Curso: Engenharia Civil Disciplina: Sistema de Tratamento de Água e Esgoto Prof(a): Marcos Heleno Guerson de O Jr Nota de Aula! Aula 2: Mistura Rápida Introdução A teoria de tratamento de água baseia-se em modelos físicos, químicos, físicoquímicos e bioquímicos, entre outros, que procuram explicar os mecanismos envolvidos em cada uma das fases do tratamento. A complexidade dos materiais inertes ou orgânicos a serem removidos da água em tratamento pode ser apontada como responsável por uma certa inadaptabilidade dos modelos às situações reais. Felizmente para os engenheiros sanitaristas, os modelos disponíveis têm sido suficientemente práticos para transformar água bruta em água potável. De maneira geral, o tratamento de água pode ser dividido nas seguintes fases: Mistura rápida; floculação; decantação; filtração; e desinfecção. Além destas fases principais, tem-se ainda a Fluoretação e a Correção de ph, que fazem parte do tratamento químico da água, assim como a Desinfecção. A Fluoretação deve, também, ser realizada sempre. Isto porque, além de ser a maneira mais segura de garantir grande redução na incidência da cárie dentária em crianças de idade escolar, a fluoretação das águas é determinada por lei federal. A Correção de ph da água tratada, também algumas vezes esquecida, deve ser sempre realizada, com o objetivo de reduzir a agressividade ou incrustabilidade do produto final. Protege, dessa forma, as redes distribuidoras e as instalações hidráulicas prediais. 1
Mistura Rápida O tratamento de água se inicia no tanque de mistura rápida com a coagulação, que tem pôr finalidade transformar as impurezas finais que se encontram em suspensão, em estado coloidal, e algumas que se encontram dissolvidas, em partículas que possam ser removidas pela decantação e filtração. Para isto adiciona-se a água bruta uma substância química especial, denominada coagulante que reagindo com a alcalinidade da água, forma, dentre outros, produto insolúvel destinado a remover as impurezas responsáveis pela Côr, Turbidez, bem como bactérias, vírus e outros elementos considerados indesejáveis. As partículas que desejamos remover da água em tratamento apresentam cargas elétricas negativas. Quando neutralizamos as partículas, através da correta adição de floculante, praticamente zeramos seu potencial zeta. 2
Existem basicamente duas formas de desestabilizar as partículas presentes na água bruta, sob forma de suspensão ou solução coloidal : a desestabilização por adsorção e a desestabilização por varredura. Na desestabilização por adsorção - que ocorre em faixas estreitas do ph da água floculada e na qual, como sabemos, é importante misturar energicamente o floculante à água bruta e efetuar essa mistura em tempo muito curto as partículas presentes na água bruta adsorvem, em suas superfícies, íons metálicos, de carga positiva, capazes de neutralizá-las. Na desestabilização por varredura, a desestabilização das partículas é feita pelo hidróxido metálico, que é o composto que se forma quando adicionamos o floculante à água bruta. Este composto forma pequenas partículas, sob forma de gel, que chocam-se com as partículas que desejamos remover da água em tratamento, e as adsorvem. 3
O produto químico mais empregado na coagulação é o Sulfato de Alumínio - Al2(SO4)3. Além deste, podem ser empregados : Sulfato Ferroso; Sulfato Férrico; Cloreto Férrico; Aluminato de Sódio. O sulfato de alumínio quase sempre é fornecido sob a forma sólida (pequenos grãos em sacas de 50 kg), entretanto pode também ser fornecido sob a forma líquida. O preparo da solução de sulfato de alumínio é realizado no interior de tanques apropriados, adequadamente revestidos (de forma a resistirem à agressividade da solução preparada), usualmente com concentrações entre 2 % e 10 %. A unidade de mistura rápida é destinada a criar condições para que, em poucos segundos, o coagulante seja uniformemente distribuído pôr toda a massa de água. Portanto, a mistura rápida deve ser efetuada em local de transmissão de grande energia à massa líquida, e no menor tempo possível, em vista da rapidez com que as reações de desestabilização se processam. Em certos casos há necessidade de se adicionar substâncias à água para que se consiga uma purificação conveniente. Os produtos mais empregados com esta finalidade são : - Sais de Alumínio e Ferro: sulfato de alumínio, sulfato ferroso, sulfato clorado, sulfato férrico, etc. - Álcalis Para Promover e Manter a Alacalinidade:! - Cal virgem (CaO); - Cal hidratada {(Ca (OH)2 ) }; 4
