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Coagulao e Floculao Coagulao e Floculao
Universidade Federal de Ouro PretoEscola de Minas
Departamento de Engenharia CivilCIV 640 Saneamento Urbano
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Objetivo da aula 7 Objetivo da aula 7
Universidade Federal de Ouro PretoEscola de Minas
Departamento de Engenharia CivilCIV 640 Saneamento Urbano
Ao final desta aula o (a) aluno (a) dever reconhecer as principais conceitos do de
coagulao e floculao
CoagulaoCoagulao
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Slidos Presentes na gua
Slidos Presentes na gua
Figura 2: gua Bruta ETA Itabirito
Superfcie Especfica
Superfcie Especfica
a rea (em m2) medida em uma massa (g) de argila ou outro colide
Colide Superfcie especfica (m2/g)Colide Superfcie especfica (m2/g)
Caulinita (1:1) 5 a 20
xidos de Ferro 100 a 400
Montmorilonita (2:1) 700 a 800
Matria Orgnica 700
Desestabilizao de partculas coloidais
Coagulao
o processo de desestabilizao de partculas dispersasem gua de abastecimento atravs da introduo nomeio de produtos qumicos coagulantesmeio de produtos qumicos coagulantes
Adio de ons com carga oposta carga da partculas;
Coalescncia das partculas;
Desestabilizao de partculas coloidais
Floculao
o fenmeno atravs do qual as partculasdesestabilizadas chocam-se umas com as outras paraformar cogulos maioresformar cogulos maiores
Aplicao do Coagulante
Tem que ser de forma mais uniforme possvel
Tempo mais curto
Alta intensidade de agitao
Desestabilizao de partculas coloidais
pH cal hidratada
pH cido sulfrico
Figura 3: Casa de qumica.
Desestabilizao de partculas coloidais
Coagulantes utilizados
Sulfato de alumnio
Cloreto frrico Cloreto frrico
Sulfato frrico
Hidroxi-cloreto de alumnio (HCA ou PAC)
Desestabilizao de partculas coloidais
Qumica do sulfato de alumnio:
Al2(SO4)3 + 6H2O 2Al3+ + 6OH + 3SO4
2-Al2(SO4)3 + 6H2O 2Al + 6OH + 3SO4
Al(H2O)63+
Al13(OH)345+, Al17(OH)17
4+, Al18(OH)204+, Al16(OH)15
3+
Desestabilizao de partculas coloidais
Qumica do sulfato de alumnio:
Dificuldades para a desestabilizao:Dificuldades para a desestabilizao:
Dupla capa de cargas positivas ao redor do colide
Tempo de vida dos produtos da hidrlise
Desestabilizao de partculas coloidais
Qumica do sulfato de alumnio:
Figura 4: Modelo da dupla camada
Desestabilizao de partculas coloidais
Qumica do sulfato de alumnio:
Desestabilizao por adsoro: o processo quedesestabiliza os colides atravs da adsoro, em suasuperfcie, de produtos de hidrlise do alumnio, de cargasuperfcie, de produtos de hidrlise do alumnio, de cargaoposta.
Desestabilizao por varredura: o processo quedesestabiliza os colides atravs da saturao da gua emtratamento com o gel hidrxido de alumnio, e arraste doscolides aprisionados nesse gel.
Principais mecanismos de coagulao
Adsoro-neutralizao de cargas
Aps a dispero do coagulante h formao de espcies hidrolizadas de carga positiva que so adsorvidas na superfcie das partculasadsorvidas na superfcie das partculas
Varredura
Em funo da dosagem do coagulante (maior que no mecanismo anterior) e do pH as partculas coloidais so adsorvidas e as suspensas so envolvidas pelo precipitado de alumnio ou ferro.
