INFLUÊNCIA DA FLOCULAÇÃO SOBRE A FLOTAÇÃO POR AR DISSOLVIDO. Penalva RealiI Marco Antonio, Goularte Dombroski Solange Aparecida

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1 INFLUÊNCIA DA FLOCULAÇÃO SOBRE A FLOTAÇÃO POR AR DISSOLVIDO Penalva RealiI Marco Antonio, Goularte Dombroski Solange Aparecida Escola de Engenharia de São Carlos - Universidade de São Paulo Av. Dr. Carlos Botelho, 465, São Carlos - SP Fone: (06) Ramal: Fax: (06) RESUMO Este trabalho teve como objetivo verificar a influência do gradiente médio de velocidade e do tempo de floculação na eficiência de uma unidade de flotação por ar dissolvido em escala de laboratório aplicada para o tratamento de água de abastecimento. A água de estudo apresentou cor aparente entre 84 e 99 uc e turbidez entre 6 e 8 ut. Após otimização da dosagem de coagulante (sulfato de alumínio) e de coagulação, condições de mistura rápida (tempo e gradiente médio de velocidade) e quantidade de ar fornecida, foram pesquisados tempos de floculação (Tf) de 2, 4, 8, 2, 6, 20, 24 e 30 min para valores de gradiente médio de velocidade de floculação (Gf) de 20, 40, 60, 80 e 00 s -. Para o Tf= 2 min, além dos valores de gradientes mencionados, estudou-se valores de Gf de 20, 40 e 60 s -. Para Tf de 2, 8, 2, 6, 20, 24 e 30 min, com seus respectivos valores ótimos de Gf e velocidade de flotação (Vf) de 0,4 cm/min ( 50 m/d), obteve-se eficiência de remoção de cor aparente maior que 90%. Uma análise global dos resultados permite concluir que o Tf de 20 min com Gf de 60 s - apresentou os melhores resultados em termos de remoção de cor aparente, chegando a 9% de eficiência de remoção para Vf de 2 cm/min ( 300 m/d), tendo-se obtido bons resultados para Tf de até 8 min. Palabras clave: flotação por ar dissolvido, floculação/flotação, tratamento de água, remoção de cor. INTRODUÇÃO Atualmente a flotação por ar dissolvido (FAD) está sendo bastante difundida na área de tratamento de água de abastecimento e de águas residuárias. Trata-se de um método de separação de partículas sólidas ou líquidas de uma fase líquida através da utilização de bolhas de gás, sendo ar o gás mais comumente utilizado. No tratamento de água de abastecimento, a FAD tem sido investigada como uma alternativa à sedimentação para determinados tipos de água. BUNKER et al. (995) comentam que a FAD na Europa é uma tecnologia comprovada no tratamento de água de abastecimento e na América do Norte é uma tecnologia emergente, recebendo considerável interesse devido à sua maior eficiência de separação de partículas de baixa densidade comparada a processos de sedimentação. Diversas variáveis controlam a eficiência da clarificação por flotação, tais como, quantidade de ar fornecida, tipo de coagulante, dosagem de coagulante e de coagulação, condições de floculação, entre outros. Trabalhos tem mostrado que o pré tratamento, realizado sob condições favoráveis de, por exemplo, dosagem de coagulante, de coagulação e condições de floculação, é essencial para o bom desempenho da flotação (LONGHURST & GRAHAM, 987; EDZWALD & WINGLER, 990; REALI, 99; JANSSENS, 992, entre outros). De acordo com ZABEL (985), a dosagem de coagulante e ótimo requeridos para o tratamento por flotação podem ser determinados a partir de experimentos de jar test ou ensaios nas próprias estações de flotação. Entretanto, REALI & CAMPOS (995), estudando as condições ótimas de coagulação visando a flotação de água contendo cor elevada e baixa turbidez, observaram que para aquele tipo de água as condições ótimas de coagulação ( e dosagem de coagulante) obtidas em ensaios de sedimentação (jar test) foram diferentes das condições obtidas em testes de flotação (flotateste). Assim, estes autores concluíram que as condições ótimas de coagulação para flotação devem ser obtidas por flotateste. Alguns trabalhos, a nível teórico e experimental, sugerem que a floculação precedendo a flotação pode ser realizada em tempo relativamente baixo (da ordem de 5 minutos), podendo-se citar:

