DISCIPLINA: AMB30106
Sistema de Água II
Prof. Robson Alves de Oliveira
robson.oliveira@unir.br
2
3
INTRODUÇÃO
DEFINIÇÃO: a floculação é uma operação unitária
de clarificação com o objetivo de juntar partículas
coaguladas para formar flocos, de modo a
possibilitar sua separação por sedimentação ou
flotação e/ou filtração da água.
É considerada uma operação unitária por envolver apenas
fenômenos físicos de aglutinação das partículas.
4
É o processo mais utilizado para remoção de
substâncias que produzem cor é turbidez na água.
Os flocos formados por aglutinação devem ter tamanho e
densidade adequados ao processo de remoção que segue:
clarificação por sedimentação ou flotação ou filtração.
Ao contrário da sedimentação, nos processos de flotação e
filtração direta não é desejável a formação de um floco
volumoso.
5
O processo de agregação é dependente da duração e da
quantidade de energia aplicada (gradiente de velocidade).
A energia para a floculação pode ser aplicada, como na
mistura rápida, por meios hidráulicos, mecânicos e ou
pneumáticos.
A diferença entre a floculação e a na mistura rápida está
caracterizada pela intensidade, que, na floculação, é muito
menor.
6
Para as estações convencionais de tratamento a aferição
do êxito da floculação efetua-se pelas características da água
decantada: monitoramento da turbidez.
Sempre que a tecnologia de tratamento envolver o
processo de coagulação, a floculação ocorre mesmo na
ausência de uma unidade específica para tal finalidade.
O desempenho da floculação esta diretamente ligado
ao desempenho da coagulação.
7
A ineficácia da floculação aumentará a afluência de
partículas às unidades filtrantes, favorecendo a deterioração
da água filtrada e reduzindo o intervalo entre lavagens
podendo tornar o processo de potabilização antieconômico.
CINÉTICA DA FLOCULAÇÃO
Os mecanismos de floculação referem-se à forma como
o transporte das partículas desestabilizadas realiza-se
para a formação dos flocos.
8
O mecanismo predominante será função das dimensões
das partículas desestabilizadas e do crescimento dos flocos.
O transporte das partículas pode ocorrer por três
processos:
1) Devido ao movimento browniano - denominado
floculação pericinética:
Deve-se ao movimento das partículas coloidais devido ao
seu contínuo bombardeamento pelas moléculas de água.
9
A Floculação Pericinética é o primeiro processo de
formação de flocos, porém, é menos relevante.
Os primeiros contatos entre as partículas desestabilizadas
iniciam-se já na unidade de mistura rápida.
As partículas coloidais desestabilizadas chocam-se e
aglomeram-se formando flocos pequenos, com dimensão
inferior a 1 µm.
A energia propulsora da floculação pericinética é a energia
térmica do fluído.
10
2) Devido as diferenças de velocidade das linhas de
corrente do fluido em escoamento - denominado
floculação ortocinética:
As partículas estão em contato umas com as outras através
do movimento do fluído (gradiente de velocidade).
A floculação ortocinética decorre da introdução de
energia externa que fomenta a aglutinação das partículas
para a formação de flocos de maior peso.
11
Dependendo da configuração da ETA, o canal de água
floculada e outros dispositivos que conduzem água floculada
permitem que a floculação ortocinética ainda ocorra.
Esse mecanismo continua a atuar mesmo após a unidade
de floculação.
A floculação ortocinética é o único processo no qual o
profissional pode atuar de forma a otimizar a operação.
12
3) Devido as às distintas velocidades de sedimentação
dos flocos - denominado floculação por sedimentação
diferencial:
É decorrente da desuniformidade de volume e massa
específica dos flocos (presença de flocos de grande e de
pequeno tamanho).
Por causa dessa desuniformidade os flocos adquirem
distintas velocidades de sedimentação.
13
Ocorrem choques no movimento descendente na unidade
de decantação e a formação de flocos mais pesados.
Ocorre principalmente no início da unidade de decantação
quando a concentração de flocos afluente é muito elevada.
A floculação por sedimentação diferencial é relevante
para as ETAs com tecnologia convencional de
potabilização.
14
No caso da floculação pericinética,
𝐹
𝑝
, pode expressar a
variação na concentração de partículas pela seguinte relação:
𝐹
𝑝
=
𝑑𝑁
𝑑𝑡
= −
4. Γ. 𝑘. 𝜃. (𝑁)
2
3. 𝜇
[1]
em que:
𝑑𝑁
𝑑𝑡
é a variação do número de partículas primárias por unidade
de volume em relação ao tempo;
N = concentração total de partículas em suspensão no tempo (nº de
partículas/m
3
).
Γ = fator adimensional relacionado com a eficácia das colisões (nº de
colisões efetivas/nº de colisões totais; sendo que colisão efetiva é a que
provoca agregação de duas partículas)
15
κ = constante de Boltzmann [=1,385 x 10
-23
J.K
-1
];
T = temperatura absoluta [K];
μ = coeficiente de viscosidade dinâmica [N.s.m
-2
];
Após a integração e considerando N = N
o
para t = 0, obtém-se:
𝑁 =
𝑁
𝑜
1 + (
4.Γ.𝑘.𝜃.𝑁
𝑜
3.𝜇
) . 𝑡
[2]
O tempo 𝑡
1
2
⁄
(em segundos), para reduzir a concentração inicial
de partículas em suspensão (N
o
) seja reduzida a metade (N), é dada
16
𝑡
1
2
⁄
=
3. 𝜇
4. Γ. 𝑘. 𝜃. 𝑁
𝑜
[3]
Que resulta em:
𝑁 =
𝑁
𝑜
1 + (
𝑡
𝑡
1
2
⁄
)
[4]
Para uma água a 25ºC, obtém-se
𝑡
1
2
⁄
=
1,6 × 10
11
17
O processo é independente de fatores externos, a não ser a
temperatura e independe da dimensão das partículas.
