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COAGULAÇÃO/FLOCULAÇÃO As impurezas contidas na água podem encontrar-se em: Suspensão Dissolvidas As suspensões podem ser: Grosseiras: facilmente capazes de flutuar ou decantar, quando a água estiver em repouso (ex: folhas, sílica, restos vegetais, etc.). Finais: turbidez, bactérias, plankton, etc. Coloidais: emulsões (CO 2 ), ferro e manganês oxidado, etc. As impurezas dissolvidas são: a dureza (sais de cálcio e magnésio), ferro e manganês não oxidados. A coagulação tem por objetivo aglomerar as impurezas que se encontram em suspensões finais (ou em estado coloidal) e algumas que se encontram dissolvidas, em partículas maiores que possam ser removidas por decantação ou filtração. Este fenômeno de aglomeração ocorre devido à duas ações distintas: 1) Uma desestabilidade onde, por adição de produtos químicos se neutralizam as forcas elétricas superficiais e se anulam as forcas repulsivas (coagulação). 2) Uma aglomeração dos colóides “descarregados” até a formação de flocos que sedimentam a uma velocidade adequada. Esta aglomeração é facilitada pela agitação suave, porém completa para facilitar o contato dos flocos uns com os outros. Esta é chamada de floculação sem, contudo quebrá-los. O processo de coagulação/floculação/sedimentação se inicia na câmara de mistura rápida. A finalidade desta câmara é criar condições para que em poucos segundos, o coagulante seja uniformemente distribuído por toda a massa d’água.

Coagulação, Floculação e Decantação - 2012

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trabalho de Efluentes

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COAGULAÇÃO/FLOCULAÇÃO

As impurezas contidas na água podem encontrar-se em:

• Suspensão

• Dissolvidas

As suspensões podem ser:

• Grosseiras: facilmente capazes de flutuar ou decantar, quando a

água estiver em repouso (ex: folhas, sílica, restos vegetais, etc.).

• Finais: turbidez, bactérias, plankton, etc.

• Coloidais: emulsões (CO2), ferro e manganês oxidado, etc.

As impurezas dissolvidas são: a dureza (sais de cálcio e magnésio), ferro e

manganês não oxidados.

A coagulação tem por objetivo aglomerar as impurezas que se encontram

em suspensões finais (ou em estado coloidal) e algumas que se encontram

dissolvidas, em partículas maiores que possam ser removidas por decantação ou

filtração.

Este fenômeno de aglomeração ocorre devido à duas ações distintas:

1) Uma desestabilidade onde, por adição de produtos químicos se

neutralizam as forcas elétricas superficiais e se anulam as forcas

repulsivas (coagulação).

2) Uma aglomeração dos colóides “descarregados” até a formação de

flocos que sedimentam a uma velocidade adequada. Esta

aglomeração é facilitada pela agitação suave, porém completa para

facilitar o contato dos flocos uns com os outros. Esta é chamada de

floculação sem, contudo quebrá-los.

O processo de coagulação/floculação/sedimentação se inicia na câmara de

mistura rápida. A finalidade desta câmara é criar condições para que em poucos

segundos, o coagulante seja uniformemente distribuído por toda a massa d’água.

Nesta câmara tem-se uma agitação muito intensa, promovida por

agitadores, ou devido à própria hidrodinâmica em alguma parte da ETA. No caso

da ETA Castelo Branco (Curado – Recife-PE) a câmara de mistura fica na entrada

da ETA, logo após o venturi (onde é injetado o coagulante) a alta velocidade da

água e as gincanas localizadas na câmara promovem condições ótimas para a

mistura.

Ao sair da câmara de mistura, a água segue para a câmara de floculação.

Nesta, os flocos (sementes de flocos gerados na coagulação) irão agregado, por

adsorção, as partículas dissolvidas ou em estado coloidal. Há casos em que são

utilizadas duas camadas de floculação, uma com velocidade mais baixa, onde os

flocos começam a crescer e entra com velocidade um pouco maior (para evitar a

decantação dos flocos maiores), pois os mesmos continuam a aumentar de

tamanho.

Ao sair da câmara de floculação, a água segue para os decantadores, onde

a velocidade é bem pequena, fazendo com que os flocos sedimentem. Durante

este caminho eles vão arrastando (e ativando) ainda partículas que vão

encontrando ate atingir o fundo do decantador, para constituírem assim o

chamado lodo químico (formado pela adição de coagulantes, geralmente não

naturais).

Reagentes Utilizados Os reagentes utilizados no processo de coagulação são agrupados em três

categorias:

• Coagulantes: compostos, geralmente de ferro ou alumínio. Capazes de

produzir hidróxidos gelatinosos insolúveis e englobar as impurezas.

• Alcalinizantes: capazes de conferir a alcalinidade necessária à coagulação

(calviva - óxido de cálcio; hidróxido de cálcio; hidróxido de sódio – soda

caustica; carbonato de sódio – barrilha).

