2ª Aula - Coagulação/Floculação PDF

16/09/24 COAGULAÇÃO / FLOCULAÇÃO 1 1 DISTRIBUIÇÃO DE TAMANHO DE PARTÍCULAS EM ÁGUAS NATURAIS 10 -3 μm...

16/09/24 COAGULAÇÃO / FLOCULAÇÃO 1 1 DISTRIBUIÇÃO DE TAMANHO DE PARTÍCULAS EM ÁGUAS NATURAIS 10 -3 μm 1 μm Partículas Partículas Coloidais Partículas em dissolvidas suspensão (argilas, substâncias húmicas, polifenóis, complexos organometálicos e fitoplâncton...) § Processos de separação § Tratamento convencional e suas variantes por membrana: filtração em linha osmose inversa filtração directa nanofiltração filtração lenta ultrafiltração (côr real, SDT, (turvação, côr aparente, SST) compostos dissolvidos) 0,45 μm 2 2 1  16/09/24 TRATAMENTO CONVENCIONAL DE ÁGUAS DE ABASTECIMENTO Agente oxidante ? ? Alcalinizante Coagulante Polímero CAP Captação Coagulação Floculação Sedimentação Água tratada Correção de pH Desinfecção Filtração Alcalinizante desinfectante Agente 3 3 A eliminação das partículas coloidais é realizada pelo processo de coagulação - floculação, que consiste na agregação mútua dos colóides em suspensão para formar pequenos aglomerados (flocos) de dimensões e peso suficiente para serem removidos do seio da suspensão por decantação ou filtração. Esta agregação implica: - redução da estabilidade da suspensão de modo a que se verifique a adesão de partículas postas em contacto (DESESTABILIZAÇÃO); - o favorecimento das colisões entre partículas destabilizadas. A probabilidade de colisão determina a cinética do processo (AGREGAÇÃO). 4 4 2  16/09/24 COAGULAÇÃO Processo unitário responsável pela desestabilização das partículas coloidais presentes num sistema aquoso, preparando-as para a sua remoção nas etapas subsequentes do processo de tratamento. Mistura rápida FLOCULAÇÃO É um processo físico (operação unitária) no qual as partículas coloidais são colocadas em contacto umas com as outras, de modo a permitir o aumento do seu tamanho físico (floco), alterando, desta forma, a sua distribuição granulométrica. Mistura lenta No tratamento de águas é utilizado para: ü remoção da turvação; ü remoção de cor (verdadeira e aparente); ü eliminação de bactérias, vírus e outros organismos patogénicos; ü remoção de algas e outros organismos planctónicos; ü eliminação (parcial) de substâncias responsáveis por gostos e cheiro; ü remoção de fosfatos; ü remoção de metais pesados. 5 5 COAGULANTES UTILIZADOS EM TRATAMENTO DE ÁGUA - Sulfato de alumínio (sólido ou líquido) - Cloreto férrico (líquido) - Sulfato férrico (líquido) - Cloreto de polialumínio (sólido ou líquido) - Coagulantes orgânicos catiónicos (sólido ou líquido) 6 6 3  16/09/24 Relembrar/estudar (material de apoio) A desestabilização das partículas coloidais, em tratamento de água, pode ser conseguida por três mecanismos diferentes: - Adsorção com neutralização de carga (coloides hidrófobos); - Arrastamento de partículas por formação de precipitados volumosos; - Formação de pontes químicas entre partículas (adição de polímeros orgânicos sintéticos, denominados polielectrólitos). 7 7 Relembrar/estudar (material de apoio) COAGULANTES UTILIZADOS EM TRATAMENTO DE ÁGUA - Sulfato de alumínio (sólido ou líquido) - Cloreto férrico (líquido) - Sulfato férrico (líquido) - Cloreto de polialumínio (sólido ou líquido) - Coagulantes orgânicos catiónicos (sólido ou líquido) REACÇÕES DE HIDRÓLISE Em solução aquosa os catiões metálicos apresentam-se como iões hidratados (iões solvatados), neste caso Al(H2O) 6 3+ ou Fe (H2O) 6 3+ funcionando como ácidos (dadores de protões). Reagem com a água e mais facilmente com as bases constituintes da alcalinidade. Forma instável (ácido 1) (base 2) (base conjugada) (ácido 2) 8 em meio alcalino a diminuição do pH é muito mais lenta 8 4  16/09/24 Relembrar/estudar (material de apoio) Forma instável na ausência de alcalinidade a diminuição do pH é muito rápida ……daí a necessidade de adicionar um agente alcalinizante quando não existe alcalinidade suficiente para reagir com o sulfato de alumínio. 