Prof. Victor V Silvestre Engenheiro Sanitarista e Ambiental Mestre em Engenharia Ambiental
AULA 02: AERAÇÃO, MISTURA E FLOCULAÇÃO
1 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 2. 2.1 2.2
Aeração e arejamento Objetivos Aplicabilidade Princípios teóricos Principais tipos Unidades de Mistura Rápida Conceitos Principais coagulantes utilizados
2.3 processo 2.4 2.5 3. 3.1 3.2 3.3
Fatores que influenciam no Mistura rápida hidráulica Mistura rápida mecânica Floculadores Fundamentos teóricos Floculadores mecânicos Floculadores hidráulicos
1. AERAÇÃO E AREJAMENTO As águas naturais normalmente apresentam gases dissolvidos (nitrogênio, oxigênio e gás carbônico). Água sem oxigênio, não satisfaz ao nosso paladar. Na ausência de oxigênio dissolvido, podem ocorrer impurezas dissolvidas de ferro e manganês. Também podem ocorrer proliferação de bactérias.
Teores elevados de gás carbônico podem ser corrosivos e as águas que contêm gás sulfídrico, ainda que em pequenas quantidades, são consideradas prejudiciais.
1. AERAÇÃO E AREJAMENTO NO QUE CONSISTE ESTA ETAPA? A aeração ou arejamento consiste no seguinte processo: Uma fase gasosa (normalmente o ar) e a água são colocadas em contato estreito com a finalidade de transferir substâncias voláteis da água para o ar e substâncias solúveis do ar para a água, de forma a obter-se o equilíbrio satisfatório entre os teores das mesmas.
1.1 OBJETIVOS Remoção de gases dissolvidos em excesso nas águas e também de substâncias voláteis: a) Gás carbônico em teores elevados, que toma a água agressiva; b) Ácido sulfídrico, que prejudica esteticamente a água; c) Substâncias aromáticas voláteis, cloro e metano causadoras de odor e sabor;
1.1 OBJETIVOS Introdução de gases nas águas: a) Oxigênio para oxidação de compostos ferrosos ou manganosos; e b) Aumento dos teores de oxigênio e nitrogênio dissolvidos na água.
1.2 APLICABILIDADE Geralmente este processo se aplica à águas que não estão em contato com o Ar atmosférico, como por exemplo: Águas subterrâneas (de poços);
Águas captadas em galerias de infiltração: e Águas provenientes de partes profundas de grandes represas.
Durante muitos anos a aeração foi um processo tão valorizado pelos projetistas, que os aeradores eram quase sempre parte integrante das estações de tratamento, qualquer que fosse a origem das águas, houvesse ou não necessidade de aeração.
1.2.1
FERRO E MANGANÊS
Gosto e odor estranhos à água, bem como coloração; o gosto é geralmente adstringente, amargo e metálico; Causam manchas de difícil remoção em louças, vidros, instalações sanitárias e roupas; O café e ou chá, preparados com tais águas, têm aparência lodosa e mau gosto; Causam manchas no gelo, durante sua fabricação;
Comprometem a qualidade na fabricação de alimentos e bebidas; Prejudicam a qualidade na fabricação de papel, manchando-o.
Manganês acumulado no fígado e no sistema nervoso central provoca sintomas do tipo “Parkinson”
1.2.1
FERRO E MANGANÊS
Desenvolvimento de algas diatomáceas e de certas bactérias (Crenotrix polysfora, Leptothrix achrácea, Spyrophylum ferrugineum, Gallionella ferruginea) e outras, conhecidas como bactérias do ferro. Estes microrganismos podem causar problemas nos filtros de areia e entupimentos nas tubulações da rede distribuidora, hidrômetros, conexões, telas dos poços profundos e equipamentos. Tais bactérias podem ainda, imprimir à água, cor avermelhada ou negra características, conforme a proporção de ferro ou manganês, bem como lhe afetam as qualidades organolépticas.
