06 - STAE - Flotação e Decantação

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Professor Engº Paulo Cezar Dias de Alencar, MSc.

Departamento de Engenharia Civil

594X - STAE

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P rof . P a u lo Ceza r

Flotação e

Decantação

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3

Flotação e sedimentação

Sumário

Flotação

• Unidade de flotação

• Sistemas coloidais (recapitulando)

• Princípios básicos de agregação ar-sólido

• Processos de flotação

• Fatores de projeto

Sedimentação

• Sedimentação

• Decantador

• Decantador convencional

• Velocidade de sedimentação

• Dimensionamento de umdecantador

• Decantador de alta taxa

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Flotação

(5)

5

Flotação

Processo de separação de partículas via adesão de bolhas de ar a uma suspensão de partículas, propiciando a formação de espuma, denominada

“concentrado”.

A ocorrência do fenômeno se deve à tensão superficial do meio de dispersão e ao ângulo de contato formado entre as bolhas e as partículas.

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Unidade de flotação

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7 P rof . P a u lo Ceza r

Unidade de flotação

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8

Sistemas coloidais (recapitulando)

• 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

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9

Princípios básicos da agregação ar-sólido

Mecanismos

• a) Colisão da bolha com a partícula de corrente da turbulência ou da atração entre ambas e aderência.

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(ligações menos estáveis – partículas hidrofílicas)

Mecanismos

• b) Aprisionamento das bolhas nos flocos ou contato entre flocos

sedimentados e bolhas de ar em ascensão.

• c) Crescimento das bolhas de ar entre flocos

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11

Aplicação

Flotação x sedimentação:

• Lodo mais concentrado

• Remoção de sólidos de difícil sedimentação (cor verdadeira)

• Remoção de óleos e graxas

• Ocupa menores área e volume

• Menores consumo de reagentes e carreira de filtração (substâncias orgânicas particuladas e dissolvidas)

• Mais eficaz na remoção de patógenos (cianobactérias, giárdia, cryptosporidium)

• Mais eficaz na remoção de COT

• Necessita equipamentos mais complexos (custos de aquisição, operação e mantenção)

Bolhas grandes: dificulta a adesão dos sólidos Bolhas pequenas: a dispersão quebra o floco

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Aplicação

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Flotação por ar induzido (FAI)

• Ar introduzido diretamente no fundo do tanque. Baixa eficiência remoção de sólidos e óleos. Recomendado para espuma.

• Consiste de um sistema de alta velocidade de rotação, que cisalha o ar formando bolhas com diâmetro entre 400 e 2000 µm. A relação volumétrica gás/água pode ser incrementada pela injeção de um volume maior de ar.

Processos de flotação

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Flotação por ar dissolvido (FAD)

O ar é dissolvido na água sob pressão de várias atmosferas, seguido por descompressão para a pressão atmosférica e lançamento ao tanque de flotação.

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Unidade de flotação

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Métodos de flotação por ar dissolvido (FAD)

• Pressurização de todo o lodo (PTL): utilizado para pequenas vazões. O fluxo pode ser pressurizado por meio de uma bomba até a pressão de 275 a 350 kPa, com ar comprimido sendo adicionado na seção de bombeamento. Todo o fluxo é mantido em um tanque de retenção sob pressão (2 a 4 atm) para permitir que o ar se dissolva

• Pressurização de parte do lodo (PPL): utilizado para grandes vazões. Cerca de 15 a 20% é reciclado. O fluxo de reciclo é misturado com o fluxo principal não pressurizado imediatamente antes da admissão ao tanque de flotação. Preferível porque elimina a necessidade de bombas de alta pressão (menor custo de manutenção)

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Processos de flotação

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Flotação a vácuo

Após a saturação do efluente com ar tanto diretamente como em um tanque de aeração (FAI), como permitindo que ar entre na sucção da bomba de efluente (FAD). Um vácuo parcial é aplicado na unidade floculadora, que provoca a liberação do ar dissolvido como bolhas minúsculas.

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19

Fatores de projeto

Como a flotação depende do tipo de superfície da matéria particulada, testes de laboratório e em plantas piloto são usualmente realizados para verificar os

critérios de projeto. P rof . P a u lo Ceza r

Parâmetros de dimensionamento

• Relação ar/sólidos (mL/mg)

• Taxa de aplicação de sólidos (Kg/m².dia)

• Taxa de escoamento superficial (m³/m².dia)

• Dosagem de polímeros (g/Kg sólidos)

Variáveis operacionais

• pressão do ar

• tempo de retenção

• relação ar/sólidos

• carga hidráulica

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Decantação

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Sedimentação

A teoria da sedimentação baseia-se no fato de que qualquer partícula

não coloidal, suspensa em um meio líquido em repouso e de menor

massa específica, será

acelerada pela ação da gravidade

até que as

forças de resistência viscosa e de deformação do líquido sejam iguais a

resultante do peso efetivo da partícula. A partir deste momento sua

velocidade descendente será constante, a qual é denominada

velocidade

terminal de sedimentação

, ou simplesmente velocidade de

sedimentação.

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Sedimentação

Formas de sedimentação

a)Sedimentação simples

Sedimentação de partículas discretas: a partícula discreta sedimenta

individualmente, não mudando de tamanho, forma, densidade e velocidade de sedimentação em sua descida.

Sedimentação floculenta: os sólidos ao descerem no líquido se aderem entre si, aumentando o tamanho, o peso específico e a própria velocidade de sedimentação.

Sedimentação por zona: a partícula sedimenta como um lençol único de

partículas, com redução na velocidade de sedimentação. Normalmente ocorre em águas com concentração elevada de sólidos (maior que 500 mg/L), na qual a concentração de partículas é suficiente para causar efeitos inter-partículas como

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Decantador

Também chamado tanque de decantação, é uma instalação destinada à

remoção de partículas presentes na água, pela ação da gravidade. Pode ser convencional (de baixa taxa) ou de elementos tubulares (alta taxa).

