Fichamento Operações Unitarias

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INSTITUTO FEDERAL DA BAHIA – Campus Vitória da Conquista 
DISCENTE: Gianluca Nascimento Felix de Araujo 
DISCIPLINA: Operações Unitárias 
DOCENTE: Aline Magalhães 
MATRICULA: 2017218011 
 
FICHAMENTO OPERAÇÕES UNITARIAS 
 
COAGULAÇÃO 
Etimologicamente, oriundo de raiz latina, o verbo coagular significa converter em sólido e o 
termo ‘coagulação’ surgiu em 1844 derivado do francês coagulation. Este processo decorreu 
inicialmente da necessidade de melhorar o aspecto visual da água para consumo humano. Ainda 
que a comprovação da água como veículo de doenças remonte somente aos meados do século 
XIX, era intrínseca a relação entre a maior concentração de partículas e a perspectiva da 
presença de microrganismos patogênicos. Esta percepção advinha em tempos imemoriais da 
contínua e inadequada deposição dos excretas no solo, posteriormente arrastados pelas chuvas. 
Desta forma, à elevação da turbidez associava-se a perspectiva de transmissão de doenças 
devido ao aporte de microrganismos aos corpos d’água. 
A coagulação consiste essencialmente na desestabilização das partículas coloidais e suspensas 
realizada pela conjunção de ações físicas e reações químicas, com duração de poucos segundos, 
entre o coagulante - usualmente um sal de alumínio ou de ferro -, a água e as impurezas 
presentes. Em solução aquosa os íons metálicos de ferro e de alumínio, positivamente 
carregados, formam fortes ligações com os átomos de oxigênio podendo coordenar até seis 
moléculas de água ao redor, liberando os átomos de hidrogênio (aumentando a concentração 
do íon H+) e reduzindo o pH da suspensão. Este processo denomina-se hidrólise e os produtos 
formados constituem-se as espécies hidrolisadas de ferro e alumínio, podendo culminar, em 
função da dosagem, no precipitado de hidróxido do metal. Posteriormente, verifica-se o 
transporte dessas espécies para o contato com as impurezas presentes, etapa denominada 
mistura rápida, causando - em função da magnitude da dosagem e pH de coagulação - sua 
desestabilização ou envolvimento nos precipitados. Em seguida, com a aproximação e colisão 
das partículas desestabilizadas, há formação dos flocos os quais podem ser removidos por 
sedimentação, flotação e filtração. Assim, espera-se remover especialmente turbidez, matéria 
orgânica coloidal, substâncias tóxicas de origem orgânica e inorgânica, e outras passíveis de 
conferir odor e sabor à água, microrganismos em geral e os precursores da formação de 
trihalometanos elevando-se a qualidade da água distribuída. 
A importância da coagulação testifica-se em duas vertentes distintas e complementares. No 
contexto sanitário à remoção de partículas de dimensões microscópicas associa-se a de 
microrganismos patogênicos. Tal assertiva assume maior relevância na comparação entre as 
dimensões médias dos microflocos77 formados após a coagulação e dos diversos tipos de 
microrganismos geralmente encontrados nas águas naturais. Ao passo que os primeiros 
apresentam usualmente dimensões variando de 2 a 4 pm, para as bactérias do gênero 
Salmonella e coliformes totais as variações são de 0,5 a 2,0 pm e, para os vírus de 0,025 a 0,1 
pm. Protozoários, sabidamente mais resistentes à desinfecção com compostos de cloro, 
apresentam dimensões de 10 a 14 pm, para cistos de Giardia, e 4 a 6 pm de diâmetro para 
oocistos de Cryptosporidium. Da mesma forma, fibras de asbestos78, em relação às quais há 
indícios de que possuam propriedades carcinogênicas, apresentam dimensões inferiores a 2 pm. 
Como consequência, espera-se que os microrganismos sejam envolvidos na formação dos flocos 
de maior tamanho. 
A segunda vertente que confirma a relevância do processo de coagulação é essencialmente 
econômica. Partículas de síliça com diâmetro de 1 pm apresentam velocidade de sedimentação 
da ordem de 1 mm/b (figura 7.2) e cuja densidade (2,65) é significativamente superior à dos 
diversos microrganismos. À remoção de partículas desta magnitude de tamanho, certamente, 
há de se associar à dos microrganismos patogênicos cujas dimensões estão apresentadas na 
figura 7.1. Uma vez que as unidades de decantação de escoamento horizontal via de regra 
apresentam profundidade da ordem de 4 m, seria necessário tempo aproximado de 4000 h para 
que a deposição ocorra. Isto resultaria em áreas imensuravelmente maiores em razão do tempo 
de detenção usual de 1,5 a 3,0 h verificado nestas unidades. Em unidades de decantação de alta 
taxa, a despeito de sua pouca relevância, o tempo de detenção é frequentemente inferior a 10 
min. 
Desta forma, o objetivo principal da coagulação, e da floculação como via de consequência, 
consiste em elevar significativamente a velocidade de sedimentação do aglomerado de 
partículas a ser formado pela adição do coagulante. Para estações de tratamento dotadas de 
unidades de flotação, persiste o objetivo da coagulação em fomentar a agregação das partículas, 
porém sem conferir-lhes elevada velocidade de sedimentação que prejudique o arraste pelas 
bolhas de ar. 
A referida importância da coagulação no contexto sanitário evidencia-se em ampla gama de 
circunstâncias. Vale salientar duas perspectivas contemplando estudos em escala real e 
unidades-piloto direcionados à remoção de cistos de Giardia e oocistos de Crypto. Tais 
microrganismos apresentam densidade inferior a 1,1 e os oocistos em particular velocidade de 
sedimentação inferior a 1 mm/h, não se sedimentando mesmo em reservatórios com elevados 
tempos de detenção. 
O primeiro estudo, fundamentado em levantamento realizado no Colorado (EUA) envolvendo 
oito estações de tratamento de água, apontou a ausência ou ineficiência da coagulação como o 
fator mais relevante na remoção de cistos de Giardia. Foram detectados cistos no efluente de 
duas das unidades - já tendo anteriormente ocorrido a presença em outras três - e em sete das 
oito águas naturais avaliadas. Quatro das estações não eram dotadas de dispositivos para 
mistura rápida, pois às mesmas afluíam água de baixíssima turbidez. Após a adequação da 
coagulação em duas outras - dotadas de unidade de mistura rápida não foram detectados cistos 
na água filtrada mesmo quando se fizeram presentes na água bruta (Hendricks et al., 1988). 
