3 Coagulação e Floculação

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  • UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL INSTITUTO DE PESQUISAS HIDRULICAS

    DEPARTAMENTO DE OBRAS HIDRULICAS

    IPH 214 - TRATAMENTO DE GUA

    COAGULAO E FLOCULAO

    Conceitos tericos e aplicaes prticas em estaes de

    tratamento de gua para abastecimento pblico

    Ponto 3

    Profa Carmen Maria Barros de Castro

    2005

    COAGULAO E FLOCULAO

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    1. Introduo

    Na forma convencional do tratamento de gua para abastecimento pblico, o processo de coagulo-floculao tem como objetivo geral:

    a remoo de turbidez orgnica ou inorgnica que no sedimenta rapidamente devida principalmente presena de partculas de argila, sob forma grosseira, ou de suspenses coloidais provenientes da eroso do solo, que por serem de mais difcil remoo, necessitam de tratamento qumico.

    a remoo de cor verdadeira e aparente, devida principalmente presena de substncias qumicas provenientes da degradao da matria orgnica (folhas e plantas aquticas);

    a eliminao de bactrias, vrus e organismos patognicos que costumam estar associados a partculas responsveis pela turbidez que parecem utiliz-las como substrato e forma de proteo;

    a destruio de algas e planctons em geral;

    a eliminao de substncias produtoras de sabor e odor e de precipitados qumicos;

    a remoo de fosfatos, os quais servem como nutrientes para o crescimento de algas. A remoo destes materiais produzir uma gua esteticamente aceitvel e

    que poder ser desinfectada apropriadamente, garantindo o padro de turbidez expresso na Portaria 1469/00 (ver Quadro 3.1), assegurando a qualidade microbiolgica da gua, em complementao s exigncias relativas aos indicadores microbiolgicos.

    Quadro 3.1 - Padro de turbidez para gua ps-filtrao ou pr desinfeco

    Tratamento da gua VMP (Valor Mximo Permissvel)

    Desinfeco (gua subterrnea) 1,0 uT em 95% das amostras

    Filtrao rpida (tratamento completo ou filtrao direta)

    1,0 uT

    Filtrao lenta 2,0 uT em 95% das amostras Fonte: Portaria 1469/00 - Ministrio da Sade

    OBS: Ainda, com vistas a assegurar a adequada eficincia de remoo de enterovrus, cistos de Girdia e oocitos de Cryptosporidium, a Portaria recomenda, enfaticamente, que, para filtrao rpida se estabelea como meta a obteno 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 colides

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    Grande parte das impurezas presentes na gua, particularmente quelas

    que causam cor e turbidez, encontra-se naturalmente no estado coloidal formando o que poderamos chamar de disperso coloidal. H vrios tipos de disperso coloidal, porm, sob o ponto de vista do tratamento de gua, a que mais interessa aquela em que a fase dispersante lquida (gua) e a fase dispersada slida (colide ou impureza).

    Desta forma, remover cor e turbidez da gua significa remover colides que apresentam grande estabilidade em soluo; da, a dificuldade de remov-los unicamente por processos de separao de partculas como sedimentao e/ou filtrao. Esta estabilidade devida, principalmente, a trs fatores:

    o tamanho das partculas coloidais, como mostrado na tabela 1, dificulta a sua sedimentao em um perodo de tempo razovel assim como tambm dificulta a sua reteno nos poros de filtros de areia,

    Quadro 3.2 - Tempo de sedimentao x tamanho de partcula

    Dimetro de partcula:

    mm

    Tipo de partcula Tempo p/ sedimentao em 1,0 m.

    10 Cascalho 1 segundo

    1 Areia 10 segundos

    10-1 Areia fina 2 minutos

    10-2 Argila 2 horas

    10-3 Bactria 8dias

    10-4 Colide 2 anos

    10-5 Colide 20 anos

    10-6 Colide 200 anos

    Os colides esto tambm continuamente sujeitos ao Movimento Browniano (fenmeno observado pelo botnico ingls John Brown em 1928) que um movimento meramente randmico, resultante do intenso bombardeio das partculas dispersas pelas molculas da fase dispersante. Este bombardeio constante, uma vez que a agitao da fase dispersante sempre existe.

    Finalmente, a estabilidade dos colides tambm explicada pelo fato de que,

    de uma maneira geral, todos os colides dispersos em guas cujo pH se

    encontra entre 5 a 10, possuem carga negativa e portanto repelem-se entre si antes que possam colidir.

