05 - STAE - Coagulação e Floculação

(1)

Professor Engº Paulo Cezar Dias de Alencar, MSc.

594X - STAE

(2)

P rof . P a u lo Ceza r 2

Coagulação e

floculação

(3)

3 P rof . P a u lo Ceza r

(4)

4

Sumário

Coagulação

Sistemas coloidais

Química da coagulação

Mecanismos de desestabilização

Floculação

UMR

Floculadores

Exemplo de dimensionamento de UMR

Exemplo de dimensionamento de floculador mecânico

Exemplo de dimensionamento de floculador de chicanas

P rof . P a u lo Ceza r

(5)

em um sistema aquoso, preparando-as para a sua remoção nas etapas subsequentes do processo de tratamento

1 m 10-3 _m

Partículas

dissolvidas Partículas Partículas em _suspensão coloidais 0,45 m

Turbidez

Cor aparente

SST

Cor real SDT Compostos dissolvidos

(6)

• Colóides liofóbicos: São aqueles que formam um sistema heterogêneo com o solvente (Sistema Bifásico). Desta forma, distingue-se uma fase contínua (solvente) e uma fase dispersa (colóides). Uma vez que predomina um

sistema bifásico, pode-se definir uma área de interface.

• Colóides liofílicos: São aqueles que formam um sistema homogêneo com o solvente (Sistema Unifásico). Desta forma, distingue-se uma única fase

contínua tendo o solvente e o sistema coloidal como soluto.

Quando a fase contínua é a água, os sistemas coloidais são denominados hidrofóbicos e hidrofílicos.

• Sistemas coloidais hidrofóbicos: São sistemas instáveis, pois as interações com o solvente são pequenas.

• Sistemas coloidais hidrofílicos: São sistemas estáveis, as interações com o solvente são tais que previnem o sistema contra alterações em sua

(7)

Efeitos importantes

• Movimento Browniano: movimento aleatório

de

partículas num

fluido como consequência dos choques entre todas as moléculas ou

átomos presentes nele

• Efeito Tyndall: Propriedade de dispersar a luz. A quantificação

desta propriedade de um sistema coloidal é denominada nefelometria

• Comportamento Elétrico: Existência de cargas negativas e

positivas na superfície do colóide (Eletroforese)

• Forças de Van der Waals: soma de todas forças atrativas ou

repulsivas, que não sejam forças devidas a ligações covalentes entre

moléculas, ou entre partes da mesma molécula, ou forças devido à

interação eletroestática

(8)

COAGULANTE APRESENTAÇÃO PH CARACTERÍSTICAS

Sulfato de

alumínio sólido ou líquido

5,0 a 8,0

Fácil transporte e manejo; baixo custo; produção em várias regiões

Cloreto férrico líquido 5,0 a

11,0 Bons flocos em amplo intervalo de pH Sulfato férrico líquido 5,0 a

11,0 Águas com elevada cor; baixo pH Coagulantes

orgânicos catiônicos

sólido ou líquido A depender do coagulante empregado

Além de Cloreto de polialumínio, Sulfato ferroso, Aluminato de sódio e outros

Produtos auxiliares da coagulação:

• Bentonita;

• Carbonato de cálcio;

• Silicato de sódio;

• Gás carbônico; e

(9)

As argilas são constituídas, principalmente, por argilominerais, além

de outros materiais como matéria orgânica, quartzo, mica, pirita,

calcita, etc. Os primeiros, constituintes básicos das argilas, contêm

silicatos hidratados de alumínio e de ferro e alguns elementos

(10)

possui carga negativa. Porem a carga que uma dada partícula possui e

contrabalançada por íons de carga oposta próxima a superfície.

Isto resulta na formação de

uma dupla camada que

consiste de uma camada

compacta (camada fixa) de

íons carregados

positivamente e adsorvidos

na superfície do colóide e de

uma outra camada difusa

com íons positivos e

negativos.

Potencial Nernst = potencial máximo próximo a superfície da partícula (camada compacta)

Potencial Zeta = potencial de repulsão (camada difusa)

(11)

 Compressão da dupla camada

 Adsorção-neutralização

 Varredura

(12)

--

-+

+

+++ + ++

+

--

-+

+

Partícula

Cargas

N-N+

Meio Aquoso Camada difusa Camada rígida

Aumento de íons na água provoca acréscimo de íons na camada difusa, que para manter-se eletricamente

neutra tem seu volume reduzido, dessa forma, as forças de repulsão entre os colóides diminuem de tal modo que as forças atrativas de Van der Waals se tornem dominantes. Esse mecanismo quebra a

estabilidade eletrostática, com isso, menor será a esfera de influência do potencial de repulsão da partícula

(13)

(14)

(15)

Após a adição do coagulante, ocorre a hidrólise dos íons metálicos e

subsequente adsorção das espécies hidrolisadas, geralmente de carga positiva, na superfície dos coloides, levando a sua desestabilização.

