Tratamento de águas de abastecimento coagulação e mistura rápida, Notas de estudo de Engenharia Sanitária
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TRATAMENTO DE ÁGUAS DE ABASTECIMENTO COAGULAÇÃO E MISTURA RÁPIDA
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INSTITUTO DE TECNOLOGIA FACULDADE DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL TRATAMENTO DE ÁGUAS DE ABASTECIMENTO Prof. Luiza Girard

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COAGULAÇÃO E MISTURA RÁPIDA 1 INTRODUÇÃO

As águas naturais podem conter uma série de impurezas, destacando-se as partículas coloidais, as substâncias húmicas e os microrganismos em geral. Tais impurezas apresentam geralmente carga superficial negativa, impedindo que as mesmas se aproximem, caso suas características não sejam alteradas.

A coagulação consiste na adição de sais de alumínio e de ferro ou de polímeros sintéticos, com o objetivo de alterar a carga entre as partículas permitindo que elas possam se agregar. Esse processo resulta de dois fenômenos: o primeiro, essencialmente químico, consiste nas reações do coagulante com a água e na formação de espécies hidrolisadas com carga positiva e depende da concentração do metal e do pH final da mistura; o segundo, fundamental mente físico, consiste no transporte das espécies hidrolisadas para que haja contato entre as impurezas presentes na água. O processo é muito rápido, ocorrendo em décimos de segundos e dependem fundamentalmente, do pH, temperatura, concentração de impurezas, etc.

2 CAUSAS DA ESTABILIDADE COLOIDAL 2.1 Estabilização eletrostática A maioria das partículas na água é carregada eletricamente, sendo a carga normalmente negativa. Para produção dessa carga existem três fonômenos importantes:

a) grupos superficiais que reagem com a água e recebem ou doam prótons. Para os óxidos superficiais como a sílica com o grupo superficial silanol.

Si OH+2 ↔ Si OH + H

+ Si OH ↔ SiO- + H+

Para substâncias orgânicas (microrganismos) que contêm o grupo carboxila ou o amino grupo: ↔

COOH R NH3

COO- R + H+ NH3

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↔ Nessas reações, a carga superficial depende da concentração de prótons

(H+) ou do pH da água, aumentando o pH, diminui a concentração de prótons e a superfície sólida fica mais negativa.

Os grupos superficiais tornam-se carregados eletricamente e a força de repulsão é maior do que a de atração.

b) Grupos superficiais que reagem na água com outros solutos (cátions e anions).

Si OH + Ca2 = Si OCa + H+

A formação de complexos envolve reações químicas específicas entre grupos da superfície das partícula, dependem também do pH.

c) Substituição na estrutura cristalina das partículas (substituição isomórfica) É responsável por grande parte da carga negativa em materiais minerais. É uma troca de cátions na formação o que torna a estrutura carregada negativamente. Si = 3s2 3p2 Al = 3s2 3p1 Devido aos 3 processos pelos quais os colóides apresentam com carga

superficial negativa, ocorre um balanço de íons de carga contrária, presentes na água, formando um sistema coloidal sem carga elétrica.

As partículas coloidais carregadas negativamente atraem íons positivos e formam junto com a carga negativa uma camada denominada “camada compacta” que envolve a partícula. Os íons negativos se aproximam da camada rígida

COO- R NH3

COO- R + H+ NH2

O O O O

Si Si Si

O O O O

O O O O

Si Al Si

O O O O

-1

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(compacta) e atraem íons positivos formando a camada difusa, que engloba a primeira. A concentração de íons na camada difusa é menor do que na camada compacta. O potencial elétrico é máximo na superfície da partícula e diminui com a distância até que a concentração de cátions e ânions se iguale e a partícula deixe de interferir no meio líquido.

A estabilidade da partícula se deve ao fato que as forças de repulsão de origem elétrica são maiores que as forças de atração de Van-der-Waals. Essa teoria é conhecida como teoria da dupla camada.

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Quanto maior a concentração de íons na água (força iônica maior), menor será a distância a partir da superfície do colóide em que serão iguais as concentrações de cátions e ânions.