    Portanto, para que estas impurezas possam ser removidas, necessrio

    desestabiliz-las, ou seja, preciso que sejam eliminadas as foras repulsivas que as mantm separadas, agregando-as em um volume maior para posterior sedimentao. Isto pode ser feito atravs da adio de um eletrlito gua que

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    tenha uma carga oposta em sinal a das partculas coloidais. O efeito ser tanto melhor, quanto maior seja o nmero de cargas do eletrlito; assim, um on bivalente de 30 a 60 vezes mais efetivo que um on monovalente, e um on trivalente 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 coagulao

    3.1 Coagulantes

    Alm das caractersticas qumicas citadas anteriormente, ainda,

    evidentemente necessrio, que a aplicao do produto empregado como coagulante no cause problemas sade dos consumidores de gua tratada. O custo, a disponibilidade (facilidade de obteno) e o tipo de gua, tambm so fatores decisivos para a escolha do coagulante mais adequado. Entre os principais compostos utilizados como coagulantes no tratamento de gua citam-se:

    sais de alumnio como o sulfato de alumnio e o aluminato de sdio e

    sais de ferro como o cloreto frrico, o sulfato frrico e o sulfato

    ferroso. O sulfato de alumnio, Al2 (SO4)3.18 H2O um p de cor marfim, extrado

    da bauxita, originalmente hidratado. Atualmente fornecido s estaes na forma lquida, em solues concentradas a 50%. um eletrlito trivalente e bom coagulante para guas que contenham matria orgnica, fcil de transportar e manejar, seu custo baixo e produzido em vrias regies brasileiras. o coagualante mais empregado em tratamento de guas para consumo humano.

    O aluminato de sdio essencialmente alumina dissolvida em hidrxido de

    sdio. O principal uso do aluminato de sdio como um coagulante adicional ao sulfato de alumnio, geralmente para abrandamento de guas.

    Os sais de ferro so efetivos em ampla faixa de pH e geralmente mais

    eficientes na remoo de cor da gua, mas usualmente so mais caros que os sais de alumnio. As principais vantagens em se utilizar sais frricos, particularmente o cloreto frrico e o sulfato frrico so que: (i) a coagulao efetiva em uma ampla faixa de pH, (ii) o precipitado produzido sedimenta mais rpido porque forma flocos mais pesados, (iii) so mais efetivos na remoo de compostos que conferem cor, sabor e odor gua.

    No quadro 3.3 esto relacionadas as faixas adequadas de pH para os coagulantes citados:

    Quadro 3.3 Coagulantes x pH

    Coagulantes Faixa de pH

    Sulfato de alumnio 5,0 a 8,0

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    Sulfato ferroso 8,5 a 11,0

    Sulfato frrico(1) 5,0 a 11,0

    Cloreto frrico 5,0 a 11,0

    Aluminato de sdio 6,0 a 8,5 (1) empregado no tratamento de guas altamente coloridas ou cidas

    3.2 Auxiliares de coagulao

    Os auxiliares de coagulao so produtos utilizados nas estaes de

    tratamento, em conjunto com os coagulantes, com a finalidade de ajustar as propriedades da gua a valores que conduzam a uma coagulao eficiente. Tambm so muito utilizados em estaes que trabalham acima de sua capacidade nominal (sub-dimensionadas). Os principais auxiliares no processo de coagulao so:

    os ajustadores de pH (cidos e lcalis) e,

    os polieletrlitos. Os cidos e lcalis so usados para ajustar o pH da gua na faixa tima de coagulao. Os cidos mais comumente empregado para abaixamento do pH so o cido sulfrico e o cido fosfrico, enquanto o hidrxido de clcio (cal apagada), o carbonato de sdio (soda barrilha) e o hidrxido de sdio so os lcalis mais usados para elevar o pH.

    Os polieletrlitos ou polmeros so compostos de longas cadeias moleculares que podem apresentar, quando lanados na gua, um nmero de cargas muito grande, responsveis pela atrao e fixao dos colides que se deseja remover da gua em tratamento. O uso desses produtos tem se mostrado bastante promissor em estaes de tratamento de gua que trabalham acima da sua capacidade nominal ou nos casos em que se deseja melhoria na qualidade da gua tratada. Alm de estimular a formao de flocos, o uso de polieletrlitos permite reduzir bastante o consumo de coagulantes, resultando, em vista de os flocos serem mais compactos e da menor quantidade de coagulante empregado, na reduo do volume de lodo nos decantadores, com significativa melhora dos processos de decantao e filtrao.

    Tanto polmeros sintticos, como naturais (amidos em geral), tm sido usados como auxiliares de floculao, buscando-se desta forma aumentar a velocidade de sedimentao dos flocos, a resistncia dos mesmos s foras de cisalhamento que podem ocorrer na veiculao da gua floculada e a diminuio da dosagem de coagulante primrio. Os polmeros so chamados polmeros catinicos quando se dissociam para formar ons carregados positivamente e de polmeros aninicos quando se dissociam para formar ons polimricos carregados negativamente. Os polieletrlitos podem ser usados sem a aplicao do coagulante primrio (para os tipos de gua mais comuns) o que no se poder fazer quando se tratar de polieletrlitos aninicos ou no inicos.

