Decantação

Aula 09(b) – Tratamento de água 9.9 – Decantação

9.9.1- Introdução

Decantação ou sedimentação é um processo dinâmico de separação de partículas sólidas suspensas nas águas.

Diminuindo-se a velocidade de escoamento das águas reduzem-se os efeitos da turbulência, provocando a deposição de partículas mais pesadas do que a água, suspensas nas correntes líquidas.

O processo de sedimentação para remoção de partículas sólidas em suspensão é um dos mais comuns no tratamento da água. Consiste na utilização das forças gravitacionais para separar partículas de densidade superior a da água, depositando-as em uma superfície ou zona de armazenamento. As partículas que não são removidas na sedimentação, seja por seu pequeno tamanho ou por serem de densidade muito próxima a da água, deverão ser removidas na filtração.

Normalmente a água contém materiais finamente divididos, no estado coloidal, ou em solução, que não podem ser removidos por sedimentação simples, sendo necessária a adição de coagulante para formar aglomerados ou flocos que sedimentam com facilidade. A sedimentação, com coagulação prévia, é um processo de clarificação usado na maioria das estações de tratamento, visando reduzir a carga de sólidos aplicada aos filtros.

A sedimentação de partículas floculentas é usualmente chamada de decantação e, as unidades onde se realiza este processo, de tanque de decantação, ou simplesmente de decantadores.

Os decantadores mais utilizados são: decantadores de fluxo horizontal, apresentam alta eficiência e baixa sensibilidade a condições de sobrecarga e; decantadores tubulares ou de alta taxa.

9.9.2- Velocidade de sedimentação

Velocidade de sedimentação a 20º C, de partícula com densidade de 2,65 .

Partículas Tamanho daspartículas

Velocidade de sedimentação

Tempo necessário para cair 3,00 m

Areia 0,20 mm 2,4 cm/s 2 minutosAreia fina 0,10 mm 0,9 cm/s 6 minutosSilte 0,01 mm 0,01 cm/s 8 horas

Decantadores de fluxo horizontal.

A relação Q/A é conhecida como taxa e escoamento superficial e é, usualmente dada em m3/m2xdia. A taxa de escoamento superficial é numericamente igual à velocidade crítica de sedimentação. Todas as partículas com velocidade de sedimentação igual ou superior a Vcs

serão integralmente removidas no decantador. Partículas com velocidade de sedimentação menores que Vcs só serão removidas se entrarem no decantador, Figura 9.9 (a), a uma profundidade do fundo não superior a x = Vs x to, sendo to tempo nominal de detenção.

133

Aula 09(b) – Tratamento de água

Figura 9.9 (a) – Trajetória de partículas discretas na zona de sedimentação

Como cscscs

o V

h

bxlxV

bxlxh

AxV

bxlxh

Q

Vt ====

Os flocos de sulfato de alumínio geralmente sedimentam a uma velocidade compreendida entre 0,02 e 0,08 cm/s, ou seja, entre 18 e 70 m3/m2xdia. Em primeira análise, poder-se-ia concluir, pois que a taxa e escoamento superficial deve ficar entre esses valores.

Com os recursos modernos, compreendendo a dispersão de regentes, a coagulação com agentes auxiliares e a floculação mais eficiente, consegue-se obter flocos com melhores condições de sedimentação.

A limitação da velocidade longitudinal máxima a um valor adequado para evitar o arrasto e a resuspensão de flocos já depositados, irá impor uma condição de profundidade mínima nos decantadores dado pela seguinte equação:

18≤=a

A

h

l

Onde:

h e l são respectivamente o comprimento e a profundidade do decantador; A e a, áreas da superfície e da secção transversal.

A profundidade dos decantadores convencionais tem sido adotada geralmente entre 3,5 a 4,5 m. Pode-se adotar profundidades menores quando se faz remoção contínua de lodos.

Com a fixação de uma profundidade mínima resulta um tempo de detenção, parâmetro indevidamente usado como critério básico de projeto há algum tempo.

9.9.3- Objetivos e aplicações da sedimentação

- Remoção de areia: para evitar erosão, depósitos e entupimentos em bombas e instalações mecânicas.

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Aula 09(b) – Tratamento de água - Remoção de partículas sedimentáveis finas (sem coagulação): quando se utilizam

águas de rios com grande transporte de sólido (alta turbidez).