Quando dois colóides semelhantes se aproximam um do outro ocorre a interação entre as camadas difusas, fazendo que haja repulsão devido a força eletrostática entre os mesmos. Plano de cisalhamento: certa porção do meio, em torno da partícula, entre a superfície interna e externa da camada difusa que caminha com a partícula. Potencial Zeta: Consiste na aplicação da diferença de potencial em uma amostrade água contendo colóides negativos, de tal forma que certa porção do meio, em torno da partícula, caminha junto com esta ao eletrodo positivo, caracterizando o plano de cisalhamento. O potencial elétrico no local diminui de maneira exponencial, situado entre a camada compacta e a camada difusa. 3 MECANISMOS DE COAGULAÇÃO

Os mecanismos de desestabilização das partículas coloidais utilizados durante o processo de coagulação são classificados segundo a AWWA (1990) em:

 compressão da dupla camada;

 adsorção e neutralização de cargas;

 varredura;

 adsorção e formação de pontes poliméricas.

3.1 Compressão da dupla camada

Quando um eletrólito indiferente (sais como o cloreto de sódio, que não sofrem reações de hidrólise e de adsorção) de carga contrária à partícula é colocado em meio aquoso, ocorre um aumento da concentração de íons na água; o volume da camada difusa precisa diminuir para que se mantenha a eletroneutralidade da partícula. Dessa forma, as forças de repulsão entre os colóides diminuem de tal modo que as forças atrativas de Van der Waals se tornem dominantes.

Em outras palavras, concentrações elevadas de íons positivos e negativos na água provocam um acréscimo de íons na camada difusa, que para manter-se eletricamente neutra tem seu volume reduzido, eliminando a estabilização eletrostática, e com isso, menor será a esfera de influência do potencial de repulsão da partícula. Exemplo típico desse mecanismo ocorre quando águas

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doces com força iônica pequena misturam-se à água do mar, promovendo a formação de depósitos nas desembocaduras. Coagular significa reduzir o potencial zeta a tal forma que se consiga a união de partículas coloidais.

3.2 Adsorção e neutralização de cargas

No mecanismo de adsorção e neutralização de cargas, após a adição do coagulante, ocorre a hidrólise dos íons metálicos e subseqüente adsorção das espécies hidrolisadas, geralmente de carga positiva, na superfície dos colóides, levando a sua desestabilização.

Para grandes concentrações de coagulantes ocorre a reestabilização, isto é, os colóides se tornam carregados positivamente pelo excesso de coagulante.

Esse mecanismo é muito importante quando o tratamento é realizado por meio de uma das tecnologias da filtração direta, pois não há formação de flocos para posterior sedimentação, mas de partículas desestabilizadas que serão retidas no meio granular dos filtros.

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3.3 Varredura

Dependendo da quantidade de coagulante adicionada, do pH da mistura, e da concentração de alguns tipos de colóides na água, poderá ocorrer a formação de precipitados do tipo Al(OH)3 ou Fe(OH)3 (Hidróxidos Metálicos). O mecanismo de varredura é o mais utilizado em ETA’s convencionais, onde existe a floculação e a sedimentação, devido à maior faixa de abrangência de pH, levando também a uma maior facilidade de operação. De acordo com DI BERNARDO (1987) apud FERREIRA FILHO et al (1996) quando da utilização de sais de alumínio ou sais de ferro na coagulação, os mecanismos mais importantes são o da adsorção-neutralização de cargas e o da varredura, porém, os flocos com a varredura são maiores e sedimentam mais facilmente.

3.4 - Adsorção e formação de pontes

O mecanismo de adsorção e formação de pontes é devido à adição de polímeros naturais ou sintéticos como agentes coagulantes. Os polímeros podem ser classificados de acordo com a sua carga em polímeros de carga positiva

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(catiônico) , negativa (aniônico) ou neutra (não iônicos), e de acordo com o seu peso molecular em polímeros de alto, médio ou baixo peso molecular. A Figura mostra os mecanismos que podem ocorrer quando da adição de um polímero em meio aquoso.