O segundo estudo, fundamentado em conjunto de pesquisas em unidades-piloto centradas nas 
perspectivas de remoção e inativação de Crypto realizadas até 1998, realça a importância do 
conceito de múltiplas barreiras como catalisador na remoção de oocistos deste protozoário. As 
pesquisas - e os resultados delas originários - foram divididas em quatro vertentes principais, 
quais sejam, coagulação-floculação/flotação-sedimentação, filtração em meio granular, 
filtração em membrana e desinfecção. Quando os resultados das pesquisas permitiram foram 
delineados modelos matemáticos, sempre considerando a remoção de Crypto como variável 
dependente, contemplando alguns dos diversos fatores intervenientes em cada estudo. Além 
dos coeficientes de determinação (R2), os modelos apresentaram distintas relevâncias em 
virtude do número de observações - os próprios resultados das pesquisas - que os 
fundamentaram. Destaca-se, especificamente para coagulação-floculação-sedimentação, com 
remoção estimada em 1 a 2 log, o modelo proposto que apresentou excelente aderência aos 
dados experimentais (R2 = 0,95; 24 observações). O mesmo foi composto por três variáveis 
explicativas: dosagem de coagulante, pH da água bmta e dosagem de polímero. Em segundo 
plano o modelo delineado para filtração rápida (R2 = 0,81; 24 observações) apresentou por sua 
vez como variáveis explicativas turbidez e pH do afluente, a taxa de filtração e a profundidade 
do meio filtrante como fatores mais relevantes na remoção de Crypto, estimada em 3 a 4 log 
(Haas et ah, 2001). 
Mecanismos de coagulação 
Inicialmente, para melhor compreender os mecanismos intervenientes no processo de 
coagulação, vale ressaltar que as partículas suspensase coloidais dispersas na água apresentam 
carga predominantemente negativa. A mobilidade eletroforética constitui-se um dos 
parâmetros de avaliação da magnitude da carga das partículas presentes nas águas naturais e, 
dependendo da tecnologia de tratamento, do próprio êxito da coagulação. Sua determinação 
usualmente realiza-se utilizando uma célula microeletroforética ao acondicionar a amostra de 
água em um tubo de pequeno diâmetro de plástico ou vidro. A aplicação axial de um campo 
elétrico à amostra e a inserção de dois eletrodos nas extremidades do tubo induzirá o 
deslocamento das partículas coloidais, fenômeno este denominado eletroforese. A razão entre 
a velocidade média das partículas presentes e o gradiente de voltagem ao longo do tubo 
constitui-se na mobilidade eletroforética, relacionando-se intrinsecamente com sua carga 
superficial. Um segundo parâmetro de controle do processo de coagulação e que também 
traduz a grandeza da carga superficial das partículas coloidais denomina-se o potencial zeta, 
relacionado à eletroforese e determinado com base na própria mobilidade eletroforética. 
Para a grande maioria das águas naturais, com pH da ordem de 7, a mobilidade eletroforética 
(medida em pm/s.cm/V) apresentará valores ligeiramente negativos para este parâmetro. 
Distintas suspensões - sílica, algas e, principalmente, argilas -, que haverão de conferir turbidez 
e eventualmente cor verdadeira às águas naturais, também apresentam característica similar 
(figura 7.3). 
Compressão da dupla camada 
O primeiro mecanismo de coagulação consiste na compressão da referida dupla camada. O 
aumento da força iônica, vale afirmar da concentração de íons, ocasiona a compressão da 
camada difusa. Segundo o modelo de Schulze-Hardy (1900) tal intento é obtido muito mais 
facilmente com a dispersão de íons de carga positiva trivalentes como ferro ou alumínio, a 
razões da ordem de 1:700 em relação aos íons monovalentes e 1:60 em relação aos bivalentes 
(Montgomery, 1985). 
Os íons de carga positiva atravessam a camada compacta, reduzindo a magnitude do potencial 
zeta e a espessura da dupla camada, permitindo a posterior aproximação das partículas. Duas 
grandes inconsistências da teoria da compressão da dupla camada residem na independência 
da dosagem de coagulante com a concentração de partículas coloidais e nos maus resultados 
auferidos com o emprego de sais de cálcio e magnésio como coagulantes com dosagens 
superiores às preconizadas pela lei de Schulze-Hardy. Tais inconsistências apontam para outras 
interações, além dos efeitos eletrostáticos, entre as espécies hidrolisadas do coagulante e as 
partículas dispersas na massa líquida. 
Adsorção-desestabilização 
O segundo mecanismo, também denominado adsorção-neutralização ou mesmo neutralização 
de cargas, ocorre imediatamente após a dispersão do coagulante na massa líquida. Dependendo 
do pH do meio, há formação de diversas espécies hidrolisadas de carga positiva que podem ser 
adsorvidas na superfície das partículas, desestabilizando-as. Em alguns casos minúsculas 
partículas do coagulante, produtos da hidrólise do sal, são adsorvidas pela superfície das 
partículas coloidais, podendo mesmo resultar na reversão da carga da partícula e consequente 
restabilização da suspensão. Tal fato explica a estreita faixa de variação - específica para cada 
água natural -, tanto em termos de dosagem de coagulante quanto do pH resultante, para a qual 
a coagulação neste mecanismo é exitosa. Vale enfatizar também que na maioria dos casos são 
esses produtos da hidrólise, e não os íons dos metais ferro e alumínio, os principais agentes na 
coagulação. Desta forma, o pH - usualmente entre 4.5 e 6,5, para coagulação com sulfato de 
alumínio - toma-se fator preponderante, pois governará a fornação das espécies predominantes 
e a eficiência do processo. 