Para partículas de diferentes diâmetros, D e d, Kruit (1952)
estabeleceu uma correção para a relação de tempo:
𝜃
𝑡
1
2
⁄
=
1
4
. [4 + (√
𝐷
𝑑
− √
𝑑
𝐷
)
2
] [6]
Para partículas da ordem de 0,1 µm, o fenômeno de agregação
é governado pela floculação pericinética.
18
Quando, após as aglomerações, as partículas passam a
adquirir tamanho superior a 1 µm, a formação decorre de
floculação ortocinética.
A taxa de colisões entre partículas na floculação ortocinética é definida
pela equação:
𝐹
𝑜
=
𝑑𝑁
𝑑𝑡
= −
𝐶. 𝐺
𝐹
𝜋
. 𝑁 𝑜𝑢
𝑑𝑁
𝑁
= −
𝐶. 𝐺
𝐹
𝜋
. 𝑑𝑡 [7]
G
F
é grande de velocidade durante a floculação;
N é o número de partículas;
19
Integrando essa equação entre os limites (t = 0, N = N
o
) e (t = T, N), e
introduzindo um coeficiente α de eficiência na colisão entre as partículas,
chega-se na equação de Hudson (1955):
𝜂 = 1 −
𝑁
𝑁
𝑜
= 1 − 𝑒
−𝛼
𝐶.𝐺𝐹.𝑇
𝜋
[8]
em que η representa o rendimento esperado na remoção de sólidos;
C é a concentração de partículas (%); G
F
é o gradiente de velocidade
20
Com base nesta equação conclui-se que em igualdade de
condições de gradiente e tempo de floculação, a velocidade de
floculação depende somente da concentração em volume de
floco e não do número e tamanho das partículas primárias
→
não depende da turbidez inicial, porém da massa de
sólidos precipitada.
Esta última expressão permite calcular o valor do gradiente
de velocidade para o qual a taxa de floculação pericinética é
igual à ortocinética.
21
𝐹
𝑝
𝐹
𝑜
=
𝜇. 𝐺
𝐹.
𝑑
3
2. 𝑘. 𝜃
[9]
Constata-se que:
As partículas de pequena dimensão necessitam de
valores de G
F
mais elevados.
No caso de partículas maiores, uma agitação fraca
é suficiente para obter uma taxa aceitável de
floculação ortocinética.
22
Modelagem da agregação e ruptura dos flocos
O modelo anterior (equação 8) não leva em consideração a
resistência e a quebra de flocos, sua massa específica e volume.
Durante a floculação, a agitação imposta ao meio líquido
promove dois efeitos simultaneamente: a agregação e a ruptura.
A agregação é resultado dos encontros das partículas
desestabilizadas, sendo que a agitação promove uma maior
taxa de encontros, formando os flocos.
23
Quanto maior o gradiente de velocidade, mais rápida é a taxa de
aglutinação de partículas, porém os flocos crescerão até um limite
máximo.
Acima deste limite as forças de cisalhamento os quebram em
partículas menores.
O tamanho máximo de um floco (em mm) seria:
𝑑
𝑚𝑎𝑥
=
𝐶
𝐺
𝐹
𝑛
[10]
24
Para flocos de hidróxidos, C geralmente varia entre 5 a 15 e n entre
0,7 e 1,2. Um valor típico de C =10 e um gradiente G
F
= 40 s
-1
, resultaria
num tamanho médio de flocos de 0,44 mm (tamanho encontrado na
prática).
A medida que o floco cresce, sua massa específica diminui e ele
se torna mais sujeito às tensões de cisalhamento hidrodinâmico
geradas pelos gradientes de velocidade.
As forças de cisalhamento são acentuadas com uma agitação
intensa ou um grande tempo de floculação, causando a degradação
parcial ou total dos flocos em poucos segundos.
25
A desagregação é caracterizada pelas condições de turbulência,
sendo calculada pela equação abaixo, em que S é o número de Sinclair
e Sindelar (número S → estabilidade do floco):
𝑆 = 𝐺
𝐹
. 𝑅𝑒
−0,5
[11]
Para águas de baixa alcalinidade e sulfato de alumínio como
coagulante, pode-se sugerir um valor como S < 0,3 s
-1
.
O gradiente de velocidade nos tanques de floculação e outras
estruturas hidráulicas de veiculação de água floculada afeta o
tamanho, a estabilidade e a desagregação dos flocos.
26
Trabalhos experimentais têm confirmado uma redução da
eficiência com o contínuo aumento do tempo de floculação.
Na prática, utiliza-se o critério de aplicar o menor gradiente
possível nos flocos já formados, geralmente inferior a 30 s
-1
.