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Desestabilizao de partculas coloidais
Qumica do sulfato de alumnio:
Desestabilizao por Adsoro
Qumica do sulfato de alumnio
A desestabilizao por varredura feita pelo hidrxidode alumnio Al(OH)3 gel
Desestabilizao de partculas coloidais
de alumnio Al(OH)3 gel
O Al(OH)3 insolvel nas condies de pH da gua detratamento
Precipita quando a gua fica em repouso
Gel choca-se com as partculas e as adsorvem
Qumica do sulfato de alumnio
Desestabilizao de partculas coloidais
Desestabilizao por Varredura
Qumica do sulfato de alumnio
1) Adsoro
- Dosagem de Al(OH)3 < 2,0 mg/l
Desestabilizao de partculas coloidais
- Dosagem de Al(OH)3 < 2,0 mg/l
- pH = 5,0 - 7,0
2) Regio de restabilizao- cargas positivas
3) Varredura
- Dosagem de Al(OH)3 > 15 mg/l
- pH = 5,8 9,2
4) Adsoro/varredura
Qumica do sulfato de alumnio
Desestabilizao de partculas coloidais
Diagrama para Projeto e Operao Utilizando Sulfato de Alumnio
Ensaio de Jarros ou Jartest
Diferentes dosagens de coagulantes
Diferentes pH
Diferentes gradientes mdios de velocidade
Diferentes tempo de mistura
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Diagrama de coagulaoPAC
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Dimensionamento da coagulao
Dose do coagulante e dimenses do misturador
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Conceito
Operao destinada a dispersar produtos qumicos na gua aser tratada, em particular no processo de coagulao (NBR12216).
Unidades de Mistura Rpida
12216).
Fatores que influenciam na coagulao
a) Tipo de coagulante utilizadob) Concentrao do coagulantec) Gradiente de velocidaded) Tempo de mistura
As condies ideais em termos de gradiente de velocidade, tempode mistura e concentrao da soluo de coagulante devem serdeterminadas preferencialmente atravs de ensaios delaboratrio. Caso no seja possvel, observar a seguinteorientao:
Disposies da NBR 12216
orientao:
Coagulantes metlicos hidrolisveis:
a) Gradiente de velocidade 700 s-1 e 1100 s-1
b) Tempo de mistura inferior a 5s
Polieletrlitos:
Obedecer as recomendaes do fabricante
Constituem dispositivos de mistura:
a) Qualquer trecho ou seo de canal ou de canalizao queproduza perda de carga compatvel com as condiesdesejadas, em termos de gradiente de velocidade e tempo
Disposies da NBR 12216
desejadas, em termos de gradiente de velocidade e tempode mistura;
b) Difusores que produzam jatos da soluo de coagulante,aplicados no interior da gua a ser tratada;
c) Agitadores mecanizados;
d) Entrada de bombas centrfugas
Misturadores hidrulicos
Medidor Parshall (Calha Parshall)
Vertedouros
Tipos de Misturadores
Vertedouros
Difusores ou malhas difusoras
Misturadores mecanizados
Turbinas
Hlices
Medidor Parshall
Figura 1: Esquema de uma Calha Parshall Convencional
Medidor Parshall
V
N
K
Ponto de disperso do coagulante
D D'
W C
FB G
2/3B
Figura 2: Medidor Parshall (planta e corte) utilizado como unidade de misturarpida
Fonte: Libnio, 2008.
Medidor Parshall
Figura 4: Medidor Parshall, ETAItabirito.
Foto: Elaine Oliveira.
Medidor Parshall
Figura 4: Medidor Parshall,
Vertedouros
Floculante colocado em calha perfurada paradistribuio uniforme ao longo de toda a quedadgua.
Figura 6: Vertedor retangular utilizado para mistura rpida.
So dispositivos que produzem jatos da soluo de coagulante,aplicados no interior da gua a ser tratada.
Malhas Difusoras
Figura 8: Esquema do de uma malha difusora.
Mistura rpida
Malhas difusoras
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A dissipao de energia correspondente ocorrer no volume de gua situado aat duas vezes e meia o espaamento entre os orifcios (V = 2,5 AE) (AzevedoNetto et al.)
Malhas Difusoras
Figura 9: Distncia para a Dissipao da Energia dos jatos Originrios da Malhadifusora.