A adsorção ocorre em intervalo de tempo inferior a 1 s e elevado gradiente de velocidade79, 
podendo suceder com dosagens inferiores às necessárias à compressão da camada difusa. A 
dosagem de coagulante necessária à neutralização da carga é diretamente proporcional à 
concentração e à área superficial do coloide, sendo, desta forma, influenciada pelo número e 
distribuição dos tamanhos de partículas que constituem a dispersão. Em vista deste fato, muito 
provavelmente duas águas com alcalinidade e turbidez de mesma magnitude desestabilizar-se-
ão com dosagens distintas de coagulante, ou seja, a água que apresentar maior número de 
partículas de menor dimensão - provocando aumento da área superficial - há de necessitar 
dosagem mais elevada. A determinação da mobilidade eletroforética constitui importante 
parâmetro de monitoramento desse mecanismo de coagulação, uma vez que a adsorção se 
sucede nas vizinhanças do ponto isoelétrico para o qual o potencial zeta é nulo. 
A adsorção-neutralização como mecanismo de coagulação deve predominar em estações de 
filtração direta de escoamento ascendente e descendente, pois os microflocos formados 
apresentam baixa velocidade de sedimentação e alta resistência ao cisalhamento decorrente 
das forças hidrodinâmicas do escoamento, sendo assim eficientemente retidos nos interstícios 
do meio filtrante. 
Varredura 
Em função do pH de coagulação, à medida que se eleva progressivamente, a dosagem do 
coagulante passa a predominar o mecanismo da varredura, o mais recorrente nas estações de 
tratamento de água. Esse mecanismo foi definido como sweep coagulation, pela inexistência de 
uma relação estequiométrica entre a dosagem de coagulante e a área superficial das partículas 
(Packman, 1965). Em função das dosagens de coagulante e do pH do meio, as partículas coloidais 
são adsorvidas e as suspensas envolvidas pelo precipitado de hidróxido de alumínio ou de ferro. 
Interessante estudo sugere que o precipitado formado nas condições da coagulação por 
varredura apresenta carga positiva, explicando a atração eletrostática exercida sobre as 
partículas suspensas (Dempsey 1984 apud Dennet et al., 1995). 
O mecanismo da varredura inequivocadamente conduz a dosagens mais elevadas, quando 
cotejadas às necessárias à adsorção-neutralização. Desta forma, o floco formado adquire maior 
peso, sedimentando-se com maior facilidade nas unidades de decantação, tomando tal 
mecanismo predominante nas estações convencionais de tratamento de água. Também quando 
do emprego da flotação como etapa de separação dos flocos, a coagulação ocorre por varredura. 
Os flocos formados pelo mecanismo da varredura apresentam densidade80 pouco superior à da 
água (1,01 a 1,05), favorecendo em muitas circunstâncias a não sedimentação e consequente 
arraste às unidades filtrantes. Em qualquer mecanismo de coagulação o processo de 
desestabilização pode ser revertido caso haja variações no pH de coagulação ou da dosagem de 
coagulante, conduzindo à restabilização das partículas coloidais e evitando a agregação. 
Formação de pontes químicas 
No emprego dos polímeros, a coagulação pode efetuar-se por intermédio da formação de 
pontes químicas, quando as partículas coloidais são adsorvidas na superfície das diversas cadeias 
dos polímeros. Para tal finalidade, a molécula do polímero deve ser longa o suficiente para 
minimizar o efeito repulsivo da dupla camada quando da aproximação de mais de uma partícula 
e permitir a adsorção em sua superfície. Há relação direta entre a área superficial das partículas 
coloidais e a dosagem ótima de polímeros, e a melhor agregação não necessariamente ocorre 
para potencial zeta nulo. Íons como cálcio podem afetar a formação destas pontes químicas por 
interagirem com a superfície das cadeias dos polímeros (Letterman; Amirtharajah; 0 ’Melia, 
1999). 
Uma vez que esse mecanismo de coagulação pode ocorrer com polímeros aniônicos, nos quais 
predominam sítios negativos, somente a compressão da camada difusa não explicaria o 
processo. Desta forma, tanto podem ocorrer ligações decorrentesde forças de atração 
eletrostática, quanto a prevalência de pontes de hidrogênio ou das forças de van der Waals. 
Também excessiva dosagem de polímeros evitará a formação de pontes pela ausência de sítios 
disponíveis, conforme apresentado na figura 7.6. 
Fatores intervenientes na coagulação 
Diversos fatores haverão de interferir em maior ou menor monta no processo de coagulação. 
Embora não existam hierarquias absolutas em termos da coagulação, dentre os principais 
fatores intervenientes destacam-se o tipo de coagulante, o pH e a alcalinidade da água bruta, a 
natureza e a distribuição dos tamanhos das partículas causadoras de cor e turbidez, e a 
uniformidade de aplicação dos produtos químicos na massa líquida. Em menor grau podem 
também ser mencionados a presença de íons, a concentração e a idade da solução de 
coagulante, a temperatura da água e, dependendo do mecanismo predominante, o gradiente 
de velocidade e o tempo de agitação na unidade de mistura rápida. 
Tipo de Coagulante 
É evidente que as características da água bruta vão influenciar na escolha do coagulante, mas o 
êxito do processo de coagulação é indissociável do tipo de coagulante utilizado. A característica 
fundamental para um coagulante ser empregado no tratamento de água consiste na capacidade 
de produzir precipitados e espécies hidrolisadas em dissociação no meio aquoso, capazes de 
desestabilizar ou envolver as partículas suspensas e coloidais presentes nas águas naturais. O 
cloreto de sódio constitui contraexemplo interessante. Ao se dissociar na água os íons (Na+ e 
CE) atuam como cargas localizadas e não produzem espécies hidrolizadas fundamentais à 
coagulação, sendo por vezes denominados eletrólitos indiferentes. 
Alealinídade e pH 
No inusual emprego de polímeros orgânicos como coagulantes primários, a alcalinidade e opH 
parecem não afetar significativamente o processo de coagulação, neste caso governado pela 
própria dosagem e concentração de partículas dispersas na massa líquida. Contudo, quando a 
coagulação se efetua com sais de ferro ou de alumínio, independente do mecanismo 
predominante, o pH assume importante papel na prevalência das espécies hidrolisadas do 
coagulante. Já a alcalinidade da água bruta, natural ou artificial, funcionará como tampão, 
minimizando a queda muito acentuada do pH de coagulação. Este fato adquire maior relevância 
no mecanismo da varredura quando o coagulante empregado é o sulfato de alumínio, pois este 
apresenta espectro de variação mais restrito do pH de coagulação para formação do hidróxido, 
comparado ao cloreto férrico. 
