Coagulação/Floculação

A finalidade da coagulação e floculação é transformar as impurezas que se encontram em suspensão fina, em estado coloidal ou em solução, além de bactérias, protozoários e/ou plâncton, em partículas maiores (flocos) para que possam ser removidas com maior facilidade por processos subseqüentes. Esta etapa é a parte mais delicada do tratamento de águas, pois, se houver alguma falha implicará em grandes prejuízos à qualidade e ao custo do produto distribuído à população.

As partículas presentes nas águas, na faixa de pH em que normalmente são encontradas (5-10), encontram-se carregadas negativamente. Estas cargas negativas atraem os íons positivos dissolvidos na água formando uma camada com predominância de cargas positivas em volta das partículas, formando uma camada compacta, e diluindo seus efeitos à medida que aumenta a distância da partícula (Teoria da Dupla Camada). As partículas possuindo cargas elétricas iguais se repelem, tornando o sistema estável. O processo de coagulação é aquele que desestabiliza as cargas das partículas, permitindo a aproximação umas das outras e assim formando flocos num processo chamado de floculação.

Potencial Zeta: é a medida do potencial elétrico entre a superfície externa da camada compacta que se desenvolve ao redor da partícula e o meio líquido em que ela está inserida. O Potencial Zeta é uma função da carga da camada difusa (por unidade de superfície do colóide) e a extensão da mesma. Esta é a força que deve ser vencida para aproximar duas partículas.

A adição de certos reagentes às suspensões coloidais irá promover os processos de estabilização e agregação, conduzindo à formação dos flocos de dimensões consideráveis, permitindo a sua remoção por sedimentação ou filtração.

DESESTABILIZAÇÃO DOS COLÓIDES

A desestabilização dos coloides é realizada por diferentes compostos químicos chamados Agentes Coagulantes, que podem agir sobre a partícula através de quatro métodos distintos, ou pela combinação de dois ou mais métodos:

• Compressão da camada difusiva;

• Adsorção de íons para produzir a neutralização das cargas; • Aprisionamento do precipitado em malhas (enredamento);

• Adsorção em polímeros orgânicos para permitir as ligações interpartículas

Os coagulantes mais comumente utilizados são polímeros orgânicos sintéticos, que podem ser adicionados diretamente ao processo, ou podem ser adicionados sais de ferro ou de alumínio (Fe3+ _{e Al}3+_{), que irão formar polímeros inorgânicos no sistema. A simples}

precipitação de outros sais insolúveis para remoção da dureza e de Fe e Mn, citados no item anterior, também contribuem para o processo de coagulação/floculação.

Além da desestabilização das partículas, a taxa de coalescência, ou de agregação, vai depender da eficácia das colisões entre as partículas, que permite a ligação entre as mesmas. Os mecanismos para aumentar a eficiência destas colisões são:

• Contato por movimento térmico, ou movimento Browniano; • Contato por movimento do volume do fluido, ou agitação; • Contato resultante da sedimentação diferencial.

Na etapa de coagulação, a adição do coagulante é feita em um tanque de mistura rápida, sob forte agitação, para evitar que a partícula se carregue positivamente pela adição em excesso de espécies positivas na sua superfície negativa, voltando a se estabilizar. A coagulação ocorre em alguns segundos.

Após a desestabilização, diminui-se a agitação e inicia-se o processo de aglutinação (floculação).A floculação das partículas já coaguladas resulta das várias forças de atração que atuam entre as partículas “neutralizadas” que se agregam umas às outras. Outros agentes não coagulantes, que funcionam como auxiliares de floculação, também podem ser adicionados ao sistema, imediatamente após a etapa de coagulação. Estes agentes podem ser eletrólitos (ex. aluminato de sódio), tensoativos (ex. amido, gelatina ou cola) ou polieletrólitos (polímeros de cadeia longa com grande número de pontos ativos nos quais as partículas sólidas se fixam). O tempo para a floculação é bem superior ao da coagulação. Uma série de fatores irão determinar o tempo necessário para se atingir o tamanho do floco desejado.

Na realidade, a floculação se inicia no mesmo tanque da coagulação (mistura rápida), desenvolvendo-se nos tanques floculadores, e prosseguindo durante o processo de decantação.