Mecanismos que podem ocorrer quando da adição de um polímero em meio aquoso (YUZHU, W., 1996).

No mecanismo 1, quando um polímero entra em contacto com uma partícula coloidal, alguns de seus grupos reativos adsorvem na superfície da partícula causando a sua desestabilização, e outros permanecem livres em solução. No mecanismo 2, os segmentos livres dos polímeros das partículas já previamente desestabilizadas adsorvem na superfície de outra partícula, promovendo a agregação das mesmas. Se a porção livre do polímero de uma partícula já previamente desestabilizada não entrar em contato com outra partícula, pode ocorrer a adsorção na própria partícula fazendo com que ela se reestabilize (mecanismo 3).

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No mecanismo 4, o excesso de polímero adicionado à suspensão coloidal leva a saturação da superfície das partículas e sua conseqüente restabilização. Se um floco já formado, como o representado no mecanismo 5, for submetido a uma agitação intensa ou a um longo tempo de mistura, pode ocorrer a sua ruptura e esses fragmentos de flocos podem se reestabilizar (mecanismo 6) da mesma forma como a que ocorreu no mecanismo 3. Os polímeros usados como coagulantes primários na desestabilização de partículas coloidais são tipicamente catiônicos e de baixo peso molecular (AWWA,1989). Quando um polímero adere a um colóide, causa a dessorção da água superficial ligada ao colóide, levando à neutralização da carga e à aglomeração com outras partículas. Como resultado tem-se a formação de flocos capazes de liberar água mais facilmente (YUZHU, 1996). Estabilização estérica

É resultante da adição de polímeros na superfície da partícula coloidal. A repulsão pode ocorrer de duas formas:

a) com a colisão cada camada de polímero pode ser comprimida, reduzindo o volume disponível para as moléculas adsorvidas e restringindo o movimento dos polímeros.

estabilização estérica

b) As camadas adsorvidas se entrelaçam, aumentando a concentração dos segmentos dos polímeros. Se esses segmentos forem fortemente hidrofílicos, ocorre a reação entre eles e a água, tendendo a repulsão.

4 COAGULANTES

Conforme descrito anteriormente, na maioria dos casos existe a necessidade da adição de substâncias a água, para que o tratamento possa ocorrer convenientemente, os mais utilizados são:

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 Sais de alumínio e ferro: sulfato de alumínio, sulfato ferroso, sulfato ferroso clorado, sulfato férrico, cloreto férrico, etc.

 Álcalis: para promover e manter a alcalinidade: cal virgem (CaO), Cal hidratada (Ca(OH)2), Barrilha (Na2CO3),etc.

Quando o coagulante (Sulfato de Alumínio e o Cloreto Férrico) é adicionado à água, ocorrem reações de hidrólise, intermediárias, antes da formação do precipitado. Essas reações liberam H+, consumindo substâncias que conferem alcalinidade natural á água. Os diagramas de coagulação podem ser obtidos pela execução de ensaios de coagulação, floculação e de sedimentação (ou flotação). Seu conhecimento é importante pois possibilitam que sejam tomadas decisões tanto para a escolha da tecnologia de tratamento apropriada, quanto para a otimização da coagulação, com considerável economia de produtos químicos.

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5 MISTURA RÁPIDA

È a operação unitária cuja finalidade é a de obter o maior grau possível de homogeneização de dois ou mais compostos, de maneira que as taxas de reação ocorram de maneira uniforme em todo o volume considerado.

No tratamento de água, a mistura rápida busca uma distribuição uniforme dos coagulantes na água, de forma que todas as partículas tenham contato com os sais de ferro e alumínio, ou com os polímeros.

A NBR 12216 (92) recomenda que a determinação das condições ideais de mistura rápida como gradiente de velocidade, tempo de mistura e concentração de coagulante devem ser determinadas preferencialmente através de ensaios de laboratório, denominados de Jar Test.

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No entanto, quando os mesmos não puderem ser realizados, deve ser

observado que:

 Os gradientes de velocidade utilizados para coagulantes metálicos hidrolisados devem estar compreendidos entre 700 e 1100 s-1, em um tempo de mistura de 5 segundos.