27
Equação cinética básica (para um reator estático):
Os dois modelos anteriores (que definem o tamanho e a
estabilidade dos flocos), não levam em consideração o tempo
de floculação ou a velocidade (taxa) de formação de flocos.
O modelo geral, que integra os efeitos de agregação e
quebra de flocos é dados por:
𝑑𝑁
28
A taxa de crescimento dos flocos é definida pelo modelo de
Argaman (1971):
𝑑𝑁
𝐴
𝑑𝑡
= −𝐾
𝐴
. 𝑁. 𝐺
𝐹
[13]
A quebra é definida pelo modelo de Kaufman (1970):
𝑑𝑁
𝐵
𝑑𝑡
= +𝐾
𝐵
. 𝑁
𝑜
. 𝐺
𝐹
2
[14]
em que N = concentração remanescente de partículas primárias ao
tempo t (m
-3
);
29
K
A
= coeficiente de agregação (adimensional);
K
B
= coeficiente de quebra (s).
O termo −𝑲
𝑨
. 𝑵. 𝑮
𝑭
indica o desaparecimento de partículas
primárias para dar origem aos flocos e o termo +𝑲
𝑩
. 𝑵
𝒐
. 𝑮
𝑭
𝟐
indica o aparecimento de partículas por erosão dos flocos.
A variação do número de partículas primárias em relação ao tempo
é dada pelo somatório destes dois efeitos simultâneos.
30
𝑑𝑁
𝑑𝑡
= −𝐾
𝐴
. 𝑁. 𝐺
𝐹
+ 𝐾
𝐵
. 𝑁
𝑜
. 𝐺
𝐹
2
[14]
Integrando para (t = 0, N = N
o
) e (t = T, N), fornece:
𝑁
𝑁
𝑜
=
1 + 𝐾
𝐵
. 𝐺
𝐹
2
. 𝑇
1 + 𝐾
𝐴
. 𝐺
𝐹
. 𝑇
[15]
Equação válida para um único tanque de floculação:
Admitindo que K
A
e K
B
mantêm-se constantes em um
31
𝑁
𝑁
𝑜
=
1 + 𝐾
𝐵
. 𝐺
𝐹
2
.
𝑇
𝑚
. [∑
(1 + 𝐾
𝐴
. 𝐺
𝐹
.
𝑇
𝑚
)
𝑖
𝑚−1
𝑖=0
]
(1 + 𝐾
𝐴
. 𝐺
𝐹
.
𝑇
𝑚
)
𝑚
[16]
Com m = ∞
𝑁
𝑁
𝑜
=
𝐾
𝐵
𝐾
𝐴
. 𝐺
𝐹
+ (1 −
𝐾
𝐵
𝐾
𝐴
. 𝐺
𝐹
) . 𝑒
−𝐾
𝐴
.𝐺
𝐹
.𝑇
[17]
32
Com os gradientes normalmente aplicados na prática (entre 75
s
-1
e 30 s
-1
), o coeficiente de quebra de flocos é pequeno, da
ordem de 1000 vezes menor que o de agregação, podendo-se,
então, simplificar a equação 16 para:
𝑁
𝑁
𝑜
= (1 + 𝐾
𝐴
. 𝐺
𝐹
.
𝑇
𝑚
)
−𝑚
[18]
O gráfico a seguir apresenta a relação da eficiência da
floculação em função de T e G
F
(Libânio, Pádua, Bi Bernado).
33
O gráfico mostra a influência do número de câmaras (m) na
performance da unidade de floculação.
34
Exemplo: para G
F
da ordem de 60 s
-1
, o menor valor de T para
obter uma eficiência de remoção de 75% (N
o
/N = 4) seria da ordem
de 2000 s para uma câmara e menos que 1000 s para quatro
câmaras.
Neste trabalho os autores concluíram ainda que:
i) Os parâmetros físicos relacionados com a eficiência da
floculação são, basicamente, o tempo de floculação e a
potência aplicada à massa líquida (gradiente de velocidade);
35
ii) Há um tempo de floculação mínimo abaixo do qual as
taxas de agregação e erosão se equivalem, reduzindo a
eficiência da floculação.
iii) Um maior número de câmaras resulta em maior
eficiência para um mesmo tempo de detenção (devido à
redução do efeito de curto-circuito).
iv) Para cada tempo de detenção existe um gradiente de
velocidade a ele associado (há relação entre o número de choques
e a taxa de erosão dos flocos).
36
A tabela abaixo apresenta valores característicos dos coeficientes de
agregação K
A
e de quebra K
B
, determinados experimentalmente para
37
Sobre K
A
e K
B
podem ser feitas as seguintes considerações:
i) O coeficiente de agregação varia com a turbidez e com o tipo
de coagulante aplicado.
ii) Ele é mais elevado para coagulantes férricos e turbidezes
mais altas.
iii) Água de baixa turbidez são mais difíceis de coagular, não
sendo o processo de decantação adequado para tais águas, que
38
iv) Para valores de K
A
dessa ordem de grandeza, são mais
indicadas a flotação a ar dissolvido ou a filtração direta.
v) A filtração direta é viável quando as doses de coagulante são
suficientemente baixas, inferiores a 10 mg/L de sulfato de alumínio ou
5 mg/L de cloreto férrico.
vi) O processo de floculação pode ser otimizado conhecendo-se os
coeficientes K
A
e K
B
, que permitem prever ou fixar uma eficiência
desejada para as condições físico-químicas de uma determinada fonte
de água.