A determinação do melhor tipo de coagulante a ser utilizado, bem como sua concentração ótima em função das características de sedimentabilidade dos flocos formados podem ser avaliados em laboratório fazendo-se os testes de jarro.

FATORES QUE INFLUENCIAM NA COAGULAÇÃO • Efeitos do pH

A faixa de pH em que o processo de coagulação ocorre pode ser considerado um dos fatores mais importantes. A vasta maioria dos problemas de coagulação são relacionados com níveis impróprios de pH. Cada um dos sais coagulantes inorgânicos possuem sua faixa própria de pH ideal. Em muitas plantas é necessária a correção do nível de pH durante o processo de coagulação. Faixa ótima de pH é de 7 a 10.

• Natureza da Turbidez

Geralmente, níveis altos de turbidez exigem doses altas de coagulantes, entretanto raramente a relação é linear. Normalmente a quantidade de coagulante a ser adicionada é relativamente pequena quando a turbidez é muito maior que a normal, devido a alta probabilidade de colisão dos colóides deste caso. A turbidez baixa muitas vezes dificulta a coagulação devido a dificuldade em induzir a colisão entre as partículas. Neste caso a formação de flocos é pobre e a maior parte das partículas é carregada para os filtros.

• Temperatura da Água

Água com temperaturas baixas podem causar dificuldades no processo de coagulação. Com a temperatura próxima ao ponto de congelamento, há uma redução significativa na velocidade das reações químicas, por isso fica mais difícil a dispersão do agente coagulante na água. Com isso o processo de coagulação se torna menos eficiente, e além disso a sedimentação dos flocos torna-se mais pobre devido a alta densidade da água.

• Efeitos da Agitação

Agitação insuficiente e inadequada causa uma dispersão desigual do coagulante. Como resultado, é necessário o uso de doses maiores de coagulante. Os efeitos de baixa turbidez e temperaturas baixas podem ser agravados com uma agitação inadequada. Já na floculação a agitação necessitar ser lenta para não desagregar s flocos.

• Efeitos da Dosagem do Coagulante

A dosagem dos produtos coagulantes é um fator crítico e normalmente utiliza-se bombas dosadoras. Em grandes instalações um medidor de vazão monitora a entrada e envia informações para o dosador.

5.3. Decantação

A separação de uma suspensão de partículas sólidas, ou flocos, diluída em um meio líquido, pela força da gravidade, denomina-se sedimentação ou decantação. A etapa de decantação é utilizada quando tem-se uma alta concentração de sólidos, com o intuito de diminuir a quantidade de sólidos na etapa posterior de filtração.

Os principais fatores que controlam a velocidade de sedimentação são as densidades dos sólidos e do líquido, a forma e o diâmetro das partículas, e a viscosidade do meio, que é alterada pela temperatura.

A sedimentação pode ser classificada como: • Quanto ao processo

- sedimentação em batelada ou descontínua - sedimentação contínua

• Quanto a finalidade

- clarificadores: quando a fase que interessa é o líquido - espessadores: quando a fase que interessa é a lama • Quanto a concentração da suspensão

- sedimentação livre: para baixas concentrações de sólidos

- sedimentação retardada ou obstada: para altas concentrações de sólidos • Quanto ao uso do coadjuvantes

- sedimentação natural: quando não se faz uso de substâncias floculantes

- sedimentação forçada: quando se faz uso de substâncias floculantes para aumentar a velocidade de sedimentação

O projeto de decantadores e espessadores é feito com base em testes de decantação em provetas, onde obtêm-se as velocidades de sedimentação e espessamento do lodo em função das características dos flocos formados.

A sedimentação simples constitui-se um adequado processo de purificação quando as águas são relativamente puras e contém quantidades apreciáveis de sólidos em suspensão. A experiência tem mostrado que as águas contendo uma elevada concentração de matéria em suspensão é mais facilmente clarificada por sedimentação, do que aquela contendo baixa concentração de matérias em suspensão.

