COAGULAÇÃO/FLOCULAÇÃO

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1 COAGULAÇÃO/FLOCULAÇÃO As impurezas contidas na água podem encontrar-se em: Suspensão Dissolvidas As suspensões podem ser: Grosseiras: facilmente capazes de flutuar ou decantar, quando a água estiver em repouso (ex: folhas, sílica, restos vegetais, etc.). Finais: turbidez, bactérias, plankton, etc. Coloidais: emulsões (CO 2 ), ferro e manganês oxidado, etc. As impurezas dissolvidas são: a dureza (sais de cálcio e magnésio), ferro e manganês não oxidados. A coagulação tem por objetivo aglomerar as impurezas que se encontram em suspensões finais (ou em estado coloidal) e algumas que se encontram dissolvidas, em partículas maiores que possam ser removidas por decantação ou filtração. Este fenômeno de aglomeração ocorre devido à duas ações distintas: 1) Uma desestabilidade onde, por adição de produtos químicos se neutralizam as forcas elétricas superficiais e se anulam as forcas repulsivas (coagulação). 2) Uma aglomeração dos colóides descarregados até a formação de flocos que sedimentam a uma velocidade adequada. Esta aglomeração é facilitada pela agitação suave, porém completa para facilitar o contato dos flocos uns com os outros. Esta é chamada de floculação sem, contudo quebrá-los. O processo de coagulação/floculação/sedimentação se inicia na câmara de mistura rápida. A finalidade desta câmara é criar condições para que em poucos segundos, o coagulante seja uniformemente distribuído por toda a massa d água.

2 Nesta câmara tem-se uma agitação muito intensa, promovida por agitadores, ou devido à própria hidrodinâmica em alguma parte da ETA. No caso da ETA Castelo Branco (Curado Recife-PE) a câmara de mistura fica na entrada da ETA, logo após o venturi (onde é injetado o coagulante) a alta velocidade da água e as gincanas localizadas na câmara promovem condições ótimas para a mistura. Ao sair da câmara de mistura, a água segue para a câmara de floculação. Nesta, os flocos (sementes de flocos gerados na coagulação) irão agregado, por adsorção, as partículas dissolvidas ou em estado coloidal. Há casos em que são utilizadas duas camadas de floculação, uma com velocidade mais baixa, onde os flocos começam a crescer e entra com velocidade um pouco maior (para evitar a decantação dos flocos maiores), pois os mesmos continuam a aumentar de tamanho. Ao sair da câmara de floculação, a água segue para os decantadores, onde a velocidade é bem pequena, fazendo com que os flocos sedimentem. Durante este caminho eles vão arrastando (e ativando) ainda partículas que vão encontrando ate atingir o fundo do decantador, para constituírem assim o chamado lodo químico (formado pela adição de coagulantes, geralmente não naturais). Reagentes Utilizados Os reagentes utilizados no processo de coagulação são agrupados em três categorias: Coagulantes: compostos, geralmente de ferro ou alumínio. Capazes de produzir hidróxidos gelatinosos insolúveis e englobar as impurezas. Alcalinizantes: capazes de conferir a alcalinidade necessária à coagulação (calviva - óxido de cálcio; hidróxido de cálcio; hidróxido de sódio soda caustica; carbonato de sódio barrilha). Coadjuvantes: capazes de formar partículas mais densas e tornar os flocos mais lastrados (argila, sílica ativa, polieletrólitos, etc.)

3 Propriedades dos Coagulantes Reagem com álcalis produzindo hidróxidos gelatinosos que envolvem e adsorvem impurezas (remoção de turbidez). Produzem íons trivalentes de cargas elétricas positivas, que atraem e neutralizam as cargas elétricas dos colóides que, em geral são negativas (remoção de cor). Fatores que Influenciam a Coagulação Espécie de Coagulante o Ferro o Alumínio o Outros metais ou substâncias naturais Quantidade de Coagulante o Turbidez e cor a serem removidas o Ao teor bacteriológico Embora existam tabelas que relacionem a turbidez com a quantidade de coagulante, apenas ensaios (no tar teste é que dizem a quantidade exata) dosagens maiores de coagulantes reduzem a quantidade de reagentes para desinfecção. Teor e Tipo da Cor e Turbidez o Maior ou menor quantidade de colóides o Maior ou menor quantidade de emulsificantes o Substancias coloridas diversas, etc Outras Características Químicas da Água o Alcalinidade o Teor de ferro o Matéria orgânica, etc.