Em contrapartida, para estações de filtração direta, nas quais o mecanismo de coagulação 
predominante inclina-se para adsorção-desestabilização, alcalinidade mais significativa da água 
bruta pode tomar-se fator de restrição ao êxito do processo, que usualmente se sucede com 
valores mais baixos de pH. Neste mesmo contexto, embora águas coloridas tendam a apresentar 
pH e alcalinidade baixos, pode haver necessidade do emprego de ácido como auxiliar de 
coagulação, concorrendo para reduzir a dosagem do coagulante primário e a geração de lodo. 
 
FLOCULAÇÃO 
A floculação é uma das operações unitárias106 da clarificação que se constitui um conjunto de 
fenômenos físicos, nos quais se tenciona em última instância reduzir o número de partículas 
suspensas e coloidais presentes na massa líquida. Para tal, fomecem-se condições, em termos 
de tempo e agitação - como para as unidades de mistura rápida, vale afirmar, tempo de 
detenção e gradiente de velocidade -, para que ocorram os choques entre as partículas 
anteriormente desestabilizadas pela ação do coagulante objetivando a formação dos flocos a 
serem posteriormente removidos por sedimentação/flotação ou, nas estações de filtração 
direta, nas próprias unidades de filtração. Também no mesmo contexto das unidades de mistura 
rápida, a energia dissipada na massa líquida para fomentar a aglutinação das partículas pode ser 
de origem mecânica ou hidráulica. A figura 8.1 representa esquematicamente este conceito de 
progressiva redução do número de partículas presentes na água bruta (No) ao longo das 
sucessivas câmaras da unidade de floculação (Nb N2, N3, ...). 
Mecanismos de transporte e intervenientes na floculação 
Na realidade a menção aos mecanismos intervenientes na floculação refere-se à fonna como o 
transporte das partículas desestabilizadas realiza-se para a formação dos flocos. O mecanismo 
de transporte predominante será função das dimensões das partículas desestabilizadas e da 
progressiva formação e crescimento dos flocos. O transporte das partículas pode ocorrer em 
virtude basicamente de três fenômenos: 
 i) ao movimento Browniano107 - denominada floculação pericinética; 
ii) às diferenças de velocidade das linhas de corrente do fluido em escoamento – denominado 
floculação ortocinética] 
iii) às distintas velocidades de sedimentação dos flocos {sedimentação diferencial). 
O movimento aleatório das partículas coloidais de dimensão inferior a 1 pm permite que 
ocorram os primeiros choques. Pode-se afirmar que os primeiros contatos entre as partículas 
desestabilizadas iniciam-se já na unidade de mistura rápida, decorrentes do movimento 
Browniano e da ação da gravidade. Nesta fase, as partículas coloidais desestabilizadas chocam-
se e aglomeram-se formando pequenos flocos com dimensões usualmente inferiores a 1 pm. A 
despeito da menor relevância da floculação pericinética na formação dos flocos, a possibilidade 
de contacto entre os flocos já formados de maior dimensão com as partículas desestabilizadas 
remanescentes é governada pelo movimento Browniano. 
Já a floculação ortocinética decorre da introdução de energia externa que fomenta a aglutinação 
das partículas desestabilizadas e dos microflocos - formados inicialmente por intermédio do 
movimento Browniano -, para a formação de flocos de maior peso, passíveis de serem 
removidos por sedimentação ou flotação. Os parâmetros inerentes à eficiência da floculação 
são o gradiente de velocidade e o tempo de detenção hidráulico, quer no processo de agregação 
das partículas, quer no processo de erosão dos flocos. Assim, a floculação ortocinética é o único 
mecanismo no qual o profissional pode atuar de forma a otimizar a operação. Cabe ressaltar 
que este mecanismo continua a atuar mesmo após a unidade de floculação. Dependendo da 
configuração da estação de tratamento, o canal de água floculada, as comportas de acesso aos 
decantadores e a própria cortina de distribuição permitem que a floculação ortocinética ainda 
ocorra. 
Mecanismos de agregação e ruptura dos flocos 
O conjunto de fenômenos físicos que caracterizam os mecanismos de transporte intervenientes 
na floculação abordados anteriormente converge para outros dois mecanismos, tão essenciais 
quanto conflitantes à eficiência desta operação: a agregação e a ruptura dos flocos. Nessa 
premissa, em função das características da água e das condições de coagulação e floculação, o 
crescimento dos flocos efetua-se até um tamanho limite para o qual se equivalem as tensões de 
cisalhamento e as forças de aglutinação que mantêm as partículas desestabilizadas aderidas à 
estrutura do floco. Com o progressivo aumento das dimensões e da densidade, aliada à melhor 
sedimentabilidade, ocorre elevação da área superficial dos flocos favorecendo a prevalência das 
forças hidrodinâmicas que tendem a provocar o descolamento destas partículas. 
Concorre para maximizar os efeitos da ruptura o fato dos flocos rompidos dificilmente voltarem 
a se formar para as mesmas condições de floculação, mesmo quando se verifica o emprego de 
polímeros orgânicos como coagulantes primários. Nestes casos, após a ruptura do floco, há 
tendência de que os segmentos dos polímeros envolvam completamente a mesma partícula, 
reestabilizando-a e evitando a reagregação. 
Fatores intervenientes na floculação 
Evidentemente quetodos os fatores intervenientes no processo da coagulação podem ser 
listados como relevantes na eficiência da floculação. Além da coagulação propriamente dita, o 
gradiente de velocidade e o tempo de detenção ou tempo de floculação constituem-se 
indubitavelmente nos principais fatores intervenientes na floculação, ainda que para as 
unidades mecanizadas as geometrias das câmaras e das paletas possam também ser 
secundariamente mencionadas. Tais parâmetros governarão a densidade e o tamanho dos 
flocos formados, reduzindo a turbidez e/ou cor aparente da água decantada ou, para estações 
de filtração direta, conferindo aos flocos maior resistência aos efeitos de cisalhamento 
provocado pelas forças hidrodinâmicas do escoamento maximizando a retenção nos interstícios 
do meio filtrante. 