2 EDZWALD & WINGLER (990), MALLEY & EDZWALD (99), EDZWALD et al. (992), BUNKER et al. (995). Com relação a esse aspecto, EDZWALD (995) comenta que para a flotação não são necessários flocos grandes sendo que, o que é necessário é a aderência de bolhas às partículas e redução da densidade do aglomerado partícula-bolha, de maneira que fique menor que a densidade da água. Por outro lado, muitas estações de FAD tem sido construídas com tempos de floculação longos de 20 a 30 minutos (EDZWALD et al., 992) e 45 minutos (HEINÄNEN e HEINÄNEN et al. apud BUNKER et al., 995). Então é muito importante que mais pesquisas sejam realizadas sobre as condições de floculação (tempo, intensidade de mistura e número de compartimentos) que devem ser aplicadas quando a clarificação é realizada por flotação, levando em consideração as características da água a ser clarificada, velocidade de ascensão dos flocos ou taxa de aplicação superficial no tanque de flotação, quantidade de ar fornecida, entre outros. No presente estudo investigou-se a influência das condições de floculação de uma água preparada com cor moderadamente elevada (90 uc) em relação à turbidez (7 ut) com vistas à clarificação por flotação. O principal objetivo foi avaliar as condições ótimas de floculação, quais sejam, tempo e intensidade de agitação, esta referida como gradiente médio de velocidade de floculação ou Gf. MATERIAIS E MÉTODOS Foi utilizada uma unidade de flotação por ar dissolvido em escala de laboratório (Flotateste). A água de estudo foi preparada utilizando-se água proveniente do poço de campus da Escola de Engenharia de São Carlos - Universidade de São Paulo (São Carlos, São Paulo, Brasil) e adicionando-se a esta, ácido húmico (marca Aldrich, referência H,675-2) à uma concentração de 4 mg/l e suspensão de caulinita (marca Fluka, referência 60609) de maneira a produzir turbidez em torno de 7 ut. A água de estudo apresentou as seguintes características: cor aparente: 84 a 99 uc, cor verdadeira: 43 a 6 uc, turbidez: 6 a 8 ut, alcalinidade: 26 a 36 mg/l em CaCO 3, dureza: 7 a 23 mg/l em CaCO 3, condutividade: 50 a 60 µmho/cm, : 7 ± 0,5, temperatura: 25,3 ±,9 C. Utilizou-se sulfato de alumínio como coagulante. A variação do de coagulação foi produzida utilizando-se solução de ácido clorídrico e solução de carbonato de sódio (barrilha). Os ensaios foram realizados utilizando-se um equipamento de flotação em escala de laboratório (flotateste) para promover a mistura rápida, floculação e flotação. Um esquema do flotateste é mostrado na Fig.. SISTEMA DE AGITAÇÃO PARA FLOCULAÇÃO (UM PARA CADA JARRO DE FLOTAÇÃO) POLIAS MOTO- REDUTOR DESCARTE DRENO (c/ pinça) Obs.: - RA: registro de agulha - medidas em metros MANÔMETRO JARRO DE FLOTAÇÃO Tubo de acrílico DN 60 mm 0,20 0,5 0,5 0,5 0,20 0,90 RA RA RA RA TOMADAS PARA COLETA DAS AMOSTRAS (c/ pinça) COMPRESSOR DE AR VÁLVULA SOLENÓIDE Figura - Esquema geral do flotateste RA VÁLVULA DE SEGURANÇA RA CÂMARA DE SATURAÇÃO (volume útil:3l) Tubo de acrílico DN 75 mm AR COMPRIMIDO. ÁGUA FILTRADA. A