Para grandes concentrações de coagulantes ocorre a reestabilização, isto é, os coloides se tornam carregados positivamente pelo excesso de coagulante.

(16)

Dependendo da quantidade de coagulante adicionada, do pH da mistura, e da concentração de alguns tipos de colóides na água, poderá ocorrer a formação de precipitados do tipo Al(OH)₃ou Fe(OH)₃(Hidróxidos Metálicos).

Mais utilizado em ETA convencionais, onde existe floculação e sedimentação, devido à maior faixa de abrangência de pH, e pela maior facilidade de operação pois os flocos com a varredura são maiores e sedimentam mais facilmente.

(17)

Refere-se a uma grande variedade de compostos orgânicos naturais e sintéticos que são caracterizados por apresentarem grandes cadeias moleculares que

possuem regiões ionizáveis capazes de agir como eficientes coagulantes. Esses compostos são chamados polieletrólitos e são classificados de acordo com o sítio de ionização como:

• Catiônicos • Aniônicos • Não iônicos

(18)

18 P rof . P a u lo Ceza r -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 L o g ( A l o u F e ) pH Fe Total Al Total

(19)

O alcalinizante mais popular utilizados nas estações de tratamento de água, empregado na ajustagem de pH e no abrandamento é a Cal Hidratada, Ca(OH)₂.

É fornecida sob a forma de pó, em sacas de 20 kg ou em containers

plásticos de 300 kg ou 1500 kg.

A dosagem da cal hidratada pode ser por via seca ou úmida. No caso de

preparo por via úmida, normalmente prepara-se o denominado “leite de cal”, que

é a suspensão do produto, em concentrações variando entre 2 % e 10 %.

Também podem ser empregados : § Carbonato de cálcio;

§ Carbonato de sódio (soda ou barrilha); § Hidróxido de sódio (soda cáustica); § Gás carbônico;

§ Ácido clorídrico; e § Ácido sulfúrico.

(20)

P rof . P a u lo Ceza r 20

Floculação

(21)

É um processo físico no qual as partículas coloidais são colocadas em contato umas com as outras, de modo a permitir o aumento do seu tamanho físico,

alterando, desta forma, a sua distribuição granulométrica.

Desestabilizadas as partículas (coagulação) pode-se reuní-las umas à outras, por meio da agitação da água, formando os denominados FLOCOS.

No início, agitação intensa deve ser reduzida com o tempo – crescimento sem quebra dos flocos

Choques entre as partículas coloidais suspensas num líquido resultam dos movimentos ortocinéticos, pericinéticos e ação da gravidade (teoria de

(22)

Mecanismos

•Floculação Pericinética (Movimento Browniano): As partículas coloidais

apresentam um movimento aleatório devido ao seu contínuo bombardeamento pelas moléculas de água. A energia propulsora da floculação pericinética é a energia térmica do fluído.

• Floculação Ortocinética (Gradientes de Velocidade): As partículas são colocadas em contato umas com as outras através do movimento do fluído (Presença de gradientes de velocidade).

• Floculação por Sedimentação Diferencial: Partículas coloidais com

velocidades distintas podem chocar-se umas com as outras em um elemento de volume.

(23)

Tipos de dispositivos

Dispositivos hidráulicos •Calhas Parshall •Vertedores retangulares •Malhas difusoras •Injetores Dispositivos mecânicos •Agitadores mecânicos •Turbinas •Hélice propulsora velocidade  1.000 s-1

• Mecanismo de coagulação por varredura - Gradiente de velocidade  300 s-1

• Tempo de Mistura (T) de 1 s (no Máximo 5 s). Floculador

• Tempo de detenção hidráulico  30 s

• G entre 70 s-1 _{(primeiro compartimento) e 10 s}-1 _{(último compartimento).}

• Floculadores Hidráulicos : Tempo de detenção total (T) entre 20 e 30 min.