39
Existe uma relação entre o gradiente de velocidade e o tempo de
detenção → para cada tempo de floculação há um único gradiente
40
Verifica-se que para maiores tempos de floculação, associados
a gradientes de velocidade de menor magnitude, a eficiência de
remoção das partículas tende a crescer até atingir um patamar no
qual pequena melhoria é verificada.
Assim, estudos tem mostrado ser vantajosa a
utilização de uma floculação escalonada ou em cascata
(com gradientes de velocidade decrescentes do início
para o fim do tanque de floculação).
41
A tabela a seguir apresenta a relação entre o gradiente de
velocidade de floculação e o diâmetro máximo das partículas.
Gradiente de
velocidade (s
-1)
100
50
20
10
1
Diâmetro das
partículas
0,46
0,6
0,8
1,0
2,1
Para a floculação por sedimentação diferencial observa-se a
seguinte relação:
𝑁
𝑁
𝑜
= 𝑒
−9
2
.𝐶.
𝑑
(
𝐷
𝑑
)
𝐷
[19]
42
em que D e d são os diâmetros dos flocos (D >> d), C é a
concentração volumétrica e h é a profundidade da camada de flocos.
Dessa equação, conclui-se que a eficiência de um reator em manto
de lodos será tanto maior quanto:
maiores forem a concentração de flocos e a altura do leito;
maiores forem D e a relação D/d.
Assim, reatores de manto de lodo podem ter um aumento
significativo em sua eficiência com a introdução de uma pré-câmara de
floculação, com um curto período de detenção e intensa agitação.
43
Otimização da floculação através da determinação
experimental de k
A
e k
B
.
Na otimização ou no projeto de uma ETA, a faixa de gradientes
de velocidade é muito importante.
Para uma floculação satisfatória, o gradiente de velocidade
geralmente está na faixa de 75-20 s
-1
, e o tempo de floculação
entre 20 e 40 min para a formação de um floco adequado à
decantação e de 10 a 15 min para a flotação.
A relação entre os gradientes de velocidades aplicados e o tempo
ótimo de floculação é determinada com um equipamento de Jar-Test
e apresentam-se numa equação do tipo:
44
𝐺
𝐹
. 𝑇
𝑛
= 𝐾 [20]
Por meio dos ensaios em que se faz variar o tempo de
floculação, mantendo-se constante o rotação do aparelho (G
F
constante), obtêm-se os tempos ótimos.
O tempo ótimo de floculação a um dado G
F
é aquele em que
se obtém a menor turbidez decantada.
A velocidade de floculação é função também da concentração
de partículas, assim, esse procedimento deve ser realizado para
diversas condições de água bruta.
45
De maneira geral, para um mesmo tempo de floculação:
Águas com alta concentração de matéria em
suspensão requerem menores gradientes de
velocidade;
Águas com baixa concentração de sólidos, requerem
maiores gradientes de velocidade;
Esses ensaios permitem também a determinação experimental
dos coeficientes de agregação e de quebra.
Assim, pode-se otimizar o processo de floculação em termos
de G
F
e T, conhecendo-se K
A
e K
B
, para uma dada água e
coagulante utilizado.
46
A determinação experimental de K
A
e K
B
é e feita através das
curvas de determinação do tempo ótimo de floculação a gradientes
constantes.
Para K
A
utiliza-se a seguinte equação:
𝐾
𝐴
=
1
𝐺
𝐹
. 𝑇
. 𝑙𝑛 (
1 −
𝐾
𝐵
𝐾
𝐴
. 𝐺
𝐹
𝑁
𝑁
𝑜
−
𝐾
𝐵
𝐾
𝐴
. 𝐺
𝐹
) [21]
Admitindo que não haja mais agregação e tampouco
desagregação de partículas primárias dos flocos após um período de
sedimentação relativamente longo.
47
A equação [21] pode ser igualada a zero, resultando na equação
de Bratby (1981):
𝐾
𝐵
𝐾
𝐴
=
1
𝐺
𝐹
.
𝑁
𝑜
𝑁
[22]
Para a determinação de K
A
e K
B
os ensaios de coagulação, são
realizados por um longo período de tempo (maior que 2h) para
diferentes tempos de agitação e gradientes de velocidade, e são
construídas figuras de (
𝑁
𝑜
𝑁
) em função do tempo de floculação,
para cada gradiente de velocidade estudado.
48
A partir deste resultado obtêm-se a relação (
𝐾
𝐵
𝐾
𝐴
), através da
equação [22].
Com os valores de (
𝐾
𝐵
𝐾
𝐴
) para cada valor de G
F
, calcula-se o
valor de K
A
e em seguida K
B
.
Os valores de KA e KB são úteis porque, além de permitirem
otimizar o processo de floculação, possibilitam avaliar a resposta
de uma água bruta a um determinado processo de clarificação.
Águas com K
A
elevados floculam com facilidade e,
geralmente, são adequadas a decantação.
Pode-se aumentar o valor de K
A
com a adição de polímeros ou
auxiliares de coagulação ou substituindo o coagulante.
49
O cloreto férrico apresenta valores de K
A
geralmente superiores
em 50-100% dos obtidos com sulfato de alumínio.