A taxa de aplicação nos decantadores é determinada em função da velocidade de sedimentação das partículas. A tabela a seguir apresenta um exemplo para a água a 20ºC e 2,65 de densidade da partícula.

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Objetivos

Tipos de decantadores

a) Em função do escoamento da água

• De escoamento horizontal – comprimento é a dimensão predominante.

• De escoamento vertical – a água escoa em movimento ascendente.

b) Em função das condições de funcionamento

• Do tipo clássico ou convencional – desenvolve apenas a sedimentação com a água floculada.

• Com contato de sólidos – promovem simultaneamente a agitação, floculação e a decantação

Decantador

• Remoção de partículas sedimentáveis finas

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Decantador convencional

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Velocidade de sedimentação

B H L 1 2

V

_h

V

_s

L

H

V

_S



h

.

Q

V

=

L

H

B

H

Q

V

_S

.



L

.

B

Q

A

Q

V

s S

=

(27)

Não sendo possível a determinação em ensaios laboratoriais, as velocidades de sedimentação e as taxas de aplicação são:

Para transferir os dados do laboratório para o campo deve-se considerar um fator de

segurança, que varia de 1,25 a 1,75.

Velocidade de sedimentação

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Dimensionamento de um decantador

Dimensionar segundo as condicionantes abaixo

• Vazão = 1,0 m

3

_/s

• Velocidade de sedimentação dos flocos = 40 m/dia

• Número de unidades de sedimentação = 04

• Profundidade da lâmina líquida=4,5 m

• Comprimento 4 vezes a largura

• R_e 20.000

• Vazão da água decantada = 2,5L/(s.m)

• Comprimento máximo das calhas de coleta = 20% do comprimento do decantador

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Dimensionamento de um decantador

S S

A

Q

q

V



• Cálculo da área

• Verificação do tempo de detenção hidráulica

• Definição da geometria do decantador

(Admitindo uma relação entre L/B igual a 4)

Q

Vol

_dec h





2 2 3 3 S 540 m dia / m / m 40 dia / m ) 4 / 400 . 86 ( q Q A = = = horas 7 , 2 hora / s 600 . 3 . s / m 25 , 0 m 5 , 4 . m 540 θ ₃ 3 h = = 2 2 S

B

.

L

4 .

B

540 m

A

=

_L

₄₇

_,

₀

_m

m

0 ,

12 B

=

(30)

Dimensionamento de um decantador

• Verificação da taxa de escoamento superficial

• Cálculo da velocidade horizontal:

• Cálculo do Raio Hidráulico

• Cálculo do Número de Reynolds

dia

/

m

/

m

3 ,

38 m

564 dia

/

m

600 .

21 A

Q

q

₂ 3 2 3 S

=

s

/

cm

463 ,

0 m

0 ,

12 .

m

5 ,

4 s

/

m

25 ,

0 A

Q

V

3 h h

=

(

)

(

12 ,

0

2 .

4 ,

5 )

2 ,

57 m

0 ,

12 .

5 ,

4 h

.

2 B

h

.

B

R

_h

=

+

=

+

=

905 .

11 R

.

V

R

=

h h

=

(31)

Dimensionamento de um decantador

• Dimensionamento das calhas de coleta de água decantada

• Cálculo do comprimento total de vertedor

• Verificação do máximo comprimento das calhas

q

H

q

_l



0 ,

018 .

.

v l

L

Q

q



Q_l - vazão linear nas calhas de coleta de água decantada (L/s/m)

H - altura útil do decantador (m)

q - taxa de escoamento superficial no decantador (m3_/m2_/dia)

3 ,

38 .

5 ,

4 .

018 ,

0 q

_l

≤

m 100 m / s / l 5 , 2 s / l 250 L_v = = m 100 m / s / l 5 , 2 s / l 250 L_v = =

Admitindo que o comprimento da calha de coleta de água de lavagem

não exceda a 20% do comprimento do decantador, tem-se que:

m

4 ,

9

2 ,

0 .

m

0 ,

47 L

_calha

=

(32)

Portanto, vamos adotar um total de 06 calhas, com 9,0 metros de comprimento 32 P rof . P a u lo Ceza r

Dimensionamento de um decantador

• Cálculo do número de calhas

• Verificação da vazão coletada nas calhas

• Espaçamento entre calhas

12,0 m 47,0 m 9,0 m

3 ,

5 m

4 ,

9 .

2 m

100 L

.

2 L

N

calha v calhas

=

v l

L

Q

q



m / s / l 31 , 2 m 108 s / l 250 L Q q v l = = = m 0 , 2 calhas 06 m 0 , 12 Esp = =

(33)

(34)

Decantador de alta taxa

• Taxa de escoamento pode atingir 200m³/(m².dia)

• Inclinação ideal = 2º54’ • Inclinação prática = 60º



h

e

R

V

R



.

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Parâmetros de projeto

► Velocidade de sedimentação: 20 m3_/m2_{/dia a 60 m}3_/m2_/dia;

(Função das características do floco, definidas pelas etapas de coagulação e floculação);

► Ângulo das placas com a horizontal: 60o _;

► Comprimento da placa: 0,6 metros a 1,2 metros;

► Velocidade de escoamento entre as placas: 15 cm/min a 20 cm/min;

► Espessura entre as placas: 4 cm a 8 cm;

► Altura do decantador: 4,0 metros a 6,0 metros.

► Relação Comprimento/Largura  2

► Taxa de escoamento linear (vertedor)  1,8 l/m/s

Decantador de alta taxa

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36 Contatos P rof . P a u lo Ceza r