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    recomendvel que todas as novas instalaes projetadas, tenham possibilidade de permitir a aplicao desses produtos que, em muitos casos, pode trazer economia sobre o tratamento apenas com coagulantes primrios. Como no Brasil ainda no h estudos especficos sobre os efeitos fisiolgicos desses produtos, recomenda-se a obedincia aos limites mximos de dosagem estabelecidos pela Environmental Protection Agency - EUA.

    4. O processo de coagulo-floculao

    Denomina-se genericamente de coagulao-floculao ao processo pelo

    qual as partculas se aglutinam em pequenas massas (flocos), com peso especfico superior ao da gua. Porm, este processo ocorre em duas etapas seqenciais, cujos aspectos fundamentais devem ser distinguidos. Assim:

    a) a COAGULAO corresponde desestabilizao das partculas suspensas, ou seja a remoo das foras que as mantm separadas. Inicia-se no exato instante em que o coagulante adicionado gua, e dura frao de segundos. Basicamente, consiste numa srie de processos fsicos e reaes qumicas envolvendo o coagulante, as impurezas, algumas substncias presentes na gua, especialmente as que conferem alcalinidade e a prpria gua.

    b) a FLOCULAO corresponde ao transporte e aglomerao destas partculas j desestabilizadas, dentro do lquido, geralmente estabelecendo pontes entre si e formando uma malha de cogulos maiores e porosos denominados de flocos, que podem ser removidos posteriormente por sedimentao, flotao ou filtrao rpida. Tendo em vista que o sulfato de alumnio, entre os diversos produtos qumicos utilizados como coagulante, vem sendo o mais adotado nas estaes de tratamento de gua brasileiras, somente a qumica de coagulao deste composto ser aqui abordado. Quando o sulfato de alumnio adicionado gua, as molculas dissociam-se para produzir SO4

    2-, e vrios complexos hidrolisados tais como Al(OH)n+, Al(OH)3, e Al(OH)4

    -. As vrias espcies positivas que so formadas podem combinar-se com os colides carregados negativamente para neutralizar parte da carga da partcula coloidal, reduzindo as foras repulsivas a um valor onde possvel ocorrer a aglomerao das partculas: Al3+ + [COLIDE]- Al [COLIDE]- Assim, ao adicionar um coagulante a gua, este se hidroliza e pode produzir a desestabilizao das partculas, por simples adsoro especfica dos

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    produtos de hidrlise (geralmente com carga positiva) aos colides carregados

    negativamente (1a fase)

    Por outro lado, os produtos das hidrlises dos coagulantes sofrem reaes de polimerizao, se transformando em grandes cadeias tridimensionais

    com extremos ativos (2a fase)

    Estas cadeias podem ser facilmente adsorvidas nos stios vagos de adsoro dos colides existentes na suspenso, deixando os extremos

    estendidos na gua (3a fase)

    Tais extremos podem aderir-se a outros colides que tambm tenham stios vagos, formando assim massas esponjosas de partculas de suspenso

    ligadas por cadeias polimricas (4a fase). Este processo deve ser ajudado agitando-se lentamente a gua.

    Ao sedimentar-se estes cogulos, fazem um efeito de varredura (5a fase), arrastando em sua queda novas partculas que se incorporam aos microflculos em formao. Portanto, a coagulao, o resultado de dois fenmenos: o primeiro, essencialmente qumico, consiste nas reaes do coagulante com a gua e na formao de espcies hidrolisadas com carga positiva e depende da concentrao do coagulante e pH final da mistura; o segundo, fundamentalmente fsico, consiste no transporte das espcies hidrolisadas para que haja contato com as impurezas presentes na gua.

    4.1 Fatores intervenientes na eficincia do processo de coagulo-floculao: A eficincia do processo de coagulao depende, fundamentalmente, de dois fatores:

    a alcalinidade e,

    o pH.

    4.1.1 O efeito amortizador ou efeito tampo da alcalinidade:

    O sulfato de alumnio, Al2(SO4)3, quando est em soluo encontra-se

    hidrolizado, isto , associado com a gua:

    Al2(SO4)3 + 6 H2O Al(H2O)6+++ + 3 SO4

    2- ou

    2 Al(OH)3 +6 H+ + 3 SO4

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    Os ons de alumnio hidratado Al(H2O)6+++ , ou seja os ons hidrognio,

    atuam como um cido no sentido Brnsted-Lowry e reagem, portanto, com as bases que se encontram na gua, diminuindo o pH de tal modo que podem prejudicar ou mesmo impedir o processo de coagulao por situ-la numa faixa de pH onde a coagulao no ocorre ou ocorre de forma muito ineficiente.

    Do ponto de vista da teoria de cidos e bases, as bases que constituem a alcalinidade, presente na gua na forma de compostos de bicarbonatos: (HCO3)

    -

    , carbonatos: (CO3)2- e hidroxilas: (OH)-, so mais fortes que a H2O, e assim o

    Al(H2O)6+++ reagir sempre antes com elas do que com a molcula de gua,

    havendo um consumo de alcalinidade e um abaixamento de pH, caso no haja alcalinidade suficiente ao processo.