Com a sedimentação simples, podem ser obtidas reduções da ordem de : - matérias em suspensão ... 60 a 70%

- turbidez ... 40 a 80% - bactérias ... 40 a 80%

Após a coagulação:

- turbidez ... max 5 mg/L (água decantada) - bactéria ... 80%

LODO HIDROCICLONE POLIMERO ÁGUA BRUTA COAGULANT COAGULAÇÃ DOSAGEM MATURAÇÃ DECANTADOR COM RASPADOR CLARIFICADA LODO COM MICROAREIA

PARA HIDROCICLONE MICRO-

Apesar dos resultados obtidos, a simples sedimentação não produz uma água segura para ser usada no suprimento público. Um tratamento subseqüente, geralmente a cloração, pode ser suficiente para produzir uma água satisfatória.

Os tanques de sedimentação são destinados a remoção de turbidez natural ou floculada, antes da filtração. O tratamento prévio em câmaras de mistura e floculação, antecedendo a sedimentação, normalmente produz uma água de baixa turbidez (1 a 5 mg/L), própria para sofrer a filtração rápida em areia.

Flotação

A separação de uma suspensão de partículas sólidas, ou flocos, diluída em um meio líquido, pela introdução de finas bolhas de gás (normalmente ar) e levando-as a flotar, denomina-se flotação. A flotação é utilizada como alternativa à decantação, aplicada principalmente quando tem-se uma fração de sólidos em suspensão que possui densidade menor que a do efluente (óleos e gorduras) ou é de difícil decantação, como é o caso de partículas muito finas. Neste processo, as bolhas de gás se aderem às partículas formando uma outra partícula de densidade aparente menor do que a do líquido, sendo levada para cima pela força do empuxo. Na parte superior dos flotadores há sistemas de raspagem, removendo as partículas flotadas do meio.

Existe três formas de operação destes sistemas:

• Injeção de ar em um líquido pressurizado, seguido de uma despressurização repentina (flotação por ar dissolvido);

• Aeração por pressão atmosférica (flotação por ar);

• Saturação do líquido com ar a pressão atmosférica , seguido da aplicação de vácuo na câmara de flotação (flotação a vácuo).

Em todos os casos agentes químicos podem ser adicionados para facilitar a flotação aumentando o diâmetro das partículas em suspensão.

5.4. Filtração

A filtração é um processo utilizado para remover partículas sólidas em suspensão que não puderam ser removidas pela decantação. O processo envolve a retenção das partículas sólidas pelo efeito de barreira, podendo ser de poros menores que o diâmetro das partículas, no caso das membranas, ou maiores no caso de meios granulares.

Os processos que utilizam membranas geralmente são aqueles onde o diâmetro das partículas a serem separadas são muito pequenos, podendo chegar ao nível molecular, ou são utilizados nos casos em que deseja-se recuperar a fração sólida, ou até mesmo em casos onde tem-se uma concentração de sólidos muito elevada inviabilizando o uso de meios granulares.

No caso do tratamento de águas naturais para fins de potabilização, os processos mais utilizados são os filtros de areia. Este processo só é aplicado nos casos onde tem-se baixa concentração de sólidos, afim de evitar grandes gastos com a manutenção dos mesmos.

Com a passagem da água através de um leito de areia verifica-se a remoção de materiais em suspensão e substâncias coloidais, redução de bactérias presentes e alteração das características da água, inclusive químicas.

CLASSIFICAÇÃO GERAL DOS FILTROS

• De acordo com o tipo de material filtrante: Areia, carvão, antracito, terra diatomácea, brita, etc.

• De acordo com a disposição do material do meio filtrante no leito: Superposição das camadas do meio filtrante

• De acordo com o sentido de escoamento da água: Ascendente, descendente ou nos dois sentidos

• De acordo com a velocidade de filtração: Lentos, rápidos ou de taxas elevadas • De acordo com a pressão existente: Por gravidade ou sob pressão

Filtro lento (baixa taxa de filtração) - camada de 0,9 a 1,5 m de espessura - areia de ~0,35 mm de diâmetro - lamina de água de 0,9 a 1,5 m

- usado sem necessidade de pré-tratamento

- remove a maioria dos sólidos exceto argila e colóides - reduz 98 a 99% das bactérias

- taxa de aplicação: Q < 6 m3/m2 dia

Filtro rápido (alta taxa de filtração) - camada de 0,46 a 0,76 m de espessura - areia de ~0,55 mm de diâmetro

- podem ser operados abertos para a atmosfera (gravitacional) ou em tanques fechados (pressurizados)

- se usado após coagulação e floculação, apresenta eficiência de remoção de partículas e de bactérias igual ou superior ao de baixa filtração

- taxa de aplicação: Q = 120 a 360 m3/m2 dia (camada simples) Q = 240 a 480 m3/m2 dia (camada dupla)

A Figura abaixo apresenta um desenho esquemático de um filtro de areia e sua operação.