4 ph da Água o Há um ph ótimo de floculação, que é determinado experimentalmente. Tempo de Misturas Rápidas e Lenta o Rápida, fará a distribuição do coagulante de maneira uniforme o Lenta, para formação do floco (floculação). Aglomeração do material gelatinoso (coágulo) em partículas maiores que decantam mais rapidamente. Temperatura o A coagulação ocorre de forma melhor em temperaturas mais altas (temperatura mais baixa aumenta o consumo de coagulante). Agitação o Velocidade Pequena formação dos flocos diminui dificultando a decantação o Velocidade muito alta (agitação violenta) há formação dos flocos e depois a quebra dos mesmos em partículas menores retardando a decantação. Presença de Núcleos o Os coadjuvantes (aditivos de floculação) são substâncias capazes de promover núcleos mais densos para flocos mais pesados. Processo de Coagulação dispersão do coagulante e sua reação com a alcalinidade para a formação do gel e ainda a aglomeração dessa gelatina para a formação do floco (floculação). Coagulação: mistura rápida e continua ainda na lenta Floculação: mistura lenta

5 Coagulantes Utilizados Alumínio - estudos vêm demonstrando que a hidrolise dos sais de alumínio e ferro é bem mais complexo do que é apresentada nas equações citadas na literatura. Estas, porém, são de utilidade na obtenção aproximada dos produtos das reações e das relações quantitativas. Sulfato de Alumínio - é de longe o mais utilizado entre os coagulantes. É um sólido cristalino de cor branca-acinzentada, contendo aproximadamente 17% de Al 2 O 3 solúvel em água. É disponível em pedra, em pó ou em soluções concentradas. Na hidrolise do íon alumínio, em água pura com ph baixo predomina a forma Al +++ e em soluções alcalinas Al(OH) - 4 e Al(OH) Em soluções diluídas na neutralidade temos o Al(OH) 3. Na água, o Al 2 (SO 4 ) 3. 18H 2 O reage com a alcalinidade natural formando o Al(OH) 3 segundo a reação. ( SO4 ) 18H 2O + 3Ca( HCO3 ) 3CaSO4 + 2Al( OH ) CO2 Al O Al(OH) 3 irá formar os flocos e o CO 2 é o responsável pelo aumento da acidez da água. Quando a alcalinidade natural é reduzida, geralmente adiciona-se cal ((Ca(OH)) 2 ou carbonato de sódio Na 2 CO 3. Al Al 2 2 ( SO4 ) ( ) ( ) 3 18H 2O + 3Ca OH 2 3CaSO4 + 2Al OH H 2O ( SO4 ) 18H 2O + 3Na2 ( CO3 ) 3NaSO4 + 2Al( OH ) H 2O + 3CO2 3 Outros sais de Al: sulfato duplo de alumínio e amônio Al 2 (SO 4 ) 3. (NH 4 ) 2 SO 4. 24H 2 O (Alúmen de Amônio) e Na 2 Oal 2 O 3 (Alúmen de Sódio).

6 O sulfato é apresentado em 3 formas: Branco: isento de ferro. Mais onerosa e desnecessária, pois possui características dispensáveis (isenção de ferro) Amarelo: o mais comum e mais barato. Produzido da reação do ácido sulfúrico com a bauxita pulverizada Negro: mistura do branco ou amarelo com carvão ativado (2 a 5%) para remoção de gosto e cheiro. Coagulantes de Ferro Sulfato ferroso (FeSO 4.7H 2 O) é um sólido cristalino de cor branca esverdeada, que é obtido como subproduto de outros processos químicos, principalmente a decapagem do aço. Disponível na forma liquida (da decapagem), é encontrado também na forma granular. O ferro ferroso,quando adicionado à água precipita a forma oxidada de hidróxido de ferro (ferro III), assim a adição de cal ou cloro é geralmente necessária para uma coagulação efetiva. 1 Fe2SO4 7 H 2O + 2Ca ( OH ) + O 2Fe( OH ) + 2CaSO H O Reação de ph alcalino (9 a 11) / clarificação de águas turvas com abastecimento com cal Caparrosa clorada é preparada adicionando-se cloro para oxidar o sulfato ferroso. A vantagem em relação a Cal é que a coagulação pode ser obtida numa extensa faixa de ph entre 4,8 e 11,00 ( SO ) + FeCl H O 3 FeSO4 7H 2O + Cl2 Fe