Baixos valores de K
A
indicam uma possibilidade de
filtração direta ou flotação a ar dissolvido.
Principais parâmetros intervenientes no processo de
floculação (projetos de floculadores):
1) Gradiente de Velocidade: é o parâmetro preponderante no
dimensionamento de floculadores
O princípio básico do processo de floculação é tornar possíveis
os choques entre as partículas que constituem a água em tratamento
para a formação de flocos.
50
Sabe-se que a partir de um determinado momento, os flocos
tornam-se maiores e menos densos, o que pode provocar a ruptura
dos mesmos, prejudicando a eficiência do processo.
Por este motivo, as características físicas dos flocos são
altamente dependentes dos valores do gradiente de velocidade e
tempo teórico de detenção.
A tabela seguinte apresenta as faixas usuais de valores do
gradiente de velocidade de floculadores, recomendadas pela
literatura para diversos tipos de floculadores.
51
2) Tempo de Detenção de um Floculador.
É o tempo que as partículas de fluido permaneceriam no interior
do reator, considerando que todas as partículas possuíssem a
mesma velocidade e seguissem caminhos paralelos, da entrada
até a sua saída.
Seu valor é dado pela razão entre o volume útil do reator e a
vazão de escoamento, como mostrado na equação seguinte:
𝑇 =
𝑉
𝑄
[23]
52
3) Número de Camp (Ca).
É o produto G
F
.T dos parâmetros físicos gradiente de velocidade e
o tempo de detenção de um floculador).
Este valor deve manter-se constante ao longo da
unidade de floculação, ou seja, enquanto o gradiente de
velocidade diminui ao longo da unidade, o tempo de
detenção deve aumentar.
A ordem de grandeza desse parâmetro deve variar entre 10
4
e 10
5
.
53
Águas de pouca turbidez, com baixa dose de coagulantes,
necessitam GT mais elevado e águas de alta turbidez, ao contrário,
GT, mais baixo.
Como T é consequência da vazão que esta sendo tratada em um
volume fixo do tanque de floculação, águas de baixa turbidez
necessitam de um gradiente mais elevado do que águas de alta
turbidez.
Como a turbidez pode variar em um largo intervalo numa mesma
unidade, então se deve ter condições de variar o gradiente de
velocidade.
54
Pode-se aumentar a eficiência do processo recirculando parte
do lodo decantado ou a água de lavagem dos filtros.
Isso é feito com o objetivo de tirar vantagem do aumento da
concentração de sólidos C e de partículas de maior diâmetro,
previamente coaguladas, que ajudam a aumentar a eficiência.
Quando o tempo de floculação e a dosagem ótima do
coagulante estão fixados (em função da qualidade da água
bruta), o problema reside em fixar o valor ótimo de G
F
que
produz uma turbidez residual mínima.
55
Pode ser utilizada a equação proposta por Villegas e
Letterman (1976):
(𝐺
∗
)
2,8
. 𝐷. 𝑇 = 4,4 × 120
6
[24]
em que G* é o gradiente de velocidade ótimo (s
-1
); D é a dosagem
de coagulante (mg/L) e T é o tempo de floculação (min).
Aplicando esta equação para um tempo de floculação de 20
minutos e para D igual a 10 e 50 mg/L, doses típicas usualmente
aplicadas a águas de pouca e de muita turbidez, resulta G* igual a
40 e 20 s
-1
, respectivamente.
56
Em águas naturais, os coeficientes podem ser diferentes,
porém, em forma geral a equação [24] pode ser escrita.
(𝐺
∗
)
𝑛
. 𝐷. 𝑇 = 𝐾 [25]
variando n e K em função das características da água bruta.
Esses valores podem ser determinados experimentalmente com
ensaios de coagulação realizados com rotação (G) constante e
tempo de floculação variável.
Outro fator que aparece associado ao dimensionamento das
unidades e floculação é o número de Reynolds (R
e
):
57
O seu significado físico é um quociente entre forças de inércia
(u.ρ) e de viscosidade (μ/d).
Geralmente é expresso na forma da equação 26:
𝑅
𝑒
=
𝜌. 𝑢. 𝑑
𝜇
[26]
em que u é a velocidade média do fluído; d é o diâmetro do
reator; μ é a viscosidade dinâmica do fluído; ρ é massa específica
do fluído.
58
FLOCULADORES
São unidades utilizadas para promover a agregação
de partículas formadas na mistura rápida (NBR 12216).
Disposições da NRB 12216:
a) A agitação da água pode ser promovida por meios mecânicos
ou hidráulicos.
59
b) O período de detenção no tanque de floculação e os gradientes
de velocidade a serem aplicados devem ser determinados por
meio de ensaios realizados com a água a ser tratada.
c) Dependendo do porte da estação e a critério do órgão
contratante, não sendo possível proceder aos ensaios destinados
a determinar o período de detenção adequado, podem ser
adotados valores entre 20 min e 30 min, para floculadores
hidráulicos, e entre 30 min e 40 min, para os mecanizados.
60
d) Não sendo realizados ensaios, deve ser previsto gradiente de
velocidade máximo, no primeiro compartimento, de 70 s
-1
e
mínimo, no último, de 10 s
-1
.
e) Deve ser previsto dispositivo que possa alterar o gradiente de
velocidade aplicado, ajustando-o às características da água e
permitindo variação de pelo menos 20% a mais e a menos do
fixado para o compartimento.
f) Os tanques de floculação devem ser providos de descarga
com diâmetro mínimo de 150 mm e fundo com declividade
mínima de 1%, na direção desta.