1.2.1
FERRO E MANGANÊS
Objetiva converter o bicarbonato ferroso (Fe(HCO3)2) ou o bicarbonato manganoso (Mn(HCO3)2) que são solúveis em água em hidróxido férrico (Fe(OH)3) e hidróxido de manganês III (4Mn(OH)3). O hidróxido de manganês III (4Mn(OH)3) e hidróxido férrico (Fe(OH)3) são insolúveis em água e precipitam. Após a aeração deve ser realizado outro processo para retirada deste material da água como: decantação, filtração, coagulação etc).
1.3 PRINCÍPIOS TEÓRICOS A Transferência de uma determinada substância volátil da água para o ar ou do ar para água, depende de uma serie de fatores como: Características do material volátil,
Temperatura, Pressão parcial do gás na atmosfera do aerador, Turbulência presente em cada uma das fases,
Tempo de exposição e a relação área/volume (área de transferência e volume do líquido).
1.3 PRINCÍPIOS TEÓRICOS A temperatura da agua e a pressão parcial do gás na atmosfera do aerador determinam a concentração de equilíbrio do gás ou o valor de saturação. Quanto maior a pressão parcial do gás maior será a concentração de saturação do mesmo para uma dada temperatura. A pressão parcial é diretamente proporcional à quantidade de matéria, mostrando que quanto mais partículas de gases houver, maior será a pressão parcial.
1.3 PRINCÍPIOS TEÓRICOS Quanto maior a temperatura, para uma determinada pressão, menor será a solubilidade do gás.
Quanto maior a diferença entre a concentração de saturação de um gás na água e sua concentração real, maior será a velocidade de transferência. A concentração de saturação do O2 na agua doce é entre 14,6 (p/ 0°C) e 6,4(p/ 40°C)
1.4 PRINCIPAIS TIPOS DE AERADORES 1.4.1 AERADORES DE CASCATA
Compreendem 3 ou 4 plataformas superpostas e com dimensões crescentes de cima para baixo separadas de 0,25 m à 0,50 m e queda total de 0,75 à 3,00 m. Remoção de gás carbônico e substancias voláteis; Instalações de baixa vazão; Vazão recomendada: 33 m³ à 41 m³, por hora por m² de superfície Redução de CO2: 20% à 45%
1.4 PRINCIPAIS TIPOS DE AERADORES 1.4.2 AERADORES DE TABULEIRO Compreendem 3 à 9 tabuleiros iguais superpostos distanciados de 0,3 m à 0,75 m, através dos quais a agua percola. O primeiro tabuleiro (mais alto) é para distribuir uniformemente a água e é formado por orifícios. Os demais são formados por treliças, sobre o qual é disposta uma camada de pedras (material granular de ½ à 6”).
Indicados para oxidação de compostos ferrosos Vazão recomendada: 23 m³ a 68 m³ por hora por m² de superfície
1.4 PRINCIPAIS TIPOS DE AERADORES 1.4.3 AERADORES DE REPUXO Eficientes para o intercâmbio de gases e substâncias voláteis, podendo ser aplicados em instalações grandes. Exigem pressão de água de 2 até 7 m, (função da H e t) São compostos por tubulações, dotadas de uma série de bocais de aspersão, instalados sobre um tanque de coleta de água. A água é distribuída uniformemente A transferência de gases é dada pelo tempo de exposição da água na atmosfera. Vazão recomendada: 11 m³ a 34 m³ por hora por m².
1.4 PRINCIPAIS TIPOS DE AERADORES 1.4.4 AERADORES POR BORBULHAMENTO Consistem em tanques onde são instalados tubos perfurados ou difusores, por onde é bombeado ar comprimido. As bolhas flutuam e realizam troca gasosa até que atinjam a superfície
Deve possuir uma relação entre largura e profundidade igual a 2 Profundidade recomendada entre 2,75 m e 4,5 m.
Vazão de ar recomendada: 75 à 1.125 litros de ar por m³ de água.
