 0,50m; este espaçamento poderá ser menor, desde que as câmaras sejam dotadas de dispositivos para sua fácil remoção, tais como ranhuras nas paredes. - O espaçamento entre a extremidade da chicana e a parede do canal, ou seja, a passagem livre entre duas chicanas, deve-se fazer igual a 1,5 vezes o espaçamento entre chicanas, Isto equivale a dizer que a velocidade na passagem deve ser igual a 2/3 da velocidade no canal entre chicanas. 7.3.2 Sistemas mecânicos: utilizam energia mecânica externa, a qual é dissipada pela água em tanques apropriados. Os floculadores mecânicos mais utilizados são os de movimentos giratórios (com paletas paralelas ou perpendiculares ao eixo) de eixo horizontal ou vertical. Este, é normalmente mais vantajoso, porque evita cadeias de transmissão ou poços secos para a instalação dos motores. Figura 3.6
20
21
Figura 3.6 – Floculador mecânico de paletas de eixo vertical Os floculadores giratórios podem ser fornecidos com dois ou quatro braços fixados ao eixo, com número variável de paletas por braço (no máximo quatro), entretanto, um número muito grande de paletas exige do motor uma potência elevada, mas que pode não produzir o gradiente desejado. Nos sistemas mecânicos de mistura lenta, assim como nos de mistura rápida, o gradiente de velocidade -G-, ou o grau de mistura da massa líquida vai depender da potência unitária dos motores, que é uma função implícita do tipo de agitador utilizado, dado por:
Pu = n3 onde: Pu = potência unitária(kgf.m/s.m 3), = fator de forma. n3 = velocidade de rotação das paletas (rps)
7.3.2.1 O fator de forma ( ): O fator de forma () depende da geometria do agitador em relação ao volume do tanque, e é calculado por:
= (
A r3) / V)
21
22
onde: - é um fator adimensional que engloba o coeficiente de arrasto (CD) e a relação entre as velocidades da água e das paletas (k). Pode variar entre 6000 a 10000 dependendo das relações entre o comprimento(l) e largura (b) das paletas. Para as condições usuais: - l/b = 20 - CD = 1,5 = 8000 - k = 0,25 - A = área das paletas - r = distância entre o eixo de cada paleta ao eixo do agitador - V = volume da câmara (m3) Assim, considerando que Pt = PuV e que G = (P t/ V), teremos que nos floculadores mecânicos de paletas de eixo vertical, o gradiente é dado por:
G = Pu / = ( n3)/ Obs: Recomendações práticas para o projeto de floculadores mecânicos: - tempo de detenção............................................30 a 40 minutos - número de compartimentos em série.................igual ou superior a 3 - Gradiente de velocidade...................................70 s -1 a 10 s-1 (mais comumente 65 a 25 s -1 do primeiro ao último compartimento) - área das paletas..............................................menor que 20% da área do plano de rotação das paletas 7.4 Comparação entre misturadores hidráulicos e mecânicos - Critérios de seleção A seleção do tipo de misturador a ser empregada é influenciada por uma série de fatores, entre eles: a) tamanho da instalação b) regularidade na vazão e no período de operação c) segurança operacional d) capacidade operativa e de manutenção local e) características construtivas f) custo g) disponibilidade de energia Além desses, aspectos como a localização geográfica da estação que permite estimar os custos de manutenção dos equipamentos; o nível de proteção ambiental visando avaliar as possibilidades de alterações significativas
22
23
das características da água bruta; a tecnologia de tratamento na qual o misturador vai se inserir e o porte da estação também devem ser considerados. Via de regra, os métodos hidráulicos, têm sido preteridos pelos mecanizados nos recentes projetos de estações de tratamento de água de médio e grande porte, a despeito da facilidade de operação e praticamente inexistência de curtos-circuitos. A maior perda de carga e a dificuldade de alteração do gradiente de velocidade são apresentados como limitações ao emprego da mistura hidráulica. O emprego dos misturadores mecânicos apresenta diversas vantagens, como a perda de carga praticamente nula; a facilidade de instalação em estações já existentes e uma maior flexibilidade de operação em função de alterações nas características da água bruta. No entanto o consumo de energia; a desuniformidade da agitação dentro da câmara; a maior probabilidade de curtos-circutos e a necessidade de manutenção dos equipamentos são fatores limitantes na escolha pelo misturador mecânico. O critério de simplicidade deve sempre estar presente no projeto de um misturador. Um tanque retangular, dotado de alguns equipamentos de agitação, é uma alternativa mais simples de construir do que um canal sinuoso com dezenas de paredes defletoras muito próximas, como é o caso de um floculador hidráulico de chicanas de pequena capacidade . Além disso, sua operação fica dificultada nas operações de limpeza, sobretudo naqueles que apresentam espaçamentos muito próximos. Os custos de construção podem ser um pouco mais elevados nos misturadores hidráulicos de maior capacidade, porém há que se considerar o custo de manutenção dos misturadores mecânicos. Para efeito de comparação, deve-se considerar neste, o consumo de energia ou o seu equivalente em perda de carga. Nestes, toda a energia é aproveitada na agitação da água, ao passo que nos misturadores mecânicos as perdas por atrito e por indução podem ser até superiores a 100% da energia útil aplicada à água.
23
24
24