- Retenção de flocos: decantação após coagulação: quando se utilizam processos de coagulação para remoção de matéria coloidal, cor e turbidez, após floculação química.

9.9.4- Tipos de decantadores

a) Em função do escoamento da água

- Decantadores de escoamento horizontal: a água escoa na direção longitudinal, sendo que o comprimento é a dimensão predominante.

- Decantadores de escoamento vertical: a água escoa em movimento ascendente da parte inferior até a superfície dos tanques.

b) Em função das condições de funcionamento

- Decantadores do tipo clássico ou convencional: são aqueles em que se processa apenas a sedimentação com água já floculada.

- Decantadores com contato de sólidos: são aqueles que promovem simultaneamente a agitação, floculação e a decantação.

- Decantadores com escoamento laminar: o escoamento se dá em regime laminar.

9.9.5- Taxa de escoamento superficial

A eficiência de um decantador está relacionada com a taxa de escoamento superficial/ tempo, expressa em m3 de água por m2 de superfície de decantação por dia. Essas taxas são dotadas em função da qualidade da água:

Tipo de sedimentação Taxa (m3/m2 x dia) Remoção de areia 600 a 1200 Sedimentação simples (s/ coagulação) 5 a 20 Clarificação de águas coloidais 15 a 45Clarificação de águas turvas 30 a 60

9.9.6- Relação entre comprimento e a largura

Nos decantadores de fluxo horizontal, deve-se ter uma relação conveniente entre o comprimento e a largura. Comprimentos relativamente pequenos dificultam a boa distribuição da água. Comprimentos relativamente grandes podem resultar em velocidades longitudinais elevadas que causam o arrasto de flocos.

Geralmente são aceitos os limites seguintes:

135


B

L≤25,2 <10

Mais comumente: =B

L3 a 4

Onde: L = comprimento B = largura

9.9.7- Período de detenção

Deve-se assegurar um certo tempo de permanência para a água nos decantadores, para possibilitar a sedimentação das partículas que se deseja remover.

Adota-se:

Período de detenção (horas) = decantadornovazão

decantadordovolume

−−−−

Onde:

Vazão = em m3/hVolume do decantador = em m3

Para decantadores clássicos adota-se geralmente entre 2h e 2h30.

9.9.8- Profundidade dos decantadores

Com o período de detenção e a vazão, obtém-se o volume do decantador, que juntamente com a área superficial, fornecerá a profundidade.

erficialárea

volumeH

sup−=

BxL

TxQH =

Onde:

H = profundidadeQ = vazão T = tempo de detençãoB = largura L = comprimento

A velocidade de escoamento das águas, deve ser inferior a velocidade de arraste das partículas sedimentadas, V < 1,25 cm/s.

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BxH

Q

S

QV ==

O número mínimo de decantadores em uma E.T.A deve ser de 2 unidades, para possibilitar limpeza e reparos, sem interromper o tratamento.

EXEMPLO 9.9. (a):

Uma E.T.A, com 2 decantadores deverá purificar 60 L/s (216 m3/hora; 5.184 m3/dia) de águas coloidais. Calcular os decantadores.

Solução:

a) Área do decantador

Taxa de escoamento superficial adotada: 30 m3/m2xdia

AxVQ =

223

3

173/30

/5184m

xdiamm

diam

V

QA ===

Área para um decantador: 173/2 = 86,5 m2

b) Largura e comprimento

Adotando-se 5,2=B

L

L x B = 86,5

2,5B x B = 86,5

5,2

5,862 =B

5,2

5,86=B

B = 5,9 m

L = 2,5 B

L = 2,5 x 5,9 = 14,75 m

A nova área será (área corrigida):

Ac= L x B = 14,75 x 5,9 = 87 m2 137


c) Profundidade

Adotando-se um período de detenção de detenção de 3 horas.

mx

xBxL

TxQH 71,3

3,87

1083

8,149,5

)2/216(3 ====

d) Verificação da velocidade

scmsmxBxHS

QV /137,0/00137,0

71,39,5

03,0)2/06,0( =====

V = 0,136 c,/s < 1,25 cm/s

9.10- Filtração

9.10.1- Introdução

As suspensões floculadas que não foram retiradas na decantação, devem ser retiradas nos filtros.