 A dispersão de polieletrólitos deve ser feita obedecendo as recomendações do fabricante

A mesma NBR reconhece como dispositivo de mistura, os seguintes itens:

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 Qualquer trecho ou seção de canal ou canalização que produza perda de carga compatível com as condições desejadas (gradiente de velocidade e condições de mistura);

 Agitadores mecanizados;

 Difusores que produzam jatos da solução coagulante no interior da água a ser tratada;

 Entrada de bombas centrífugas;

 Qualquer singularidade onde ocorra turbulência intensa;

 Canal ou canalização com anteparos ou chicanas;

 Ressalto hidráulico.

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A seguir será feita uma breve descrição dos dispositivos mais utilizados no Brasil para mistura rápida. 5.1 Medidor Parshall É um medidor de vazão de regime crítico, que faz com que o regime de escoamento passe do sub-crítico (y>yc) para o super crítico (y<yc).

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No trecho imediatamente a jusante da seção contraída ocorre o ressalto hidráulico onde aplica-se o produto químico. O ressalto hidráulico provoca uma dissipação de energia muito grande, este fato, aliado ao estreitamento da seção e a pequena lâmina de água produz condições de mistura satisfatórias.

Segundo a Norma Técnica – CPRH/2004, o medidor Parshall é um dispositivo para medição de vazão em canais abertos e compõe-se de três partes: uma secção convergente, uma secção estrangulada throat section e uma secção divergente. A Figura 1 mostra a representação esquemática do Medidor Parshall.

A variação nas dimensões do medidor parshall faz com que o nível do fundo do canal na secção convergente seja mais alto do que na secção divergente, o que possibilita a medição da vazão com o uso de expressões hidráulicas e/ou macromedidor digital, sendo que ambas são baseadas na altura do líquido. Esse formato irregular também possibilita grande agitação da massa líquida, o que facilita a dispersão do produto químico coagulante utilizado para desestabilização (coagulação) e floculação das partículas presentes na água bruta (Campos, Reali e Daniel, 2003).

Figura 1 - Representação esquemática de um medidor Parshall. Fonte: Ciasey, 2005

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2.7.1 Dimensões

Os medidores do tipo Parshall são definidos pela largura da garganta (W) ou seção estrangulada, o nível do fundo do canal na secção convergente deve ser mais alto do que o nível na secção divergente. A altura da lâmina d’água na secção convergente é a medida do fluxo através da calha. A Figura 2 mostra a planta e o corte do medidor Parshall.

Figura 1 - Medidor Parshall – Planta e Corte. Fonte: Azevedo Netto, 1998.

Na Tabela 1 é mostrada a base, para definir o medidor Parshall que será utilizado a partir da vazão Q que será tratada na ETA.

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Tabela 1 - Dimensões do Medidor Parshall (cm) e Vazão com escoamento livre (L/s).

W (pol) W (cm) A B C D E F G K N X Y Vazão com

Escoamento Livre (L/s)

