FLOCULADOR DE MANTA DE LODO ASSOCIADO A DECANTADOR LAMINAR EM TRATAMENTO DE ÁGUA

FLOCULADOR DE MANTA DE LODO ASSOCIADO A DECANTADOR LAMINAR EM TRATAMENTO DE ÁGUA Edson Pereira TANGERINO; Tsunao MATSUMOTO; Milton DALL AGLIO SOBRINHO Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira - UNESP Departamento de Engenharia Civil Alameda Bahia, 550 - CEP: 15385-000 - ILHA SOLTEIRA - SP e-mail: edtang@dec.feis.unesp.br RESUMO Neste trabalho efetuo-se a associação de floculador em manta de lodo a um decantador laminar, em uma única unidade. A água coagulada passa através da manta, em fluxo ascendente, proporcionando a aglutinação de flocos, tornando-os mais consistentes e densos, os flocos que se desprendem da manta são facilmente capturados pelas placas do decantador e arrastados de volta à área de floculação. Realizaram-se ensaios comparando duas unidades em tamanho reduzido, sendo uma com floculador hidráulico tipo precedendo decantador laminar e outra com floculador hidráulico tipo Manta de Lodo conjugado ao decantador laminar, ambos decantadores com taxa de aplicação superficial de 90, 120, 150 e 180 m 3 /m 2.dia, com os sistemas recebendo água bruta com 30, 60, 100 e 150 UT de turbidez. O módulo com manta de lodo apresentou resultados superiores. A potencialidade de uso do floculador de conjugado ao decantador laminar é grande, tanto em estações novas como nas existentes, pois permite uma maior produção de água decantada com sensível redução de área física necessária. Palavras chave : Tratamento de Água; Floculador ; Floculação-decantação. INTRODUÇÃO A passagem da água coagulada através de uma propicia a formação e aglutinação de flocos, fato este que tem sido estudado e relatado por vários pesquisadores. Tesarik (1967) realizou experiências em laboratório, avaliando alguns aspectos da floculação em Manta de Lodo, tal como a variação de remoção de turbidez em função da variação da velocidade da água através da manta. Vários estudos têm sido realizados sobre sedimentadores laminares, como por exemplo: Fadel (1990) trabalharam em modelos com tubos sedimentadores; Gordon Culp (1968), verificaram que, com o mecanismo do floculador desligado, a turbidez do efluente dos tubos decrescia com o tempo e com a concentração dos sólidos ao pé dos mesmos. Analisando a literatura sobre floculação em e sobre sedimentação com alta taxa, surge a idéia de se acoplar um floculador hidráulico de sob um decantador laminar, visando a eliminação de zonas mortas, redução da área necessária, possibilidade do aumento da taxa de aplicação superficial, dentre outras vantagens.