Os filtros são constituídos de meios filtrantes (areia, pedregulho, etc) classificados de acordo com sua granulometria e coeficiente de uniformidade, que recebem a água sob vazão controlada.

A medida que a água passa pelo meio filtrante, há a deposição de flocos sobre a mesma que provoca a colmatação da camada superficial, aumentando a perda de carga, e tornando-se necessário a lavagem do filtro.

9.10.2 – Filtros rápidos de gravidade

São aplicados a águas, em associação ao uso de produtos químicos.

9.10.2.1- Taxa de filtração

A taxa de filtração deve ser cuidadosamente fixada pelo projetista, tendo em vista as condições locais (qualidade de água, habilidade de operação, etc.); as características do meio filtrante (materiais e granulometria) e a carga hidráulica. De modo geral, a taxa nominal de filtração, com todos os filtros em funcionamento, fica compreendida entre os seguintes limites:

- Filtros de uma camada: 120 a 360 m3/m2xdia. - Filtros de camada dupla: 240 a 600 m3/m2xdia.

A taxa de filtração a ser adotada, bem como as características granulométrica ideais do material ou materiais filtrantes, devem ser, sempre que possível, determinada por meio de filtro piloto.

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Não sendo possível proceder a experiência em filtro piloto, a norma da ABNT “Projeto de Estação de Tratamento de Água para Abastecimento Público”estabelece os seguintes limites para a taxa de filtração:

- Filtros de camada simples, 180m3/m2xdia. - Filtros de camada dupla, 360 m3/m2xdia .

9.10.2.2- Número e dimensões dos filtros

O número mínimo de unidades deve ser 3, e em caso muito particular 2. Normalmente empregam-se 2 unidades para cada decantador.

Os filtros geralmente apresentam seção quadrada ou retangular. É empregadas a seguinte relação:

n

n

L

B

2

1+=

Onde:

B = largura da câmara.L= comprimento da câmara.n = número de câmaras.

9.10.2.3- Espessura das camadas e altura da caixa de areia

Normalmente adotam-se as seguintes dimensões:

- Altura livre adicional: 0,25 a 0,40 m (mais comum 0,30 m); maior quanto menor o número de filtros.

- Altura de água sobre o leito filtrante: 1,40 a 1,80 m (mais comum, 160 m). - Altura do leito filtrante (camada única de areia): 0,60 a 0,80m. - Altura do fundo falso: mínima ≥D + 0,25 (D = diâmetro da tubulação de água para

lavagem) ou ≥ 0,50.

9.10.2.4- Meio filtrante

Prevalecendo a atual tendência, os filtros de camada única de areia desaparecerão dando lugar aos filtros de duas ou mais camadas filtrantes.

Para os filtros de uma única camada, as características predominantes no País para o material filtrante eram as seguintes:

- Espessura da camada: 0,55 m. - Tamanho efetivo: 0,4 a 0,6 mm. - Coeficiente de uniformidade: < 1,6 - Tamanho mínimo: 0,35 mm. - Tamanho máximo: 1,2 mm. - Peneiras de preparação (usuais): 14 e 42 (Tyler)

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Aula 09(b) – Tratamento de água Camada intermediária:

- Espessura da camada: 0,08 a 0,125 m. - Tamanho efetivo: 0,8 mm. - Coeficiente de uniformidade: < 1,7 - Areia usualmente preparada entre as peneiras 6 e 24 (Tyler).

9.10.3- Filtros lentos

9.10.3.1-Introdução

São aplicados a águas que dispensam o tratamento químico, isto é, águas de baixa turbidez (até 10 ppm de matéria suspensa e 2000 bactérias / mL).

Na filtração lenta, desenvolvem-se ações físicas (coar, sedimentação, adsorção, absorção); ações químicas (oxidação da matéria orgânica, ionização dos grãos de areia); ações biológicas (formação de filme bacteriano em torno das partículas de areia).

9.10.3.2- Taxa de filtração

Varia entre 2,5 a 10,0 m3/m2xdia. Em função das características da água a ser tratada e a vazão média do dia de menor

consumo, determina-se a área mínima de filtro necessária.