Geometria dos agitadores e das câmaras de floculação 
Para as unidades de floculação com tempos de detenção mais curtos é de se esperar que as 
câmaras de base quadrada apresentem desempenho inferior quando cotejadas às de base 
circular, em função da maior possibilidade de zonas mortas. Contudo, para tempos de detenção 
mais longos a forma das câmaras possivelmente não interferirá significativamente na eficiência 
da floculação e o desempenho da unidade será governado pelo número de câmaras e pela 
disposição das passagens. Evidentemente que as câmaras de floculação de seção quadrada são 
as mais extensivamente empregadas por permitirem arranjos que viabilizam otimizar a área 
destinada à estação de tratamento e reduzir o custo da construção pelo aproveitamento comum 
das paredes. Câmaras de seção circular predominam nas estações pré-fabricadas, em especial 
com o uso de bandejas perfuradas como meio de conferir o gradiente de velocidade à massa 
líquida. Secundariamente, as vazões para as quais estas unidades são usualmente construídas 
concorrem para que a área, e consequentemente o material despendido, seja de menor 
magnitude. 
Tipos de unidades de floculação 
A distinção dos tipos de floculadores fundamenta-se na forma de transferir energia à massa 
líquida, hidráulica ou mecânica, para que possam ocorrer os choques entre as partículas 
desestabilizadas e a consequente formação dos flocos. Para quaisquer tipos de unidades, a 
relevância do gradiente de velocidade e do tempo de detenção como balizadores da floculação 
confirma-se pelos parâmetros de projeto recomendados na literatura técnica listados na tabela 
8.7. 
Unidades de floculação hidráulica 
Antes da caracterização específica de cada tipo de unidade de floculação hidráulica, optou-se 
por apresentar as equações de estimativa do gradiente de velocidade, por se constituírem no 
balizador da magnitude da energia conferida à massa líquida para a formação dos flocos. Desta 
forma, para as unidades de floculação hidráulica, o gradiente de velocidade deve-se à perda de 
carga nas passagens entre as sucessivas câmaras. 
Floculadores de escoamento helicoidal 
Nas unidades hidráulicas de escoamento helicoidal comumente dispõem-se em lados alternados 
aberturas inferiores dotadas de anteparos ou curvas de 90° para impingir o escoamento sempre 
na direção ascendente. Quando construídas em concreto, usualmente, o número de câmaras é 
inferior a 12, podendo com emprego de divisórias em madeira atingir até 24 câmaras. 
Floculadores de escoamento horizontal 
As unidades de floculação hidráulica de escoamento horizontal, raramente empregadas no País 
- à exceção de algumas estações de pequeno porte no Espírito Santo -, constituem-se em última 
análise canais dotados de chicanas através das quais ocorrem as alterações da direção do 
escoamento que hão de favorecer a formação dos flocos (figura 8.22). 
Floculadores de escoamento vertical 
Os floculadores hidráulicos de escoamento vertical apresentam-se com chicanas ou aberturas 
superiores e inferiores. No primeiro caso ocorre escoamento livre por sobre as chicanas nas 
passagens superiores e estas unidades frequentemente são dotadas de até 40 câmaras. No 
segundo caso, as aberturas instaladas abaixo da linha d’água asseguram-lhes o escoamento 
forçado, com o número de câmaras via de regra inferior a 10. Com esta última concepção, 
diversas unidades foram construídas a partir da década de 1960 pela Fundação SESP (Fundação 
Serviços Especiais de Saúde Pública atual Funasa) em Minas Gerais, Espírito Santo e estados do 
Norte e Nordeste, com denominação de floculadores tipo Coxm. Assim como para as unidades 
de escoamento horizontal, recomendam-se velocidades de escoamento superiores a 0,10 m/s, 
objetivando minimizar a precoce deposição de flocos (figura 8.23). 
Unidades de floculação mecanizadas 
As unidades de floculação mecanizadas distinguem-se basicamente pelo eixo, vertical ou 
horizontal, por meio do qual as paletas, turbinas ou hélices estão conectadas aos conjuntos 
motor- redutor. Os floculadores de eixo vertical apresentam-se com até cinco câmaras, mais 
comumente três, e dotados de uma ou mais paletas paralelas ou perpendiculares ao eixo. A 
alternativa mais utilizada nas estações brasileiras constitui-se de paletas paralelas ao eixo de 
rotação, de duas a quatro instaladas em dois ou quatro braços, sendo raro o emprego de paletas 
perpendiculares ao eixo. A faixa de gradientes de velocidade de floculação usualmente aplicada 
culmina em rotação de 2 a 15 rpm. 
Para unidades mecanizadas com agitadores tipo turbina a determinação da potência dissipada 
na massa líquida - e consequentemente do gradiente de velocidade de floculação - é idêntica à 
utilizada para mistura rápida, valendo-se da grandeza adimensional denominada Número de 
Potência (Np).121 
Floculação em malhas 
Embora não se constitua em upi dispositivo específico de floculação, as telas de fios de nylon ou 
arame têm sido utilizadas em canais de água coagulada ou mesmo nas passagens entre as 
câmaras das unidades de floculação. Sua aplicação apresenta-se como alternativa interessante 
para estações existentes, operando com sobrecarga, dotadas de canais de água coagulada ou 
floculada de maiores dimensões. Nesta última circunstância é possível com a instalação destas 
malhas prolongar o tempo de floculação. Evidentemente, pela mesma razão de minimizar a 
ruptura dos flocos, que no primeiro caso as malhas devem conferir gradientes de velocidade 
superiores ao da primeira câmara de floculação e no segundo inferiores ao da última. Quando 
utilizadas a jusante da unidade de mistura rápida, as malhas prestam-se a auxiliar a aplicação 
dos produtos químicos utilizados na coagulação, como os polímeros, ou mesmo dos compostos 
de flúor quando este processo é realizado no início do tratamento. 
A perda de energia que se sucede quando água em escoamento atravessa a malha – passível de 
ser desprezada na maioria dos casos práticos -, como para as unidades hidráulicas de floculação, 
a magnitude desta relaciona-se com o gradiente de velocidade aplicado à massa líquida. 