(24)

(25)

(26)

Após a mistura rápida, o tempo de percurso da água

coagulada até a unidade de floculação deve ser inferior a

1 min, a menos que existam dispositivos especiais para

conferir a ela um gradiente de velocidade médio maior ou

igual ao observado na entrada da primeira câmara (ou

canal) do sistema de floculação, porém, o tempo não deve

(27)

• Vazão de água bruta;

• Qualidade da água bruta (ocorrência de variações);

• Mecanismo de coagulação química;

• Tamanho das unidades;

• Existência de pessoal qualificado para operação e

manutenção;

• Regime de funcionamento (vazão constante ou

variável, contínuo ou intermitente);

(28)

VANTAGENS E DESVANTAGENS DAS UNIDADES HIDRÁULICAS

• Os hidráulicos apresentam pouca flexibilidade em relação à

variação de vazão;

• Os hidráulicos não permitem variar o gradiente de velocidade;

• A perda de carga nos hidráulicos é maior;

• Os custos de implantação, operação e manutenção são menores

nos hidráulicos;

• Os mecanizados exigem a presença de pessoal qualificado para

operação e manutenção;

(29)

•Agitadores de fluxo

radial

•Agitadores de fluxo

axial

•Agitadores de fluxo

radial e axial

(30)

(31)

•Floculadores hidráulicos de bandejas perfuradas

•Floculadores em meio poroso

•Floculadores hidráulicos de fluxo horizontal

•Floculador Alabama

(32)

•Floculadores hidráulicos de

bandejas perfuradas

(33)

(34)

(35)

(36)

· Velocidade dentro dos canais :

mínima de 0,10 m/s (para evitar decantação dos flocos no floculador) máxima de 0,30 m/s (para evitar a quebra dos flocos formados).

· O espaçamento mínimo entre chicanas deve ser de 0,60 m, caso não seja dotado de dispositivo de fácil remoção (na prática adotam-se espaçamentos menores do que este pois os dispositivos são removíveis para limpeza e variação do gradiente hidráulico).

(37)

Perda de carga

(38)

(39)

(40)

 Gradientes de velocidade situados entre 80 s-1 e 20 s-1

 Gradientes de velocidade escalonados e decrescentes de montante para jusante 03 a 05 câmaras de floculação em série

 Tempo de detenção hidráulico situado entre 20 e 40 minutos (Tratamento convencional)

(41)

41 P rof . P a u lo Ceza r • Vazão: 1,0 m3_/s

• Verificação do gradiente de velocidade

(42)

(43)

43 P rof . P a u lo Ceza r • Equação de descarga:

• Esta trata da equação

estabelecida exclusivamente para as dimensões de cada situação, quando no fundo, seus

coeficientes variam conforme as dimensões da calha escolhida.

W

k

n

76mm ( 3" )

3,704

0,646

152mm ( 6" )

1,842

0,636

229mm ( 9" )

1,486

0,633

305mm ( 1' )

1,276

0,657

457mm (1½' )

0,966

0,650

610mm ( 2' )

0,795

0,645

915mm ( 3' )

0,608

0,639

1220mm ( 4' )

0,505

0,634

1525mm ( 5' )

0,436

0,630

1830mm ( 6' )

0,389

0,627

2440mm ( 8' )

0,324

0,623

Não confundir com a formulação de Azevedo

Netto (pág459) que

apresenta esta equação em função da vazão

(44)

44 P rof . P a u lo Ceza r • Equação de descarga: a 0,608.Q H =

• Cálculo da largura na secção de medida



D W



W

D  .  

3 2 '

• Cálculo da velocidade na secção de medida

a a

H

D

Q

A

Q

V

'.



• Cálculo da energia total disponível

N g . 2 V H E 2 a a 0 = + +

• Cálculo do ângulo fictício 

2 3 0

)

E

.

g

.

67 ,

0 .(

W

Q

.

g

)

θ

cos(

=

-0,608m

H

_a

=

(

157 ,

2

91 ,

5 )

91 ,

5 .

3

2 '

D

=

-

+

608 ,

0 .

353 ,

1

1 V

_a

=

229 ,

0

81 ,

9 .

2

22 ,

1

608 ,

0 E

2 a

=

+

2 3

)

913 ,

0 .

81 ,

9 .

67 ,

0 .(

915 ,

0

1 .

81 ,

9 )

θ

cos(

=

(45)

-45 P rof . P a u lo Ceza r

• Cálculo da velocidade da água no início do ressalto 1

3 3

• Cálculo da altura de água no início do ressalto

• Cálculo do número de Froude

1 1 1 .y g V F_r 

• Cálculo da profundidade no final do trecho divergente



1

8 .

1 

.

2

2 1 1 3





F

r



y



y

N

K



y

₂



₃





g . 2 V y E E E 2 1 1 0 1 0 = ⇒ = +

(46)

46 P rof . P a u lo Ceza r C y A ₂.

• Cálculo da perda de carga no ressalto hidráulico





₃

3

H

N

y

N

H

_a















_a





• Cálculo do tempo de residência médio no trecho divergente





2

2 1

V

G

V

G

_parshall m parshall h







• Cálculo do gradiente de velocidade

h

H

G







.