- Barrilha ( Na2CO3), etc. Para um produto ser empregado como coagulante é necessário que reaja com álcalis produzindo precipitados floculentos. O motivo do largo emprego de sulfato de alumínio, prende-se ao fato de ter custo baixo e ser produzido em várias regiões do Brasil e também ser fácil de transportar e de manejar. Tanque de Mistura Rápida A NBR 12216 reconhece como dispositivos de mistura os seguintes: a) qualquer trecho ou seção de canal ou de canalização que produza perda de carga compatível com as condições desejadas, em termos de gradiente de velocidade e tempo de mistura; b) difusores que produzam jatos de solução coagulante, aplicadas no interior da água a ser tratada; c) agitadores mecanizados; e d) entrada de bombas centrífugas Ainda de acordo com a Norma, podem ser utilizados como dispositivos hidráulicos da mistura: a) qualquer singularidade onde ocorra turbulência intensa; b) canal ou canalização com anteparo ou chicanas; c) ressalto hidráulico; d) qualquer outro trecho ou seção de canal ou canalizacão que atenda ás condições especificadas pela norma para dispositivos de mistura rápida. Dessa forma, os principais tipos de unidade utilizados como tanque de mistura rápida são: A - Calha Parshall: O dispositivo hidráulico mais utilizado no Brasil, para promoção da mistura rápida é a Calha PARSHALL. Hidraulicamente o medidor PARSHALL é definido como um medidor de vazão de regime crítico. A largura da garganta W do medidor é a grandeza que o define. A lâmina d água a montante do Parshall é alta, e em conseqüência, a velocidade média de escoamento é baixa e o regime de escoamento é subcrítico. A jusante da garganta a lâmina d água é baixa, e em conseqüência, a velocidade média de escoamento é alta e o regime de escoamento é supercrítico. Para que efetuar a mistura rápida com mais eficiência o floculante deve ser aplicado na garganta do medidor (figura a seguir), isto porque, sendo o local o de seção mais 5
estreita, e sendo aí a lâmina d água bastante pequena, é possível fazer com que o floculante aplicado nesse local se disperse em praticamente todo o volume de água em tratamento que a atravessa. Para isso deve-se assegurar um ressalto hidráulico diretamente a jusante da garganta, de preferência no trecho divergente do Parshall. A tabela a seguir apresenta as vazões em função da altura (h) lida nos medidores, em função de suas dimensões (W) : 6
O gradiente hidráulico G pode ser extraído da fórmula a seguir: 7
Exercício: Numa estação de tratamento de água, a mistura rápida é efetuada no medidor Parshall, de grandeza igual a 9. Sabendo que a vazão que passa pelo medidor é de 100 litros por segundo, determine: a) Qual é a altura da lâmina d água em sua seção de medição? b) Qual o gradiente de velocidade obtido? Este valor atende à NBR 12216? Recordando da hidráulica: Gradiente de Velocidade (G) : é a diferença dv entre as velocidades V1 e V2 de duas partículas P1 e P2, distanciadas por dy, segundo uma perpendicular à direção do escoamento do líquido. Tem o mesmo valor para qualquer sistema de unidades (s-1). Exprime o grau de agitação entre as partículas necessárias para cada fase do tratamento. Tempo de Mistura ou Detenção (T) : tempo que uma partícula da massa fluida permanece dentro da câmara de mistura rápida ou dentro dos floculadores, ou seja, intervalo de tempo entre a entrada e a saída de uma partícula da massa fluida nestas fases do tratamento. Não sendo possível a realização de ensaios com a água a ser tratada, a NBR 12.216/92 recomenda para G e T, os seguintes valores : Para Misturas Rápidas : G entre 700 e 1.100 s-1 Tempo de Mistura (T) de 1 s (no Máximo 5 s). B - Vertedouro Retangular Caso exista, numa estação de tratamento, um vertedouro para mediar a vazão afluente, será possível aproveitar a queda d água resultante para aferir a mistura rápida. Para tanto, deve-se distribuir, do modo mais uniforme possível, o floculante ao longo de toda queda d água. 8
C - Vertedouro Triangular D - Vertedouro mecanizado Nas câmaras mecanizadas, a água que nelas se escoa é intensamente agitada por meio de hélices, turbinas, rotores ou palhetas giratórias e essas câmaras são geralmente de seção horizontal Os misturadores mecânicos modernos, em geral são do tipo de turbina e pouco comuns no Brasil. No caso de agitação mecânica, Camp estabeleceu a seguinte fórmula para determinação do gradiente de velocidade: 9
Exercício: Um dispositivo de mistura rápida, instalado em uma estação de tratamento de água que trata uma vazão de 100 l/s, permite conter 500 litros de água e é equipado com um misturador mecanizado que dissipa, na água contida em seu interior, a potência de 0,5 KW. Qual o valor do gradiente de velocidade (G) correspondente? Atende aos valores preconizados por norma? Bibliografia: Vianna, Marcos. Hidráulica aplicada às estações de tratamento de água. 4ª Edição. Imprimatur Artes, ltda. 2002. Sperling, Marcos. Introdução à qualidade das águas e ao tratamento de esgotos. Volume 1. 3ª Edição. Universidade Federal de Minas Gerais. 2005 Filippo, Sandro. Saneamento Básico I. Instituto Militar de Engenharia. Apostila. 2002 Guedes, Antônio e Carvalho José. Manual de Operação de ETA. CAGEPA. Apostila. 1997. COPASA. Tratamento de Água. Disponível em www.copasa.com.br Serviço Autônomo de Água e Esgoto de Aracruz. Disponível em http:// www.saaeara.com.br/arquivos/outros/tratamento_de_agua.pdf Universidade Federal de Campina Grande. Noções de Tratamento de Água. Disponível em http://www.dec.ufcg.edu.br/saneamento/tratam03_coag.htm 10