Comparação entre os tipos de floculadores 
Na definição do tipo de floculador a ser empregado, os métodos hidráulicos têm sido, via de 
regra, preteridos pelos mecanizados nos recentes projetos de construção e ampliação de 
estações de tratamento de água de médio e grande porte. A despeito desta supremacia,' na 
comparação entre as distintas unidades de floculação algumas constatações são inequívocas. Os 
floculadores hidráulicos praticamente prescindem de manutenção e não demandam gastos com 
energia elétrica, sendo a alternativa mais viável para as localidades distantes dos centros mais 
desenvolvidos. Adicionalmente, apresentam custo de implantação inferior ao das unidades 
mecanizadas, à exceção, provavelmente, dos floculadores de escoamento horizontal de menor 
profundidade. Desta forma, como já foi ressaltado, constituem em número absoluto o tipo de 
unidade mais extensivamente empregada no País, sobretudo em estações de tratamento para 
pequenas e médias comunidades onde as prováveisdificuldades inerentes à manutenção dos 
equipamentos inviabilizariam o uso da floculação mecanizada. 
 
DECANTAÇÃO 
O verbo decantar surgiu em 1813, com significado de purificar ou filtrar, valendo-se do francês 
(décanter) derivado do latim medieval extensivamente utilizado pelos alquimistas (decanthare). 
O termo de decantação originou-se no mesmo ano e da mesma forma do francês décantation. 
A decantação, junto com a flotação, consiste na operação unitária que via de regra traduz a 
eficiência das etapas que a precedeu, ou seja, a coagulação e floculação, e em alguns casos 
mesmo a pré-desinfecção quando se objetiva a remoção de ferro e manganês. Na decantação 
aos flocos formados anteriormente são fornecidas condições que os permitam depositar pela 
ação da gravidade. Ambas operações objetivam diminuir o afluxo de partículas às unidades 
filtrantes, consistindo na última etapa da clarficação dentro do contexto de múltiplas barreiras 
no qual o tratamento de água se insere. Desta forma, a nomenclatura correta preconiza referir 
às partículas sedimentadas e ao efluente como água decantada. 
Muito provavelmente a decantação vem a ser a etapa do tratamento à qual em tempos 
imemoriais as populações primeiro se reportaram. Registros confiáveis referem-se ao hábito dos 
egípcios, por volta de 2000 a.C., acondicionarem as águas naturais em jarros para serem 
consumidas após determinado tempo com o intuito de reduzir a quantidade de partículas 
suspensas e dissolvidas. A motivação para se pensar em adicionar alguma substância que 
fomentasse a aglutinação certamente adveio das frustradas tentativas de reduzir a 
concentração de partículas coloidais presentes nas águas naturais. 
Distribuição de água floculada 
Provavelmente o primeiro fator interveniente relacionado especificamente à decantação 
consiste na equânime distribuição da água floculada. Em diversas estações, as unidades de 
floculação são construídas contiguamente em relação aos decantadores, de tal forma que se 
prescinde de dispositivo específico para permitir a afluência da água floculada. A saída do 
floculador conecta-se diretamente à entrada do decantador e nestas circunstâncias comumente 
associa-se uma unidade de floculação a uma de decantação. 
Contudo, para a maioria das estações de tratamento, esta distribuição, para uma ou mais 
unidades, efetua-se por meio de canais de água floculada que se comunicam com as comportas 
de cada decantador. Frequentemente, verifica-se na rotina operacional das estações que 
monitoram individualmente a água decantada, desempenho distinto de unidades de 
decantação idênticas, com período de funcionamento entre limpezas de mesma magnitude, 
decorrente da distribuição desigual de água floculada. Como consequência sucede-se um 
significativo aporte de partículas aos filtros, pois à maior vazão de água decantada estará 
associada o maior número de partículas, concorrendo em última instância na redução do 
intervalo entre as lavagens das unidades filtrantes. Adicionalmente, para algumas estações a 
concepção hidráulica da distribuição da água decantada proporciona que para alguns filtros 
aflua, preferencialmente, o efluente de decantadores operando com vazões superiores às de 
outras unidades. 
Sedimentação de partículas discretas 
A agregação das partículas e a perspectiva da formação dos flocos perdurar na unidade de 
decantação inviabilizam o delineamento de um modelo matemático que estime a velocidade de 
sedimentação e a consequente remoção das partículas suspensas e coloidais presentes na água 
bruta. Tais estimativas acabam por ser realizadas por meio de ensaios em reatores estáticos ou, 
de forma muito mais restrita no País, em colunas de sedimentação. 
Desta forma, a modelação matemática para sedimentação realiza-se de forma simplista 
considerando as partículas presentes como partículas discretas125, ou seja, mantêm sua 
individualidade na trajetória descendente mesmo se porventura se chocarem entre si, 
perspectiva que se aproxima da realidade para águas com baixa concentração de partículas. 
Nesta vertente, sobre um corpo imerso em um fluido agirão, em primeira instância, duas forças: 
a força da gravidade que o impelirá no sentido descendente e a força do empuxo idem no 
sentido ascendente. 
Sedimentação de partículas floculentas 
Conforme salientado, a impossibilidade de se prever a ocorrência e a efetividade dos choques 
entre os flocos na unidade de decantação, toma difícil sintetizar a sedimentação de partículas 
floculentas em termos de modelação matemática. Assim, a estimativa da taxa de aplicação 
superficial poderia ser realizada por meio de um contador de partículas que fornecesse o 
número e a distribuição dos tamanhos dos flocos - ainda assim seria necessário estimar a 
densidade destes -, utilizando-se a equação 9,12. Todavia, ao contrário do que se sucede com 
partículas de areia, a possibilidade de quebra dos flocos quando do uso deste equipamento é 
muito significativa, conforme mencionado no Capítulo 7. 
Em vista do exposto, as alternativas viáveis recaem para realização de ensaios em colunas de 
sedimentação ou reatores estáticos. Estes ensaios objetivam, apesar de intrínsecas limitações, 
abarcar os fatores que concorrem para favorecer a agregação dos flocos na unidade de 
decantação. Fomentam o prolongamento da floculação, em especial, o tempo de detenção - que 
se relaciona com a profundidade do decantador -, a concentração e distribuição dos tamanhos 
das partículas. 
Na primeira alternativa - de uso restrito mesmo nos países mais desenvolvidos - utiliza-se uma 
coluna de acrílico, ou mesmo de PVC, de altura idêntica à profundidade do decantador a ser 
preenchida com a água floculada. Embora haja recomendações distintas à realização deste tipo 
de ensaio – sobretudo no que se refere aos pontos de amostragem -, resultados fidedignos 
podem ser alcançados com apenas um ponto de coleta à profundidade da mesma ordem de 
grandeza à da unidade de decantação. Tanto quanto possível, a água floculada deve ser mantida 
a temperatura constante e o diâmetro da coluna deve permitir que a retirada das amostras não 
induza ao abaixamento significativo do nível d’água e minimizando os efeitos de parede - desta 
forma há recomendações de diâmetro mínimo de 150 mm. 