2
UNIDADES DE MISTURA RÁPIDA
O agente físico para a realização tanto da coagulação como da floculação é a agitação mais, ou menos intensa da água. A dispersão do agente coagulante deve ocorrer de forma imediata e homogênea, constituindo-se em um dos mais sérios problemas no tratamento de água, tendo em vista as pequenas dosagens de coagulantes.
A eficiência da coagulação e, portanto, das fases subsequentes do tratamento, está relacionada com a formação dos primeiros complexos de cátions metálicos hidrolisados, cuja composição depende das condições da água no momento e no ponto em que entram em contato.
2.1 CONCEITOS Coagulação: Processo através do qual os coagulantes são adicionados à agua, reduzindo as forças que tendem a manter separadas as partículas e suspenção Floculação: Aglomeração das partículas por efeito de transporte de fluido, de modo a formar partículas de maior tamanho que possam sedimentar por gravidade.
A mistura rápida tem, portanto a finalidade de, na coagulação, promover a dispersão do coagulante na água, da forma mais homogênea e rápida possível.
2.2 PRINCIPAIS COAGULANTES UTILIZADOS Sulfato de alumínio (sólido ou líquido): fácil de transportar e de manejar. Seu custo é baixo e é produzido em várias regiões brasileiras. Cloreto férrico (líquido): produz bons flocos em amplo intervalo de pH. Sulfato férrico (líquido): conveniente para o tratamento de águas altamente coloridas ou ácidas. Sulfato ferroso: muito útil para tratar águas que apresentem pH elevado.
2.3 FATORES QUE INFLUENCIAM NO PROCESSO A mistura rápida dos coagulantes é um dos processos mais importantes de um sistema de tratamento que demande esta unidade, e os principais fatores de influencia são: Tempo de mistura
Grau de agitação (gradiente de velocidade). Volume e concentração do coagulante
2.3 FATORES QUE INFLUENCIAM NO PROCESSO Segundo Richter (1991) a maioria dos projetos no Brasil, tem utilizado um tempo de mistura inferior a 1,0 segundo e doses de 25 à 35 mg/l com gradientes de velocidade na ordem de 1000 s-1. O gradiente de velocidade é a variação da velocidade com respeito à variação da distância do centro do turbilhonamento e os limites do fluido (m.s-1/m).
2.4 MISTURA RÁPIDA HIDRÁULICA Os primeiros dispositivos de mistura foram hidráulicos, isto é, utilizavam a energia hidráulica para a dispersão através do ressalto hidráulico O ressalto hidráulico é o fenômeno que ocorre quando a corrente líquida passa do regime rápido de escoamento para o regime lento acompanhado de agitação e de grande perda de energia. Canais retangulares (mudança de decliv.); Calhas Parshall;
Vertedores (provocados pela queda livre). Malhas Difusoras
2.4.1
CANAIS RETANGULARES
A mistura rápida hidráulica historicamente mais utilizada ´são os canais retangulares, através da formação de um ressalto hidráulico.
Em hidráulica a medida padrão de determinação do porte do ressalto é nº de Froude, que varia entre 1,0 para ressaltos ondulados e acima de 9 para ressaltos fortes. Para mistura rápida a bibliografia orienta utilização de ressaltos com nº de Froude entre 4,5 e 9.
2.4.2
MEDIDOR (CALHA) PARSHALL
O medidor Parshall duas funções:
Função de medidor de vazão Misturador utilizado.
rápido,
quando
convenientemente
Para promover a mistura rápida basta aplicar o floculante na garganta do medidor. Isto porque, sendo esse local de seção mais estreita, e sendo aí a lâmina d’água bastante pequena, é possível fazer com que o floculante aplicado nesse local se disperse em praticamente todo o volume de água que o atravessa.
2.4.2
MEDIDOR (CALHA) PARSHALL
2.4.3
VERTEDOURO RETANGULAR
O vertedouro retangular assim como a calha Parshal, também é utilizado como medidor de vazão e pode ser utilizado como misturador rápido. Deve-se distribuir de modo uniforme possível, o floculante ao longo da queda d’água. O ideal é que a lâmina d’água vertente caia sobre um anteparo.