7 Disponível na forma granular marrom-avermelhado, que é rapidamente solúvel em água. Fe Fe 2 2 SO SO Ca + 3Ca ( HCO3 ) 2Fe( OH ) ( OH 2 ) 2Fe( OH ) 3 + 3CaSO4 2 CaSO 4 + 6CO 2 O cloreto férrico, FeCl 3. 6H 2 O é usado, primariamente, na coagulação de esgotos sanitários e industriais, e encontra aplicações limitados no tratamento de água. Obtido clorando-se ferro. Disponível comercialmente nas formas sólida e liquida, é altamente corrosivo (armazenagem). Hidratado (FeCl 3.6H 2 O) ou anidro (FeCl 3 ) / ph de 4 a 11. Alcalinizantes Dentre os alcalinizantes, o mais utilizado pelo seu baixo custo é a Cal (cal virgem ou viva, cal hidratada ou extinta, cal dolomítica, são outras denominações do óxido de cálcio). Podem também ser utilizado o hidróxido de cálcio [CaOH) 2 ] e de misturas deste com o óxido de magnésio (MgO) e o hidróxido de magnésio [Mg(OH) 2 ]. Cal Virgem - Ca O da ordem 80% (rejeitar com menos de 70%) Cal Hidratada - Ca O da ordem 90% (rejeitar <60%) Carbonato de Sódio (barrilha) Na 2 CO 3-99,4% de Na 2 CO 3 e 58 % de Na 2 O Auxiliares de Coagulação Dificuldades com a coagulação, freqüentemente, ocorrem devido aos precipitados de baixa decantação, ou flocos frágeis que são facilmente fragmentados sob forças hidráulicas, nos decantadores e filtros de areia. Os auxiliares de coagulação beneficiam a floculação, aumentando a decantação e o enrijecimento dos flocos. Os materiais mais utilizados são os polieletrólitos, a sílica ativada, agentes adsorventes de peso e oxidantes.

8 Polímeros Sintéticos São substâncias químicas orgânicas de cadeia longa e alto peso molecular, disponíveis numa variedade de nomes comerciais. Polieletrólitos são classificados de acordo com a carga elétrica na cadeira do polímero, os carregados positivamente são chamados de catiônicos e os que não possuem carga elétrica são os não-iônicos. Os antônicos e os não-iônicos são geralmente utilizados com coagulantes metálicos para promoverem a ligação entre os colóides, a fim de desenvolver flocos maiores e mais resistentes. A dosagem requerida de um auxiliar de coagulação é da ordem de 0,1 a 1,0 mg/l. Na coagulação de algumas águas, os polímeros podem promover floculação satisfatória, com significativa redução das dosagens de sulfato de alumínio. As vantagens potenciais são a reduções da quantidade de lodo e a maior amenidade à desidratação. Polímeros Catiônicos tem sido usados com sucesso, em alguns casos, como coagulantes primários. Embora o custo unitário destes polímeros seja cerca de 15 vezes maior que o de sulfato, as dosagens requeridas são reduzidas, podendo igualar o custo final para os dois casos. Adicionalmente, ao contrario do lodo gelatinoso e volumoso oriundo do sulfato de alumínio, o lodo formado pelo uso de polímeros é relativamente mais denso e fácil de ser desidratado, facilitando o manuseio e disposição. Algumas vezes, polímeros catiônicos e não-iônicos podem ser usados conjuntamente para formar um fluxo adequado, o primeiro sendo coagulante primário e segundo auxiliar de coagulação. Apesar de diversos avanços neste campo, existem varias águas que não podem ser tratadas apenas com polieletrólitos. Testes devem ser realizados para obtenção da eficiência um polieletrólito no tratamento de uma determinada água.

9 Sílica Ativada É o silicato de sódio tratado com ácido sulfúrico, sulfato de alumínio, dióxido de carbono ou cloro. Como auxiliar de coagulação ela apresenta as seguintes vantagens: aumenta a tava de reação química, reduz a dosagem de coagulante, aumenta a faixa de ph ótimo e produz um floco com melhores propriedades de decantação e resistência. Desvantagem em relação aos polieletrólitos é a necessidade de um controle preciso de preparo e dosagem. Dosagem de 7 a 11% da dosagem do coagulante primário expresso em mg/l de SiO 2. Quando utilizada junto com o sulfato de alumínio ou sulfato ferroso, a sílica, por sua elevada carga negativa, promove a formação de flocos maiores, mais densos e resistentes, o que aumenta a eficiência de coagulação. A sílica, mesmo um pequenas quantidades causa prejuízos as caldeiras à vapor. Argilas Bentoniticas Usadas no tratamento de águas contendo alto teor de cor, baixa turbidez e baixo conteúdo mineral. Nestas condições, os flocos de Fe ou Al são demasiadamente leves para decantar rapidamente. A adição da argila resulta num aumento de peso do floco melhorando a decantabilidade. A dosagem deve ser feita na forma de testes mas as dosagens são da ordem de 10 a 15 mg/l. Carvão Ativado Aplicam na forma de pó, tem grande poder de adsorção. É bastante empregada no tratamento da água com gosto e odor provocador por material orgânico. Ácido Sulfúrico É usado como auxiliar na coagulação de águas de cor e ph bastante elevados.