1'' 2,5 36,3 35,6 9,3 16,8 22,9 7,6 20,3 1,9 2,9 - - 0,3 - 5,0

3'' 7,6 46,6 45,7 17,8 25,9 45,7 15,2 30,5 2,5 5,7 2,5 3,8 0,8 - 53,8

6'' 15,2 61,0 61,0 39,4 40,3 61,0 30,5 61,0 7,6 11,4 5,1 7,6 1,4 - 110,4

9'' 22,9 88,0 86,4 38,0 57,5 76,3 30,5 45,7 7,6 11,4 5,1 7,6 2,5 - 252,0

1' 30,5 137,2 134,4 61,0 84,5 91,5 61,0 91,5 7,6 22,9 5,1 7,6 3,1 - 455,9

1 ½' 45,7 144,9 142,0 76,2 102,6 91,5 61,0 91,5 7,6 22,9 5,1 7,6 4,2 - 696,6

2' 61,0 152,5 149,6 91,5 120,7 91,5 61,0 91,5 7,6 22,9 5,1 7,6 11,9 - 937,3

3' 91,5 167,7 164,5 122,0 157,2 91,5 61,0 91,5 7,6 22,9 5,1 7,6 17,3 - 1427,2

4' 122,0 183,0 179,5 152,5 193,8 91,5 61,0 91,5 7,6 22,9 5,1 7,6 36,8 - 1922,7

5' 152,5 198,3 194,1 183,0 230,3 91,5 61,0 91,5 7,6 22,9 5,1 7,6 45,3 - 2423,9

6' 183,0 213,5 209,0 213,5 266,7 91,5 61,0 91,5 7,6 22,9 5,1 7,6 73,6 - 2930,8

7' 213,5 228,8 224,0 244,0 303,0 91,5 61,0 91,5 7,6 22,9 5,1 7,6 85,0 - 3437,7

8' 244,0 244,0 239,2 274,5 349,0 91,5 61,0 91,5 7,6 22,9 5,1 7,6 99,1 - 3950,2

10' 305,0 274,5 427,0 366,0 475,9 122,0 91,5 183,0 15,3 34,3 - - 200,0 - 5660,0

Fonte: adaptado de Azevedo Netto, 1998.

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2.7.2 Seleção de Tamanho

Segundo Azevedo Netto (1998), o tamanho do medidor Parshall mais conveniente para qualquer gama de vazão envolve considerações, como largura de canal existente, profundidade da água nesse canal, perda de carga admissível, possibilidade de vazões futuras diferentes, etc. Como primeira indicação, convém verificar que a largura da garganta (W) está compreendida entre um terço e a metade da largura do canal existente.

Na Tabela 2 é mostrada os limites de aplicação para os medidores, considerando o funcionamento em regime de escoamento livre.

Tabela 2 - Limite de aplicação: medidores Parshall com escoamento livre.

W Capacidade (L/S)

pol. cm Mínima Máxima

1'' 2,5 0,3 5,0

3'' 7,6 0,8 53,8

6'' 15,2 1,4 110,4

9'' 22,9 2,5 252,0

1' 30,5 3,1 455,9

1 1/2' 45,7 4,2 696,6

2' 61,0 11,9 937,3

3' 91,5 17,3 1427,2

4' 122,0 36,8 1922,7

5' 152,5 45,3 2423,9

6' 183,0 73,6 2930,8

7' 213,5 85,0 3437,7

8' 244,0 99,1 3950,2

10' 305,0 200,0 5660,0

Fonte: Adaptado de Azevedo Netto, 1998.

5.2 Misturadores mecanizados Neste caso o agitador transmite para a água a energia necessária para a mistura, pela transformação da energia elétrica em energia mecânica. Além do consumo de energia, o custo de aquisição e manutenção acabam por fazer o seu uso limitado. Vianna (2002) classifica os tipos de agitadores mecânicos em hélice ou turbina, conforme a figura.

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Fatores que influenciam a mistura:

1. O tempo; 2. A intensidade da agitação.

Recomendações práticas: t≤20s 600≤G≤2000s-1 10.000≤Gxt≤25.000 G = 4,86 x 10-2 x √(N3 x D5) / (µ x V) Onde: N = rotação da turbina (RPM) D = diâmetro da turbina (m) µ = viscosidade dinâmica (Kgfs/m2)

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Tipo Radial

Tipo Axial

5.2 Malhas Difusoras São dispositivos destinados exclusivamente a mistura rápida, não desempenhando o papel de misturadores e medidores de vazão. Comparativamente aos medidores Parshall, as malhas difusoras são relativamente caras e de difícil manutenção. Neste sistema o coagulante é injetado no sentido do fluxo, imerso no meio líquido, na forma de jatos

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Para o misturador rápido do tipo turbina mostrado a seguir, destinado a tratar a vazão de 8 metros cúbicos por segundo, determine:

o tempo de detenção;

a velocidade com que a turbina deverá girar para que, a 20°C, o gradiente de velocidade da mistura seja igual a 1000 s-1.

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mto bom me salvou, só não tem o autor queria colocar o autor e ...
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