Coagulação, floculação e flotação
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5 – COAGULAÇÃO, FLOCULAÇÃO E FLOTAÇÃO Coagulação é uma operação unitária responsável pela desestabilização das partículas coloidais em um sistema aquoso, preparando as para a sua remoção nas etapas subsequentes do processo de tratamento. Como parte da matéria insolúvel sedimenta quando permanece em repouso, outra fração (matéria mais finamente dividida) é mantida em suspensão, no estado coloidal, com partículas com tam tamanho anho varian ariando do de 1 m a 200 200 m . Uma partícula coloidal pode levar até 20 anos para sedimentar, de acordo com o seu tamanho. Esses resultados mostram que a velocidade de sedimentação das partículas coloidais é extremamente baixa e, dessa forma, qualquer processo de separação de partículas coloidais, baseado na separação gravitacional, é extremamente lenta. Qualquer tratamento visando a remoção de partículas coloidais deve, passar por uma etapa preliminar a fim de alterar as condições do sistema coloidal de forma a possibilitar a coalescência das partículas, formando assim, aglomerados de partículas mais facilmente removíveis do meio. Com algumas exceções, esta coalescência não ocorre naturalmente - principalmente em sistemas liófobos, de vez que as partículas coloidais são caracterizadas por forças de igual natureza elétrica (cargas iguais) que mantêm o sistema disperso com um acentuado grau de estabilidade ao longo do tempo. Essa estabilidade origina-se da solvatação ou ação protetora de certas substâncias adsorvidas na superfície das partículas bem como da ação de forças eletrostáticas que fazem com que as partículas sejam mutuamente repelidas. Quando o meio de dispersão (fase contínua) é a água, as partículas coloidais são carregadas de cargas negativas e daí decorre que a maior parte dos despejos industriais e todos os despejos urbanos e despejos agrícolas apresentarem essa característica. caracter ística. Devido à carga elétrica das partículas, os sistemas coloidais são extremamente sensíveis à presença de eletrólitos introduzidos no meio, os quais, através de mecanismos de ligação e adsorção na superfície da partícula coloidal, anulam as forças de repulsão entre as partículas coloidais. Sabese que, em certos casos, o soluto dessas soluções pode precipitar por efeito da adição de quantidades relativamente pequenas de eletrólitos (sulfato de alumínio). Para a coagulação, é prática corrente o uso de sais inorgânicos, como agentes coagulantes, pois foi verificado que o seu efeito depende da valência do íon carregado de carga elétrica contrária à carga das partículas coloidais, ou seja, quanto maior a valência do íon maior será a sua capacidade de coagulação. Esse fato just justifica ifica o uso de íons íons de alta valência (Fe+3 e Al+3) como agentes de coagulação dos sistemas coloidais nos quais a água é a fase contínua. Devido à hidrólise decorrente da presença desses íons na água, há sensíveis variações das características físico-químicas do meio, ou seja, pH e condutividade elétrica. Quando usados em quantidades excessivas, ocorre a formação de grandes massas de precipitado cuja eliminação é‚ por
vezes, muito difícil. Um outro parâmetro a ser considerado é que esses agentes não originam precipitados com características adequadas para possibilitar a sua remoção do meio em que foram formados. Por essas razões, opta-se pela utilização de agentes coagulantes naturais tanto de natureza inorgânica (ex.: sílica ativada) e de natureza orgânica (amido, alginatos,) e ainda ainda de produtos produto s sintéticos sintéticos (polímeros) conhecidos como polieletrólitos.