61
g) Os tanques de floculação devem apresentar a maior parte da
superfície livre exposta, de modo a facilitar o exame de processo.
Considerações sobre a geometria dos floculadores:
Para as unidades com tempo de detenção mais curto é de
se esperar que as câmaras de base quadrada apresentem
desempenho inferior às de base circular.
62
Para tempos de detenção mais longos, a forma das
câmaras não interferirá significativamente na eficiência da
floculação e o desempenho da unidade será governado
pelo número de câmaras e pela disposição das
passagens.
Câmaras de seção circular predominam nas estações
pré-fabricadas, sendo as vazões para estas unidades de menor
magnitude.
63
Empregando agitadores tipo hélice e turbina, e reatores
cilíndricos e de base quadrada, verifica-se que os agitadores
tipo turbina apresentam resultados superiores quando
instalados nos reatores de base quadrada.
Sobre os tipos de unidades de floculação:
A distinção do tipo de floculador ocorre fundamentando-se
na forma de transferir energia à massa líquida (hidráulica ou
mecânica).
64
Quase como regra geral, especialmente nas regiões Sul e
Sudeste, os floculadores hidráulicos têm sido adotados para
estações de pequeno e médio porte, sendo raro o emprego da
floculação hidráulica em estações que potabilizem vazão
superior a 200 L/s
Floculadores hidráulicos:
Qualquer dispositivo que utilize a energia hidráulica
dissipada no fluxo da água através de um tanque, canal ou
canalização pode constituir um floculador hidráulico.
65
A água percorre um caminho cheio de mudanças de direção.
a) Floculador de chicanas:
chicanas horizontais (fluxo horizontal);
chicanas verticais (fluxo vertical)
Nos primeiros, a água circula com um movimento de vai e vem,
e, nos segundos, a corrente sobe e desce, sucessivamente,
contornando as diversas chicanas.
b) Floculadores hidráulicos de ação de jato: tipo "Cox" e
"Alabama".
66
Cita-se ainda o floculador em meio poroso, que teve suas
primeiras aplicações na Índia e no Brasil, na década de 1970.
Esse tipo de floculador foi recentemente aperfeiçoado na
França e nos Estados Unidos.
As principais deficiências dos floculadores hidráulicos
são:
Falta de flexibilidade para responder as mudanças na qualidade
da água.
A hidráulica e os parâmetros de floculação (tempo de floculação
e o gradiente de velocidade) são função da vazão e não podem ser
regulados independentemente (são de difícil ajuste).
67
A perda de carga pode ser significativa.
A limpeza é geralmente difícil.
Por esses motivos, para novos projetos os floculadores
hidráulicos caíram em desuso, tendo sido dada a preferência
para os tanques de floculação motorizados.
Entretanto, estudos tem mostrado que a eficiência de
alguns tipos de floculadores hidráulicos pode ser superior à
dos floculadores mecânicos, mesmo para tempos de
floculação curtos (10 ou 15 min).
68
Os tanques de floculação mecânica estão mais sujeitos a
curtos-circuitos e zonas mortas, que são praticamente
inexistentes nos canais de floculação hidráulica.
Os floculadores hidráulicos são menos sensíveis a
variações de vazão que o mecânico.
a) Floculadores hidráulicos de chicanas (de fluxo
horizontal ou vertical):
A escolha do tipo depende de razões de ordem prática e
econômica (que devem ser analisadas pelo projetista antes de
adotar este ou aquele tipo).
69
Uma recomendação geral indica o uso de floculadores de fluxo
horizontal para vazões superiores a 75 L/s, e para menores
capacidades, floculadores de fluxo vertical.
A limitação dos floculadores de fluxo vertical é função da
profundidade.
Com profundidades de até 4,5 m, pode-se usar floculadores de
fluxo vertical para capacidades de até 1000 L/s.
Em floculadores de chicanas de pequena capacidade (40 L/s
ou menos), de fluxo horizontal ou vertical, o principal problema
apresenta-se no pequeno espaçamento entre as chicanas.
70
Neste caso elas não devem ser fixas para facilitar a
construção e a limpeza.
Segundo a literatura, para estações de tratamento de
pequena capacidade, outras soluções como os floculadores
de fluxo helicoidal, o tipo “Alabama” e os floculadores em meio
poroso são melhores alternativas.
Deve ser previsto um gradiente de velocidade no início do
tanque de floculação igual a 70 s
-1
e um mínimo, para o último
compartimento, iguala 10 s
-1
.
71
O tempo de detenção no tanque ou canal de floculação
deverá estar entre 20 e 30 min, devendo, no projeto, ser
considerada a possibilidade da variação da vazão.
A velocidade da água ao longo das chicanas deve estar
compreendida entre 0.30 m/s, no início da floculação e 0.10
m/s no fim.
O espaçamento mínimo entre as chicanas deverá ser de
0,60 m (este espaçamento poderá ser menor desde que as
chicanas sejam dotadas de dispositivos para sua fácil
remoção).
72
O espaçamento máximo entre a extremidade da chicana e
a parede do canal não deve ser superior à extensão da própria
chicana nos floculadores de fluxo horizontal.