• Coadjuvantes: capazes de formar partículas mais densas e tornar os flocos

mais lastrados (argila, sílica ativa, polieletrólitos, etc.)

Propriedades dos Coagulantes

• Reagem com álcalis produzindo hidróxidos gelatinosos que envolvem e

adsorvem impurezas (remoção de turbidez).

• Produzem íons trivalentes de cargas elétricas positivas, que atraem e

neutralizam as cargas elétricas dos colóides que, em geral são negativas

(remoção de cor).

Fatores que Influenciam a Coagulação

• Espécie de Coagulante

o Ferro

o Alumínio

o Outros metais ou substâncias naturais

• Quantidade de Coagulante

o Turbidez e cor a serem removidas

o Ao teor bacteriológico

Embora existam tabelas que relacionem a turbidez com a quantidade de

coagulante, apenas ensaios (no tar teste é que dizem a quantidade exata)

dosagens maiores de coagulantes reduzem a quantidade de reagentes para

desinfecção.

• Teor e Tipo da Cor e Turbidez

o Maior ou menor quantidade de colóides

o Maior ou menor quantidade de emulsificantes

o Substancias coloridas diversas, etc

• Outras Características Químicas da Água

o Alcalinidade

o Teor de ferro

o Matéria orgânica, etc.

• pH da Água

o Há um pH ótimo de floculação, que é determinado

experimentalmente.

• Tempo de Misturas Rápidas e Lenta

o Rápida, fará a distribuição do coagulante de maneira uniforme

o Lenta, para formação do floco (floculação). Aglomeração do material

gelatinoso (coágulo) em partículas maiores que decantam mais

rapidamente.

• Temperatura

o A coagulação ocorre de forma melhor em temperaturas mais altas

(temperatura mais baixa aumenta o consumo de coagulante).

• Agitação

o Velocidade Pequena formação dos flocos diminui dificultando a

decantação

o Velocidade muito alta (agitação violenta) há formação dos flocos e

depois a quebra dos mesmos em partículas menores retardando a

decantação.

• Presença de Núcleos

o Os coadjuvantes (aditivos de floculação) são substâncias capazes de

promover núcleos mais densos para flocos mais pesados.

Processo de Coagulação dispersão do coagulante e sua reação com a

alcalinidade para a formação do gel e ainda a aglomeração dessa gelatina para a

formação do floco (floculação).

Coagulação: mistura rápida e continua ainda na lenta

Floculação: mistura lenta

Coagulantes Utilizados

Alumínio - estudos vêm demonstrando que a hidrolise dos sais de alumínio e ferro

é bem mais complexo do que é apresentada nas equações citadas na literatura.

Estas, porém, são de utilidade na obtenção aproximada dos produtos das reações

e das relações quantitativas.

Sulfato de Alumínio - é de longe o mais utilizado entre os coagulantes. É um sólido

cristalino de cor branca-acinzentada, contendo aproximadamente 17% de Al2O3

solúvel em água. É disponível em pedra, em pó ou em soluções concentradas.

Na hidrolise do íon alumínio, em água pura com pH baixo predomina a forma Al+++

e em soluções alcalinas Al(OH)4- e Al(OH)5

--. Em soluções diluídas na neutralidade

temos o Al(OH)3.

Na água, o Al2(SO4)3 . 18H2O reage com a alcalinidade natural formando o

Al(OH)3 segundo a reação.

( ) ( ) ( ) 234232342 623318 COOHAlCaSOHCOCaOHSOAl +↓+→+⋅

O Al(OH)3 irá formar os flocos e o CO2 é o responsável pelo aumento da

acidez da água.

Quando a alcalinidade natural é reduzida, geralmente adiciona-se cal

((Ca(OH))2 ou carbonato de sódio Na2CO3.

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) 2234322342

23422342

315233181823318

COOHOHAlNaSOCONaOHSOAlOHOHAlCaSOOHCaOHSOAl

+++→+⋅

++→+⋅

Outros sais de Al: sulfato duplo de alumínio e amônio Al2(SO4)3 . (NH4)2SO4 .

24H2O (Alúmen de Amônio) e Na2Oal2O3 (Alúmen de Sódio).

O sulfato é apresentado em 3 formas:

• Branco: isento de ferro. Mais onerosa e desnecessária, pois possui

características dispensáveis (isenção de ferro)

• Amarelo: o mais comum e mais barato. Produzido da reação do ácido

sulfúrico com a bauxita pulverizada

• Negro: mistura do branco ou amarelo com carvão ativado (2 a 5%) – para

remoção de gosto e cheiro.

Coagulantes de Ferro Sulfato ferroso (FeSO4.7H2O) é um sólido cristalino de cor branca

esverdeada, que é obtido como subproduto de outros processos químicos,

principalmente a decapagem do aço.