(47)

Outra forma de se obter choque intenso entre o coagulante e as

partículas é o uso de agitadores mecânicos, calculado segundo a

equação:

Onde :

P = Potência (W)

µ = Viscosidade dinâmica (10-3_N.s.m-2₎

G = Gradiente (s-1₎

C = Volume útil do compartimento (m³)

Um agitador mecânico (dispositivo de mistura rápida), instalado em

uma estação de tratamento de água que trata uma vazão de 100 l/s,

permite conter 500 litros de água e é equipado com um misturador

mecanizado que dissipa, na água contida em seu interior, a potência de

0,5 KW. Qual o valor do gradiente de velocidade (G) correspondente ?

Atende aos valores preconizados por norma ?

C

G

.

μ

(48)

• Cálculo do volume do floculador

• Cálculo da área superficial do floculador

(considerando uma profundidade útil de 4,5m²)

Dimensionar o floculador mecanizado para atender vazão de 250L/s. Admitindo-se que o tempo de detenção hidráulica é de 30minutos e que o sistema de floculação será composto por três câmaras em série com

gradientes de velocidade escalonados (70 s-1_{, 50 s}-1 _{e 20 s}-1_{) divididos em}

três linhas em paralelo, o que irá proporcionar um total de 09 câmaras de floculação. h f

Q

V



.



h

V

A

_S



f

• Cálculo da largura do floculador (admitindo 12m de comprimento) d S f

B

A

B



(49)

• Potência a ser introduzida no volume líquido (Lembrar que são três gradientes diferentes)

• Dimensionamento do sistema de agitação

P

K

.

n

3

.

D

5

T ot





Onde: G = gradiente de velocidade (s-1 ₎ = viscosidade dinâmica (10-3_N.s.m-2₎ V = volume do tanque (m³)

K_T= coeficiente de agitação (adimensional)

V

G

P

_ot



2

.



.

ρ = massa específica do fluido (kg.m-3₎ n = rotação (rps)

D = diâmetro do rotor (m) P_ot = Potência (W)

(50)

Seleção do sistema

de agitação

• Diâmetro do rotor selecionado = 1,2m

• Cálculo da velocidade periférica

n

D

V

_p





.

(51)

Câmara G (s-1) Vol (m3) Pot (W) D (m) n (rpm) Vp (m/s)

1 70 50 286 1,2 26 1,60

2 50 50 146 1,2 20 1,28

3 20 50 24 1,2 12 0,70

(52)

(tomando os mesmos dados do floculador anterior)

Dimensionar o floculador de chicanas para atender vazão de 250L/s. Admitindo-se que o tempo de detenção hidráulica é de 30minutos e que o

sistema de floculação será composto por três câmaras em série com gradientes de velocidade escalonados (70 s-1_{, 50 s}-1 _{e 20 s}-1_).

• Cálculo do volume do floculador

• Cálculo da área superficial do floculador

(considerando uma profundidade útil de 4,5m²) h f

Q

V



.



h

V

A

_S



f d S f

B

A

B



• Cálculo da largura do floculador (admitindo 12m de comprimento)

(53)

53 P rof . P a u lo Ceza r floculação

• Cálculo do espaçamento entre chicanas

• Cálculo das velocidades nos trechos retos e curvas 180º

Onde: n=número de espaçamentos

a=largura do canal do floculador (m) L=comprimento do floculador (m) G=gradiente de velocidade (s-1)

Q=vazão (m3_/s)

_h=tempo de detenção hidráulico (min) B = distância entre duas chicanas (m) V₁e V₂ = velocidade do escoamento (m/s) 3 2

.

045 ,

0

_h

Q

G

L

a

n

_















n

L

e



e B Q V . 1  ₂

.

₁

3

2 V

V



(54)

Canal

G (s-1)

n

e (m)

V

1

(m/s)

V

2

(m/s)

1

70

43 0,28

0,32

0,22

2

50

35 0,35

0,26

0,17

3

20

19 0,63

0,14

0,094

(55)

• Cálculo da extensão dos canais

• Cálculo do Raio Hidráulico

• Cálculo das perdas de carga localizadas

• Cálculo do gradiente de velocidade

h

H

G







.









g

V

n

V

n

H

_l

.

2 .

1 .

₁2





₂2





2 3 2

.















H

R

A

Q

j



L

j

H

_d



.





B

e



e

B

R

_H





.

2 .

1

.V

L

_t





_h Coeficiente de rugosidade de manning

(56)

(57)

Quadro resumo dos cálculos finais

Canal G (s-1) L (m) Rh Hd (cm) Hl (cm) HT (cm) G

1 70 192 0,127 5,17 32,8 38,0 73

2 50 156 0,156 2,04 17,1 19,1 52

(58)

58 Contatos pcda87@gmail.com P rof . P a u lo Ceza r