Dispositivos da NBR 12216:
a) A aplicao de soluo de coagulante deve seruniformemente distribuda, atravs de jatos no-dirigidos nomesmo sentido do fluxo
Malhas Difusoras
mesmo sentido do fluxo
b) Velocidade mnima da gua do reator: 2 m/s
c) rea mxima da seo transversal do reator correspondente acada orifcio: 200 cm2
d) Dimetro mnimo dos orifcios da malha difusora: 3 mm
e) O sistema difusor deve permitir limpezas peridicas nastubulaes que distribuem a soluo de coagulante
Malhas Difusoras
Figura 10: Esquema da malha difusora do exerccio 3.
Tipos de agitadores
Agitadores Mecanizados
Figura 11: Agitadores tipo turbina e de hlices utilizados para mistura rpida.
Agitadores Mecanizados
Figura 12: Padro do fluxo para agitadores tipo turbina e hlice.
Mistura rpida
Misturador mecnico: turbina axial
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Floculao Floculao
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Floculao Floculao
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Sistema de Abastecimento de gua
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Floculao
Floculao
o fenmeno atravs do qual as partculasdesestabilizadas chocam-se umas com as outras paraformar cogulos maiores
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formar cogulos maiores
Floculadores:
So unidades utilizadas para promover a agregao departculas formadas na mistura rpida (NBR 12216)
Fora de Arraste
Fd fora de arraste;Cd coeficiente de arraste
Fd = Cd.A..v2/2g
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Cd coeficiente de arrasteA rea do corpov velocidade do corpo em relao ao fluido peso especfico do lquido.
A fora de arraste (Fd) depende: Energia cintica (v2/2g) rea do corpo Forma geomtrica do corpo (Cd)
Cintica Choque entre Partculas
Os choques entre partculas individuais resultamde:
Movimento pericintico: decorre do movimento
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Movimento pericintico: decorre do movimentoBrowniano e da ao da gravidade
Movimento Ortocintico: so aquelesdecorrentes da introduo de energia externa
Movimento OrtocinticoDe acordo com Smoluchowski:
Nij = nmero de choques, por unidade de tempo e volume,
jijiji
bij nnRR
RR
TKN .
11
3
...4
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Nij = nmero de choques, por unidade de tempo e volume,
Kb = Constante de boltzman
T = Temperatura absoluta
Ri = raio da partcula i
Rj = raio a partcula j
Ni = numero de partculas de tamano i por unidade de volume
Nj = nmero de partculas de tamanho j por unidade de volume
Projeto de Floculadores
Elementos bsicos utilizados em projetos:
Gradiente de velocidade G -(potncia dissipadana massa lquida)*
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na massa lquida)*
Tempo de mistura- T*
Nmero de Camp = G.T (n adimensional)
* Gradiente e tempo de deteno so parmetros que influenciam aoportunidade de choques entre as partculas.
Disposies da NBR 12216
A agitao da gua pode ser promovida por meios mecnicos ouhidrulicos.
O perodo de deteno no tanque de floculao e os gradientes develocidade a serem aplicados devem ser determinados por meio deensaios realizados com a gua a ser tratada.
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Dependendo do porte da estao e a critrio do rgo contratante,no sendo possvel proceder aos ensaios destinados a determinar operodo de deteno adequado, podem ser adotados valores entre 20min e 30 min, para floculadores hidrulicos, e entre 30 min e 40 min,para os mecanizados.
No sendo realizados ensaios deve ser pevistogradiente de velocidade, no primeirocompartimento de 70s- e mnimo, no ltimo, de 10s-.
Disposies da NBR 12216
s-.
Deve ser previsto dispositivos que possa alterar ogradiente de velocidade aplicado, ajustando-os ascaractersticas da gua e permitindo variaes depelo menos 20% a mais e a menos do fixado para ocompartimento
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Os tanques de floculao devem ser subdivididos empelo menos 03 cmaras, separados por cortinas ouparede interligados por aberturas
Disposies da NBR 12216
Quando o fluxo de gua incide diretamente sobre asaberturas, deve-se colocar um anteparo capaz dedesvia-lo
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Disposies da NBR 12216
Os tanques de floculao devem ser providos dedescarga com dimetro mnimo de 150 mm e fundocom declividade mnima de 1%, na direo desta.