MECANISMOS DE FILTRAÇÃO

O mecanismo de remoção de sólidos em suspensão por filtração é bastante complexo. Vai depender das características físicas e químicas da suspensão e do meio, da taxa de filtração e das características químicas da água

- sólidos maiores são removidos por forças intersticiais

- sólidos menores são removidos por dois mecanismos: transporte (sedimentação, difusão, intercessão e hidrodinâmica) e por fixação (interações eletrostáticas, ligações químicas e adsorção)

MÉTODOS DE CONTROLE DE VAZÃO • filtração à pressão constante

• filtração à vazão constante

5.5. Desinfecção

A desinfecção é a eliminação de microrganismos patogênicos por meios físicos ou químicos prevenindo-se assim das doenças de origem hídrica. É um dos processos mais importantes para o tratamento de água, como meio de controle sanitário. A priori, julga-se que todas as águas de abastecimento, independente de sua origem ou tratamento, sejam desinfetadas. Tal fato se faz necessário, pois sabe-se que a água está permanentemente sujeita a contaminação durante a sua distribuição.

A desinfecção, que se ocupa quase que totalmente com a destruição de organismos unicelulares, como bactérias, protozoários e vírus, trata principalmente da eliminação das bactérias, normalmente pela ação do cloro.

Existem vários produtos desinfetantes, cada um com suas vantagens e desvantagens. Porém o uso de cloro e seus derivados são os mais empregados, e cujas técnicas de aplicação são largamente conhecidas.

CONSIDERAÇÕES SOBRE AS PROPRIEDADES DOS DESINFETANTES

• Devem destruir das classes de patogênicos o maior número possível de organismos e garantir um período longo de resistência a mudanças de temperatura e a possíveis contaminações após tratamento;

• Nas condições requeridas, não devem ser tóxicos ao homem ou a animais domésticos, nem causar sabor desagradável a água ou torná-la indesejável por alguma razão;

• Devem ser um produto barato e abundante, além de ser seguro e fácil de armazenar, transportar, manipular e aplicar;

• Sua concentração em água deve ser de fácil determinação;

• Devem persistir em água desinfetada na concentração suficiente para proporcionar uma proteção

AGENTES OXIDANTES QUÍMICOS

• Halogênios: cloro, bromo, flúor e iodo (e seus derivados) • Ozônio: muito pouco usado pelo alto custo

• Permanganato de potássio: custo elevado • Peróxido de hidrogênio;

• Íons metálicos: prata • Álcali e ácidos.

A desinfecção química dá-se pelo ataque do reagente à uma enzima (oxidação), vital no metabolismo da célula, presente no interior do citoplasma da mesma, o que vai provocar a sua destruição por perda das funções metabólicas e coagulação do material citoplasmático.

FATORES QUE GOVERNAM A DESINFECÇÃO QUÍMICA

• Natureza dos organismos que se quer destruir, bem como sua concentração; • Natureza e concentração do reagente desinfetante e os produtos de reação; • Natureza e condições da água a se desinfetar;

• Da temperatura da água; • Do tempo de contato.

Ordem de efetividade do desinfetante: O3 > HOCl > ClO2 > OCl- > NH2Cl

Ordem de resistência do microrganismo: Cysts > vírus > bactéria

CINÉTICA DA DESINFECÇÃO

A efetividade de um desinfetante é determinada por ensaios de laboratório, com o intuito de obter curvas C x T. para cada microrganismo patogênico.

dN/dt = - kN ⇒ ln (N/N0) = -kt ∴ k = λCn

N – concentração de microrganismos t – tempo de contato

k – constante que depende do desinfetante λ – coeficiente de letabilidade específica C – concentração do desinfetante

n – coeficiente de diluição (geralmente = 1)

ln (N/N0) = -kt ⇒ log (N/N0) = - k t 2,3 log (N/N0) tempo N/N0 (fração remanescente) -log N / N0 (redução logarítimica) % Morte (% de inativação) 0,1 1 90 0,01 2 99 0,001 3 99.9 0,0001 4 99.99 0 -1 -2 -3 -4

Foi observado que: Cn t(% morte) = K(% morte) ∴ C – conc. do desinfetante. Para cada

desinfetante e para cada microrganismo são construídas curvas de C x t, a uma dada temperatura e pH, para atingir um % de inativação desejado. Se n = 1, Ct é constante.