10 Gradiente de Velocidade O dimensionamento das câmaras de mistura rápida e de floculação convencionais, era feito em função exclusiva da velocidade da água e do tempo de detenção. Atualmente leva-se em conta também o gradiente de velocidade. O gradiente de velocidade é a diferença dv entre as velocidades V 1 e V 2 separados de dy, de duas partículas P 1 e P 2, respectivamente. A diferença de velocidade entre duas partículas na água pode decorrer da introdução, nesta, de energia cinética, por um dispositivo mecânico. Assim, o vapor do gradiente de velocidade é dado por: P G = (1) µ Onde: P = potência introduzida no líquido por unidade de volume µ = viscosidade absoluta do líquido 2 N t P = π (2) 60V Onde: N = velocidade do rotor em RPM t = torque V = volume do reator Substituindo a eq. (2) em (1), teremos: G = 2π N t 60 V µ

11 Camada de Mistura Rápida Qualquer dispositivo capaz de provocar intensa agitação (turbulência) na água pode ser utilizado para mistura rápida, como bomba, ressaltos hidráulicos, vertedores, etc. A prática recomenda um tempo de dispersão (agitação) igual a um segundo, tolerando-se no máximo 5 seg. Para a mistura rápida recomenda-se G de 700 S -1 a 2000 S -1, geralmente utiliza-se 1500 S -1. Nas câmaras mecânicas, a água é intensamente agitada por meio de hélices, turbinas, motores ou palhetas giratórias. As câmaras são geralmente de seção horizontal quadrada. Nas câmaras não-mecanicas, a turbulência da água é obtida à custa de uma perda de carga acentuada. O que pode ser constatado pela diferença de cotas entre o nível d água de montante e de jusante. Destacam-se as câmaras de chicana com movimentos horizontal da água, as câmaras de chicana com movimento vertical da água e a câmara com ressalto hidráulico. As câmaras de chicana devem ser dimensionadas geralmente para as velocidades de 0,30 a 0,50 cm/seg. Nos ressaltos hidráulicos, a velocidade da água deve superar 2m/s. quando é adotado o vertedor parshall para media a vazão de água bruta, o ressalto hidráulico que nele se forma pode ser utilizado para promover a mistura rápida, desde que haja queda livre de 15 cm no mínimo.

12 Câmaras de Floculação As câmaras de floculação devem ser dimensionadas em função do gradiente de velocidade G e do período de detenção T, obtidos dos ensaios no jar test. T varia de 20 a 40 minutos e G de 20 a 90s. Câmaras Mecanizadas Dispositivos como hélices, rotores, pás ou palhetas, que giram com velocidades de 1 a 8 RPM. As de eixo vertical o motor fica acima do nível d água, nas de eixo horizontal, o motor fica em um poço seco na lateral. Câmaras não-mecânicas Como as de mistura rápida, existem as câmaras com movimento horizontal e com movimento vertical da água. Para fornecer a formação do floco, a velocidade varia de 0,10 a 0,40 m/seg. Câmaras mistas As mecanizadas permitem a variação da velocidade da água, uma perda de carga nula, porém há formação de espaços mortos, o que não ocorre nas com chicanas. Hoje então utiliza-se câmaras mistas com 4 ou 5 compartimentos em série. Câmaras tipo Alabama Construídas em compartimentos onde a água faz um movimento, a principio ascendente e depois descendente. Flutuação ou Flotação É o movimento usado para converter os sólidos suspensos finalmente divididos e a graxa, em matéria flutuante.