Disponível na forma liquida (da decapagem), é encontrado também na

forma granular.

O ferro ferroso,quando adicionado à água precipita a forma oxidada de

hidróxido de ferro (ferro III), assim a adição de cal ou cloro é geralmente

necessária para uma coagulação efetiva.

( ) ( ) OHCaSOOHFeOOHCaOHSOFe 24322242 13222127 ++↓→++⋅

Reação de pH alcalino (9 a 11) / clarificação de águas turvas com abastecimento

com cal

Caparrosa clorada é preparada adicionando-se cloro para oxidar o sulfato

ferroso.

A vantagem em relação a Cal é que a coagulação pode ser obtida numa

extensa faixa de pH entre 4,8 e 11,00

( ) OHFeClSOFeClOHFeSO 23342224 2173 ++→+⋅

Disponível na forma granular marrom-avermelhado, que é rapidamente

solúvel em água.

( ) ( )( ) ( ) 432242

2432342

323

6323

CaSOOHFeOHCaSOFe

COCaSOOHFeHCOCaSOFe

+↓→+

++↓→+

O cloreto férrico, FeCl3 . 6H2O é usado, primariamente, na coagulação de

esgotos sanitários e industriais, e encontra aplicações limitados no tratamento de

água.

Obtido clorando-se ferro. Disponível comercialmente nas formas sólida e

liquida, é altamente corrosivo (armazenagem).

Hidratado (FeCl3.6H2O) ou anidro (FeCl3) / pH de 4 a 11.

Alcalinizantes

Dentre os alcalinizantes, o mais utilizado pelo seu baixo custo é a Cal (cal

virgem ou viva, cal hidratada ou extinta, cal dolomítica, são outras denominações

do óxido de cálcio). Podem também ser utilizado o hidróxido de cálcio [CaOH)2] e

de misturas deste com o óxido de magnésio (MgO) e o hidróxido de magnésio

[Mg(OH)2].

Cal Virgem - Ca O da ordem 80% (rejeitar com menos de 70%)

Cal Hidratada - Ca O da ordem 90% (rejeitar <60%)

Carbonato de Sódio (barrilha) Na2CO3 - 99,4% de Na2 CO3 e 58 % de Na2O

Auxiliares de Coagulação

Dificuldades com a coagulação, freqüentemente, ocorrem devido aos

precipitados de baixa decantação, ou flocos frágeis que são facilmente

fragmentados sob forças hidráulicas, nos decantadores e filtros de areia.

Os auxiliares de coagulação beneficiam a floculação, aumentando a

decantação e o enrijecimento dos flocos.

Os materiais mais utilizados são os polieletrólitos, a sílica ativada, agentes

adsorventes de peso e oxidantes.

Polímeros Sintéticos

São substâncias químicas orgânicas de cadeia longa e alto peso molecular,

disponíveis numa variedade de nomes comerciais.

Polieletrólitos são classificados de acordo com a carga elétrica na cadeira

do polímero, os carregados positivamente são chamados de catiônicos e os que

não possuem carga elétrica são os não-iônicos.

Os antônicos e os não-iônicos são geralmente utilizados com coagulantes

metálicos para promoverem a ligação entre os colóides, a fim de desenvolver

flocos maiores e mais resistentes. A dosagem requerida de um auxiliar de

coagulação é da ordem de 0,1 a 1,0 mg/L.

Na coagulação de algumas águas, os polímeros podem promover

floculação satisfatória, com significativa redução das dosagens de sulfato de

alumínio. As vantagens potenciais são a reduções da quantidade de lodo e a

maior amenidade à desidratação.

Polímeros Catiônicos tem sido usados com sucesso, em alguns casos, como

coagulantes primários. Embora o custo unitário destes polímeros seja cerca de 15

vezes maior que o de sulfato, as dosagens requeridas são reduzidas, podendo

igualar o custo final para os dois casos.

Adicionalmente, ao contrario do lodo gelatinoso e volumoso oriundo do

sulfato de alumínio, o lodo formado pelo uso de polímeros é relativamente mais

denso e fácil de ser desidratado, facilitando o manuseio e disposição.

Algumas vezes, polímeros catiônicos e não-iônicos podem ser usados

conjuntamente para formar um fluxo adequado, o primeiro sendo coagulante

primário e segundo auxiliar de coagulação. Apesar de diversos avanços neste

campo, existem varias águas que não podem ser tratadas apenas com

polieletrólitos. Testes devem ser realizados para obtenção da eficiência um

polieletrólito no tratamento de uma determinada água.

Sílica Ativada

É o silicato de sódio tratado com ácido sulfúrico, sulfato de alumínio, dióxido

de carbono ou cloro.

Como auxiliar de coagulação ela apresenta as seguintes vantagens:

aumenta a tava de reação química, reduz a dosagem de coagulante, aumenta a

faixa de pH ótimo e produz um floco com melhores propriedades de decantação e

resistência.