execução dos ensaios teve quatro etapas. Primeira etapa: diversos ensaios foram realizados visando a otimização da dosagem de coagulante e de coagulação. Foram testadas dosagens de sulfato de alumínio (DSA) de 0, 20, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60 e 70 mg/l para de coagulação entre 5,5 e 7,5. Os demais parâmetros operacionais foram mantidos constantes sendo: gradiente médio de velocidade da mistura rápida (Gmr) = 00 s -, tempo da mistura rápida (Tmr) = 20 s, gradiente médio de velocidade de floculação (Gf) = 3 s -, tempo de floculação (Tf) = 5 min, fração de recirculação= 8% (em volume), pressão de saturação= 456 kpa e velocidade de flotação (Vf) = 3,6, 3,3, 6,7 e 2,9 cm/min (para cada ensaio foram coletas 4 amostras em diferentes tempos). Segunda etapa: a fração de recirculação foi variada de 2, 4, 6, 8, 0 e 2 % em volume, com objetivo de investigar a melhor quantidade de ar fornecida para a flotação.nessa etapa utilizou-se DSA= 40 mg/l,

3 de coagulação= 6,3 ± 0, e Vf de 3,6, 3,3, 6,7, 4,0 e 2,9 cm/min. Os demais parâmetros operacionais foram mantidos constantes e iguais aos usados na primeira etapa. Terceira etapa: teve como objetivo otimizar as condições da mistura rápida em termos do gradiente médio de velocidade e tempo. Os ensaios foram realizados para Tmr de 0, 20, 30 e 40 s e Gmr de 600, 700, 800, 900, 000 e 00 s -. As amostras foram coletadas para Vf de 2,8 e 3,3 cm/min. A fração de recirculação utilizada foi de 8%. Os outros parâmetros operacionais foram mantidos constantes e iguais aos aplicados na segunda etapa. Quarta etapa: ensaios foram efetuados com a finalidade de adequar o tempo e o gradiente médio de velocidade de floculação visando a flotação. Foram testados Tf de 2, 4, 8, 2, 6, 20, 24 e 30 min e Gf de 20, 40, 60, 80 e 00 s -. Para Tf de 2 min, além dos Gf mencionados, fez-se ensaios com Gf de 20, 40 e 60 s -. Os outros parâmetros foram mantidos constantes sendo: DAS= 40 mg/l, de coagulação= 6,37 ± 0,3, Tmr= 0 s, Gmr= 000 s -, Vf= 2 e 0,4 cm/min, fração de recirculação= 8% e pressão de saturação= 456 kpa. O monitoramento dos ensaios foi realizado através de medidas de e temperatura da água coagulada e cor aparente e turbidez das amostras coletadas. As medidas de cor foram obtidas a partir de leituras de absorbância realizadas no espectrofotômetro (marca Bausch & Lomb, modelo 60) a um comprimento de onda de 400 nm, com cubeta de 00 mm de percurso ótico. A correlação entre valores de cor e absorbância foi obtida através da construção de uma curva de calibração para o espectrofotômetro em função da concentração de ácido húmico (utilizado para preparação da água de estudo), cor em mg/l de PtCo ou uc (comparação com padrões de cor em mg/l de PtCo) e absorbância. RESULTADOS E DISCUSSÃO Dosagem de coagulante e de coagulação: A Figura 2 apresenta as curvas de eficiência de remoção de cor aparente em função do de coagulação para DSA de 0, 20, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60 e 70 mg/l e para diferentes valores de Vf. As amostras foram coletadas para quatro valores de Vf com objetivo de verificar a tendência real das curvas. As curvas para Vf= 3,6 cm/min (455 m/d) auxiliaram em uma análise global dos resultados e mesmo sendo uma velocidade relativamente alta, obteve-se eficiência de remoção de cor aparente de 72% para DSA= 60 mg/l e = 6,23. Para Vf= 3,3 cm/min ( 9 m/d) as maiores eficiências de remoção de cor aparente (9-92%) foram obtidas para DSA de 40, 50 e 60 mg/l, com respectivos valores de de 