2.4.4
MALHAS DIFUSORAS
Dispositivos destinados exclusivamente à mistura rápida.
Não desempenham simultaneamente o papel de misturadores e medidores de vazão. Do ponto de vista de laboratório, as malhas difusoras talvez sejam os misturadores rápidos mais eficientes. Do ponto de vista prático ainda deixam a desejar, pois são caras e de difícil manutenção.
2.4.4
MALHAS DIFUSORAS
2.5 MISTURA RÁPIDA MECÂNICA Os tipos mais comuns de rotores são as pás, hélices e turbinas,
As turbinas são as mais adequados, quando instalados em tanques de seção quadrada. A potência aplicada à água pelas turbinas é função do: volume e forma da câmara de mistura, da velocidade de rotação, da geometria do impulsor,
3
FLOCULADORES
São unidades utilizadas para promover a agregação de partículas formadas na mistura rápida (NBR 12216/92).
Os movimentos do líquido que provocam os encontros podem ser devido ao: Movimento Browniano das partículas (floculação pericinética ou “natural”);
Deslocamento provocado pela agitação externa da água (floculação ortocinética). É na floculação ortocinética que podemos agir, criando tanques que provoquem o movimento dos líquidos.
3
FLOCULADORES
Durante a floculação, as partículas desestabilizadas na mistura rápida são aglutinadas umas com as outras e com o floculante formando os flocos. Para que isto aconteça, a água deve ser submetida a uma agitação lenta, durante um tempo que pode variar, na maioria dos casos, de vinte a quarenta minutos.
No entanto a intensidade da agitação deverá ser reduzida com o tempo, para não romper os flocos grandes. Assim os flocos continuarão crescendo ao longo do processo de agitação A taxa de aglomeração das partículas depende da probabilidade e da eficiência dos contatos.
3
FLOCULADORES
Existem, basicamente, duas formas de efetuarmos essa agitação:
Fazendo com que a água percorra um caminho cheio de mudanças de direção; Introduzindo equipamentos mecânicos, capazes de manter a água em constante agitação. 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 (NBR 12216/92).
3.1 FUNDAMENTOS TEÓRICOS As partículas coloidais, substâncias húmicas e microorganismos em geral apresentam carga superficial negativa, impedindo que se aproximem umas das outras. A coagulação e a floculação têm como principal função a alteração das características das impurezas.
Agitação da água durante certo tempo, para que as partículas desestabilizadas choquem-se entre si. Para propiciar condições favoráveis ao choque entre elas, a agitação é inicialmente maior. Os flocos se formarão em poucos minutos, se tornando menos numerosos e mais volumosos.
3.1 FUNDAMENTOS TEÓRICOS
3.2 FLOCULADORES MECÂNICOS No Brasil, dois tipos básicos de floculadores mecanizados são os mais utilizados: os que utilizam paletas, que giram em torno de um eixo e os que empregam turbinas ou hélices. Floculadores de paleta de eixo vertical;
Floculadores de paleta de eixo horizontal; Agitadores de fluxo axial
3.2.1
VERTICAL
FLOCULADOR DE PALETAS DE EIXO
A água coagulada é introduzida numa série de câmaras. Na primeira delas, o grau de agitação (e, portanto, o gradiente de velocidade) é mais intenso que na segunda.
Por sua vez, o grau de agitação na segunda câmara (e, portanto, o gradiente de velocidade) é mais intenso que na terceira. O gradiente de velocidade depende da rotação do eixo e das características da paleta: altura, espessura e espaçamento, entre outras.
3.2.2
FLOCULADOR DE PALETAS DE EIXO HORIZONTAL A água coagulada introduzida numa única câmara onde o gradiente de velocidade depende da velocidade de rotação do eixo e das características da paleta: altura, espessura e espaçamento, entre outras. O gradiente de velocidade de cada conjunto será diferente, partindo do mais alto para o mais baixo, no sentido do fluxo.