Desvantagem em relação aos polieletrólitos é a necessidade de um controle

preciso de preparo e dosagem.

Dosagem de 7 a 11% da dosagem do coagulante primário expresso em

mg/L de SiO2.

Quando utilizada junto com o sulfato de alumínio ou sulfato ferroso, a sílica, por

sua elevada carga negativa, promove a formação de flocos maiores, mais densos

e resistentes, o que aumenta a eficiência de coagulação.

A sílica, mesmo um pequenas quantidades causa prejuízos as caldeiras à vapor.

Argilas Bentoniticas

Usadas no tratamento de águas contendo alto teor de cor, baixa turbidez e

baixo conteúdo mineral. Nestas condições, os flocos de Fe ou Al são

demasiadamente leves para decantar rapidamente. A adição da argila resulta num

aumento de peso do floco melhorando a decantabilidade. A dosagem deve ser

feita na forma de testes mas as dosagens são da ordem de 10 a 15 mg/L.

Carvão Ativado

Aplicam na forma de pó, tem grande poder de adsorção. É bastante

empregada no tratamento da água com gosto e odor provocador por material

orgânico.

Ácido Sulfúrico

É usado como auxiliar na coagulação de águas de cor e pH bastante elevados.

Gradiente de Velocidade

O dimensionamento das câmaras de mistura rápida e de floculação

convencionais, era feito em função exclusiva da velocidade da água e do tempo

de detenção. Atualmente leva-se em conta também o gradiente de velocidade.

O gradiente de velocidade é a diferença dV entre as velocidades V1 e V2

separados de dy, de duas partículas P1 e P2, respectivamente.

A diferença de velocidade entre duas partículas na água pode decorrer da

introdução, nesta, de energia cinética, por um dispositivo mecânico. Assim, o

vapor do gradiente de velocidade é dado por:

μPG = (1)

Onde: P = potência introduzida no líquido por unidade de volume

μ = viscosidade absoluta do líquido

VtNP

602 ⋅⋅

=π (2)

Onde: N = velocidade do rotor em RPM

t = torque

V = volume do reator

Substituindo a eq. (2) em (1), teremos:

μπ

⋅⋅⋅⋅

=V

tNG602

Camada de Mistura Rápida

Qualquer dispositivo capaz de provocar intensa agitação (turbulência) na

água pode ser utilizado para mistura rápida, como bomba, ressaltos hidráulicos,

vertedores, etc.

A prática recomenda um tempo de dispersão (agitação) igual a um

segundo, tolerando-se no máximo 5 seg.

Para a mistura rápida recomenda-se G de 700 S-1 a 2000 S-1, geralmente

utiliza-se 1500 S-1.

Nas câmaras mecânicas, a água é intensamente agitada por meio de

hélices, turbinas, motores ou palhetas giratórias.

As câmaras são geralmente de seção horizontal quadrada.

Nas câmaras não-mecanicas, a turbulência da água é obtida à custa de

uma perda de carga acentuada. O que pode ser constatado pela diferença de

cotas entre o nível d’água de montante e de jusante.

Destacam-se as câmaras de chicana com movimentos horizontal da água,

as câmaras de chicana com movimento vertical da água e a câmara com ressalto

hidráulico.

As câmaras de chicana devem ser dimensionadas geralmente para as

velocidades de 0,30 a 0,50 cm/seg.

Nos ressaltos hidráulicos, a velocidade da água deve superar 2m/s. quando

é adotado o vertedor parshall para media a vazão de água bruta, o ressalto

hidráulico que nele se forma pode ser utilizado para promover a mistura rápida,

desde que haja queda livre de 15 cm no mínimo.

Câmaras de Floculação

As câmaras de floculação devem ser dimensionadas em função do

gradiente de velocidade G e do período de detenção T, obtidos dos ensaios no “jar

test”. T varia de 20 a 40 minutos e G de 20 a 90s.

Câmaras Mecanizadas

Dispositivos como hélices, rotores, pás ou palhetas, que giram com

velocidades de 1 a 8 RPM.

As de eixo vertical o motor fica acima do nível d’água, nas de eixo

horizontal, o motor fica em um poço seco na lateral.

Câmaras não-mecânicas

Como as de mistura rápida, existem as câmaras com movimento horizontal

e com movimento vertical da água. Para fornecer a formação do floco, a

velocidade varia de 0,10 a 0,40 m/seg.

Câmaras mistas

As mecanizadas permitem a variação da velocidade da água, uma perda de

carga nula, porém há formação de espaços mortos, o que não ocorre nas com

chicanas.

Hoje então utiliza-se câmaras mistas com 4 ou 5 compartimentos em série.

Câmaras tipo “Alabama”

Construídas em compartimentos onde a água faz um movimento, a principio

ascendente e depois descendente.