9.10.3.3- Número e dimensões dos filtros

O número mínimo de unidades deve ser de 2, sendo que um deles com capacidade para filtrar a vazão de consumo máxima.

Sua forma geralmente é retangular, guardando uma relação de comprimento igual a 2 vezes a largura.

9.10.3.4- Granulometria e espessura da camada de areia e lâmina d’água

Meio filtrante:

- Espessura da camada: - Material filtrante, com diâmetro efetivo entre 0,25 – 0,35 mm. - Com coeficiente de uniformidade entre 2 e 3. - Altura da lâmina d’água sobre a areia 0,90 a 1,50 m.

9.11- Desinfecção

9.11.1- Introdução

140


A desinfecção tem por finalidade a destruição de microorganismos patogênicos presentes na água (bactérias, protozoários, vírus e vermes). Deve-se notar a diferença entre desinfecção e esterilização. Esterilizar significa a destruição de todos os organismos, patogênicos ou não, enquanto que a desinfecção é a destruição de parte ou todo um grupo de organismos patogênicos. Os vírus de hepatite e da poliomielite, por exemplo, não são completamente destruídos ou inativados pelas técnicas usuais de desinfecção.

A desinfecção é necessária, porque não é possível assegurar a remoção total dos microorganismos pelos processos físico-químicos, usualmente utilizados no tratamento da água.

Entre os agentes da desinfecção (desinfetantes) o mais largamente empregado na purificação é o cloro, porque:

- É facilmente disponível como gás, líquido ou sólido. - É barato. - É fácil de aplicar devido a sua alta solubilidade (7,0 g/L aproximadamente a 20oC) . - Deixa um residual em solução, de concentração facilmente determinável, que, não

sendo perigoso ao homem, protege o sistema de distribuição. - É capaz de destruir a maioria dos microorganismos patogênicos. O cloro apresenta algumas desvantagens, porquanto é um gás venenoso e corrosivo,

requerendo cuidadoso manejo e pode causar problemas de gosto e odor, particularmente na presença de fenóis.

O ozônio é o mais próximo competidor do cloro, sendo utilizado em larga escala somente na Europa.

9.11.2- Eficiência na desinfecção

A eficiência da desinfecção é influenciada pelos seguintes fatores:

- Espécie e concentração de organismo a ser destruído. - Espécie e concentração do desinfetante. - Tempo de contato. - Características químicas e físicas da água. - Grau de dispersão do desinfetante na água.

9.11.3- Características de desinfetantes

Os desinfetantes utilizados no tratamento de água, devem apresentar as seguintes características:

- Poder destruir, em tempo razoável na quantidade e condições encontradas nas águas, os organismos patogênicos.

- Não ser tóxicos nas dosagens usuais, nem causar cheiro e gosto que prejudiquem seu consumo pelo homem ou animais domésticos.

- Ser disponíveis a custo razoável e apresentar facilidade de segurança, transporte, armazenamento, manuseio e aplicação.

- Ser de fácil e rápida determinação na água tratada. - Produzir residuais, que constituam barreira sanitária a uma eventual recontaminação

antes do uso.

141

Aula 09(b) – Tratamento de água 9.11. 4- Desinfecção pelo cloro

O cloro é usado no tratamento de água como: - Oxidante: com a finalidade de modificar a característica química da água na qual é

aplicado, por exemplo: a) Remoção de ácido sulfídrico: H2S + 4Cl2 + 4H20 → H2SO4 + 8HCl

b) Remoção do ferro: 2Fe(HCO3)2 + Cl2 + Ca(HCO3)2 → 2Fe(OH)3 + CaCl2 + 6CO2

b) Formação de clorofenol (indesejável) C2H5OH + HClO → C6H4ClOH (clorofenol) + H2O

- DesinfetanteReações com o cloro tais como acima, constituem a demanda que deve ser satisfeita,

afim de que o cloro em excesso, aplicado à água, torne-se disponível para a desinfecção. Tendo sido satisfeita a demanda (ou praticamente não existindo em água relativamente

“limpas”) as seguintes reações podem ocorrer.

a) Na ausência de amônia, o cloro se combina com a água formando o ácido hipocloroso, o qual pode por sua vez, ioniza-se para íon hipoclorito. Abaixo do pH 7, a maior parte do HClO permanece não-ionizada, enquanto, acima do pH 8, a maior parte se encontra na forma ionizada (ClO-), como equação seguinte:

