DISCIPLINA: AMB30106 Sistema de Água II. Prof. Robson Alves de Oliveira

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1 DISCIPLINA: AMB30106 Sistema de Água II Prof. Robson Alves de Oliveira Ji-Paraná

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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. 3

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. 4

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. 5

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. 6

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. 7

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. 8

9 A 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. 9

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. 10

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. 11

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. 12

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. 13

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) 14

15 κ = constante de Boltzmann [=1,385 x J.K -1 ]; T = temperatura absoluta [K]; μ = coeficiente de viscosidade dinâmica [N.s.m -2 ]; Após a integração e considerando N = No para t = 0, obtém-se: N = N o 1 + ( 4.Γ.k.θ.N o ). t 3.μ [2] O tempo t1 (em segundos), para reduzir a concentração inicial 2 de partículas em suspensão (No) seja reduzida a metade (N), é dada pelas seguintes relações: 15

16 t1 = 3. μ [3] 2 4. Γ. k. θ. N o Que resulta em: N = N o 1 + ( t t 1 2 ) [4] Para uma água a 25ºC, obtém-se t1 2 = 1, N o [5] 16

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. 17

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] GF é grande de velocidade durante a floculação; N é o número de partículas; C é a concentração de partículas por unidade de volume. 18

19 Integrando essa equação entre os limites (t = 0, N = No) 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 αc.g F.T π [8] em que η representa o rendimento esperado na remoção de sólidos; C é a concentração de partículas (%); GF é o gradiente de velocidade (s -1 ) e T é o tempo (s). 19

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. 20

21 F p = μ. G F.d 3 F o 2. k. θ [9] Constata-se que: As partículas de pequena dimensão necessitam de valores de GF mais elevados. No caso de partículas maiores, uma agitação fraca é suficiente para obter uma taxa aceitável de floculação ortocinética. 21

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. 22

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] cujo expoente n depende da escala da turbulência. 23

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 GF = 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. 24

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. 25

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

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 dt = (função de agregação) + (função de quebra) [12] 27

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 ); No = concentração inicial de partículas primárias (m -3 ); 28

29 KA = coeficiente de agregação (adimensional); KB = coeficiente de quebra (s). O termo K A. N. G F indica o desaparecimento de partículas 2 primárias para dar origem aos flocos e o termo +K B. N o. G F 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. Assim, combinando as equações 12 e 13, obtêm-se: 29

30 dn dt = K A. N. G F + K B. N o. G F 2 [14] Integrando para (t = 0, N = No) e (t = T, N), fornece: N = 1 + K B. G 2 F. T N o 1 + K A. G F. T [15] Equação válida para um único tanque de floculação: Admitindo que KA e KB mantêm-se constantes em um tanque com m câmaras de floculação em série, então: 30

31 N N o = 1 + K B. G 2 F. T. [ m 1 (1 + K m A. G F. T i=0 m )i ] [16] (1 + K A. G F. T m )m 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] 31

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 GF (Libânio, Pádua, Bi Bernado). 32

33 O gráfico mostra a influência do número de câmaras (m) na performance da unidade de floculação. 33

34 Exemplo: para GF da ordem de 60 s -1, o menor valor de T para obter uma eficiência de remoção de 75% (No/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); 34

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). 35

36 A tabela abaixo apresenta valores característicos dos coeficientes de agregação KA e de quebra KB, determinados experimentalmente para diversas condições de água bruta. 36

37 Sobre KA e KB 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 apresentam valores de KA geralmente inferiores a 1,0x

38 iv) Para valores de KA 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 KA e KB, que permitem prever ou fixar uma eficiência desejada para as condições físico-químicas de uma determinada fonte de água. 38

39 Existe uma relação entre o gradiente de velocidade e o tempo de detenção para cada tempo de floculação há um único gradiente para o qual a eficiência é máxima. 39

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). 40

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 ) Diâmetro das partículas ,46 0,6 0,8 1,0 2,1 Para a floculação por sedimentação diferencial observa-se a seguinte relação: 9 N 2.C. d ( = e D D d ) N o [19] 41

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. 42

43 Otimização da floculação através da determinação experimental de ka e kb. 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 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: 43

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 (GF constante), obtêm-se os tempos ótimos. O tempo ótimo de floculação a um dado GF 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. 44

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 GF e T, conhecendo-se KA e KB, para uma dada água e coagulante utilizado. 45

46 A determinação experimental de KA e KB é e feita através das curvas de determinação do tempo ótimo de floculação a gradientes constantes. Para KA utiliza-se a seguinte equação: K A = 1 1 G F. T. ln ( N K B K A N o K B. G F 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. 46

47 A equação [21] pode ser igualada a zero, resultando na equação de Bratby (1981): K B = 1 K A G F. N o N [22] Para a determinação de KA e KB 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. 47

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 GF, calcula-se o valor de KA e em seguida KB. 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 KA elevados floculam com facilidade e, geralmente, são adequadas a decantação. Pode-se aumentar o valor de KA com a adição de polímeros ou auxiliares de coagulação ou substituindo o coagulante. 48

49 O cloreto férrico apresenta valores de KA geralmente superiores em % dos obtidos com sulfato de alumínio. Baixos valores de KA 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. 49