5.1 – Substâncias Coagulantes a) agentes coagulantes inorgânicos: como já mencionado, os agentes coagulantes inorgânicos mais utilizados são os sais de alumínio e de ferro. Por razões econômicas, o sulfato de alumínio (alumen) e o cloreto férrico (FeCl3). são os mais utilizados. A coagulação é função principalmente dos produtos de hidrólise desses sais na água. Por exemplo, no caso do sulfato de alumínio, em pH = 4,0, a espécie predominante é o Alhidratado. Se, por outro lado, 4,0 < pH < 7,0 predominarão espécies do tipo: [Alx(OH) 2,5x]0,5 x+
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Tais espécies, como [Al8(OH)20]4+ são íons complexos, grandes, que, uma vez adsorvidos na superfície da partícula coloidal, reduzem o potencial de repulsão. A valores de pH mais elevados do que 7,0, a espécie que predomina é o Al(OH)3, insolúvel, que, por sua vez, forma um colóide de carga positiva que é capaz de promover a coagulação mútua dos colóides de carga negativa que predominam na água. Por serem de menor custo, os agentes alcalinizantes do meio mais comuns são: o Ca(OH)2 e o Ca(HCO3)2. Algumas reações químicas do sulfato de alumínio Al2(SO4)3 2 Al3+ + 3 SO42Al3+ + H2O AlOH2+ + H+ AlOH2+ + H2O Al(OH)2+ + H+ Al(OH)2+ + H2O Al(OH)3 + H+ Al(OH)3 + H2O Al(OH)4- + H+ Algumas reações químicas dos compostos de ferro (III) FeCl3 Fe3+ + 3 ClFe2(SO4)3 2 Fe3+ + 3 SO42Fe3+ + H2O FeOH2+ + H+ FeOH2+ + H2O Fe(OH)2+ + H+ Fe(OH)2+ + H2O Fe(OH)3 + H+ Fe(OH)3 + H2O Fe(OH)4- + H+ b) agentes de coagulação orgânica: esses agentes são não só agentes de coagulação mas também aceleradores (promotores) de floculação. Nesta categoria, além dos já citados, incluem-se os polieletrólitos que são substâncias poliméricas que contêm grupos ionizáveis na sua constituição química. Em função da característica iônica do seu grupo ativo, esses polieletrólitos podem ser classificados em catiônicos, aniônicos ou ainda de polianfófilos (de características comuns aos anteriores). É comum os uso de polieletrólitos combinados com eletrólitos inorgânicos (sais de alumínio e sais de ferro) com o objetivo de: _ reduzir o consumo de eletrólito inorgânico e com isso reduzir o volume do precipitado. _ condicionar a formação de flocos com características adequadas à operação de separação dos sólidos formados. Por exemplo, se à operação de coagulação deve-se seguir a operação de sedimentação para a remoção dos flocos formados, quer-se obter um floco que tenha boas características de sedimentabilidade - grande velocidade de sedimentação e boa resistência à compactação e à ação mecânica da grelha de raspagem do fundo do sedimentador. c) dosagem do agente coagulante: A dosagem, bem como o pH adequado para as etapas de coagulação floculação, deve ser determinada em laboratório através do ensaio de JAR TEST (*). = [ (DQO)b – (DQO)t ]/(DQO)b onde b indica o despejo bruto e t o despejo tratado. O par de valores, pH/concentração de eletrólitos, que melhor coagula o sistema coloidal, será aquele que apresentar a maior eficiência de remoção, medida através da DQO. No caso de se obter flocos de reduzida sedimentabilidade, o que elevaria sobremodo a área de captação do sedimentador, deve-se utilizar uma operação unitária para a separação sólido-líquido denominada de flotação:
5.2 - Floculação A floculação é um processo físico no qual as partículas coloidais são colocadas em contato umas com as outras, de modo a permitir o aumento do seu tamanho físico, alterando, desta forma, a sua distribuição. A floculação das partículas já coaguladas pela ação do eletrólito, resulta das várias forças de atração que atuam entre as partículas "neutralizadas" que se agregam umas às outras formando os denominados flocos. A velocidade de formação desses flocos depende da agitação térmica
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(movimento Browniano) e mecânica do meio. Evidentemente, essa agitação mecânica deve ser em nível moderado pois, do contrário, poderá provocar a desagregação dos flocos já formados, o que dificultará a sua remoção. O propósito da floculação é formar agregados ou flocos do material finamente dividido. Apesar de não ser usado rotineiramente, a floculação de efluentes por agitação mecânica ou com ar pode ser levada em consideração quando se deseja: _ aumentar a remoção de sólidos suspensos de DBO nos decantadores primários; _ condicionar efluentes industriais; _ melhorar a performance de decantadores secundários de processos de lodo ativado. Em sistemas de pás em agitadores mecânicos, devem ter velocidade variável para permitir o ajuste de diferentes velocidades ao longo do eixo (a pá mais baixa deve ter 30% da velocidade da pá do topo). Do mesmo modo, onde é utilizada a floculação com ar, o sistema de suprimento de ar deve ser ajustável de tal forma que o nível de energia de floculação pode ser variado ao longo do tanque. Tanto no sistema de floculação por ar como no mecânico é comum ajustar a energia adicionada de forma que o floco formado não se rompa na saída do equipamento.