9 9 Relembrar/estudar (material de apoio) 1 mg.L-1 de sulfato de aluminio reage com: 0,50 mg.L-1 de alcalinidade natural, expressa em CaCO3; 0,33 mg.L-1 de CaO (85%); 0,39 mg.L-1 de Ca(OH)2 (95%); 0,54 mg.L-1 de Na2CO3; e origina 0,26 mg.L-1 de Al(OH)3 (O sulfato de alumínio é adicionado à água em solução (1 - 5%)) 1 mg.L-1 de sulfato férrico (Fe2(SO4)3)reage com: 0,75 mg.L-1 de alcalinidade natural, expressa em CaCO3 e origina 0,5 mg.L-1 de Fe(OH)3 10 10 5  16/09/24 11 11 Relembrar/estudar (material de apoio) 594 486 1 mg de sulfato de aluminio hidratado reage com 0,818 mg de bicarbonato de cálcio PM(162) Peso equivalente do: Ca ( HCO3 )2 = = 81g / mol 2 PM(100) CaCO3 = = 50g / mol 2 0,818 mg em bicarbonato de cálcio = 0,50 mg em CaCO3 12 12 6  16/09/24 Relembrar/estudar (material de apoio) DOSAGENS DE COAGULANTE UTILIZADAS USUALMENTE ü Sulfato de alumínio (5 mg/l a 100 mg/l) ü Cloreto férrico (5 mg/l a 70 mg/l) ü Sulfato férrico (8 mg/l a 80 mg/l) ü Coagulantes orgânicos catiónicos (1 mg/l a 4 mg/l) 13 13 Relembrar/estudar (material de apoio) JAR-TEST Ver vídeo no moodle 14 14 7  16/09/24 Relembrar/estudar (material de apoio) - PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL A - Considerando que a água bruta tem alcalinidade natural suficiente e um pH óptimo conhecido de floculação. 1 - colocar 6 copos de 1 litro na plataforma do aparelho de Jar-Te s t ; 2 – encher os copos com água bruta até a marca de 1000 ml; 3 - ligar o aparelho na velocidade máxima 100 - 120 r.p.m; 4 - adicionar simultaneamente nos c opos a q uantidade de c oagulante (sulfato de alumínio) que foi calculada para cada copo; 5 - deixar agitar nessa velocidade por 2 a 3 minutos (tempo de detenção na câmara de mistura rápida); 6 - reduzir a velocidade de agitação para 40 - 50 r.p.m durante 10 a 30 minutos (tempo de detenção nos floculadores); 7 - deixar as amostras decantar por algum tempo (esse tempo seria o correspondente à velocidade de sedimentação no decantador – 10 a 30 minutos); 8 - recolher o sobrenadante de todos os copos e analisar os parâmetros necessários para verificar qual deles apresentou melhor resultado; 9 - normalmente o melhor resultado é aquele que apresentou maior redução de cor e turvação e essa dosagem deverá ser a escolhida. 15 15 Relembrar/estudar (material de apoio) 16 16 8  16/09/24 Relembrar/estudar (material de apoio) REMOÇÃO DE TURVAÇÃO 17 17 Relembrar/estudar (material de apoio) MISTURA RÁPIDA Objectivo: - garantir condições de elevada dispersão do reagente em tempos reduzidos. Como avaliar? Pelo gradiente de velocidade (G), parâmetro fundamental no projecto de unidades de coagulação floculação. O G permite avaliar o grau de mistura, quanto maior for o valor numérico, mais forte será a mistura. Expressão desenvolvida por Camp & Stein em 1943 18 18 9  16/09/24 EQUIPAMENTOS HIDRÁULICOS - Canal Parshall / Medidores Parshall - Ressaltos hidráulicos (ex: descarregadores) - Misturadores in-line (injectores e malhas difusora) 19 19 Informação adicional EQUIPAMENTOS HIDRÁULICOS UTILIZADOS PARA PROMOVER A DISPERSÃO DOS AGENTES COAGULANTES (MISTURA RÁPIDA) MEDIDOR (CANAL) PARSHALL 20 20 10  16/09/24 Informação adicional CANAL PARSHALL ressalto hidráulico Doseamento