Saneamento Ambiental I. Aula 15 Flotação e Filtração

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1 Universidade Federal do Paraná Engenharia Ambiental Saneamento Ambiental I Aula 15 Flotação e Filtração Profª Heloise G. Knapik 1

2 Conteúdo Módulo 2 Parâmetros de qualidade de água - Potabilização Coagulação e Floculação Sedimentação e Decantação Flotação Filtração Desinfecção Reuso de água 2

3 Etapas Tratamento Convencional de Água Manancial Coagulação Agente oxidante CAP (Carvão ativado em pó) Coagulante Alcalinizante Agente oxidante Floculação Polímero Flotação Sedimentação Filtração Polímero / Agente oxidante Desinfecção Agente oxidante Fluoretação Flúor Correção de ph Alcalinizante Água final

4 Etapas do Tratamento Convencional Coagulação: Adição de coagulante para desestabilizar as partículas (mistura rápida na água bruta) 1 a 5 minutos Floculação: Formação de flocos (mistura lenta em tanques específicos) 20 a 30 minutos (hidráulico) ou 30 a 40 minutos (mecânico) Decantação: Remoção dos flocos via força da gravidade (processo lento) 2 a 4 horas (TAS de até 50 m³/m².dia) Flotação: Remoção superficial dos flocos (processo com aeração forçada) 5 a 20 minutos (TAS de 120 a 300 m³/m².dia)

5 Flotação - Definição Clarificação obtida por meio da produção de bolhas que se aderem aos flocos ou partículas em suspensão, aumentando o empuxo e provocando a ascensão dos flocos até a superfície do flotador Indicado quando as etapas de coagulação e floculação são insuficientes ou devido às características/propriedades dos flocos formados (menores densidades) 5

6 Flotação Esquema de funcionamento de um sistema de flotação a ar dissolvido Fonte: 6

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8 Flotação - Princípios Lei de Stokes separação de fases na flotação V = Kd 2 (ρ 1) V = velocidade da partícula em relação à água d= diâmetro da partícula ρ = densidade da partícula K = g/18μ Densidade dos flocos de sulfato de alumínio: 1,003 g/cm³ Com adição de ar dissolvido: 0,98 a 0,99 g/cm³ Velocidade de flotação > 10 vezes superior às velocidades de decantação dos flocos 8

9 Flotação Vantagens: Unidades mais compactas Produzem lodo com maior teor de sólidos Possibilita a redução de consumo de coagulantes Possibilita a redução do tempo de floculação Reduz o volume de água descartado junto com o lodo Promove a remoção de substâncias voláteis Promove a oxidação das águas 9

10 Flotação Desvantagens: Operação e manutenção mais complexas Exigem operadores qualificados Frequentemente precisam ser cobertas Requerem equipamentos para a geração de microbolhas Maior consumo de energia 10

11 Flotação Parâmetros de projeto: Diferença de densidade = f(quantidade de ar fornecido) Tamanho das bolhas Taxa de aplicação superficial Tamanho das partículas (flocos) em suspensão Tipo de produto químico utilizado no tratamento Variações das condições de coágulo-floculante: ph, alcalinidade, gradiente de velocidade e tempo de floculação É mais fácil gerar um floco leve para a flotação do que um floco pesado para a sedimentação 11

12 Flotação classificação das técnicas Técnica Flotação por ar disperso ou por ar induzido Flotação eletrolítica Flotação por ar dissolvido a vácuo Flotação por ar dissolvido por pressurização Modo de geração das bolhas Em geral por meio de agitação, usualmente através de rotores, ou passando o gás por placa porosa Eletrólise da água Dissolução do ar na água à pressão atmosférica e sua posterior liberação numa câmara com pressão negativa Dissolução do ar na água sob pressão e sua posterior liberação à pressão atmosférica 12

13 Flotação - Custos Custos de implantação: Para novas ETAs: 50 a 60% mais caro que um sistema convencional de decantação Para ETAs já existentes: 10 a 30% mais caro Custos de operação: Similares ao custo operacional de estações convencionais (quando adequadamente operados) 13

14 Flotação X Decantação Dimensionamento de tanques de floculação: Menores tempos de detenção quando há o processo de flotação que os necessários para a decantação Tempos de floculação: Seguido de decantação: 20 a 45 minutos de floculação Seguido de flotação: 10 a 20 minutos de floculação 14

15 Dimensionamento de tanques de FLOTAÇÃO Circulares ou retangulares Compostos por duas zonas: Zona de reação ou de mistura (local de injeção de ar e formação dos aglomerados partícula-bolhas Zona de flotação 15

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17 Dimensionamento de tanques de FLOTAÇÃO Zona de reação ou de mistura: Em geral, compartimento separado à frente do tanque de flotação Volume suficiente para 30 segundos a 1 minuto de mistura Tanque retangular: mais vantajoso para a mistura dos flocos Separação por meio de uma chincana inclinada de 60 a 75º (dirigir o fluxo e reduzir a velocidade) 17

18 Dimensionamento de tanques de FLOTAÇÃO Zona de flotação: Baseado no critério da carga superficial Taxa de aplicação superficial na ordem de 240 a 300 m³/m².dia Profundidade dos tanques entre 1,6 a 3,0 m (usual > 2 m) Tempo de detenção entre 5 e 15 minutos Área: adiciona-se a vazão de recirculação (usual de 80 m², chegando a 200 m²) A = Q + q TAS q = vazão de recirculação (vazão de água clarificada encaminhada à câmara de saturação 18