Como segunda alternativa, estes ensaios podem ser realizados nos reatores estáticos de 2,0 L 
dos equipamentos de jar test. Aliada à maior exequibilidade, tais ensaios podem fornecer 
resultados confiáveis acerca da taxa de aplicação superficial. Os resultados podem ser 
interpretados131 da mesma forma utilizada para a sedimentação discreta com base na equação 
9.16. 
Tipos de unidades de decantação 
A decantação pode ocorrer, basicamente, por meio de três variantes: decantadores de 
escoamento horizontal, decantadores de alta taxa e decantadores de manto de Iodos (floco-
decantadores). Nesta última alternativa - quase inexistente no Brasil, mas de extensivo emprego 
nos EUA e Canadá – as operações de floculação e sedimentação sucedem-se na mesma unidade. 
Decantadores de escoamento horizontal 
Aspectos geométricos 
Estas unidades constituem as mais comumente utilizadas no Brasil e na maioria dos países, 
respondendo por 60 a 70 % da área das unidades integrantes da estação de tratamento. 
Usualmente os decantadores de escoamento horizontal apresentam-se na forma retangular em 
planta, mais facilmente adaptável ao lay-out das estações e com a perspectiva de 
aproveitamento comum das paredes para construção de floculadores e filtros. Esta afirmativa 
testifica-se pela figura 9.8. 
As formas circulares apresentam utilização mais restrita, a despeito da facilidade de raspagem 
do lodo sedimentado. Por vezes, estações originariamente construídas para filtração direta em 
linha, nas quais a deterioração das características da água culminou na alteração para tecnologia 
convencional, apresentam decantadores de seção circular.As mencionadas circunstâncias 
motivaram a construção do floculador hidráulico de 13 câmaras e decantador circular mostrados 
na figura 9.9. 
FILTRAÇÃO 
No que tange ao tratamento de água, a filtração constitui-se no processo144 que tem como 
função primordial a remoção das partículas responsáveis pela cor e turbidez, cuja presença 
reduziria a eficácia da desinfecção na inativação dos microrganismos patogênicos. Apesar desta 
evidência, a filtração e outras etapas do tratamento tomam-se prescindíveis quando a qualidade 
da água bruta, oriunda sobretudo de mananciais subterrâneos, permite efetuar apenas a 
desinfecção. Nas estações de tratamento convencionais cabe à filtração provavelmente a função 
mais relevante, por se constituir na etapa na qual as falhas - porventura ocorridas na coagulação, 
floculação e sedimentação/flotação - podem ser corrigidas, assegurando a qualidade da água 
tratada. 
A referida relevância da filtração está consolidada no meio técnico, quer pela recente Portaria 
518 (Ministério da Saúde, 2004b) quer pela Agência de Proteção Ambiental dos EUA (USEPA- 
United States Environmental Protection Agency), pois ambas estabelecem, embora com 
distintos requisitos de qualidade, a necessidade desta etapa na distribuição da água captada em 
mananciais superficiais. 
Mecanismos intervenientes na filtração 
A filtração rápida consiste na conjunção dos mecanismos de transporte e de aderência. Os 
primeiros constituem-se fenômenos físicos e hidráulicos afetados pelos parâmetros que 
governam a transferência de massa. Em outro contexto, os mecanismos de aderência são 
influenciados por fenômenos predominantemente químicos, tais como formação de pontes 
químicas - quando do emprego de polímeros como auxiliares de coagulação -, forças 
eletrostáticas e de van der Waals, balizados por parâmetros físicos e químicos também 
intervenientes nas etapas de coagulação e floculação ( 0 ’Melia; Stumm, 1967). Desta forma, 
conforme assinalado, espera-se remover na filtração ampla gama de partículas que, se 
presentes na água filtrada, reduziríam a eficiência da desinfecção. 
No funcionamento dos filtros lentos - a serem abordados neste capítulo ao mencionado 
mecanismo de transporte, agrega-se a filtração biológica realizada pelos microrganismos que se 
desenvolvem no interior do meio filtrante, responsável pela elevada eficiência destas unidades 
na remoção de patogênicos. 
Mecanismos de transporte 
Os mecanismos de transporte são significativamente influenciados pela temperatura da água - 
que por sua vez há de intervir, por meio da viscosidade, na laminaridade do escoamento -, pelas 
características do meio filtrante (diâmetro e forma dos grãos, espessura e porosidade) e pela 
taxa de filtração. A prevalência de um ou outro mecanismo de transporte dependerá da 
concentração e, sobretudo, da distribuição dos tamanhos das partículas do afluente, além dos 
fatores intervenientes na velocidade intersticial, quais sejam, a porosidade do meio filtrante e a 
taxa de filtração. A velocidade intersticial é o quociente entre a taxa de filtração e a porosidade 
do meio filtrante, por consequência, cresce gradativamente à medida que a retenção de 
partículas se sucede no interior do filtro. 
Coagem ou ação de coar 
O referenciado emprego de filtros no tratamento das águas de consumo humano norteou-se 
pela perspectiva de remoção das partículas de maior dimensão, quando comparadas aos 
interstícios do meio filtrante, que podem variar de 0,1 a 0,2 mm, para grãos de 0,5 mm, até 0,3 
a 0,6 mm para grãos de 1,2 mm. Embora vinculadas ao êxito da coagulação e floculação, pode-
se admitir que as dimensões dos flocos variem de 0,5 a 2,0 mm (figura 10.2). Desta forma, a 
coagem ou ação de coar constitui-se no primeiro e mais evidente mecanismo de transporte 
responsável pela retenção de partículas e pela evolução mais significativa da perda de carga no 
topo do meio filtrante. Estima-se que a retenção por coagem seja governada pela relação entre 
os diâmetros das partículas e dos grãos que integram o meio filtrante, e sua relevância cresce 
quando esta for superior a 0,2, tomando-se o mecanismo predominante na filtração para 
partículas maiores que 100 pm. 