    Alm disso, a reao do sulfato de alumnio com a alcalinidade gera

    cidos fracos como HCO3- e H2CO3 , ao contrrio da reao com a gua

    quando formado o H3O+ (hidrnio), cido extremamente forte, levando a uma

    brusca queda do pH, comprometendo a eficincia do processo e tornando a gua excessivamente corrosiva, prejudicando as canalizaes. A alcalinidade

    atua portanto, como um tampo ou soluo amortizadora da queda brusca

    do pH.

    Das relaes de peso molecular entre o sulfato de alumnio e a

    alcalinidade representada como bicarbonato de clcio pode-se estimar a necessidade de 0,5 mg/l de alcalinidade para cada 1,0 mg/l de sulfato de alumnio, ou seja, cada 600 partes de sulfato consomem 300 partes de alcalinidade.

    4.1.2 O pH timo para a coagulao:

    1. Reaes do (Al2SO4)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. Reaes do (Al2SO4)3 com a gua:

    [Al(H2O)6]3+ + H2O [Al(H2O)6]

    3+ + (H3O)-1

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    A concentrao de ons hidrognio da mistura final: gua e sulfato de

    alumnio de fundamental importncia na formao do floco, visto que em todas

    as reaes entre o Al(H2O)6+++ e a gua, os ons [H]+ e [OH]- esto envolvidos

    Assim, o pH da gua assume grande importncia no processo de coagulao, no s porque governa a carga das impurezas coloidais presentes, mas tambm porque determina a natureza dos produtos de hidrlise formados, valores baixos de pH tendem a favorecer cargas positivas. Em geral, os complexos de maior carga positiva so mais efetivos, aumentando a eficincia e a taxa de coagulao. Na figura 3.1 pode-se observar que em pH prximo a 5,0, o sulfato de alumnio quase que completamente precipitado na forma de Al(OH)3, restando muito pouco Al+3 na gua coagulada. J em pH menor que 5,0, a concentrao de [OH]-1 insuficiente para precipitar completamente o Al+3. O processo de coagulao em pH final muito baixo, no ocorre ou ocorre de forma muito incipiente, alm de tornar a gua corrosiva. Estes fatos confirmam porque esssencial ter uma alcalinidade residual durante a coagulao, para servir como tampo para sistemas com nveis de pH acima de 5,0 assegurando uma completa precipitao dos ons coagulantes. Ainda, devido ao carter anfotrico do alumnio, observa-se que a pH acima de 7,0 h tendncia de formao de ons aluminato: (AlO4)

    -, que so espcies carregadas negativamente e portanto sem carter coagulante.

    Figura 3.1 Espcies formadas x pH

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    Embora muitas destas reaes sejam de natureza puramente qumica, a coagulao como um todo bastante complexa, e a adsoro dos ons e colides tambm de grande importncia. Por esta razo, importante que o sulfato de alumnio seja distribudo atravs da massa de gua de forma a propiciar o contacto entre todas as partculas coloidais antes que outras mudanas menos desejveis 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, tambm conhecido como jar-test. Este ensaio tambm utilizado na obteno de outras informaes teis, como gradientes de velocidade e/ou tempo de mistura que podem auxiliar tanto no projeto de uma nova estao de tratamento como na avaliao ou reviso das estaes j existentes, otimizando o processo de clarificao.

    O ensaio de jarros simula, em escala de bancada, os processos de coagulao, floculao e sedimentao para amostras de gua bruta de diferentes caractersticas, com a funo de determinar a melhor dosagem de coagulante, a chamada DOSAGEM TIMA.

    Para execuo do ensaio de jarros utilizado um agitador como o mostrado na figura 3.2. Aos copos dos agitadores que contm um volume determinado de amostra de gua bruta so adicionados pequenos volumes da soluo coagulante de forma a reproduzir dosagens diferenciadas (normalmente em ordem crescente) de sulfato de alumnio em cada um dos copos.

    Depois de executada as rotinas de ensaio so coletadas alquotas das amostras de gua j sedimentadas e analisadas para determinao da cor e turbidez residuais. Desta forma, possvel com os dados obtidos, determinar a dosagem que permitir a mxima eficincia de remoo de cor e turbidez ou a menor concentrao residual de cor e turbidez. Esta dosagem corresponde dosagem tima. Maiores detalhes do ensaio sero dados na aula prtica.

    O pH timo para a remoo dos colides negativos varia com a natureza da gua, mas usualmente situa-se na faixa de 5,0 a 6,5.