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. 50

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] em que V é o volume do reator e Q é a vazão do escoamento. 51

52 3) Número de Camp (Ca). É o produto GF.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 Algumas considerações sobre o Número de Camp são: 52

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. 53

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 GF que produz uma turbidez residual mínima. 54

55 Pode ser utilizada a equação proposta por Villegas e Letterman (1976): (G ) 2,8. D. T = 4, [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. 55

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 (Re): 56

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. 57

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. 58

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. 59

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. 60

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. Isso ocorre em função da maior possibilidade de zonas mortas. 61

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 préfabricadas, sendo as vazões para estas unidades de menor magnitude. 62

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). 63

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. 64

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". c) Floculadores de fluxo vertical em manto de lodos. 65

66 Cita-se ainda o floculador em meio poroso, que teve suas primeiras aplicações na Índia e no Brasil, na década de Esse tipo de floculador foi recentemente aperfeiçoado na França e nos Estados Unidos. são: As principais deficiências dos floculadores hidráulicos 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). 66

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). 67

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). 68

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. 69

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

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). 71

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 U2 na passagem deve ser igual a 2/3 da velocidade U1 no canal entre as chicanas). 72

73 O dimensionamento pode ser feito pelas equações propostas por Ritcher (1981): Gradiente de velocidade: G = Q A f 18. ρ μ. m3 T [27] Número de chicanas entre os canais (m) 3 m = μ 2 ρ f. (A Q. G). T ou e = L m [28] 73

74 Perda de carga ( h) em que: h = f 18. g. (Q A ) 2. m 3 [29] 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). 74

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. 75

76 Floculador hidráulico, de chicanas verticais 76

77 Floculador hidráulico, de chicanas horizontais 77

78 ETA RIBEIRÃO DA ESTIVA - FLOCULADOR DE FLUXO VERTICAL FONTE: Prof. Dr. Roque P. Piveli e Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho ESCOLA POLITÉCNICA DA USP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA 78

79 ETA RIBEIRÃO DA ESTIVA - FLOCULADOR DE FLUXO VERTICAL FONTE: Prof. Dr. Roque P. Piveli e Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho ESCOLA POLITÉCNICA DA USP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA 79

80 ETA DUARTINA (SABESP) - FLOCULADOR DE FLUXO HORIZONTAL FONTE: Prof. Dr. Roque P. Piveli e Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho ESCOLA POLITÉCNICA DA USP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA 80

81 ETA DUARTINA (SABESP) - FLOCULADOR DE FLUXO HORIZONTAL FONTE: Prof. Dr. Roque P. Piveli e Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho ESCOLA POLITÉCNICA DA USP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA 81

82 ETA SANTA ISABEL - FLOCULADOR DE FLUXO HORIZONTAL FONTE: Prof. Dr. Roque P. Piveli e Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho ESCOLA POLITÉCNICA DA USP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA 82

83 ETA SANTA ISABEL - FLOCULADOR DE FLUXO HORIZONTAL FONTE: Prof. Dr. Roque P. Piveli e Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho ESCOLA POLITÉCNICA DA USP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA 83

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 U2 2. g [30] em que K depende da forma e das dimensões do orifício. 84

85 O gradiente de velocidade pode ser calculado aplicando o valor da perda de carga com o tempo de detenção segundo a equação: g. ρ G = 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. 85

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 ziguezague. A intensidade da agitação é controlada por comportas tipo "stoplog" colocadas nas aberturas 86

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. 87

88 Floculador Tipo Cox, Q = 36 l/s 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. 89

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. 90

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93 ETA ALDEIA DA SERRA - FLOCULADOR ALABAMA FONTE: Prof. Dr. Roque P. Piveli e Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho ESCOLA POLITÉCNICA DA USP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA 93

94 ETA ALDEIA DA SERRA - FLOCULADOR ALABAMA FONTE: Prof. Dr. Roque P. Piveli e Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho ESCOLA POLITÉCNICA DA USP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA 94

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". 95

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. 96

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. 97

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. 98

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. Clarificador em manto de lodos de fluxo ascendente. 99

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. 100

101 O balanço entre os sólidos gerados na coagulação e o volume que deve ser purgado é determinado pela equação: q = 21, 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: 101

102 g. ρ G = μ. C 1 C. ρ F ρ ρ. V o [33] em que: Vo = Q/A é a velocidade ou taxa de escoamento superficial (m.s -1 );sendo Aa área horizontal do clarificador e ρf 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. 102

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

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. 104

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. 105

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. 106

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. Agitadores do tipo de fluxo axial: de turbinas e hélices. 107

108 Floculador mecanizado, do tipo de paletas, de eixo vertical 108

109 Floculador mecanizado, do tipo de paletas, de eixo vertical perspectiva 109

110 Floculador mecanizado, do tipo de paletas, de eixo horizontal 110

111 Floculador mecanizado, do tipo de paletas, de eixo horizontal perspectiva 111

112 Floculador mecanizado, do tipo de paleta única, de eixo horizontal 112

113 Floculador mecanizado, do tipo de turbina 113

114 OBRIGADO! 114