Cl2 + H2O ↔ HCl + HClO ↔ H+ + ClO -

pH< 7 pH>8

O cloro existente na água, na forma de ácido hipocloroso e íon hipoclorito, é definido como cloro livre disponível .

b) Na presença de amônia: o cloro rapidamente reage com a amônia e compostos amoniacais na água formando compostos clorados ativos denominados cloraminas. As cloraminas constituem o chamado cloro residual combinado ou cloro combinado disponível. As seguintes reações ocorrem:

Cl2 + NH3 → NH2Cl (monocloramina) + HCl Cl2 + NH2Cl → NHCl2 (dicloramina) + HCl

Cl2 + NHCl2 → NCl3 (tricloramina) + HCl

Os produtos da reação dependem do pH, da temperatura e da razão inicial entre cloro e amônia. A monocloramina e a dicloramina são formados na faixa de pH entre 4,5 e 8,5. Acima do pH 8,5, as monocloraminas, geralmente existem sozinhas, mas abaixo do pH 4,5 a tricolamina é formada.

Para valores de pH maiores ou iguais a 7, predomina a formação de monocloramina, desde que a relação Cl2/NH3-N seja menor que 5. Na 9.11 (a) é mostrado o que geralmente ocorre quando se adiciona cloro à água contendo amônia. Inicialmente, há formação de monocloramina e dicloramina com o aumento da dosagem de cloro aplicada, causando a diminuição de nitrogênio amoniacal, até que praticamente todo o nitrogênio amoniacal reage com o cloro.

142

Aula 09(b) – Tratamento de água Aumentando-se a dosagem de cloro, há oxidação dos compostos amoniacais até que,

para certa dosagem de cloro aplicada, resulte somente cloro residual livre. Dessa situação em diante, a cada aumento da dosagem de cloro aplicada corresponde um mesmo aumento de cloro residual livre. O ponto corresponde ao teor de residual mínimo de cloro conhecido como “break-point”.

Figura 9.11(a) – Variação dos teores dos compostos de cloro em função da dosagem de cloro em água contendo amônia.

Na prática da cloração, a desinfecção pode ser realizada por um dos três métodos: cloração simples, cloração ao “break-point”e amônia-cloração.

A cloração simples constitui o processo elementar e de uso mais generalizado de desinfecção pelo cloro. Com a cloração simples não há preocupação de satisfazer a demanda de cloro na água, bastando a aplicação de uma dosagem tal que, ao fim de um determinado tempo de contato, 20 minutos por exemplo, o cloro residual livre se mantenha entre 0,1 e 0,2 mg/L, considerando, ma prática, para águas não muito poluídas.

Em casos de águas muito poluídas, nas quais a cloração simples seria ineficaz, uma vez que o cloro residual seria rapidamente consumido, é aconselhável o método de cloração ao “break-point”. As dosagens de cloro, nesse caso: são naturalmente muito variáveis com as características da água, principalmente no que se refere ao seu conteúdo em amônia e outros compostos nitrogenados responsáveis pelo “break-point”.

A dosagem de cloro deve ser tal, que apresente os seguintes residuais:

pH Residual de cloro (ppm)Livre Combinado

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6-7 0,2 1,07-8 0,2 1,58-9 0,4 1,8

A concentração de cloro residual não deve ser superior a 2,5 mg/L.

Na amônia-cloração, aplica-se à água amônia e cloro com a finalidade de serem produzidas cloraminas que proporcionam residuais de cloro combinado mais estáveis que os de cloro livre. Esse método pode ser utilizado com vantagens, quando se pretende manter um residual de cloro na rede de distribuição para prevenir a ocorrência de possíveis contaminações, ou impedir o crescimento de ferro-bactérias e limo no interior das canalizações. Nesse caso, a aplicação de cloro é feita antes da amônia.

Em águas contendo fenóis, para se evitar a formação de sabor e odor na água aplica-se a amônia antes do cloro, com o que se evita a formação de clorofenóis na presença de amônia em excesso.

A desinfecção também pode ser realizada por outros métodos, tais como: desinfecção por ozona; por calor; por irradiação, etc.

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Decantação

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