6,26, 6,22 e 6,23, sendo praticamente equivalentes. As curvas de Vf= 6,7 cm/min ( 96 m/d) mostram a maior eficiência de remoção de cor aparente (97%) para DSA= 40 mg/l e = 6,26. Em todas as DSA testadas, os resultados obtidos para Vf= 2,9 cm/min ( 42 m/d) foram bastante similar aos resultados obtidos para Vf= 6,7 cm/min, sendo que a maior eficiência de remoção obtida (97% para DSA= 40 mg/l com = 6,26 e DSA= 50 mg/l com = 6,22) foi igual a maior eficiência obtida para Vf= 6,7 cm/min. Então, analisando-se as curvas apresentadas na Figura, ou seja, considerando-se o consumo de coagulante, velocidade de flotação, sendo que esta reflete na taxa de aplicação superficial (no caso de uma unidade de FAD em escala real) e eficiência de remoção obtida, é possível escolher como dosagem e ótimos a dosagem de sulfato de alumínio de 40 mg/l para de 6,26. Fração de recirculação: Os resultados obtidos com a variação da quantidade de ar fornecida, a qual nesta pesquisa foi proporcionada pela variação da fração de recirculação, são apresentadas na Figura 3. Esta Figura mostra a eficiência de remoção de cor aparente e turbidez em função da velocidade de flotação para frações de recirculação de 2, 4, 6, 8, 0 e 2 % (em volume). As curvas apresentadas na Figura 3 mostram que as melhores eficiências de remoção ( 85% para Vf até 3,3 cm/min ou 9 m/d) foram obtidas para fração de recirculação de 8% e 0%. No entanto, 8% de recirculação apresentou maior eficiência de remoção (46% para cor aparente) para Vf= 3,6 cm/min, comparando-se esta velocidade de flotação para a fração de recirculação de 0% (3% de remoção de cor aparente). Assim, diante dos resultados apresentados na Figura 3, pode-se concluir que para as condições de ensaio, a fração de recirculação de 8% apresentou os melhores resultados em termos de remoção de cor aparente e turbidez.

4 DSA=0 mg/l DSA=20 mg/l DSA=30 mg/l DSA=35 mg/l DSA=40 mg/l 00 0 DSA= 45 mg/l DSA= 50 mg/l DSA= 55 mg/l DSA= 60 mg/l DSA= 70 mg/l 00 0 Figura 2 - Eficiência de remoção de cor aparente em função do de coagulação para velocidades de flotação de Vf = 3,6 cm/min, Vf 2 = 3,3 cm/min, Vf 3 = 6,7 cm/min, Vf 4 = 2,9 cm/min e para diferentes dosagens de sulfato de alumínio (DSA). Fração de recirculação: 8% (em volume), pressão na câmara de saturação: 456 kpa. Cor aparente inicial: 99 uc, turbidez inicial: 6,5 ut, temperatura: 25,6 ±,6 C. Vf Vf2 Vf3 Vf4 Mistura rápida: Na Figura 4 são apresentados os resultados dos ensaios nos quais variou-se o tempo e o gradiente médio de velocidade da mistura rápida. Os resultados representam a eficiência de remoção de cor aparente e turbidez para Vf de 2,8 e 3,3 cm/min ( 34 e 9 m/d, respectivamente). A velocidade de flotação de 2,8 cm/min demonstrou ser de grande importância já que os resultados de eficiência de remoção de cor aparente e turbidez obtidos para Vf= 3,3 cm/min mantiveram-se próximos uns dos outros (maioria entre 6 e 2 %), fato este, que não deixaria muito claro as implicações dos fatores estudados (Tmr e Gmr). Dentre os valores de Gmr estudados, o valor de Gmr= 000 s - apresentou as melhores faixas de eficiência de remoção tanto de cor aparente ( 84% para Vf= 2,8 cm/min) quanto para turbidez ( 79% para Vf= 2,8 cm/min) para os quatro valores de Tmr estudados. Em função disso e de acordo com a tendência das curvas de eficiência obtidas, é possível concluir que para Gmr= 000 s - com Tmr= 0 s obteve-se ótimo desempenho, chegando-se à remoção de 90% de cor aparente e 86% de turbidez para uma Vf de 2,8 cm/min.