13 Tem sido observado, em muitos casos, que os sólidos finalmente divididos podem ser removidos, com auxilio de agentes de flotação em um tempo mais curto pela ascensão gravitacional do que pela decantação. Com a redução do tempo de detenção, há uma redução nos custos da construção da unidade. Quando utilizada em conjunto com a sedimentação, os sólidos em suspensão poderiam ser removidos (os quais não se depositaria normalmente, a não ser com elevados tempos que são proibitivos). A flutuação também tem sido utilizada para o espessamento da câmara ativada. Tratamento Preliminar A flutuação está sendo usada, principalmente como uma fase no tratamento do esgoto contendo grandes quantidades de resíduo industrial que adicionam uma pesada carga de sólidos finalmente divididos em suspensão e de graxa ao esgoto. A flotação tem sido utilizada (e indicada) para o tratamento de esgoto contendo material que produz escuma. Tal como o resíduo do processamento de pêssegos, devido à escuma ser removida e manuseada mais facilmente na unidade de flutuação do que em um clarificador convencional. Principio de Flotação A flutuação, conforme é aplicada ao tratamento municipal de esgoto, é restrita ao uso do ar como agente de flutuação. As bolhas de ar são introduzidas ou formadas no esgoto e tendem a aderir às partículas sólidas. Quando são obtidas as condições de repouso, os sólidos sobrem e são postos a flutuar pela ação de sustentação das bolhas de ar. A inserção do ar pode ser feito por: Aeração Ar pressurizado seguido de descompressão do liquido para a atmosfera aplicação do vácuo após a saturação com ar

14 A aeração sozinha não é particularmente efetiva na flotação de sólidos, no entanto ela ajuda na remoção subseqüente da graxa. Os dois últimos processos são os melhores métodos para a introdução do ar, por fazerem as bolhas se formarem (ou se originarem) em contato direto com as partículas, em vez de em um lugar afastado. Esta ação tem lugar, devido a nucleação ou formação da bolha tender a decorrer na descontinuidade da partícula sólida. As bolhas assim formadas aderem à partícula e a suspendem para a superfície do liquido. Flotação Tipos de Unidades Unidades do tipo aeração/flotação por ar induzido (FAI): as bolhas de ar são introduzidas no esgoto pelo bombeamento do ar com uma ventoinha ou um compressor, para o fundo do tanque de aeração, onde ele é disperso no liquido ao passar através de um mecanismo de difusão. O ar também pode ser introduzido por meios mecânicos como com a utilização de turbinas superficiais de aeração. {processamento de minérios} Flotação por Ar Dissolvido (FAD) Unidades do tipo Pressão Este processo consistem na pressurização do fluxo de esgoto com ar de uma a três atmosferas e então descomprimi-la em um depósito adequado. Quando a pressão sobre o liquido é reduzida, o gás dissolvido, além da saturação na pressão atmosférica, é descomprimido em bolhas extremamente pequenas. Estas bolhas aderem e suspendem a matéria em suspensão para a superfície. Esta remoção é superior às unidades tipo vácuo. Esta unidade pode trabalhar com ou sem recirculação. Esta unidade pode substituir o decantador primário, produzindo um efluente final de qualidade superior, porém com um custo mais elevado. A principal vantagem é que os flocos não estarão submetidos aos esforços cisalhantes das bombas ou sistemas pressurizados.

15 Solubilidade do Ar A saturação do ar na água é diretamente proporcional à pressão e inversamente proporcional à temperatura. Foi constatado que a solubilidade do oxigênio e do nitrogênio seguem a lei de Henry para uma ampla faixa de pressão. Foi demonstrado a existência de uma relação linear entre a pressão e a solubilidade para vários efluentes industriais, onde a inclinação da curva varia em função da natureza dos constituintes dos efluentes. A quantidade de ar liberada, teoricamente, da solução quando a pressão é reduzida para 1atm pode ser calculada por: S = Sa P Pa Sa Onde: S = Ar liberado para ATM por unidade de volume a 100% saturação cm³/l Sa = saturação do ar à pressão atmosférica P = Pressão absoluta (submetida) Pa = Pressão Atmosférica A quantidade de ar liberado depende também das condições de mistura turbulenta no ponto de pressão reduzida e o grau de saturação obtido pelo sistema de pressurização. A solubilidade do ar em efluentes industriais é menos que a da água, logo aplica-se um coeficiente de correção (f). Tanques de retenção alcançam geralmente uma saturação de 85 a 90% S fp = Sa 1 Pa Onde: f é a tração de saturação do tanque de retenção.