Valores de Ct para Inativação de Giárdia Cysts pelo Ozônio a pH 6-9 Temperatura Inativação (log) 0.5 5 10 15 20 25 0,5 0,48 0,32 0,23 0,16 0,12 0,08 1 0,97 0,63 0,48 0,32 0,24 0,16 1,5 1,5 0,95 0,72 0,48 0,36 0,24 2 1,9 1,3 0,95 0,63 0,48 0,32 2,5 2,4 1,6 1,2 0,79 0,60 0,40 3 2,9 1,9 1,4 0,95 0,72 0,48

Valores de Ct99 para destruição de classes de microrganismos para vpários

desinfetantes

Agente desinfetante Microrganismo

HOCl OCl- NH2Cl O3 ClO2 HOBr

E. coli 0,02 1,0 50 0,005 0,2 0,5

Polivirus 1 1,0 10 500 0,005 1,5 0,06

Entamoeba histolytica 20 8000 150 2 5 40

Nem todos os organismos microscópicos e formas superiores de vida na água podem ser removidos por todos esses métodos, por exemplo, a Endamoeba histolytica não é removida pela cloração comum. Alguns suprimentos públicos de água são desinfetados com ozônio, porém o único desinfetante em uso geral nos suprimentos públicos de água é o cloro.

Não se dispondo de dados sobre a demanda de cloro da água a ser desinfetada, recomenda-se iniciar a aplicação com a dosagem de 1 mg/L de cloro. Iniciada a desinfecção, deverão ser coletadas amostras de água nos extremos da rede de distribuição, a fim de conhecer o pH da água. De posse deste parâmetro e utilizando-se a Tabela, a seguir determina-se qual a concentração recomendada de cloro residual livre ou combinado a ser obtido na água após o tempo de contato indicado.

pH Cloro livre em mg/L após 10 minutos Cloro combinado em mg/L Após 60 minutos 6 a 7 0,2 1,0 7 a 8 0,2 1,5 8 a 9 0,4 1,8 9 a 10 0,8 1,8 a 2,0

Caso a residual obtido seja diferente, deverá ser aumentada ou diminuída a dosagem aplicada. Os exames bacteriológicos subseqüentes indicarão os efeitos da desinfecção processada. O residual máximo permitido por lei está limitado na consideração sobre o odor “levemente perceptível” de cloro.

5.6. Fluoretação

A fluoretação é realizada para introduzir na água o flúor que age como agente de combate à cárie. A adição é feita através de sais de flúor na forma sólida ou em solução.

Os compostos mais utilizados são: fluorsilicato de sódio, fluoreto de sódio, fluorita e o ácido fluorsilícico.

LIMITES RECOMENDADOS PARA A CONCENTRAÇÃO DE ION FLUORETO SEGUNDO AS NORMAS DE ÁGUA POTÁVEL DO SERIÇO DE SAÚDE PÚBLICA

DOS ESTADOS UNIDOS

Limites recomendados para a concentração do íon fluoreto (mg/l)

Média anual das temperaturas máximas diárias do ar (oC)

Inferior Ótimo Superior 10,0 a 12,1 12,2 a 14,6 14,7 a 17,7 17,8 a 21,4 21,5 a 26,3 26,4 a 32,5 0,9 0,8 0,8 0,7 0,7 0,6 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 1,7 1,5 1,3 1,2 1,0 0,8 5.7. Ajuste final

Após a água ter sido tratada até os níveis desejados de depuração, deve-se fazer uma correção do pH, caso este se encontre fora dos níveis permitidos, a fim de não provocar danos ás tubulações e equipamentos. Esta necessidade irá depender de quais foram os processos e condições utilizadas anteriormente.

5.8. Outros Processos Físico-Químicos