19 Dimensionamento de tanques de FLOTAÇÃO Zona de flotação: Não há relação de comprimento/largura (indicação de até 12 m de comprimento ) Saída da água clarificada pelo fundo do tanque de flotação (contrário ao tanque de decantação) 19

20 Dimensionamento de tanques de FLOTAÇÃO Mecanismos de remoção de lodo: Raspagem superficial: Operação e manutenção mais complexa Economia de água 20

21 Filtração - Definição É um processo que consiste na remoção de partículas suspensas e coloidais e de microrganismos presentes na água de abastecimento, através da passagem dessa água por um meio poroso geralmente constituído de partículas de areia com diferentes granulometrias 21

22 Filtração - Classificação Com relação à taxa de filtração: Lenta: baixa taxa de filtração Rápida: alta taxa de filtração Com relação ao meio filtrante: Simples Múltiplas camadas 22

23 Filtração - Classificação Com relação ao sentido do fluxo: Ascendente Descendente Com relação ao projeto e operação da ETA Convencional (ciclo completo) Direta 23

24 Filtração Classificação: Projeto e operação de ETA 24

25 Filtração - Classificação Item Filtros lentos Filtros rápidos Taxa de filtração 1 7,5 m³/m².dia m³/m².dia Profundidade do leito 0,3 m de pedregulho e 1,0 a 1,5 m de areia Distribuição dos grãos Não estratificado Estratificado Duração da carreira de filtração entre limpezas Penetração da matéria em suspensão Método de limpeza Quantidade de água usada para lavar o filtro dias 1 3 dias Superficial Raspagem da camada superficial e lavagem da areia removida 0,4 m de pedregulho e 0,5 a 0,7 m de areia Profunda 0,2 0,6 % 1 6 % Lavagem a contracorrente a ar e água ou somente a água a alta taxa Pré-tratamento Geralmente nenhum Coagulação+floculação + decantação ou flotação

26 Filtração - Exemplos Filtro lento 26

27 Filtração - Exemplos Filtro rápido 27

28 Filtração Rápida Mecanismos Transporte Aderência Desprendimento Fatores intervenientes Características do meio filtrante (espessura, tamanho, massa específica, forma e distribuição do tamanho dos grãos) Operação dos filtros rápidos 28

29 Filtração Rápida Filtros rápidos de fluxo descendente Mais utilizados em estações convencionais O leito filtrante pode ser simples ou duplo O fluxo de água de lavagem é ascendente Filtros rápidos de fluxo ascendente Camada espessa de areia (2m) Camada suporte de 60 cm 29

30 Filtração Rápida Lavagem de filtros Introduzir água lavada em contracorrente com velocidade suficiente para fluidificar o leito filtrante Velocidade da água de 0,60 a 1,00 m/minuto Deve promover a expansão do leito filtrante de 20 a 30% Filtro de fluxo ascendente velocidade mínima de 80 cm/minuto 30

31 Filtração Lenta Processo de tratamento Processo biológico, não há a necessidade de emprego de coagulante químico Maiores áreas requeridas Tanque com areia (espessura entre 0,9 a 1,2 m) sobre uma camada de pedregulho (espessura de 0,2 a 0,45 m) sistema de drenagem sob a camada de pedregulho, destinado a recolher a água filtrada. 31

32 Filtração Lenta Processo de tratamento Eficiência depende da camada biológica dias até semanas para se formar Necessário um número mínimo de dois filtros (operação) Vantagens: elevada eficiência de remoção de organismos potencialmente transmissores de doenças. 32

33 Filtração Lenta Variações de Configurações Água bruta Decantação plena (lago, decantador convencional ou de alta taxa) Pré-filtração dinâmica em pedregulho Pré-filtração em pedregulho com escoamento horizontal ou vertical Filtração lenta 33

34 Filtração Lenta Filtro lento com duas unidades em paralelo 34

35 Filtração Lenta Não é o mais utilizado atualmente devido a: Aplicável a águas brutas de boa qualidade Grandes áreas para implantação Lavagem do leito filtrante é quase sempre manual Após lavagem necessita que a camada filtrante biológica se restabeleça Recomendações (NBR /92): Espessura mínima do meio filtrante de 0,90 m TAS de 3 a 6 m³/m².dia 35

36 Filtração Lenta Lavagem dos filtros Remoção manual da camada superficial (2,5 cm da camada superficial) Intervalo médio de 25 dias (de 7 a 90 dias) Descarga de fundo (filtro de fluxo ascendente) 36

37 Filtração Rápida x Filtração Lenta Padrão para a água filtrada (Portaria 2.914/2011) Água após filtração rápida: 0,5 µt em 95% das amostras Água após filtração lenta: 1,0 µt em 95% das amostras 37

38 Etapas do Tratamento Convencional Coagulação: Adição de coagulante para desestabilizar as partículas (mistura rápida na água bruta) 1 a 5 minutos Floculação: Formação de flocos (mistura lenta em tanques específicos) 20 a 30 minutos (hidráulico) ou 30 a 40 minutos (mecânico) Decantação: Flotação: Remoção dos flocos via força da gravidade (processo lento) 2 a 4 horas (TAS de até 50 m³/m².dia) Remoção superficial dos flocos (processo com aeração forçada) 5 a 20 minutos (TAS de 120 a 300 m³/m².dia) Filtração: Lenta: TAS de 1 a 7,5 m³/m².dia (carreira de filtração de 20 a 60 dias) Rápido: TAS de 120 a 480 m³/m².dia (carreira de filtração de 1 a 3 dias)