16 A performance do sistema de flotação depende, sobretudo de haver quantidade suficiente de bolhas de ar para promover uma flotação substancial de todos os sólidos suspensos. Uma quantidade insuficiente de ar resulta na flotação apenas de uma parte dos sólidos. A performance da unidade de flotação em termos da qualidade dos efluentes e da concentração dos sólidos na flotação pode ser relacionado com a relação ar/sólidos, que é geralmente definida como a massa liberada por massa de sólidos na efluente. Onde: R = reciclo pressurizado Q = fluxo de esgoto A SaR fp = 1 S SaQ Pa As = óleo ou sólido suspenso na água As bolhas liberadas após a pressurização variam de tamanhos de 30 a 120 µm. a velocidade de ascenção aproxima-se da Lei de Stokes, cujos valores típicos são entre 2,6 e 12,6 cm/min. Na flotação por lodo ativado com 0,91 de sólidos a 2,72 atm Hurwitz e Katz observaram velocidades livre de ascenção de 9, 34 e 55 cm/min para tavas de reciclo de 100, 200 e 300 % respectivamente. As variáveis primárias para projetos de flotação são pressão, taxa de recicurlação, concentração de sólidos na alimentação e tempo de retenção. A concentração de sólidos suspensos no liquido diminui e a concentração de sólidos na escuma aumenta com o aumento do tempo de detenção. Quando a unidade de flotação é utilizada para clarificação são utilizados tempos de retenção da ordem de 20 a 30min. Os principais componentes de um sistema de flotação são a bomba de pressurização, acessórios de pressão de ar, tanque de retenção, o regulador de pressão e a unidade de flotação.

17 A bomba de pressão cria uma elevada pressão para aumentar a solubilidade do ar. O ar é usualmente injetado através de injetores na linha de sucção da bomba diretamente no tanque de retenção. O ar e o liquido são misturados no tanque de retenção em um intervalo de 1 a 3 minutos. O regulador de pressão mantém a pressão constante na bomba de pressurização. A unidade de flotação pode ser circular ou retangular com um mecanismo para remover o lado espessado e flutuado. O projeto e uso das unidades de flutuação não estão bem estabelecidos. Uma investigação cuidadosa é necessária para determinar a sua adeqüabilidade para o tratamento de qualquer esgoto em partículas em alguns casos, tem sido feitos estudos em instalação piloto e os fabricantes possuem equipamento disponível para este fim. Em geral, parecem ser indicadas as seguintes vantagens e desvantagens no uso das unidades de flutuação. Vantagens: a graxa, os sólidos leves, os detritos sólidos e sólidos pesados são todos removidos na unidade altas vazões de transbordamento e períodos curtos de retenção significam tanques de menor tamanho(menor espaço e economia na construção) redução do odor devido à curtos períodos de retencao e a pressão das unidades a escuma e a lama obtida são mais espessas. Desvantagens: o equipamento adicional resulta num custo operacional mais alto geralmente as unidades de flutuação não tratam tão bem quanto uma unidade de decantação as unidades topo pressão têm a necessidade de alta potência, o que aumentam o custo operacional a manutenção é mais rigorosa e assim mais cara

18 Decantação A separação mecânica de partículas pode ser realizada por: a) Centrifugação ou Filtração (ex: separar cristais e sal da solução-mãe) b) Classificação ou Penetração (ex: separar diferentes frações de um mineiro moído) c) Sedimentação (ex: separação de lamas do liquido) Em oposição aos métodos mecânicos tem-se os métodos de separação por vaporização ou condensação. O objetivo da decantação e a separação dos sólidos em suspensão para partículas com diâmetros menores que 5mm. Quando o interesse é obter um liquido sobrenadante purificado, dá-se o nome a essa operação de clarificação. Quando o objetivo é concentrar as partículas em suspensão, denomina-se espessamento. Segundo a concentração e a tendência das partículas interagirem, existem 4 tipos de decantação: Partícula Discreta; Partícula Floculante; Zonal e Compressão. Sedimentação Discreta Ocorre em baixa concentração de sólidos em suspensão. As partículas decantam como entidades individuais, sem a interação com partículas vizinhas. Este é o tipo que ocorre nas caixas de areia. Sedimentação Floculante Diz respeito à suspensão diluída que coalescem ou floculam durante a operação de sedimentação. Por coalescência, as partículas aumentam de massa e decantam a taxas mais elevadas. Ocorre nos decantadores primários das ETE s e na decantação de lodo químico.