ASPECTOS TEÓRICOS Floculação A floculação constitui-se basicamente em se promover o contato entre as partículas desestabilizadas, aglutinando-se e formando flocos mais pesados, sendo possível a sua remoção por sedimentação. O processo de floculação pode ser pericinético ou ortocinético, dependendo do movimento das partículas ser browniano (movimento aleatório das partículas) ou movimento causado por agitação do fluido. Arboleda (1973) cita que na realidade as partículas estão submetidas aos dois movimentos com maior ou menor influência, dependendo do seu tamanho. As menores que 1 mícron estão mais sujeitas ao movimento browniano, enquanto que para as maiores predominam os efeitos das diferenças de velocidades da floculação ortocinética. Muitos modelos matemáticos procuram descrever o processo de floculação, como o de Smoluchowski, apresentado em 1918, que é citado por vários autores. Mais recentemente Argaman & Kaufman (1970), Amirtharajah (1982) desenvolveram outros modelos, posteriormente Pádua (1994) desenvolveu uma metodologia para determinação dos gradientes de velocidade médios em unidades de floculação. Empregando este método Libânio (1995) realizou testes de laboratório para otimização do desempenho de unidades de floculação de escoamento contínuo com câmaras em série e gradiente de velocidade variável, a partir de ensaios em reatores estáticos. Uma das principais conclusões a que Libânio chegou é que o modelo de Argaman & Kaufman apresentou boa adequabilidade, principalmente para ensaios com tempo de floculação preconizados pelos pesquisadores. Libânio (1995) verificou também que a floculação melhora quando se tem câmaras em série com gradientes de velocidades decrescentes, como é recomendado por vários autores e pesquisadores. Floculação em manta de lodo Desde a primeira invenção do floculador de contato de sólidos muitas variações tem sido experimentada. Todas no sentido de maior complexidade e quase todas com baixa eficiência. Isto e o fato de que as melhoras são patenteadas, desencorajam seu uso, e os decantadores horizontais continuaram sendo construídos. Floculadores de contato de sólidos de fluxo ascendente foram construídos nos EUA de vários tipos, dos mais complexos. Segundo Bond (1961) na Europa é subtendido que o tipo simples original, sempre usados pelos engenheiros, é o mais eficiente e econômico. Neste tipo, a água passa através da pirâmide invertida previamente enchido, até 1,50 metros abaixo da superfície, com flocos acumulados numa densa massa chamada slurry pool ou manta de lodo. Através desta, a água percola para cima dando o desejado contato de sólidos e é decantado na zona de água limpa do topo. A formação e aumento da extensão das partículas é um processo lento, auxiliado com contato dos sólidos. O tempo de detenção é cerca de metade do requerido para tanque de fluxo horizontal, o contato de sólidos ocorre por até no mínimo uma hora, sendo que um projeto conservador preveria uma hora e meia. O tempo requerido para o aumento das partículas no floculador do tipo convencional é eliminado no tanque de fluxo ascendente, pois a floculação ocorre concorrentemente com a formação das partículas. Nenhum tempo adicional de separação é requerido. A inclinação do tanque, a direção do fluxo e a presença da manta de lodo, garantem completa separação da água dos sólidos precipitados no topo da manta de lodo. O pequeno tempo de detenção reduz espaços e capital requerido; não são necessários tanques separados para condicionamento dos flocos e separação. As reações químicas ocorrem praticamente completas; gosto e odores tem menos tempo para se desenvolverem, correntes de densidade são inibidas e a pequena área superficial reduz com sucesso as correntes de vento. Pequenos curto circuitos podem ser eliminados, com dispersão uniforme da água na entrada inferior e a remoção de lodo é relativamente simples. Os floculadores de manta de lodo podem ser vistos como floculadores-decantadores e apresentam limitações de operação, como cita Di Bernardo (1993), principalmente quanto à variação da qualidade da água bruta. Modelos matemáticos tem sido propostos como Bond (1961), Tesarik (1967), Ives (1968), Gregory (1979), entre outros.