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    Figura 3.2 Modelo de agitador utilizado no ensaio de jarros

    6. Parmetros de projeto a serem considerados no processo de

    coagulao-floculao

    O sulfato de alumnio, ao ser colocado em contato com a gua, reage quase

    que instantaneamente, promovendo uma reao de hidrlise, que levar a formao de determinados compostos que iro juntamente com as impurezas presentes, constituir os flocos que sero separados posteriormente nas unidades de decantao e filtrao. Portanto, essa reao deve se desenvolver homognea e continuamente em toda a massa de gua bruta. Continuamente porque a gua bruta escoa de forma contnua e homogeneamente, porque, pelo fato da reao ser praticamente instantnea, antes que ela se processe, necessrio que toda a massa de gua esteja em contato com a quantidade adequada de coagulante. Em tratamento de gua chama-se este processo de mistura ou disperso e dever estar concludo em um intervalo de tempo menor do que o tempo de reao do coagulante.

    Evidentemente que o processo de mistura interveniente no processo de coagulao, tambm arrolada como fundamental na eficincia da floculao, pois aps executada a disperso do coagulante na gua, necessrio que se promova sua movimentao atravs de uma lenta agitao ou mistura dessa massa lquida, a fim de que as partculas j desestabilizadas possam se aglutinar formando os flocos.

    Desta forma as unidades onde se promove a coagulao so

    denominadas de unidades de MISTURA RPIDA ou DISPERSO e as

    unidades onde se executa a floculao so denominadas de MISTURA LENTA

    ou AGLUTINAO.

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    Os parmetros bsicos para o dimensionamento de unidades de disperso ou mistura rpida e aglutinao ou mistura lenta so:

    a vazo de instalao (Q)

    gradiente de velocidade (G)

    o tempo de deteno (t)

    o nmero de Camp (NC).

    6.1 Gradiente de velocidade (G):

    As dimenses e a densidade dos flocos formados so fortemente

    influenciadas pelas colises decorrentes das diferentes velocidades das linhas de corrente contguas na seo transversal ao escoamento. magnitude das

    diferenas de velocidade das linhas de corrente d-se o nome de GRADIENTE

    DE VELOCIDADE . Em outras palavras, o gradiente de velocidade mede o grau de agitao decorrente da variao da velocidade de escoamento (v), segundo uma direo perpendicular a direo do fluxo:

    V2

    V1

    dv

    dz

    G = dv

    dz(por definio)

    Na prtica, o gradiente de velocidade uma funo da fora (energia) produzida ou introduzida em uma unidade de volume de gua. Segundo Camp e Stein o gradiente de velocidade G pode ser expresso por: onde:

    G = gradiente de velocidade, s-1

    P = potncia til introduzida na gua (Kgf.m/s)

    = viscosidade absoluta, (Kgf.s/m2)

    V = volume no qual dissipada a energia correspondente potncia P, em m3

    Valores adotados para G:

    Mistura Rpida : 700 s-1 G 1100 s-1

    Mistura Lenta: 10 s-1 G 70 s-1

    G = P/V

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    6.2 Tempo de deteno (t):

    No sentido estrito do termo, o tempo de deteno corresponde relao entre o volume da unidade de mistura e a vazo afluente: onde:

    t = tempo de deteno, s

    V = volume, m3

    Q = vazo, m3/s

    6.3 Nmero de Camp (NC):

    Nas unidades de mistura rpida e lenta, h uma relao intrnseca entre o

    tempo de deteno e o gradiente de velocidade aplicado massa lquida. Esta relao consubstancia-se no nmero adimensional G.T, usualmente denominado Nmero de Camp (NC). O conceito que o fundamenta se refere perspectiva de conferir idntica probabilidade de choques entre as partculas desestabilizadas. Assim, misturadores com menor tempo de deteno hidrulico deveriam ser dotados de gradientes de velocidade mais elevados e vice-versa, de forma a manter a mesma eficincia, ou seja a mesma probabilidade de choques em todas as cmaras de mistura:

    t = V/Q

    Valores adotados para t:

    Mistura rpida: 1s t 20s

    Mistura lenta: 20 min t 80 min

    G t

    G t

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    Isto particularmente verdadeiro quando se faz a floculao escalonada, com valores decrescentes de G e crescentes de t, permitindo assim melhores condies para a formao do floco.

    7. Classificao e projeto de misturadores rpidos e lentos O processo de coagulao-floculao se realiza em plantas de tratamento de gua em trs etapas envolvendo:

    A adio de coagulantes,

    A disperso dos coagulantes (mistura rpida) e

    A aglutinao de partculas (mistura lenta)

    7.1 - Adio de coagulantes

    Coagulantes metlicos como Al(III) devem sempre ser aplicados em

    soluo verdadeira. A aplicao em suspenso ou ainda em p, sem que as partculas do composto tenham tempo de dissolver-se, diminui notavelmente a efetividade do processo, o que se traduz em desperdcio de substncia qumica. A soluo de coagulante pode ser preparada de duas formas: a) dosando o p em forma contnua em um tanque de hidratao, de onde se leva a soluo at o ponto de aplicao, o que impropriamente se chama de DOSAGEM A SECO; b) preparando a soluo previamente e dosando-se por gravidade ou bombeamento ao ponto de aplicao, o que se chama de DOSAGEM MIDA. Em ambos os casos os coagulantes j esto misturados com a gua quando aplicados, porm a dosagem a seco apresenta desvantagens quando comparada com a dosagem mida, como por exemplo:

    o pequeno tamanho das cmaras de soluo, faz por vezes com que os coagulantes no se dissolvam completamente antes de serem aplicados, o que prejudica o processo de mistura e induz ao desperdcio de coagulantes;

    a medida do coagulante no exata pois influenciada pelo tamanho do gro.