de reagente (sistema difusor) sentido do escoamento 21 21 DESCARREGADORES RETANGULARES 22 22 11  16/09/24 Descarregadores rectangulares 23 23 Relembrar/estudar (material de apoio) INJECTORES MALHAS DIFUSORAS Sistemas difusores Dispersão de reagentes no interior de uma tubagem 24 24 12  16/09/24 Relembrar/estudar (material de apoio) UNIDADES DE MISTURA RÁPIDA DIMENSIONAMENTO (EQUIPAMENTO HIDRÁULICO) Gradiente de velocidade - G, s-1 Tempo de mistura (tempo de retenção hidráulico) Tempo de retenção hidráulico ≤ 1 s 25 25 Relembrar/estudar (material de apoio) UNIDADES DE MISTURA RÁPIDA DIMENSIONAMENTO (EQUIPAMENTO HIDRÁULICO) Gradiente de velocidade - G, s-1 Tempo de mistura (tempo de retenção hidráulico) Tempo de retenção hidráulico ≤ 1 s Gradiente de velocidade 5000 s -1 > G > 800 s -1 Tempo de retenção hidráulico ≤ 1 s 26 26 13  16/09/24 Fonte_Brito,A.G; J.M.Oliveira; J.M. Peixoto 2014,Tratamento de água para consumo humano e uso industria, 2º edição, Publindústria 27 27 Dimensões estandardizadas relativas aos medidores Parshall- apoio ao dimensionamento CANAL PARSHALL Canal (medidor) Parshall, e dimensões padronizadas W(pol, cm) 28 28 14  16/09/24 Dimensões estandardizadas relativas aos medidores Parshall- apoio ao dimensionamento H 0 = kQ n , Q, m 3.s −1 29 29 Canal Parshall – sequência de cálculo utilizada na avaliação do equipamento para materializar a coagulação apoio ao dimensionamento Número de Froude = 4,5 a 9 Número de Froude = 1,7 a 2,5 (ressalto fraco mas estável) 30 30 15  16/09/24 Relembrar/estudar (material de apoio) EQUIPAMENTOS MECÂNICOS - Tanques com misturadores de pás verticais 31 31 O dimensionamento da câmara deve garantir a inexistência de zonas de curto-circuito, apresentando normalmente uma secção quadrada ou rectangular, de acordo com o número de agitador(es), sendo a relação altura útil : largura , de 1:1 ou 2:1, dependendo do tipo de agitador. Caso a opção passe por uma câmara de secção circular, dever-se-á recorrer à colocação de anteparos verticais com relação largura do anteparo: diâmetro da câmara de 1:10, por forma a evitar a formação de vórtex (sobrelevação do nível de água junto às paredes e abaixamento junto ao eixo de rotação), provocando uma dissipação de energia não útil em termos de mistura. 2,7 < L /D < 3,3; 2,7 < H/D < 3,9; 0,75 < h/D < 1,3; B = D/4; b = D/5; x / D = 0,10 32 32 16  16/09/24 UNIDADES DE MISTURA RÁPIDA DIMENSIONAMENTO (EQUIPAMENTO MECÂNICO) P = Potência útil, W (Nm/s); µ = viscosidade dinâmica da água, Ns/m2; V = volume do tanque, m3 Tipo de agitador Valor de KT Propulsor, passo 1, 3 laminas 0,32 P = Potência útil, W (Nm/s); Propulsor, passo 2, 3 laminas 1,00 KT = constante de proprcionalidade adimensional; Turbina, seis laminas planas 6,3 µ = viscosidade dinâmica da água, Ns/m2; D = diâmetro das pás do agitador, m Turbina, seis laminas curvas 4,8 n = número de rotações por segundo da turbina,rps; ρ= massa específica da água Kg/m3 onde: n = número de rotações por segundo da turbina,rps; ρ= massa específica da água Kg/m3; D = diâmetro das pás do agitador, m.; μ = viscosidade dinâmica da água, Kgf.s/m2 (0,1* Ns/m2 ) 33 33 Gradiente de velocidade G: 700 s-1 - 1000 s-1 Mecanismo de coagulação por adsorção-neutralização Gradiente de velocidade G: 300 s-1 – 700 s-1 Mecanismo de coagulação por arrastamento Tempo de retenção hidráulico T< 2 min G- gradiente de velocidade, s-1 T- tempo de mistura óptimo, s C- concentração de sulfato de alumínio, mg/L 34 34 17  16/09/24 FLOCULAÇÃO MECANISMOS DE AGREGAÇÃO DE PARTÍCULAS Floculação Pericinética (Movimento Browniano) As partículas coloidais (