Pesquisas recentes, realizadas por Head (1997) procuram avaliar os efeitos das variações da qualidade da água bruta e da temperatura no processo de clarificação por manta de lodo. Cada tipo de floculador apresenta vantagens e desvantagens, que devem ser analisadas pelos projetistas antes de adotarem este ou aquele tipo. Testes em laboratório devem ser efetuados com a água bruta para determinar os parâmetros de dimensionamento dos floculadores. A norma brasileira preconiza os seguintes valores básicos para projeto de floculadores: - tempo de detenção de 20 a 30 minutos para floculadores hidráulicos; - tempo de detenção de 30 e 40 minutos para floculadores mecanizados; - gradientes de velocidades variando de 70 s -1 e 10 s -1 da primeira câmara à ultima. Decantação A decantação é a operação de separação dos sólidos em suspensão na água pela força da gravidade. Os sólidos podem existir na forma que ocorrem naturalmente, como é o caso do limo, silte e outros materiais, ou numa forma modificada de seu estado original, resultante da coagulação e floculação. A decantação também promove a redução de bactérias presentes na água. A sedimentação de partículas discretas consta da remoção das partículas que não mudam de tamanho, forma ou densidade em sua queda no líquido, ao passo que as partículas aglomeráveis ou floculentas na descida se aglutinam, mudando de tamanho, forma, densidade e consequentemente a velocidade de sedimentação. Estudos recentes efetuados por Cheng (1997) procuram analisar os efeitos da concentração sobre a velocidade de sedimentação e conclui que a velocidade de sedimentação depende de fatores como concentração volumétrica da partícula e densidade efetiva da mesma. Os decantadores de estações de tratamento de água são projetados para removerem as partículas aglomeráveis, daí a complexidade de se desenvolverem expressões matemáticas que equacionem o problema de forma representativa. Os decantadores podem ser classificados como de baixa taxa de aplicação, ou de alta taxa de aplicação superficial. Enquadram-se nos de baixa taxa os decantadores de fluxo horizontal e de fluxo vertical ou manto de lodo, cujo regime de escoamento é turbulento, com número de Reynolds da ordem de 2 000 a 200 000. Os de alta taxa são os de placas paralelas ou módulos tubulares inclinados, nos quais o número de Reynolds está abaixo de 500 e o escoamento é laminar. Estes decantadores vem merecendo bastante atenção por parte dos pesquisadores, inclusive quanto ao seu emprego em estações de tratamento de esgoto. Vários estudos recentes procuram desenvolver modelos matemáticos para dimensionamento dos mesmos, como é o caso dos trabalhos desenvolvidos por Fadel (1990), Eipovich (1992) dentre outros. As taxas superficiais, segundo Azevedo (1977), dos decantadores de baixa velocidade, também chamados de convencionais, normalmente situam-se na faixa de 15 a 30 m 3 /m 2.dia, enquanto que os do tipo laminar trabalham com taxas entre 120 e 240 m 3 /m 2.dia. Os sedimentadores de manta de lodo podem trabalhar com taxas de aplicação superficial na faixa de 30 a 120 m³/m².dia, sendo que comumente adota-se 60 m³/m².dia nos equipamentos existentes. O tempo médio de detenção nos decantadores convencionais é de 4 horas, enquanto que nos decantadores laminares o tempo médio é de 0,25 hora. O tempo de detenção varia de 1,0 a 1,5 horas nos clarificadores de manta de lodo e a concentração de sólidos na manta varia entre 10% e 20% do volume. A profundidade da manta varia de 1,0 a 3,0 metros, sendo que quanto maior a altura da manta, maior será a remoção de turbidez. A entrada da água floculada nos decantadores merece atenção especial dos projetistas. Nos decantadores convencionais deve ser prevista uma cortina difusora, enquanto que nos decantadores laminares a entrada deve ser feita, como recomenda Di Bernardo (1993), por tubos ou canais providos de orifícios, calculados como manifolds. A coleta da água decantada pode ser efetuada por meio de calhas ou tubos perfurados e a remoção de lodo pode ser realizada mecanicamente ou hidraulicamente. Uma comparação entre os decantadores de fluxo laminar e os convencionais indicou, segundo Tangerino (1983), que os do tipo laminar são mais constantes na eficiência de remoção de turbidez, enquanto que os do tipo convencional chegam a apresentar eficiência muito alta de remoção de turbidez, mas apresentam também, por vezes, eficiência péssima, não mantendo um padrão de tratamento. Os clarificadores de manta de lodo, segundo Di Bernardo (1993), exigem funcionamento contínuo da estação, com vazão constante e pouca variação da qualidade da água bruta e a turbidez deve ser superior a 50 UT.