5.3 – FLOTAÇÃO Flotação: visa a remoção de partículas em suspensão e/ou flutuantes (fase dispersa) de um meio líquido (fase contínua) para o caso em que a densidade da fase dispersa é menor que a da fase contínua. Trata-se de processo físico muito utilizado para a clarificação de efluentes e a conseqüente concentração de lodos, tendo como vantagem a necessidade reduzida de área e como desvantagem um custo operacional mais elevado devido à mecanização. A flotação deve ser aplicada principalmente para sólidos com altos teores de óleos e graxas e ou detergentes tais como os oriundos de indústrias petroquímicas, de pescado, frigoríficas e de lavanderias. A flotação não é aplicada aos efluentes com óleos emulsionados, a não ser que os efluentes tenham sido coagulados previamente. Além de ser um processo unitário utilizado no nível primário de tratamento, é aplicado também na etapa de espessamento de lodo. A remoção do material flotado pode ser realizada por escoamento superficial como nos decantadores ou por raspagem superficial. Alguns problemas no sistema de flotação podem aparecer, os quais estão relacionados aos defeitos de instalação e construção dos flotadores (Tabela 1). Tabela 1. Defeitos construtivos ou de instalação dos flotadores Defeitos Conseqüências Presença de bolhas grosseiras (ar não dissolvido). Perturbação da camada de lodo flotado (escuma), causando a sua sedimentação. Relação entre o ar dissolvido e os sólidos em Sedimentação e arraste de lodo. suspensão não satisfeita. Tempo de retenção reduzido ou turbulência na câmara de flotação. Arraste de lodo ou óleos. Tempo de retenção excessivo na câmara de Sedimentação e arraste de lodo flotação. As partículas, da fase dispersa, podem ser carreadas para a superfície do tanque de flotação (célula) pelo aumento da força ascensional (empuxo) que sobre elas atuam. Esse aumento da força ascensional se deve às bolhas de um gás (em geral, é utilizado o ar atmosférico) de pequeno diâmetro que, ao aderirem à superfície das partículas da fase dispersa, reduzem a densidade aparente do conjunto partícula/bolha. O floco é formado por um conjunto de partículas, em cujos interstícios as bolhas de ar ficam retidas.
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O termo flotação designa a operação conduzida por meio de: _ flotação por ar induzido (FAI); _ flotação por ar dissolvido (FAD). Em todos os sistemas, o grau de remoção pode ser aumentado pela adição de aditivos químicos (Figura 1).
a) FAI A flotação por ar induzido é conseguida através da agitação violenta do meio (agitador mecânico ou borbulhamento de ar direto) e a conseqüente formação de espuma na superfície da célula de flotação. Esse tipo de flotação é tradicionalmente utilizado nas operações de beneficiamento de minérios. b) FAD A flotação por ar dissolvido também denominada flotação quiescente, cujo emprego vem sendo gradativamente ampliado no tratamento de despejos, visando a: 1. remoção de óleos e graxas bem como a remoção de partículas de baixa densidade (fibrilas de celulose). 2. espessamento de lodos. A FAD pode ser realizada de 2 formas: _ flotação à vácuo; _ flotação sob pressão. No caso de flotação a vácuo ocorre primeiro a saturação do despejo por ar, injetado por meio de difusores (tubos porosos ou tubos perfurados) ou ainda por meio de aeradores de superfície. Um curto período de aeração é então realizado fazendo com que as bolhas de ar não dissolvidas sejam eliminadas. Após a eliminação destas bolhas, o despejo contem ar apenas na forma dissolvida, cuja concentração será função da temperatura, da pressão e, principalmente, das características físicoquímicas do despejo. Após, o despejo é então conduzido a um tanque sob vácuo parcial o que faz com o ar dissolvido no despejo seja instantaneamente liberado sob a forma de micro-bolhas, as quais ao aderirem à superfície das partículas, promovem o arraste das partículas para a superfície livre da célula de flotação. A flotação sob pressão difere da flotação a vácuo apenas no fato de que o ar sob pressão é injetado no despejo dentro de uma câmara de saturação. As micro-bolhas são geradas e liberadas quando o despejo é transferido da câmara de saturação para a célula de flotação. c) Aditivos químicos Produtos químicos são comumente usados para auxiliar o processo de flotação. A função destes produtos é, em grande parte, criar uma superfície ou uma estrutura que possa absorver ou capturar as bolhas de ar. Produtos químicos inorgânicos, como sais de alumínio e ferro e sílica ativada, podem ser usadas para unir o material particulado e, assim, criar uma estrutura que facilmente capture as bolhas de ar. Muitos polímeros orgânicos podem ser usados para mudar a natureza tanto da interface ar-líquido como da interface sólido-líquido, ou de ambas. d) Análise Como a flotação depende do tipo de superfície da matéria particulada, testes de laboratório e em plantas piloto são usualmente realizados para verificar os critérios de projeto. Os fatores que devem ser considerados no projeto de unidades de flotação incluem: _ a concentração do material particulado; _ quantidade de ar usado; _ velocidade de ascensão da partícula; _ a taxa de alimentação de sólidos.