5 ,2 R = 2% R = 4% R = 6% Fração c/ vel. menor que a estabelecida,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0,2 R = 8% R = 0% R = 2% Fração c/ vel. menor que a estabelecida,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Vel. de flotação (cm/min) Vel. de flotação (cm/min) Vel. de flotação (cm/min) Figura 3 - Eficiência de remoção de cor aparente e turbidez em função da velocidade de flotação para diferentes frações de recirculação (percentual em volume). DSA= 40 mg/l, de coagulação= 6,33 ± 0,07, pressão de saturação= 456 kpa. Cor aparente inicial: 99 uc, turbidez inicial: 6,5 ut, temperatura: 24,8 ± 0,4 C. Cor aparente Turbidez Gmr= 600 s- Gmr= 900 s- Gmr= 700 s- Gmr= 800 s- Gmr= 000 s- Gmr= 00 s- Figura 4 - Eficiência de remoção de cor aparente (C/C0) e turbidez (T/T0) em função do tempo da mistura rápida para velocidades de flotação de Vf = 2,8 cm/min e Vf 2 = 3,3 cm/min e para diferentes valores de gradiente médio de velocidade de mistura rápida. DSA= 40 mg/l, de coagulação= 6,33 ± 0,, pressão de sat.= 456 kpa, fração de recirculação= 8%. Cor aparente inicial: uc, turbidez inicial: 6,5-7,8 ut, temperatura: 25,0 ±,6 C. Vf(C/C0) Vf(T/T0) Vf2(C/C0) Vf2(T/T0) Tempo mist. ráp.(s) Tempo mist. ráp.(s) Tempo mist. ráp.(s)

6 Floculação: A Figura 5 apresenta os resultados obtidos a partir de ensaios realizados visando a adequação do tempo e do gradiente médio de velocidade de floculação. São apresentadas curvas de eficiência de remoção de cor aparente e turbidez para Vf de 2 e 0,4 cm/min ( 302 e 50 m/d, respectivamente) e Tf de 2, 4, 8, 2, 6, 20, 24 e 30 minutos. No Quadro, são mostrados os valores de gradiente médio de velocidade na floculação ótimos (G ót ) para cada um dos tempos estudados e respectivas eficiências de remoção de cor e turbidez para velocidade de flotação de 302 m/d. 00 Tf= 2 min Tf= 4 min Tf= 8 min Tf= 2 min Tf= 6 min Tf= 20 min Tf= 24 min Tf= 30 min 0 Gf (s - ) Gf (s - ) Gf (s - ) Gf (s - ) Figura 5 - Eficiência de remoção de cor aparente (C/C0) e turbidez (T/T0) em função do gradiente médio de velocidade de floculação para diferentes valores de tempo de floculação e velocidade de flotação de Vf = 2 cm/min e Vf 2 = 0,4 cm/min. DSA= 40 mg/l, de coagulação= 6,36 ±0,3, pressão de sat.= 456 kpa, fração de recirculação= 8%. Cor aparente inicial: uc, turbidez inicial: 6,06-7,87 ut, temperatura: 25,0 ±,4 C. Vf(C/C0) Vf2(C/C0) Vf(T/T0) Vf2(T/T0) Para análise comparativa do gradiente médio de velocidade ótimo (G ót ) referente a diferentes tempos de floculação é mais interessante o emprego de velocidades elevadas de flotação (Vf), pois condições extremas de velocidade permitem uma melhor visualização das condições de floculação que realmente conduzem a maiores eficiências de remoção por flotação. QUADRO - Gradiente médio de velocidade ótimo (G ót ) para cada tempo de floculação investigado e respectivos valores de eficiência de remoção de cor aparente e turbidez, para velocidade de flotação de 2 cm/min (302 m/d): Tempo de floculação (min) G ót (s - ) % Remoção de cor apar % Remoção de turbidez Assim, com base nas informações contidas no Quadro (extraídas da Figura 5), observa-se que o tempo de floculação de 20 min, com G ót de 60 s -, da mesma forma que o tempo de 24 min com G ót de 60 s -,