MATERIAIS E MÉTODOS Foram construídos dois modelos reduzidos de decantadores laminares, instalados em seqüência aos floculadores hidráulicos tipo e, compondo uma bancada experimental conforme o esquema da Figura 1. Foram realizados ensaios exploratórios com água preparada artificialmente com argila, variandose as condições da carga hidráulica e de turbidez. Cada ensaio constou do preparo da água bruta, após o qual iniciava-se a carreira de ensaio. Preliminarmente foram previstos quatro níveis de turbidez e quatro cargas hidráulicas, em esquema fatorial, na realização dos ensaios. As coletas de amostras de água bruta e decantada foram efetuadas em tempos regulares. Caixa de Nível Constante Decantador com Placas Paralelas Coleta de Amostras Dosador de Coagulante Divisor e Medidor de Vazão Decantador com Placas Paralelas Coleta de Amostras Floculador Misturador Difusor B Floculador Hidráulico Descarga de Lodo Descarga de Lodo Bomba Tanque de Preparo de Água Bruta FIGURA 1 : Esquema da instalação experimental. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS Foram realizados os ensaios correspondentes às taxas de aplicação superficial no decantador de 90, 120, 150 e 180 m 3 /m 2.dia. O tempo de detenção no floculador era de 20 a 40 minutos, enquanto que o floculador de trabalhava com um tempo de 6,7 a 13,3 minutos. A turbidez da água bruta, foi de 30, 60, 100 e 150 UT. Foi utilizado o sulfato de alumínio PA como coagulante. A dosagem do coagulante, nos dois módulos, foi realizada numa faixa de 20 a 50% acima da obtida nos ensaios realizados em Jar-Test. O início dos ensaios constou da formação da manta, que foi obtida com uma vazão correspondente a um tempo de detenção de 20 minutos no floculador de, tempo este dentro da faixa recomendada na literatura, com taxa equivalente a 60 m 3 /m 2.dia. A turbidez da água bruta para essa fase foi de 100 UT. Após formada a manta, com altura entre 60 e 80 cm, a vazão era regulada para o valor desejado para o ensaio. O tempo de realização de cada ensaio foi de três horas. Os resultados obtidos nas baterias dos ensaios foram agrupados em dezesseis tabelas como a Tabela 1, apresentada a título de ilustração dos resultados. Com base nesses dados foram construídos gráficos como ilustrado nas Figuras 2 e 3.

TABELA 1: Resultados de turbidez remanescente em (UT), para taxa 90 m 3 /m 2.dia e turbidez da água bruta de 30 UT. TAXA= 90 TURBIDEZ TEMPO TIPO DE FLOCULADOR DA DE FLOCUL. MANTA DE LODO FLOCUL. ALABAMA AMOSTRA ÁGUA FUNCIO- TURBIDEZ REMOÇÃO TURBIDEZ REMOÇÃO BRUTA NAMENTO ÁGUA DEC DE TURBIDEZ ÁGUA DEC DE TURBIDEZ (UT) (MIN) (UT) (%) (UT) (%) 1 30,0 30 1,0 97% 4,3 86% 2 30,0 45 0,8 97% 4,8 84% 3 30,0 60 0,6 98% 5,1 83% 4 30,0 75 0,6 98% 5,6 81% 5 30,0 90 0,7 98% 5,8 81% 6 30,0 105 0,8 97% 7,0 77% 7 30,0 120 0,5 98% 6,0 80% 8 30,0 135 0,5 98% 6,0 80% 9 30,0 150 0,5 98% 6,1 80% 10 30,0 165 0,6 98% 6,9 77% MÉDIAS 0,7 98% 5,8 81% Turbidez da Água Decantada (UT) 30,0 20,0 10,0 0,0 0 50 100 150 200 Tempo de Funcionamento (min) FIGURA 2: Turbidez remanescente nas análises de água bruta com turbidez de 30 UT, para taxa de 90 m 3 /m 2.dia. 100% % de Remoção 90% 80% 70% 60% 50% 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 Tempo de Funcionamento (min) FIGURA 3: Porcentagem de remoção de turbidez nas análises de água bruta com turbidez de 30 UT, para taxa de 90 m 3 /m 2.dia.