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Os tanques de floculao devem apresentar a maiorparte da superfcie livre exposta, de modo a facilitar oexame de processo.
Tipos de FloculadoresFloculadores Mecanizados
Introduz equipamentos mecanizados capazes de mantera gua em constante agitao
a) Agitadores do tipo de Fluxo Axial (Turbinas e Hlices)
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b) Agitadores do tipo paletas
paletas de eixo vertical
paleta nica de eixo vertical
paletas de eixo horizontal
Agitador fluxo Axial - Turbina
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Floculador - Tipo Turbina
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Floculador - Tipo Turbina
Floculador ETA ItacolomiFoto: Peterson
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Floculador Paleta de eixo vertical
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Floculadores mecnicos paleta de eixo vertical
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Floculador Paleta de eixo vertical
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Consideraes sobre distribuio de gua floculada
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Floculador Paleta de eixo horizontal
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Floculador Paleta nica de eixo horizontal
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A potncia fornecida gua por agitadores mecnicos deveser determinada pela expresso (NBR 12216):
P = .G2.Vol
Onde:
Agitadores Mecnicos
Onde:
P potncia, em W
- viscosidade dinmica, em Pa.s
G gradiente de velocidade, em s-1
Vol volume til do compartimento, em m3
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Floculadores Hidrulicos
Faz a gua percorrer um caminho cheio de mudanasde direo
Tipos de Floculadores
Floculador de chicanas
chicanas verticais
chicanas horizontais
Floculador tipo Alabama
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Floculao (recapitulando)
Objetiva promover choque entre as partculasdesestabilizadas pela ao do coagulante paraformao de flocos a serem removiidos porsedimentao ou flotao.
Principais fatores intevenientes
Tempo
Gradiente mdio de velocidade
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Dimensionamento de Floculadores
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Floculador hidrulico
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Floculador Chicanas Verticais
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Floculador Chicanas Verticais
Floculador ETA Itacolomi
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Floculador Chicanas Horizontais
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Floculador Chicanas Horizontais
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Floculador Chicanas Horizontais
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Floculador Tipo Alabama
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O gradiente de velocidade em um compartimento dofloculador hidrulico dado pela seguinte expresso(NBR12216):
Floculador Hidrulico
f
f
vT
ghG
Onde:
v viscosidade cinemtica (m2/s)
Tf tempo de deteno terico para cada cmara de floculao (s)
hf - perda de carga nas passagens (m)
g acelarao da gravidade (m/s2)
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fvT
Disposies da NBR 12216:
a) Nos floculadores hidrulicos, a agitao deve ser obtida pormeio de chicanas ou outros dispositivos direcionais de fluxo queconfiram gua movimento horizontal, vertical ou helicoidal; aintensidade de agitao resulta da resistncia hidrulica aoescoamento e medida pela perda de carga.
Disposies da NBR 12216
escoamento e medida pela perda de carga.
b) A velocidade da gua ao longo dos canais deve ficar entre 10cm/s e 30 cm/s.
c) O espaamento mnimo entre chicanas deve ser de 0,60 m,podendo ser menor, desde que elas sejam dotadas dedispositivos para sua fcil remoo.
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Tipos de Floculadores
Floculadores Hidrulicos:
Pouca flexibilidade (variao de vazo)
Perda de carga
Impossibilidade de alterar o Gradiente de Velocidade Impossibilidade de alterar o Gradiente de Velocidade
Menores custo de implantao,,operao e manuteno
No exige pessoal qualificado para manuteno
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Tipos de Floculadores
Outras Modalidades
Floculador Hidrulico tipo bandeja perfurada
Floculao em meio granular
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Consideraes sobre distribuio de gua floculada
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Obrigado
anibal@em.ufop.br
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