O critério equivalente nos floculadores de fluxo vertical é
manter uma profundidade da água não inferior a 3 vezes o
espaçamento entre as chicanas.
A passagem livre entre duas chicanas consecutivas deve
ser igual a 1,5 vezes o espaçamento entre duas chicanas (a
velocidade U
2
na passagem deve ser igual a 2/3 da velocidade
73
O dimensionamento pode ser feito pelas equações
propostas por Ritcher (1981):
Gradiente de velocidade:
𝐺 =
𝑄
𝐴
√
13 + 9𝑓
18
.
𝜌
𝜇
.
𝑚
3
𝑇
[27]
Número de chicanas entre os canais (m)
𝑚 = √
𝜇
𝜌
.
18
13 + 9𝑓
. (
𝐴
𝑄
. 𝐺)
2
. 𝑇
3
𝑜𝑢 𝑒 =
𝐿
𝑚
[28]
74
Perda de carga (∆h)
∆ℎ =
13 + 9𝑓
18. 𝑔
. (
𝑄
𝐴
)
2
. 𝑚
3
[29]
em que:
f = coeficiente da fórmula de Darcy (igual a 0,02-0,03);
Q = vazão que passa pela unidade (m
3
/s);
T = tempo de floculação no canal ou trecho considerado (s);
A = área total do canal ou trecho considerado (m
2
);
e = espaçamento entre chicanas (m);
L = comprimento do floculador (m).
75
Em floculadores de fluxo horizontal. A = H.L e, em fluxo vertical,
A = α.L, em que L é o comprimento do canal ou trecho considerado,
e H e α, a profundidade da largura do canal, em metros.
76
77
78
ETA RIBEIRÃO DA ESTIVA - FLOCULADOR DE FLUXO VERTICAL
FONTE: Prof. Dr. Roque P. Piveli e Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho
79
ETA RIBEIRÃO DA ESTIVA - FLOCULADOR DE FLUXO VERTICAL
FONTE: Prof. Dr. Roque P. Piveli e Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho
80
ETA DUARTINA (SABESP) - FLOCULADOR DE FLUXO HORIZONTAL
FONTE: Prof. Dr. Roque P. Piveli e Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho
81
ETA DUARTINA (SABESP) - FLOCULADOR DE FLUXO HORIZONTAL
FONTE: Prof. Dr. Roque P. Piveli e Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho
82
ETA SANTA ISABEL - FLOCULADOR DE FLUXO HORIZONTAL
FONTE: Prof. Dr. Roque P. Piveli e Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho
83
ETA SANTA ISABEL - FLOCULADOR DE FLUXO HORIZONTAL
FONTE: Prof. Dr. Roque P. Piveli e Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho
84
b) Floculadores hidráulicos de ação de jato:
São incluídos nesta classificação os floculadores de fluxo
helicoidal e os chamados floculadores "Cox" e"Alabama".
Nesses floculadores, as passagens entre as câmaras são
orifícios submersos.
As perdas de carga são calculadas pela fórmula geral:
∆ℎ = 𝐾
𝑈
2
2. 𝑔
[30]
85
O gradiente de velocidade pode ser calculado aplicando o valor
da perda de carga com o tempo de detenção segundo a equação:
𝐺 = √
𝑔. 𝜌
𝜇
.
∆ℎ
𝑇
31
A estabilidade dos flocos pode ser verificada pela equação de
Sinclair e Sindelar [11]:
i) Floculador tipo "Cox": Tipo de floculador muito utilizado
pela antiga Fundação SESP em estações de tratamento de
água do interior do estado de Minas Gerais.
86
Sua denominação deve-se ao professor norte-americano
Charles R. Cox, que foi consultor dessa Fundação, e que teria
projetado os primeiros modelos desse tipo de unidade.
Há cinco câmaras em série. As aberturas são colocadas
alternadamente embaixo e em cima e em cada lado das
câmaras, forçando a água a fazer um movimento em
zigue-zague.
A intensidade da agitação é controlada por comportas tipo
"stoplog" colocadas nas aberturas
87
A velocidade nas passagens entre as câmaras varia de 0,7
a 0,5 m/s na primeira câmara, e 0,20 a 0,10 m/s na última
câmara, e o tempo de floculação, entre 15 e 25 minutos.
88
89
ii) floculador tipo "Alabama": é constituído por compartimentos
interligados pela parte inferior através de curvas de 90º voltadas
para cima.
No interior das câmaras dos floculadores do tipo Alabama não há
a necessidade de se manter a velocidade média de escoamento
superior a 0,10 metros por segundo.
Isto porquê não há interesse em se arrastar os flocos para cima.
Este floculador tira proveito do fenômeno da floculação por
sedimentação diferencial, associada à floculação ortocinética.
90
É bom que eles desçam para o fundo da câmara, para que se
choquem com os flocos que estão sendo encaminhados para
cima e, além disto, sejam conduzidos para a passagem
seguinte.
Por esta razão os floculadores podem ter menos câmaras que
os floculadores de chicanas verticais.
São, por isto, mais fáceis de operar, no que diz respeito à
realização de limpezas e ajustes.