DISCUSSÃO Com base nos gráficos de turbidez remanescente e porcentagem de remoção de turbidez e na observação do comportamento dos módulos durante os ensaios, pode-se tecer as seguintes considerações: - As curvas de turbidez remanescente obtidas para cada turbidez da água bruta ensaiada indicam que o módulo com floculador de manta de lodo fornece água com valores de turbidez inferiores aos obtidos pelo módulo com floculação hidráulica tipo, fato esse que vai se evidenciando com o tempo de funcionamento. A manta vai se consolidando e proporcionando um maior número de contato entre os flocos recém formados com os flocos presentes na manta, melhorando portanto a formação dos flocos; - A análise da curva de turbidez remanescente em função da turbidez da água bruta, indica um comportamento mais regular do módulo com floculação em manta de lodo, apresentando até um aumento de eficiência de remoção com o aumento da turbidez afluente, enquanto que o módulo com floculador hidráulico apresentou uma queda de rendimento. Esta observação da melhora do rendimento do floculador em manta de lodo com o tempo pode ser comprovada através da análise das curvas apresentadas nas Tabelas de 2 a 5 e nas Figuras de 4 a 11, que relacionam a turbidez remanescente e porcentagem de remoção de turbidez com a taxa superficial de aplicação, respectivamente, obtidas por cada módulo, funcionando em regime, condição esta obtida na última hora do ensaio. Analisando as Figuras 4 a 11 podemos observar que o floculador de manta de lodo mantêm, depois de entrar em regime de funcionamento, ou seja, a manta já estando estabilizada, um comportamento bem mais estável, fornecendo água com valores de turbidez estáveis ao longo do tempo, com uma porcentagem de remoção de turbidez praticamente constante em relação à variação da taxa de aplicação. Por outro lado o módulo com o floculador apresentou grande variação da turbidez da água decantada, apresentando valores abaixo de 50%. Seu rendimento cai muito principalmente quando a taxa de aplicação era alta, tanto de 150 m 3 /m 2 /dia como para 180 m 3 /m 2 /dia, como foi relatado no capítulo anterior, os flocos apresentam, neste caso, um aspecto gelatinoso e aparentemente são mais leves, sendo arrastados para a calha de coleta de água decantada, causando portanto maior turbidez da amostra. O conjunto floculador de manta de lodo e decantador laminar, como o do modelo construído, implica num tempo de detenção, para floculação e decantação, inferior a 20 minutos, tanto para taxa de aplicação de 90 m 3 /m 2 /dia como de 120 m 3 /m 2 /dia, onde ocorreu melhor interação entre o floculador e o decantador, enquanto que um conjunto com floculador hidráulico de chicanas ou tipo acoplado a um decantador laminar precisaria de mais de 60 minutos. Se fosse construído um clarificador de manta de lodo este precisaria de três horas aproximadamente, enquanto que para um decantador convencional de fluxo horizontal esse tempo seria ainda bem maior, algo em torno de 4,5 horas.