19 Sedimentação Zonal Diz respeito à suspensões de concentração intermediaria 2 a 10mg/L, na qual as forças interparticulares são suficientes para retardar a sedimentação de partículas vizinhas as partículas se unem e tendem a sedimentar como um único bloco. Uma interface sólido-líquido bem nítida aparece no topo da massa decantável e começa a descer como tempo (ocorre no decantador secundário de sistemas de lodo ativado). Compressão Refere-se a decantação na qual a concentração das partículas é alta e que a sedimentação ocorre apenas por compressão da estrutura. Alguns autores associam este tipo de sedimentação à zona. Ela ocorre nas camadas mais baixas (profundas) do decantador secundário de lodo (espessamento). Sedimentação de uma Partícula Discreta Seja uma partícula esférica de massa especifica Os, imersa em um liquido de massa especifica Pl. passando algum tempo, a partícula entra em regime estacionário e a velocidade de queda fica uniforme. Isto deve-se ao equilíbrio entre as forças de arrasto, empulxo e peso. Decantador Ideal para Remoção de Partículas Discretas Hazen (1904) propôs a modelagem matemática para um decantador ideal, seguindo as seguintes hipóteses: O decantador é um TQ ideal, isto é, a sedimentação ocorre sem qualquer interferência externa. O escoamento é continuo e não turbulento. As partículas são discretas, com mesma velocidade de sedimentação A sedimentação das partículas é livre, sem interferência de uma sem a outra. Não há ressuspensão do fundo do tanque

20 Segundo Hazen o decantador pode ser dividido em 4 zonas: Zona de Entrada: Destinada a distribuir uniformemente o afluente na seção transversal do tanque Zona de Sedimentação: Onde as características hidráulicas do escoamento permitem a decantação Zona de lodo: Destinada a armazenar temporariamente as partículas removidas. Zona de Saída: destinada a coletar uniformemente a água decantada. A matéria da partícula no interior do tanque de sedimentação é dada pela resultante de duas componentes de velocidade. A velocidade horizontal, obtida a partir da vazão de alimentação do decantador, e a velocidade de decantação. Desta forma, no interior do decantador pode ocorrer 3 casos: 1 CASO: v s > vs - a partícula sedimenta antes da saída 2 CASO: vs - a partícula sedimenta mesmo à saída 3 CASO: v s < vs - a partícula não sedimenta no tanque Uma conseqüência muito importante deste resultado é que vale mais utilizar tanques de sedimentação de área grande e pouca profundidade. No dimensionamento consideram-se dois postulados. As partículas se distribuem uniformemente na entrada As partículas consideram-se separadas quando atingem o fundo

21 Como: Partículas com v 1 > v 2 sedimentam Partículas com v 1 < v 2 separam-se na proporção v 1 /v S Isto é conseqüência de v v '' S = s h H A carga hidráulica (ou fundo especifico) é dada por Q/Af (m/n). Esta corresponde à velocidade de sedimentação V 3 de uma partícula com um tempo de sedimentação igual ao tempo de detenção. H H H v s = = = = t v H Af Q Q Q A f Valores típicos desareadores Tempo: 20 segundos a 1 minuto Diâmetro: 0,1 a 1,0 mm Sedimentação Floculante Partículas de soluções relativamente diluídas não decantam discretamente, mas elas coalescem ou floculam durante a sua sedimentação. Quando isso ocorre a massa da partícula aumenta fazendo com que decantem mais rápido. A extensão deste efeito de coalescência dependem da oportunidade de contato entre as partículas, que é função da vazão, da profundidade do tanque, do gradiente de velocidade do sistema, da concentração de partículas e de sua faixa de tamanho. Os efeitos destas variáveis podem ser medidas a partir de ensaios laboratoriais. Para se determinar as características de sedimentação, deve ser utilizada uma colina de 150nm de diâmetro e 3 m de altura com tomadas para amostragem a cada 0,6m. as amostras devem ser coletadas nas portas em intervalos de tempo regulares.

22 Valores típicos para este tipo de sedimentação: 2 3,5 m de profundidade T de 0,5 a 1,5h V de 18 a 80 m/h Rendimento de separação de sólidos solúveis de 40 a 60 % 30 a 50% de redução de DBO Sedimentação Em sistemas contendo alta concentração de sólidos suspensos, a decantação retardada ou zonal e a decantação por compressão ocorrem usualmente. A sedimentação ocorre quando uma suspensão concentrada inicialmente uniforme é posta em um cilindro graduado. discreta floculenta zonal compressão Ao por a solução no cilindro começa a se formar uma zona bem nítida de separação entro o lodo e o liquido do clarificado, chamado de frente de decantação. A medida que os sólidos vão decantando, o liquido vai subindo pelos interstícios dos flocos, sofrendo assim uma filtração que deixa os líquidos sobrenadante bastante liquido.