Flutuação ou Flotação

É o movimento usado para converter os sólidos suspensos finalmente

divididos e a graxa, em matéria flutuante.

Tem sido observado, em muitos casos, que os sólidos finalmente divididos

podem ser removidos, com auxilio de “agentes de flotação” em um tempo mais

curto pela ascensão gravitacional do que pela decantação. Com a redução do

tempo de detenção, há uma redução nos custos da construção da unidade.

Quando utilizada em conjunto com a sedimentação, os sólidos em

suspensão poderiam ser removidos (os quais não se depositaria normalmente, a

não ser com elevados tempos que são proibitivos).

A flutuação também tem sido utilizada para o espessamento da câmara

ativada.

Tratamento Preliminar

A flutuação está sendo usada, principalmente como uma fase no tratamento

do esgoto contendo grandes quantidades de resíduo industrial que adicionam uma

pesada carga de sólidos finalmente divididos em suspensão e de graxa ao esgoto.

A flotação tem sido utilizada (e indicada) para o tratamento de esgoto

contendo material que produz escuma. Tal como o resíduo do processamento de

pêssegos, devido à escuma ser removida e manuseada mais facilmente na

unidade de flutuação do que em um clarificador convencional.

Principio de Flotação A flutuação, conforme é aplicada ao tratamento municipal de esgoto, é

restrita ao uso do ar como “agente de flutuação”. As bolhas de ar são introduzidas

ou formadas no esgoto e tendem a aderir às partículas sólidas. Quando são

obtidas as condições de repouso, os sólidos sobrem e são postos a flutuar pela

ação de sustentação das bolhas de ar.

A inserção do ar pode ser feito por:

• Aeração

• Ar pressurizado seguido de descompressão do liquido para a

atmosfera

• aplicação do vácuo após a saturação com ar

A aeração sozinha não é particularmente efetiva na flotação de sólidos, no

entanto ela ajuda na remoção subseqüente da graxa.

Os dois últimos processos são os melhores métodos para a introdução do

ar, por fazerem as bolhas se formarem (ou se originarem) em contato direto com

as partículas, em vez de em um lugar afastado. Esta ação tem lugar, devido a

nucleação ou formação da bolha tender a decorrer na descontinuidade da

partícula sólida. As bolhas assim formadas aderem à partícula e a suspendem

para a superfície do liquido.

Flotação – Tipos de Unidades Unidades do tipo aeração/Flotação por ar induzido (FAI): as bolhas de ar são

introduzidas no esgoto pelo bombeamento do ar com uma ventoinha ou um

compressor, para o fundo do tanque de aeração, onde ele é disperso no liquido ao

passar através de um mecanismo de difusão. O ar também pode ser introduzido

por meios mecânicos como com a utilização de turbinas superficiais de aeração.

{processamento de minérios}

Flotação por Ar Dissolvido (FAD) Unidades do tipo Pressão

Este processo consistem na pressurização do fluxo de esgoto com ar de uma a

três atmosferas e então descomprimi-la em um depósito adequado. Quando a

pressão sobre o liquido é reduzida, o gás dissolvido, além da saturação na

pressão atmosférica, é descomprimido em bolhas extremamente pequenas. Estas

bolhas aderem e suspendem a matéria em suspensão para a superfície. Esta

remoção é superior às unidades tipo vácuo. Esta unidade pode trabalhar com ou

sem recirculação.

Esta unidade pode substituir o decantador primário, produzindo um efluente

final de qualidade superior, porém com um custo mais elevado. A principal

vantagem é que os flocos não estarão submetidos aos esforços cisalhantes das

bombas ou sistemas pressurizados.

Solubilidade do Ar

A saturação do ar na água é diretamente proporcional à pressão e

inversamente proporcional à temperatura. Foi constatado que a solubilidade do

oxigênio e do nitrogênio seguem a lei de Henry para uma ampla faixa de pressão.

Foi demonstrado a existência de uma relação linear entre a pressão e a

solubilidade para vários efluentes industriais, onde a inclinação da curva varia em

função da natureza dos constituintes dos efluentes.

A quantidade de ar liberada, teoricamente, da solução quando a pressão é

reduzida para 1atm pode ser calculada por:

SaPaPSa S −=

Onde: S = Ar liberado para ATM por unidade de volume a 100% saturação cm³/L

Sa = saturação do ar à pressão atmosférica

P = Pressão absoluta (submetida)

Pa = Pressão Atmosférica

A quantidade de ar liberado depende também das condições de mistura

turbulenta no ponto de pressão reduzida e o grau de saturação obtido pelo

sistema de pressurização.

A solubilidade do ar em efluentes industriais é menos que a da água, logo

aplica-se um coeficiente de correção (f).