TABELA 2: Resultados de turbidez média remanescente em (UT) na última hora do ensaio com água bruta de 30 UT TAXA VALORES MÉDIOS P/ TURBIDEZ DE 30UT DE FLOCUL. MANTA DE LODO FLOCUL. ALABAMA APLICAÇÃO TURBIDEZ REMOÇÃO TURBIDEZ REMOÇÃO ÁGUA DEC DE TURBIDEZ ÁGUA DEC DE TURBIDEZ (m 3 /m 2 /dia) (UT) (%) (UT) (%) 90 0,5 98% 6,3 79% 120 0,7 75% 2,4 65% 150 1,6 95% 4,9 84% 180 1,0 83% 4,0 43% Turbidez remanecente (UT) 30,0 20,0 10,0 0,0 90 120 150 180 210 FIGURA 4: Turbidez média remanescente na última hora de funcionamento com água bruta de 30 UT Remocao de Turbidez (%) 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 90 120 150 180 FIGURA 5: Porcentagem média de remoção de turbidez na última hora com água bruta de 30 UT

CONCLUSÕES A verificação do comportamento dos módulos é difícil de ser efetuada, pelo número de parâmetros envolvidos. Neste trabalho optou-se pela análise da remoção de turbidez, que mesmo não sendo uma análise completa, espelha o funcionamento de cada equipamento. Com base nos gráficos apresentados e nas observações feitas durante a realização dos ensaios, pode-se tecer as seguintes considerações: a) Quando a turbidez da água bruta é alta, a manta tem um crescimento relativamente rápido, passando por estágio de melhora na eficiência de remoção de turbidez seguido de uma queda, quando então se faz necessária uma descarga de lodo; b) Os flocos formados no floculador apresentavam aspecto mais firme e à medida que atingiam as placas paralelas do decantador, desciam como bola de neve. Por outro lado os flocos do floculador de apresentavam aspecto mais gelatinoso, sendo que sua remoção nas placas paralelas ocorriam como avalanches de terra, isto é, desciam em blocos; c) A análise da curva de turbidez remanescente em função da turbidez da água bruta, indica um comportamento mais regular do módulo com floculação em, apresentando até um aumento de eficiência de remoção com o aumento da turbidez afluente, enquanto que o módulo com floculador hidráulico apresentou uma queda de rendimento; d) Os dois floculadores proporcionam eficiência média de remoção de turbidez acima de 80%, com vantagem para o de que apresentou valores sempre acima de 85%, contra valores médios de até 75% do ; e) O rendimento do módulo com apresentou um rendimento melhor na remoção de turbidez, mesmo para taxas mais alta de aplicação; f) A adoção de floculador de manta de lodo e decantador laminar associados em conjunto, conforme proposto neste trabalho, representa uma economia significativa, visto que o tempo de detenção necessário para a floculação e decantação é bem menor do que o requerido por um sistema convencional de floculador hidráulico e decantador de fluxo horizontal, ou mesmo do clarificador de manta de lodo. AGRADECIMENTOS À FUNDUNESP, pelo auxílio financeiro (Proc 148/96-DFP/IS) que permitiu a aquisição de parte dos materiais para a construção da instalação experimental. Aos técnicos do laboratório central do departamento pelo empenho e competência na construção da instalação. Aos colegas da área de hidráulica e saneamento do Departamento de Engenharia Civil da Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira - UNESP pelo apoio na realização do trabalho. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AMIRTHARAJAH, A. & MILLS, K. M. (1982) - Rapid-Mix Design for Mechanisms of Alum coagulation, Journal AWWA, vol 74, n.4, April, p. 210-216. ARBOLEDA, J. (1973) - Teoria, Diseño y Control de los Processos de Clarification del Água, CEPIS - Centro Panamericano de Ingenieria Sanitaria y Ciencias de Ambiente, Peru, 558 p. ARGMAN, Y & KAUFMAN, W. J. (1970) Turbulence and Flocculation, JEED-ASCE, vol. 96(5 A2), April, p. 223-241. AZEVEDO, J. M. et al (1977) - Técnica de Abastecimento e Tratamento de Água - Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental, 951 p. BOND, A. W. (1961) Upflow Solids Contact Basin, Journal Sanitary Engeneering, Vol 87,Nov, p 73 99. CHENG, N. S. (1997) - "Effect of Concentration on Settling Velocity of Sediment Particles", Journal of Hydraulic Engineering, aug, p 720-721. CULP, G. et al (1968) - High Rate Sedimentation in Water Treatment Works, Journal AWWA, June, p. 681-698. DI BERNARDO, L. (1993) - Métodos e Técnicas de Tratamento de Água, ABES, RJ, 2 vol.

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