    Os dosadores a seco podem ser volumtricos ou gravimtricos. Os dosadores em soluo por via mida podem ser em: formas de sistemas por

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    gravidade que se constitui de tanques de soluo, tanque dosador e elemento hidrulico de medida, ou em forma de sistemas de bombeamento que se constitui de tanques de soluo e bombas dosadoras.

    7.2 Disperso dos coagulantes (mistura rpida):

    A velocidade com que se dispersam os coagulantes na gua, de vital importncia para todo o processo de clarificao, pois se as reaes fsico-qumicas entre a gua e os coagulantes se completarem antes dos coagulantes terem tido oportunidade de ser adsorvidos pelas partculas coloidais, a eficincia do processo diminuir notavelmente, o que se traduz em um desperdcio de coagulante, uma vez que se ter que dosar mais para se obter os resultados que seriam obtidos se a mistura fosse adequada. Desta forma, para a disperso do coagulante na gua necessitaremos de um ponto de agitao suficientemente grande de forma a assegurar a mistura completa do coagulante com a gua num tempo suficientemente pequeno. Em plantas de tratamento de gua a mistura rpida (disperso) pode ser

    realizada atravs de sistemas hidrulicos ou mecnicos de mistura. As condies ideais em termos de gradiente de velocidade, tempo de mistura e concentrao da soluo de coagulante devem ser determinadas preferencialmente atravs de ensaios de laboratrio. Quando estes ensaios no puderem ser realizados, devem ser adotados os seguintes valores estabelecidos

    na NBR 12216 Projeto de estao de tratamento de gua para abastecimento pblico:

    7.2.1 Sistemas hidrulicos: historicamente, os primeiros dispositivos a serem empregados para a mistura foram hidrulicos, isto , utilizavam a energia hidrulica para a disperso do coagulante. Os melhores sistemas hidrulicos utilizados na disperso so os que utilizam o ressalto hidrulico: fenmeno que ocorre quando a corrente lquida passa do regime rpido para o regime lento (atravs da profundidade crtica) acompanhado de agitao e de grande perda de energia, e que pode ser produzido atravs de uma das seguintes variaes:

    canal ou canalizao onde ocorra turbulncia intensa,

    medidor ou calha Parshall,

    ressaltos hidrulicos. Dentre estes dispositivos, a calha Parshall a que encontra maior aplicao nas estaes de tratamento de gua por poder aliar funo de medidor de vazo afluente a funo de dispersar adequadamente o coagulante (mistura rpida).

    700 s-1 G 1100 s-1

    1s t 5 s

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    A calha Parshall,mostrada na figura 3.3, trabalhando normalmente com descarga livre um medidor de regime crtico, onde se produz um ressalto, atravs da passagem da corrente lquida de uma condio supercrtica para uma subcrtica. Foi idealizada em 1927 por R. L. Parshall e patenteada para vrios tamanhos, com as dimenses constantes da tabela 3.1 (anexa).

    Figura 3.3 Calha Parshall adotada como misturador rpido

    Compete, entretanto, ao projetista selecionar um tamanho e estabelecer condies para que a perda ou dissipao de energia e a agitao resultem adequadas para a finalidade que se pretende. Com um bom projeto a calha Parshall poder combinar as caractersticas de um bom medidor com as de um misturador rpido adequado. Para isto so recomendadas as seguintes caractersticas para a calha:

    a) a velocidade da gua na passagem pela garganta da calha (W)

    deve ser prxima 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 dever se superior a 1000 s-1

    Obs: Nessas condies, a calha Parshall produzir em tempo bastante

    curto, da ordem de 1,0 segundo, a agitao necessria mistura, que corresponde a um valor de G superior a 1000 s-1. A potncia dissipada neste processo hidrulica e pode ser calculada pela expresso:

    onde:

    P = potncia em Kgfm/s

    = peso especfico da gua = 103 kgf/m3

    Q = vazo da instalao (m3/s) Q = f(H)n

    P = Q hf

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    hf = perda de carga na unidade (m)

    Considerando que Q = V/t, onde V = volume total (m3) e t = tempo de deteno

    na unidade (seg), vem que: P = Vhf/t

    Mas como, G = P/V , ento podemos expressar o gradiente produzido por:

    7.2.2 Sistemas mecnicos (rotores): os tipos de rotores mais comuns para fins de disperso so as ps, as hlices e as turbinas, como a mostrada na figura 3.4. Atravs de estudos de padronizao de misturadores mecanizados, chegou-se a concluso de que o rotor tipo turbina, instalado em tanques de seo quadrada o mais adequado. Um agitador de turbina um aparelho mecnico que produz movimento em um lquido atravs do movimento rotativo dos impulsores.