Tanques de retenção alcançam geralmente uma saturação de 85 a 90%

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −= 1

PafPSaS

Onde: f é a tração de saturação do tanque de retenção.

A performance do sistema de flotação depende, sobretudo de haver

quantidade suficiente de bolhas de ar para promover uma flotação substancial de

todos os sólidos suspensos. Uma quantidade insuficiente de ar resulta na flotação

apenas de uma parte dos sólidos.

A performance da unidade de flotação em termos da qualidade dos

efluentes e da concentração dos sólidos na flotação pode ser relacionado com a

relação ar/sólidos, que é geralmente definida como a massa liberada por massa

de sólidos na efluente.

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −= 1

PafP

SaQSaR

SA

Onde: R = reciclo pressurizado

Q = fluxo de esgoto

As = óleo ou sólido suspenso na água

As bolhas liberadas após a pressurização variam de tamanhos de 30 a 120

µm. a velocidade de ascenção aproxima-se da Lei de Stokes, cujos valores típicos

são entre 2,6 e 12,6 cm/min.

Na flotação por lodo ativado com 0,91 de sólidos a 2,72 atm Hurwitz e Katz

observaram velocidades livre de ascenção de 9, 34 e 55 cm/min para tavas de

reciclo de 100, 200 e 300 % respectivamente.

As variáveis primárias para projetos de flotação são pressão, taxa de

recicurlação, concentração de sólidos na alimentação e tempo de retenção.

A concentração de sólidos suspensos no liquido diminui e a concentração

de sólidos na escuma aumenta com o aumento do tempo de detenção.

Quando a unidade de flotação é utilizada para clarificação são utilizados

tempos de retenção da ordem de 20 a 30min.

Os principais componentes de um sistema de flotação são a bomba de

pressurização, acessórios de pressão de ar, tanque de retenção, o regulador de

pressão e a unidade de flotação.

A bomba de pressão cria uma elevada pressão para aumentar a

solubilidade do ar. O ar é usualmente injetado através de injetores na linha de

sucção da bomba diretamente no tanque de retenção.

O ar e o liquido são misturados no tanque de retenção em um intervalo de 1

a 3 minutos. O regulador de pressão mantém a pressão constante na bomba de

pressurização.

A unidade de flotação pode ser circular ou retangular com um mecanismo

para remover o lado espessado e flutuado.

O projeto e uso das unidades de flutuação não estão bem estabelecidos.

Uma investigação cuidadosa é necessária para determinar a sua adeqüabilidade

para o tratamento de qualquer esgoto em partículas em alguns casos, tem sido

feitos estudos em instalação piloto e os fabricantes possuem equipamento

disponível para este fim. Em geral, parecem ser indicadas as seguintes vantagens

e desvantagens no uso das unidades de flutuação.

Vantagens:

• a graxa, os sólidos leves, os detritos sólidos e sólidos pesados são todos

removidos na unidade

• altas vazões de transbordamento e períodos curtos de retenção significam

tanques de menor tamanho(menor espaço e economia na construção)

• redução do odor devido à curtos períodos de retencao e a pressão das

unidades

• a escuma e a lama obtida são mais espessas.

Desvantagens:

• o equipamento adicional resulta num custo operacional mais alto

• geralmente as unidades de flutuação não tratam tão bem quanto uma

unidade de decantação

• as unidades topo pressão têm a necessidade de alta potência, o que

aumentam o custo operacional

• a manutenção é mais rigorosa e assim mais cara

Decantação A separação mecânica de partículas pode ser realizada por:

a) Centrifugação ou Filtração (ex: separar cristais e sal da solução-mãe)

b) Classificação ou Penetração (ex: separar diferentes frações de um mineiro

moído)

c) Sedimentação (ex: separação de lamas do liquido)

Em oposição aos métodos mecânicos tem-se os métodos de separação por

vaporização ou condensação.

O objetivo da decantação e a separação dos sólidos em suspensão para

partículas com diâmetros menores que 5mm.

Quando o interesse é obter um liquido sobrenadante “purificado”, dá-se o

nome a essa operação de clarificação.

Quando o objetivo é concentrar as partículas em suspensão, denomina-se

espessamento.

Segundo a concentração e a tendência das partículas interagirem, existem

4 tipos de decantação: Partícula Discreta; Partícula Floculante; Zonal e

Compressão.

Sedimentação Discreta

Ocorre em baixa concentração de sólidos em suspensão. As partículas

decantam como entidades individuais, sem a interação com partículas vizinhas.

Este é o tipo que ocorre nas caixas de areia.

Sedimentação Floculante

Diz respeito à suspensão diluída que coalescem ou floculam durante a

operação de sedimentação. Por coalescência, as partículas aumentam de massa

e decantam a taxas mais elevadas. Ocorre nos decantadores primários das ETE’s

e na decantação de lodo químico.