93
ETA ALDEIA DA SERRA - FLOCULADOR ALABAMA
FONTE: Prof. Dr. Roque P. Piveli e Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho
94
ETA ALDEIA DA SERRA - FLOCULADOR ALABAMA
FONTE: Prof. Dr. Roque P. Piveli e Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho
95
c) Floculadores de fluxo vertical em manto de lodos:
O lodo recém-coagulado tem a propriedade de precipitar
partículas em suspensão.
Esse é o princípio que deu origem aos floculadores em
manto de lodos, também chamados de *clarificadores de
contato, ou clarificador seguido de um nome patenteado:
Circulator; Pulsator; Permujet; Accelerator, etc.
* a mesma denominação é dada a unidade de filtração direta de fluxo
ascendente "filtros russos".
96
Essas unidades reúnem em um único tanque a floculação
e a decantação em fluxo vertical (floculadores-decantadores),
apresentando limitações de operação quanto à variação da
qualidade da água bruta.
Cada tipo de floculador apresenta vantagens e
desvantagens, que devem ser analisadas pelo projetista antes
de adotar este ou aquele tipo.
97
Testes em laboratório devem ser efetuados com a água bruta
para determinar os seus parâmetros de dimensionamento.
Sua principal forma em planta é a de uma pirâmide invertida.
Segundo a American Water Works Association (AWWA), na
coagulação com sulfato de alumínio esse tipo de floculador não é
muito eficiente.
Muitas unidades operam bem somente a cerca da metade de
sua capacidade nominal, e fracassam quando precisam operar na
sua capacidade de projeto.
98
A AWWA atribui isso a uma seleção inadequada de
parâmetros de projeto.
Entretanto, segundo Richter (2009), na América Latina
isso deve-se mais a uma operação imperfeita, por falta de
treinamento dos operadores, que necessitam ter um
conhecimento mais profundo do processo para uma
melhor operação do sistema.
99
Em sua concepção, a água bruta é descarregada próxima ao
fundo, produzindo a turbulência necessária para a floculação.
Essa turbulência é dissipada no manto de lodos, cuja tendência
é sedimentar no sentido contrário ao fluxo da água, causando
agregação dos flocos por contato entre eles.
100
Com o aporte de novas partículas trazidas pela água bruta
e de coagulante aplicado para desestabilizá-las, o manto
tende a se expandir, vertendo para o concentrador.
Do concentrador, a água é periodicamente drenada (purga)
através de uma válvula operada manualmente ou por
temporizador, com o objetivo de manter a concentração ótima
do manto de lodos e sua estabilidade.
101
O balanço entre os sólidos gerados na coagulação e o
volume que deve ser purgado é determinado pela equação:
𝑞 = 21,8 × 10
−6
.
𝐷. 𝑄
𝐶
𝑜
[32]
em que q é taxa de purga (m
3
.h
-1
);Q é a vazão de operação
(m
3
.h
-1
) e Co é a concentração no manto.
O gradiente de velocidade na floculação em manto de lodos é
dado por:
102
𝐺 = √
𝑔. 𝜌
𝜇
. √
𝐶
1 − 𝐶
.
𝜌
𝐹
− 𝜌
𝜌
. 𝑉
𝑜
[33]
em que: V
o
= Q/A é a velocidade ou taxa de escoamento
superficial (m.s
-1
);sendo Aa área horizontal do clarificador e ρ
F
a
densidade dos flocos (kg.m
-3
)
A uma dada taxa de escoamento superficial e temperatura
constante, o gradiente de velocidade é controlável apenas pela
concentração e pela densidade dos flocos.
103
A taxa de escoamento superficial varia normalmente entre 2m/h
a 4 m/h na coagulação com sulfato de alumínio.
O produto CGT para os floculadores em manto de loco
encontra-se entre 80 e 120, podendo-se considerar 100 um valor
de referência, e a concentração C do manto, entre 0,05 e 0,20.
Assim, Ca resulta entre300 e 2400, podendo-se tomar um valor
de referência igual a 1500.
104
O floculador de manto de lodos tem as seguintes vantagens:
Um desenho compacto e econômico, que exige pouco esforço
do engenheiro projetista na elaboração de um novo projeto, a não
ser pequenos aperfeiçoamentos.
Em condições operacionais adequadas pode-se obter uma boa
eficiência na clarificação com a adsorção de partículas primárias pelo
manto de lodos na floculação.
105
Em contrapartida, as principais desvantagens são:
Demora em formar um manto de lodos estável, o que pode
levar dias. Nesse período, a unidade deve ser operada com
uma taxa reduzida.
Perdem rapidamente eficiência em condições de
sobrecarga ou choque hidráulico e são sensíveis a variação
de temperatura e qualidade da água bruta, por isso
necessitam controle operacional mais rigoroso.
106
Floculadores helicoidais (também chamados de fluxo
espiral), a energia hidráulica é usada para gerar um
movimento helicoidal à água induzido por sua entrada
tangencial na câmara de floculação.
Foi idealizado pelo engenheiro argentino Mario Carcedo,
para aplicação em pequenas comunidades.
É recomendado um número mínimo de cinco câmaras em
série, entretanto, para instalações muito pequenas o projeto
pode prever apenas uma câmara de floculação.
107
Floculadores mecanizados:
Agitadores do tipo de paletas: podem ser de três tipos: paletas
de eixo vertical; paletas de eixo horizontal; paleta única, de eixo
vertical.
108
109
110
111
112
113
114