    Figura 3.4 agitador mecnico tipo turbina para mistura rpida

    A potncia aplicada gua pelas turbinas depende do volume e forma da cmara de mistura, da velocidade de rotao e da geometria do impulsor. Essas variveis esto inter-relacionadas, de modo que o projeto da cmara de mistura dependente do tipo de turbina e vice-versa.

    G = hf/t

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    7.3 Transporte e aglutinao de partculas (mistura lenta):

    Uma vez dispersados os coagulantes, temos que produzir uma lenta

    agitao na gua para permitir o crescimento dos flocos. Este crescimento

    induzido pelo contato entre partculas maiores que 1, contato este criado pelo transporte (agitao) da massa lquida. Portanto, a forma de produzir a agitao, o gradiente de velocidade e o tempo de deteno, so caractersticas essenciais que devem ser estudadas em todo o processo de floculao, de maneira a atingir os objetivos bsicos da floculao:

    - reunir os microflocos para formar partculas maiores com peso especfico superior ao da agua,

    - compactar o floco, isto , diminuir o seu grau de hidratao (somente 2 a 11% matria slida) - evitar a pr-sedimentao 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 floculao incompleta).

    vfloculao < vquebra mas vfloculao > vsedimentao Assim como para a mistura rpida, existem dois sistemas bsicos para se promover a floculao: os sistemas hidrulicos e os sistemas mecnicos, e da mesma forma, os valores de G e t devem ser prioritariamente determinados por ensaios de laboratrio com a gua a ser tratada, mas dependendo do porte da estao , no sendo possvel proceder aos ensaios especficos podem ser adotados os seguintes valores para G e t:

    7.3.1 Sistemas hidrulicos: utiliza a energia hidrulica disponvel, sendo a mesma dissipada pela gua. Assim, qualquer sistema que utilize a energia hidrulica dissipada em forma de perda de carga no fluxo da gua atravs de um tanque, canal ou canalizao, pode ser utilizado como floculador hidrulico. Uma srie de dispositivos tem sido utilizada como floculadores hidrulicos:

    - canal com diversos compartimentos em srie, interligados por passagens

    ou tubulaes, conhecidos como floculadores tipo Alabama ;

    - canal sinuoso de fluxo horizontal ou vertical, onde a gua obrigada a

    passar ao redor de chicanas, dando giros sucessivos de 180o no sentido

    do fluxo, conhecido como floculador de chicanas. Figura 3.5

    Floculadores hidrulicos: 20 min t 30 min

    Floculadores mecnicos: 30 min t 40 min

    Floculadores hidrulicos e mecnicos: 10 s-1 G 70 s-1

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    Figura 3.5 Floculadores hidrulicos de fluxo horizontal e vertical Os floculadores de fluxo horizontal so os mais utilizados como unidade de floculao. Neles, o gradiente de velocidade constitui-se em um importante parmetro no dimensionamento e calculado pela mesma frmula de Camp e Stein j definida para misturadores rpidos do tipo hidrulico:

    G = hf/t A perda de carga total nos floculadores de chicanas resultado das perdas devido a:

    mudana de direo nas curvas - h1 :

    onde:

    - k funo da rugosidade das chicanas, da temperatura, da viscosidade,

    da forma da ponta das chicanas e do espaamento parede-chicana.

    Usualmente k = 3,0.

    - N o nmero de chicanas.

    - v a velocidade mdia do fluxo = Q (vazo) /A (rea transversal) = Q/h.a,

    onde h a altura da lmina de gua e a o espaamento entre as chicanas.

    - g a acelerao gravitacional.

    perdas ocorridas por atrito nos trechos retos - h2:

    onde:

    - s a declividade do canal calculada por Chzy, -L a distncia do percurso = v.t = (N+1).l, onde (N+1) corresponde ao no

    de espaos (canais entre chicanas) e l a largura da cmara,

    - Rh o raio hidrulico, calculado pela relao entre a rea e o permetro

    molhado: Rh = h.a / (2h+a). E a perda total :

    h1 = kN v2/2g

    h2 = sL = (vn)2.L/Rh4/3

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    Ou seja:

    Obs: As perdas de carga devidas s trocas de direo - h1- (giros de 180

    0) ao longo do floculador, predominam sobre as perdas contnuas no canal - h2 -, representando cerca de 70% ou mais da perda total.