Sedimentação Zonal

Diz respeito à suspensões de concentração intermediaria 2 a 10mg/L, na

qual as forças interparticulares são suficientes para retardar a sedimentação de

partículas vizinhas as partículas se unem e tendem a sedimentar como um único

bloco. Uma interface sólido-líquido bem nítida aparece no topo da massa

decantável e começa a descer como tempo (ocorre no decantador secundário de

sistemas de lodo ativado).

Compressão

Refere-se a decantação na qual a concentração das partículas é alta e que

a sedimentação ocorre apenas por compressão da estrutura. Alguns autores

associam este tipo de sedimentação à zona. Ela ocorre nas camadas mais baixas

(profundas) do decantador secundário de lodo (espessamento).

Sedimentação de uma Partícula Discreta

Seja uma partícula esférica de massa especifica Os, imersa em um liquido

de massa especifica Pl. passando algum tempo, a partícula entra em regime

estacionário e a velocidade de queda fica uniforme. Isto deve-se ao equilíbrio

entre as forças de arrasto, empulxo e peso.

Decantador Ideal para Remoção de Partículas Discretas

Hazen (1904) propôs a modelagem matemática para um decantador ideal,

seguindo as seguintes hipóteses:

• O decantador é um TQ ideal, isto é, a sedimentação ocorre sem qualquer

interferência externa.

• O escoamento é continuo e não turbulento.

• As partículas são discretas, com mesma velocidade de sedimentação

• A sedimentação das partículas é livre, sem interferência de uma sem a

outra.

• Não há ressuspensão do fundo do tanque

Segundo Hazen o decantador pode ser dividido em 4 zonas:

• Zona de Entrada: Destinada a distribuir uniformemente o afluente na seção

transversal do tanque

• Zona de Sedimentação: Onde as características hidráulicas do escoamento

permitem a decantação

• Zona de lodo: Destinada a armazenar temporariamente as partículas

removidas.

• Zona de Saída: destinada a coletar uniformemente a água decantada.

A matéria da partícula no interior do tanque de sedimentação é dada pela

resultante de duas componentes de velocidade. A velocidade horizontal, obtida a

partir da vazão de alimentação do decantador, e a velocidade de decantação.

Desta forma, no interior do decantador pode ocorrer 3 casos:

1° CASO: v’s > vs - a partícula sedimenta antes da saída

2° CASO: vs - a partícula sedimenta mesmo à saída

3° CASO: v’’s < vs - a partícula não sedimenta no tanque

Uma conseqüência muito importante deste resultado é que vale mais

utilizar tanques de sedimentação de área grande e pouca profundidade.

No dimensionamento consideram-se dois postulados.

As partículas se distribuem uniformemente na entrada

As partículas consideram-se separadas quando atingem o fundo

Como:

• Partículas com v1 > v2 sedimentam

• Partículas com v1 < v2 separam-se na proporção v1/vS

Isto é conseqüência de Hh

vv

s

S =''

A carga hidráulica (ou fundo especifico) é dada por Q/Af (m/n). Esta

corresponde à velocidade de sedimentação V3 de uma partícula com um tempo de

sedimentação igual ao tempo de detenção.

ffs A

Q

QAH

H

QvH

tHv =

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⋅===

Valores típicos desareadores

• Tempo: 20 segundos a 1 minuto

• Diâmetro: 0,1 a 1,0 mm

Sedimentação Floculante

Partículas de soluções relativamente diluídas não decantam discretamente,

mas elas coalescem ou floculam durante a sua sedimentação. Quando isso ocorre

a massa da partícula aumenta fazendo com que decantem mais rápido.

A extensão deste efeito de coalescência dependem da oportunidade de

contato entre as partículas, que é função da vazão, da profundidade do tanque, do

gradiente de velocidade do sistema, da concentração de partículas e de sua faixa

de tamanho. Os efeitos destas variáveis podem ser medidas a partir de ensaios

laboratoriais.

Para se determinar as características de sedimentação, deve ser utilizada

uma colina de 150nm de diâmetro e 3 m de altura com tomadas para amostragem

a cada 0,6m. as amostras devem ser coletadas nas portas em intervalos de tempo

regulares.

Valores típicos para este tipo de sedimentação:

• 2 – 3,5 m de profundidade

• T de 0,5 a 1,5h

• V de 18 a 80 m/h

• Rendimento de separação de sólidos solúveis de 40 a 60 %

• 30 a 50% de redução de DBO

Sedimentação

Em sistemas contendo alta concentração de sólidos suspensos, a

decantação retardada ou zonal e a decantação por compressão ocorrem

usualmente.

A sedimentação ocorre quando uma suspensão concentrada inicialmente

uniforme é posta em um cilindro graduado.