3.2.3
AGITADORES DE FLUXO AXIAL
A água coagulada em série ou em paralelo
O gradiente de velocidade depende da rotação do eixo e das características da hélice ou turbina: tipo e diâmetro. Os eixos são movimentados por conjuntos motorredutor ou; Inversores de frequência, que permitem que se varie continuamente a rotação dos eixos das hélices e turbinas.
3.3 FLOCULADORES HIDRÁULICOS No Brasil os tipos três tipos básicos de floculadores hidráulicos mais utilizados:
Floculador de chicanas Floculador tipo Alabama Floculador de meio granular
3.3.1
FLOCULADOR DE CHICANAS
Podem ser de chicanas horizontais ou verticais.
Assegurem boa homogeneidade à mistura da água em tratamento, Grande número de compartimentos. A energia para promover a floculação em canais com chicanas decorre da perda de carga nas voltas.
3.3.1
FLOCULADOR DE CHICANAS
CHICANAS VERTICAIS
A água percorre o floculador em movimentos sucessivamente ascendentes e descendentes. A agitação é assegurada pela passagem da água em tratamento por sucessivas mudanças verticais de direção.
3.3.1
FLOCULADOR DE CHICANAS
CHICANAS HORIZONTAIS
A água percorre o floculador em movimentos horizontais de “zigue-zague”. A agitação é assegurada pela passagem da água em tratamento por sucessivas mudanças horizontais de direção. Costuma-se construir floculadores de chicanas horizontais somente para o tratamento de vazões mais elevadas.
3.3.2
FLOCULADOR TIPO ALABAMA
Passagens de água de um compartimento para o outro se localizam na parte inferior. A água em tratamento ao entrar num compartimento através da passagem que o interliga com o de montante é defletida para cima. Em seguida para que ela passe ao compartimento de jusante deverá descer, pois a saída é por baixo. Os flocos trazidos pela corrente afluente, de sentido ascendente chocam-se com os levados pela corrente efluente de sentido descendente. Mais utilizado para baixas vazões. No Paraná existe uma estação operando com floculador Alabama para 15l/s.
3.3.2
FLOCULADOR TIPO ALABAMA
3.3.3
FLOCULADOR DE MEIO GRANULAR
Constituem-se de uma estrutura em forma de tronco de cone preenchida com material granular, geralmente seixo rolado. A água é introduzida na base menor da estrutura e percorre o meio granular em direção a sua base maior. Ao passar pelos interstícios do meio granular a água é agitada, resultando a floculação. Vêm sendo muito estudados nos últimos anos.
Não suportam grandes variações na qualidade da água bruta, especialmente valores altos de turbidez. Um floculador em meio granular pode ser considerado como um floculador hidráulico com um número muito grande de câmaras.
3.3.3
FLOCULADOR DE MEIO GRANULAR
Vantagens Curto tempo de floculação
Desvantagens *Dificuldades de limpeza (quando o leito é fixo) Elevada eficiência no tratamento de Aplicável em estações com baixa vazão< águas com cor relativamente alta 10 L/s. Custo do floc. granular expandido ainda Compacto-utiliza pouca área alto
EXERCÍCIO Uma estação de tratamento de água, um erro operacional ocasionou um grave dano irreversível ao medidor Parshal, que era utilizado para realização da mistura rápida. Preocupado com o ocorrido o operador chamou o Engenheiro de Plantão. Ao chegar no local o engenheiro verificou que no canal onde estava a calha não havia mais nada e ele deveria colocar uma nova calha. Sabendo que a vazão média da estação era de 9.000 litros por minuto, qual o tamanho da calha que ele deverá pedir ao fornecedor? O tamanho da calha é medido pela garganta do medidor.
0,33
SEMINÁRIO 01 NOVAS TECNOLOGIAS DE TRATAMENTO DE ÁGUA: Apresentar o processo, informando no que ele consiste, funcionamento, quais o casos recomendados, quais os objetivos do processo e exemplos (práticos ou laboratoriais). Microfiltração Ultrafiltração
Nanofiltração Osmose reversa
Processos de Oxidação Avançados Peróxido de hidrogênio com Ultravioleta