    Obs: Recomendaes prticas para o projeto de floculadores hidrulicos

    de chicanas: - A velocidade mdia do fluxo da gua 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 espaamento mnimo entre chicanas fixas, dever ser de 0,50m; este espaamento poder ser menor, desde que as cmaras sejam dotadas de dispositivos para sua fcil remoo, tais como ranhuras nas paredes. - O espaamento 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 espaamento 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 mecnicos: utilizam energia mecnica externa, a qual dissipada pela gua em tanques apropriados. Os floculadores mecnicos mais utilizados so os de movimentos giratrios (com paletas paralelas ou perpendiculares ao eixo) de eixo horizontal ou vertical. Este, normalmente mais vantajoso, porque evita cadeias de transmisso ou poos secos para a instalao dos motores. Figura 3.6

    hf = h1 + h2

    hf = kNv2/2g +(vn)2.L/RH4/3

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    Figura 3.6 Floculador mecnico de paletas de eixo vertical

    Os floculadores giratrios podem ser fornecidos com dois ou quatro

    braos fixados ao eixo, com nmero varivel de paletas por brao (no mximo quatro), entretanto, um nmero muito grande de paletas exige do motor uma potncia elevada, mas que pode no produzir o gradiente desejado.

    Nos sistemas mecnicos de mistura lenta, assim como nos de mistura rpida, o gradiente de velocidade -G-, ou o grau de mistura da massa lquida vai depender da potncia unitria dos motores, que uma funo implcita do tipo de agitador utilizado, dado por:

    onde:

    Pu = potncia unitria(kgf.m/s.m3),

    = fator de forma.

    n3 = velocidade de rotao das paletas (rps)

    7.3.2.1 O fator de forma ():

    O fator de forma () depende da geometria do agitador em relao ao volume do tanque, e calculado por:

    Pu = n3

    = ( A r3) / V)

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    onde:

    - um fator adimensional que engloba o coeficiente de arrasto (CD) e a

    relao entre as velocidades da gua e das paletas (k). Pode variar entre

    6000 a 10000 dependendo das relaes entre o comprimento(l) e largura

    (b) das paletas. Para as condies usuais:

    - l/b = 20

    - CD = 1,5 = 8000

    - k = 0,25

    - A = rea das paletas

    - r = distncia entre o eixo de cada paleta ao eixo do agitador

    - V = volume da cmara (m3)

    Assim, considerando que Pt = PuV e que G = (Pt/V), teremos que nos floculadores mecnicos de paletas de eixo vertical, o gradiente dado por:

    Obs: Recomendaes prticas para o projeto de floculadores mecnicos: - tempo de deteno............................................30 a 40 minutos - nmero de compartimentos em srie.................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 ltimo compartimento) - rea das paletas..............................................menor que 20% da rea do plano de rotao das paletas

    7.4 Comparao entre misturadores hidrulicos e mecnicos - Critrios de

    seleo

    A seleo do tipo de misturador a ser empregada influenciada por uma

    srie de fatores, entre eles: a) tamanho da instalao b) regularidade na vazo e no perodo de operao c) segurana operacional d) capacidade operativa e de manuteno local e) caractersticas construtivas f) custo g) disponibilidade de energia

    Alm desses, aspectos como a localizao geogrfica da estao que permite estimar os custos de manuteno dos equipamentos; o nvel de proteo ambiental visando avaliar as possibilidades de alteraes significativas

    G = Pu/ = (n3)/

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    das caractersticas da gua bruta; a tecnologia de tratamento na qual o misturador vai se inserir e o porte da estao tambm devem ser considerados.

    Via de regra, os mtodos hidrulicos, tm sido preteridos pelos mecanizados nos recentes projetos de estaes de tratamento de gua de mdio e grande porte, a despeito da facilidade de operao e praticamente inexistncia de curtos-circuitos. A maior perda de carga e a dificuldade de alterao do gradiente de velocidade so apresentados como limitaes ao emprego da mistura hidrulica. O emprego dos misturadores mecnicos apresenta diversas vantagens, como a perda de carga praticamente nula; a facilidade de instalao em estaes j existentes e uma maior flexibilidade de operao em funo de alteraes nas caractersticas da gua bruta. No entanto o consumo de energia; a desuniformidade da agitao dentro da cmara; a maior probabilidade de curtos-circutos e a necessidade de manuteno dos equipamentos so fatores limitantes na escolha pelo misturador mecnico. O critrio de simplicidade deve sempre estar presente no projeto de um misturador. Um tanque retangular, dotado de alguns equipamentos de agitao, uma alternativa mais simples de construir do que um canal sinuoso com dezenas de paredes defletoras muito prximas, como o caso de um floculador hidrulico de chicanas de pequena capacidade . Alm disso, sua operao fica dificultada nas operaes de limpeza, sobretudo naqueles que apresentam espaamentos muito prximos. Os custos de construo podem ser um pouco mais elevados nos misturadores hidrulicos de maior capacidade, porm h que se considerar o custo de manuteno dos misturadores mecnicos. Para efeito de comparao, deve-se considerar neste, o consumo de energia ou o seu equivalente em perda de carga. Nestes, toda a energia aproveitada na agitao da gua, ao passo que nos misturadores mecnicos as perdas por atrito e por induo podem ser at superiores a 100% da energia til aplicada gua.

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