7 forneceram os melhores resultados de remoção de cor aparente e turbidez (na faixa de 90 a 9% de remoção de cor aparente e 9 a 92% de remoção de turbidez, para Vf de 302 m/d). Por outro lado, com base na Figura 5), observa-se que o tempo de floculação de 20 min com G ót de 60 s -, para Vf de 50 m/d forneceu resultados melhores (95% de remoção de cor aparente e 96,8% de remoção de turbidez) que aqueles referentes ao tempo de 24 min com G ót de 60 s - (94,5% de remoção de cor aparente e 94% de remoção de turbidez). Assim, o tempo de 20 min com G ót de 60 s -, apresentou os melhores resultados para a água em questão. Verifica-se ainda, que com tempo de floculação de apenas 2 min e G ót de 80 s -, obteve-se resultados muito bons de remoção de cor e turbidez (88% e 86%, respectivamente, para Vf de 302 m/d e, 93% e 94%, respectivamente, para Vf de 50 m/d). Mesmo para tempo de floculação de 8 min com G ót de 80 s -, obteve-se eficiência razoável de flotação (93% de remoção de cor e 9% de turbidez para Vf= 50 m/d). Isto demonstra que a flotação foi capaz de operar com boa eficiência para tempos de floculação bem menores que os exigidos pela sedimentação, desde que se elevasse o nível de agitação (G), ou seja, a flotação não requereu formação de flocos grandes, apresentando bom desempenho na remoção de flocos mais compactos. CONCLUSÕES i) A dosagem ótima de sulfato de alumínio encontrada foi de 40 mg/l para de coagulação de 6,26, apresentando eficiência de remoção de cor aparente igual ou superior a 9% para: velocidade de flotação até 3,3 cm/min ( 9 m/d), fração de recirculação de 8% e pressão de saturação de 456 kpa; ii) Comparando-se com as demais recirculações testadas, a fração de recirculação de 8% com pressão de saturação de 456 kpa produziu melhores resultados com relação a remoção de cor aparente e turbidez, chegando-se a 90% de eficiência de remoção para: Vf= 6,7 cm/min ( 96 m/d), DSA= 40 mg/l, e de coagulação= 6,39; iii) Para Gmr= 000 s - com Tmr= 0 s obteve-se ótimos resultados, alcançando-se eficiência de remoção de cor aparente de 90% e turbidez de 86% para: Vf= 2,8 cm/min ( 34 m/d), DSA= 40 mg/l, de coagulação= 6,36, fração de recirculação de 8% e pressão de saturação= 456 kpa; iv) Para o tipo de água estudada, o tempo de floculação de 20 min com G ót de 60 s - proporcionou a maior eficiência de remoção de cor aparente e turbidez. Por outro lado, os resultados demonstraram que a flotação operou bem com flocos menores que aqueles normalmente requeridos para a sedimentação, tendo apresentado boa eficiência de remoção de cor aparente (93%) para 2 min de floculação com G ót de 80 s - e Vf de 50 m/d. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) e à Coordenação de Apoio a Pesquisa (CAPES) pelo suporte financeiro. REFERÊNCIAS BUNKER JR., D. Q.; EDZWALD, J. K.; DAHLQUIST, J.; GILLBERG, L. (995). Pretreatment considerations for air flotation: water type, coagulants and flocculation. In: IVES, K. L.; BERNHARDT, H. J., eds. Flotation processes in water and sludge treatment. Water Science and Technology, Great Britain, v. 3, n. 3-4, p EDZWALD, J. K. (995). Principles and applications of dissolved air flotation. In: IVES, K. L.; BERNHARDT, H. J., eds. Flotation processes in water and sludge treatment. Water Science and Technology, Great Britain, v. 3, n. 3-4, p. -23.

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