23 Na primeira fase deste tipo de decantação tem-se a preponderância do fenômeno de sedimentabilidade. A do lodo começa a influenciar o processo e termina por governá-lo, como pode ser visto na figura abaixo. h zona de sedimentação zona mista zona de compressão t Tornando-se a tangente à curva de decantação na primeira fase, tem-se a velocidade de sedimentação dh/dt=v 5 e tomando a tangente na II fase tem-se a velocidade da taxa de compressão dh/dt=v c O decantador secundário do clarificador, combina as funções de: Espessador Clarificador Reservatório de lodo Os fatores que atendam a seu funcionamento segundo Ekama et al (1997) são: Fatores Hidráulicos e Físicos: Como a vazão de esgoto e idade do lodo Fatores internos dos decantadores: presença de zona de floculação, forma do reservatório; geometria; configuração do fluxo (longitudinal ou transversal) e turbulência, etc.

24 Condições locais: ação do vento: Variação de temperatura da água e do ar, etc. Características do lodo: concentração no tanque de arejamento; decantabilidade (floculação, decantação e compressão) e processo biológico (ex: denitrificação). A Teoria de Kynch Ela é aplicada para que se possa obter o par velocidade/concentração à partir de uma única curva de decantação H(t). Segundo Kynch, a velocidade de sedimentação das partículas de uma camada que decanta, é função unicamente da concentração daquela câmara. Para obtenção destes parâmetros, traça-se uma tangente à curva de decantação no ponto onde deseja-se calcular o par v i C i. Pela inclinação da tangente é obtida a velocidade v i e a concentração é obtida pela equação: C i = C 0 H H 0 i Onde: H i é a altura equivalente obtida pela interseção da tangente no eixo H. Modelos de Decantação Existe na literatura diversos modelos que permitem descrever a evolução da velocidade de decantação em função da concentração das partículas. Os mais conhecidos e utilizados são o da potência e o exponencial. Calculo dos Decantadores Para se projetar clarificadores que operem em sedimentação zonal, devese: Calcular a área mínima para conseguir a clarificação das lamas

25 Calcular a área mínima para conseguir o espessamento da lama até a concentração desejada Considerar a maior área O projeto inicia-se calculando-se a velocidade de sedimentação através de ensaios em provetas de 1L a várias concentrações. V s = H o /t Em geral a sedimentação é um processo contínuo, extraindo-se lamas continuamente. Q 0, X 0 Q e, X e Q µ, X µ Q 0 X 0 = Q X Q X e e + µ µ Como: Q = Q + e Qµ Logo: Q e 0 Q0 = X ( X X ) µ µ 0 X e Vamos agora calcular a área mínima para o espessamento das lamas ate a concentração desejada (x µ ). Define-se a capacidade do clarificador para arrastar os sólidos para a fonte. Inferior, como uma concentração Yi, por gravidade em funcionamento descontinuo, como: G B = X i V i

26 Onde: G B = Fluxo sólidos nas lamas Y i = Concentração de sólidos nas lamas V = Velocidade de sedimentação para concentração x i Esta equação permite calcular o fluxo de sólido em regime descontinuo em função da velocidade de sedimentação e a concentração de sólidos (métodos Yoshika). Tipos de Decantador Os decantadores estáticos, sem raspador, possuem as seguintes características: Cilindro Cônicos: adequados para pequenas instalações tem um fundo cônico com grande inclinação para evacuação lodo por gravidade. Fluxo Horizontal: requer uma elevada superfície. É pouco utilizado. Fluxo Laminal: se melhorada o rendimento com a introdução das lâminas, que favorecem a sedimentação dos sólidos e o fluxo ascencional dos líquidos, aumentando a altura eficaz sem aumentar a altura do equipamento. Tanques Circulares e quadrados com raspador podem ser de fluxo radial ou diametrial; arraste de lodos com um só lâmina ou com várias; sistema de tanques retangulares. Há unidades que juntam o processo de floculação à sedimentação, sendo assim chamado de decantador floculador. Além destas unidades existem ainda as com recirculação, temos então circulator o decantador turbicirculador, o decantador accelator ns. O circulator é um modelo mais simples, apto para instalações pequenas e médias. A mistura do lodo se faz por um sistema hidráulico. No turbocirculator, mistura de lodos se faz por uma hélice de perfil adequado para evitar a destruição dos flocos frágeis. O modelo accelator troca a distribuição das zonas de mistura e de lodos com relação ao modelo anterior.