Para estações de filtração direta, o emprego de auxiliares de coagulação e, em vários casos, de 
sais de ferro como coagulantes primários reduz a perspectiva de erosão dos flocos. Esta 
constatação confere maior relevância ao mecanismo da coagem, pois os flocos retidos na 
superfície do meio filtrante hão de apresentar maior resistência aos crescentes efeitos de 
cisalhamento em razão da progressiva elevação da velocidade intersticial, motivada pela 
redução dos vazios intergranulares (porosidade). Adicionalmente, a consequente redução das 
dimensões dos interstícios favorece a remoção por coagem de partículas ainda menores. 
Todavia, nas estações convencionais, a relevância deste mecanismo decresce significativamente 
pelo fato de que os flocos de maior dimensão, passíveis de serem retidos por coagem, são 
majoritariamente removidos nas unidades de decantação. Também não são removidos por este 
mecanismo os coloides (0,01 a 10 pm), as bactérias (1 a 10 pm) e os cistos e oocistos de 
protozoários (4 a 14 pm). 
Sedimentação 
Para as partículas com densidade superior à da água - flocos de sais de ferro e de alumínio 
apresentam usualmente densidade de 1,01 a 1,05 - descortina-se a perspectiva da sedimentação 
como mecanismo de transporte responsável pela eficiência do processo de filtração. Este 
mecanismo revela-se nos inúmeros canalículos formados pelos interstícios do meio filtrante que 
se comportam como microunidades de sedimentação. O escoamento da água no interior do 
meio filtrante sucede-se em regime laminar, governado pelas forças viscosas e assegurando o 
paralelismo entre as linhas de corrente. As partículas de maior tamanho e densidade podem 
desviar-se da trajetória das linhas de corrente e depositarem-se na superfície dos grãos, 
vinculando a eficiência deste mecanismo à relação entre a velocidade de sedimentação da 
partícula, função da lei de Stokes - mencionada no Capítulo 9 - , e a velocidade de aproximação. 
Interceptação 
O deslocamento das partículas ao longo de uma linha de corrente tangencial à superfície dos 
grãos pode favorecer a interceptação como relevante mecanismo de transporte interveniente 
na filtração. O choque das partículas com os grãos do meio filtrante, e posterior deposição, 
ocorre quando a distância da linha de corrente à superfície do grão for inferior à metade do 
diâmetro da partícula. Desta forma, os modelos propostos para estimar a relevância da 
interceptação, também utilizando coeficiente adimensional r|I, relacionam os diâmetros da 
partícula e do grão do meio filtrante, sintetizados na equação 10.2: 
Difusão 
A difusão como mecanismo de transporte interveniente na filtração decorre do movimento 
aleatório das moléculas de água que transfere, e confere, às partículas coloidais de dimensões 
inferiores a 1 pm, um movimento difusivo denominado Browniano146. A intensidade do 
movimento Browniano vincula-se duplamente à elevação da temperatura da água - pelo 
aumento da energia termodinâmica das moléculas e redução da viscosidade -, à dimensão e 
densidade das partículas dispersas, e à velocidade de aproximação. Para tais partículas a 
perspectiva de desvio da linha de corrente, e posterior deposição, ocorre nas regiões do meio 
filtrante onde as velocidades intersticiais são ainda mais baixas. Um dos modelos propostos para 
estimar a eficiência da difusão foi estabelecido, por meio do parâmetro adimensional r|D, 
materializado na equação 10.3 (Levich, 1962 apud Montgomery, 1985): 
Forças hidrodinâmicas 
A remoção de partículas de maiores dimensões pode também ocorrer pela ação das forças 
hidrodinâmicas decorrentes da diferença das velocidades tangenciais à superfície da partícula, 
assegurada pela laminaridade doescoamento. O consequente gradiente de velocidade produz 
diferença de pressão na direção perpendicular ao escoamento, impelindo a partícula para a 
região de velocidades mais baixas favorecendo a deposição na superfície dos grãos. Este 
mecanismo explica a remoção de partículas de maiores dimensões, cuja densidade próxima à 
da água minimiza o efeito da sedimentação, e cujas dimensões o da difusão. 
Impacto inercial 
Por fim, partículas de maiores dimensões e densidade podem adquirir quantidade de 
movimento suficiente, mantendo sua trajetória original, para se chocarem com os grãos e serem 
retidas, quando ocorrer a divergência das linhas de corrente na proximidade destes. Este 
mecanismo denomina-se impacto inercial e sua relevância foi estimada por Ives por meio do 
parâmetro adimensional E, conforme a equação 10.4: 
Mecanismos de aderência 
Diversas pesquisas confirmaram que a retenção de partículas no meio filtrante transcende à 
simples ação dos mecanismos de transporte. Como exemplo, para a filtração de suspensão de 
argila à taxa de 130 m3/m2.dia (1,5 mm/s) através de meio filtrante de areia obteve-se remoção 
da ordem de 20 % em termos de turbidez. Posteriormente, após coagulação com sais de ferro 
ou alumínio, e a consequente desestabilização das partículas, a eficiência elevou-se para 95 %, 
evidenciando a relevância dos mecanismos de aderência no desempenho das unidades de 
filtração (Kaufman, 1969 apud Di Bernardo, 1980). 
A atuação dos mecanismos de aderência fomenta a retenção das partículas suspensas afluentes 
às unidades filtrantes na superfície dos grãos ou por agregação às partículas anteriormente 
retidas. 
Estes mecanismos congregam forças de van der Waals, interações eletrostáticas, pontes 
químicas e adsorção específica. 
Forças de van der Waals 
O êxito da coagulação há de produzir a plena desestabilização das partículas reduzindo a 
magnitude das forças de repulsão eletrostáticas e favorecendo a supremacia das forças de van 
der Waals. Estas forças constituem-se sempre forças de atração, podendo existir entre partículas 
de mesma carga, neutras ou de cargas opostas, sendo, porém, seu campo de ação limitado a 
distâncias muito curtas. A grandeza das forças de van der Waals e, por conseguinte, a adesão 
das partículas ao meio filtrante são também governadas pela dimensão e densidade das 
partículas afluentes à unidade filtrante, tendendo a aumentar com a redução da distância entre 
as mesmas e os grãos. No entanto, tais forças exercem relativa importância no processo de 
adsorção entre partículas.