Ao por a solução no cilindro começa a se formar uma zona bem nítida de

separação entro o lodo e o liquido do clarificado, chamado de frente de

decantação. A medida que os sólidos vão decantando, o liquido vai subindo pelos

interstícios dos flocos, sofrendo assim uma filtração que deixa os líquidos

sobrenadante bastante liquido.

compressão

zonal

floculenta

discreta

Na primeira fase deste tipo de decantação tem-se a preponderância do

fenômeno de sedimentabilidade. A do lodo começa a influenciar o processo e

termina por governá-lo, como pode ser visto na figura abaixo.

Tornando-se a tangente à curva de decantação na primeira fase, tem-se a

velocidade de sedimentação dh/dt=V5 e tomando a tangente na II fase tem-se a

velocidade da taxa de compressão dh/dt=Vc

O decantador secundário do clarificador, combina as funções de:

• Espessador

• Clarificador

• Reservatório de lodo

Os fatores que atendam a seu funcionamento segundo Ekama et al (1997)

são:

• Fatores Hidráulicos e Físicos: Como a vazão de esgoto e idade do lodo

• Fatores internos dos decantadores: presença de zona de floculação, forma

do reservatório; geometria; configuração do fluxo (longitudinal ou

transversal) e turbulência, etc.

zona de compressão

zona mista

t

h zona de sedimentação

• Condições locais: ação do vento: Variação de temperatura da água e do ar,

etc.

• Características do lodo: concentração no tanque de arejamento;

decantabilidade (floculação, decantação e compressão) e processo

biológico (ex: denitrificação).

A Teoria de Kynch

Ela é aplicada para que se possa obter o par velocidade/concentração à

partir de uma única curva de decantação H(t).

Segundo Kynch, a velocidade de sedimentação das partículas de uma

camada que decanta, é função unicamente da concentração daquela câmara.

Para obtenção destes parâmetros, traça-se uma tangente à curva de

decantação no ponto onde deseja-se calcular o par i

iC

v . Pela inclinação da

tangente é obtida a velocidade vi e a concentração é obtida pela equação:

ii H

HCC 0

0=

Onde: Hi é a altura equivalente obtida pela interseção da tangente no eixo H.

Modelos de Decantação

Existe na literatura diversos modelos que permitem descrever a evolução

da velocidade de decantação em função da concentração das partículas. Os mais

conhecidos e utilizados são o da potência e o exponencial.

Calculo dos Decantadores

Para se projetar clarificadores que operem em sedimentação zonal, deve-

se:

• Calcular a área mínima para conseguir a clarificação das lamas

• Calcular a área mínima para conseguir o espessamento da lama até

a concentração desejada

• Considerar a maior área

O projeto inicia-se calculando-se a velocidade de sedimentação através de

ensaios em provetas de 1L a várias concentrações.

Vs = Ho/t

Em geral a sedimentação é um processo contínuo, extraindo-se lamas

continuamente.

μμ XQXQXQ ee +=00

Como: μQQQ e +=0

Logo: ( )

ee XX

XXQQ

μ

μ 00=

Vamos agora calcular a área mínima para o espessamento das lamas ate a

concentração desejada (xμ).

Define-se a capacidade do clarificador para arrastar os sólidos para a fonte.

Inferior, como uma concentração Yi, por gravidade em funcionamento

descontinuo, como:

GB = Xi Vi

Q0, X0

Qμ, Xμ

Qe, Xe

Onde: GB = Fluxo sólidos nas lamas

Yi = Concentração de sólidos nas lamas

V = Velocidade de sedimentação para concentração xi

Esta equação permite calcular o fluxo de sólido em regime descontinuo em

função da velocidade de sedimentação e a concentração de sólidos (métodos

Yoshika).

Tipos de Decantador

Os decantadores estáticos, sem raspador, possuem as seguintes

características:

• Cilindro – Cônicos: adequados para pequenas instalações tem um fundo

cônico com grande inclinação para evacuação lodo por gravidade.

• Fluxo Horizontal: requer uma elevada superfície. É pouco utilizado.

• Fluxo Laminal: se melhorada o rendimento com a introdução das lâminas,

que favorecem a sedimentação dos sólidos e o fluxo ascencional dos líquidos,

aumentando a altura eficaz sem aumentar a altura do equipamento.

Tanques Circulares e quadrados com raspador podem ser de fluxo radial ou

diametrial; arraste de lodos com um só lâmina ou com várias; sistema de tanques

retangulares.

Há unidades que juntam o processo de floculação à sedimentação, sendo

assim chamado de decantador floculador.

Além destas unidades existem ainda as com recirculação, temos então

circulator o decantador turbicirculador, o decantador accelator ns.

O circulator é um modelo mais simples, apto para instalações pequenas e

médias. A mistura do lodo se faz por um sistema hidráulico.

No turbocirculator, mistura de lodos se faz por uma hélice de perfil

adequado para evitar a destruição dos flocos frágeis.

O modelo accelator troca a distribuição das zonas de mistura e de lodos

com relação ao modelo anterior.