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Figura 1. Esquema típico de flotação para efluentes industriais. e) Adensamento de lodo por flotação Para o processo de adensamento de lodo, apenas o sistema DAF é utilizado. O adensamento por flotação é usado mais eficientemente para lodos de processos de tratamento biológicos, como lodo ativado. Outros lodos como lodos primários, lodo de digestores aeróbicos e lodos contendo sais de metais de tratamento químico, entre outros, têm sido adensados por flotação (será comentado no adensamento de lodo). 6 - Remoção de Óleos e Graxas Os líquidos, as pastas e demais corpos não miscíveis com a água, mas que têm peso específico menor, e, portanto tendem a flutuar na superfície, podem ser retidos por dispositivos muito simples, denominados caixas de gordura, por exemplo, entre outros sistemas. Os esgotos domésticos, por exemplo, possuem grandes quantidades de óleos, graxas e outros materiais flutuantes. Existe então, a necessidade da remoção destes materiais para se evitar: obstruções dos coletores, aderência nas peças especiais das redes de esgoto, acúmulo nas unidades de tratamento e principalmente aspectos desagradáveis no corpo receptor. Os mecanismos para remoção de óleos e graxas variam desde as tradicionais caixas de gordura até sistemas mais eficientes como o processo de flotação. As características de uma caixa de gordura dependem, da localização de instalação, do tipo de efluente e da quantidade de esgoto a ser tratado. Os principais sistemas de remoção de óleos e graxas são (Figura 2): _ Caixa de gordura domiciliar; _ Caixa de gordura coletiva; _ Remoção de gordura nas unidades de tratamento; _ Tanques aerados ou flotadores; _ Separadores de óleo. Suas características físicas devem ser dimensionadas para as seguintes condições: _ Capacidade de acumulação de gordura entre cada limpeza; _ Condições de tranqüilidade hidráulica; _ Entrada e saída projetadas para permitir escoamento do efluente;
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_ Distâncias mínimas respeitadas; _ Condições de vedação para maus odores e contato com insetos e roedores. As gorduras são normalmente originadas, dos esgotos de cozinha ou de despejos industriais típicos. Possuem capacidade de se agrupar, alterando o tempo de detenção de acordo com a velocidade de ascensão; esta velocidade pode ser observada em cilindros graduados, pela determinação do tempo necessário para formar uma camada de escuma na superfície do líquido. Para óleos vegetais, animais e minerais, cuja densidade é próxima de 0,8 g mL-1, basta a detenção de 3 minutos nas unidades até 10 L s-1, de 4 minutos para unidades até 20 L s-1 e de 5 minutos para unidades maiores que 20 L s-1. Para temperaturas maiores que 25º C pode-se adotar tempo de detenção maior, sendo o máximo de 30 minutos. O fundo do tanque deve ser fortemente inclinado em direção à saída, para evitar o acúmulo de sólidos sedimentáveis. Caso não seja possível a inclinação do fundo, deve-se efetuar limpezas periódicas. As caixas de gordura podem ser circulares ou retangulares; deve haver uma entrada afundada para evitar a turbulência e uma saída também afundada, para arraste dos sólidos sedimentáveis. A área necessária é a vazão máxima dividida pela velocidade.
A = área da caixa de gordura; A (m ) = Q (m / h) / V(m/h); Q = vazão máxima afluente; V = velocidade mínima de ascenção; V (m/h) = H (m) / T (h); H = altura do líquido no cilindro; T = tempo de subida de uma pequena partícula. Para facilitar a operação e diminuir os problemas causados pela gordura, são necessárias as seguintes medidas: _ fazer vistoria a cada 3 dias; _ o período máximo entre as limpezas da gordura deve ser de 30 dias; _ valores acima de 30 dias devem ser amplamente justificados pelo operador; _ a cada ano esgotar totalmente a caixa para retirada de matéria depositada no fundo; _ em caso de entupimento, inserir fluxo contrário ao normal através da tubulação de saída; _ verificar se dados de projeto equivalem aos de operação. a) Volume de gordura acumulada em função do tempo; Vg = volume de gordura acumulada em função do tempo; Vg(L/s) = Qm (L/s) . Y (mg/L)/C (mg/L); Q = vazão média de esgoto afluente; Y = densidade do óleo ou graxa; C = concentração do óleo no afluente. b) Tempo necessário entre cada limpeza: T = tempo entre as limpezas; Vg = volume de gordura acumulada em função do T(s) = Vg (L/s) / V(L); tempo; V = volume de reserva. 2
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É importante que o tratamento primário seja eficiente (nos seus objetivos), pois o sucesso do tratamento secundário, na maioria das vezes, depende de um bom tratamento primário.
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Figura 2. Tipos de caixa de gordura.
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