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FACULDADE DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENHENHARIA SANITÁRIA E DO MEIO AMBIENTE DISCIPLINA: SANEAMENTO GERAL PROFESSORA: CAMILLE MANNARINO AULA: TRATAMENTO DE ÁGUA PARA ABASTECIMENTO TRATAMENTO DE ÁGUA Tratamento de água é o conjunto de processos e operações unitárias que consistem em melhorar suas características organolépticas, físicas, químicas e bacteriológicas, a fim de que se torne adequada a determinado tipo de consumo No caso do abastecimento de populações, o tratamento deve tornar a água potável Água potável: aquela que pode ser consumida sem riscos à saúde humana e sem causar rejeição ao consumo por questões organolépticas Portaria no 2914/2011 MS estabelece valores máximos permitidos para diversos contaminantes orgânicos e inorgânicos que podem estar presentes na água potável Nas Estações de Tratamento de Água (ETA’s), deve-se buscar alternativas técnicas que possibilitem, no mínimo, a produção de água que atenda ao especificado nos padrões de potabilidade Aspectos Econômicos a presença de determinadas substâncias na água pode implicar o surgimento de características economicamente indesejáveis Dureza - causada por cloretos, sulfatos e bicarbonatos de cálcio e magnésio, provoca consumo exagerado de sabão, além de os sais incrustarem-se em tubulações Agressividade - verificada quando a água possui pH muito baixo (acidez), sendo corrosiva, danificando as tubulações. Alcalinidade - ocorrente quando o pH da água é muito elevado, por demais alcalino, obstruindo as tubulações por formar incrustações Quanto mais poluído o manancial, mais complexo será o processo de tratamento e, portanto, mais cara será a água GRADEAMENTO FLOCULAÇÃO FLOTAÇÃO FILTRAÇÃO PROCESSOS DECANTAÇÃO AERAÇÃO COAGULAÇÃO LENTA RÁPIDA DESCENDENTE ASCENDENTE DE ÁGUA FLOCULADA SIMPLES MÉTODOS GERAIS DE TRATAMENTO CORREÇÃO DE DUREZA DESINFECÇÃO CONTROLE DE CORROSÃO TRATAMENTOS ESPECIAIS FLUORETAÇÃO PROCESSOS CAL E SODA ZEÓLITOS OU PERMUTITAS MÉTODOS GERAIS DE TRATAMENTO ROTEIRO PARA PROJETO DE UMA ETA GRADEAMENTO Processo que retira corpos de maiores dimensões presentes na massa líquida através da passagem da água por uma seção dotada de grade. As grades, formadas por barras dispostas verticalmente (solução mais comum), são instaladas em aberturas ou canais por onde a água deverá passar. Toda a área da seção deve ser gradeada. Limpeza a grade poderá ter sistema de limpeza manual ou mecanizada. No primeiro caso, é suficiente uma unidade. No segundo, o mínimo são duas, podendo uma ser manualmente limpa. As grades são constituídas por barras, preferencialmente de perfil chato, com cantos em ângulo reto. A maior dimensão das barras é colocada no sentido do fluxo. A operação de gradeamento deve ser realizada junto à captação de água. GRADEAMENTO Fonte: Prof. Rafael Carvalho (UERJ) GRADEAMENTO Fonte: www.atlanticosul.ind.br - A grade mecânica de barras tipo “correntes” é geralmente instalada em estações de tratamento de água, esgoto ou efluentes industriais, no ínicio do processo, onde existe grande quantidade de sólidos grosseiros que possam prejudicar ou interromper a operação de equipamentos ou unidades de tratamento posteriores. - Os sólidos são retidos nas barras verticais enquanto o fluido passa através das aberturas entre as barras consecutivas. - O material retido é retirado pelo mecanismo de limpeza. Este mecanismo consiste de rastelos fixados em correntes instaladas nas duas extremidades da grade, em sua largura. O acionamento elétrico gira as rodas superiores, fazendo com que a corrente se movimente no sentido da altura da grade, movendo os rastelos para cima, do fundo do canal para o ponto de descarga. - Os rastelos possuem dentes que se encaixam nas aberturas entre as barras. Desta forma, o material retido é elevado até ser descarregado em caixa de coleta, caçamba ou equipamento transportador. GRADEAMENTO Fonte: www.parkson.com.br GRADEAMENTO Fonte: Aquatech GRADEAMENTO Fonte: Prof. Rafael Carvalho (UERJ) DECANTAÇÃO SIMPLES A água tem grande poder de dissolver e de carrear substâncias. Esse poder aumenta ou diminui com a velocidade da água em movimento. Quanto menor a velocidade de escoamento da água, menor será seu poder de carreamento. As substâncias mais grosseiras sedimentáveis e partículas mais pesadas tendem a se depositarem no fundo do canal. Sedimentação processo pelo qual se verifica a deposição de matérias em suspensão no fundo do recipiente do líquido pela ação da gravidade. O material sólido ao se depositar arrasta consigo microorganismos presentes na água, melhorando sua qualidade. Processos utilizados nas bacias de sedimentação (desarenadores): Processos intermitentes - para a remoção do material em suspensão, enche-se a bacia de sedimentação, em seguida mantém-se a água contida em repouso pelo tempo necessário para que as partículas sedimentem e, completando-se o ciclo operacional, esvazia-se a bacia, retirando-se a água decantada. Processos contínuos - quando se promove a decantação baixando-se a velocidade da água durante determinado tempo de detenção suficiente para que as partículas sedimentem. DECANTAÇÃO SIMPLES Bacias de Sedimentação de Partículas Discretas de Operação Contínua A partícula (P) é animada de uma velocidade (V) cujas componentes são (VH) (velocidade de escoamento do líquido) e (VV) (velocidade de sedimentação da partícula). Estudando-se cada movimento separadamente, ambos retilíneos uniformes, pode-se aplicar a equação cinemática: S = So + Vt Fonte: Prof. Rafael Carvalho (UERJ) DECANTAÇÃO SIMPLES/DESARENAÇÃO DECANTAÇÃO SIMPLES/DESARENAÇÃO AERAÇÃO Destina-se à remoção de gases dissolvidos, de odor e sabor e ativação dos processos de oxidação da matéria orgânica. Particularmente porque os processos aeróbicos de oxidação são mais rápidos e produzem gases inodoros, emprega-se a introdução de ar (ou oxigênio puro) no meio aquoso de modo a oxigenar o líquido. Este procedimento é denominado de aeração. Promove remoção de H2S, de substâncias aromáticas voláteis, oxidação de ferro e manganês. No caso de águas retiradas de poços, fontes ou de pontos profundos de grandes represas, essas podem conter ferro e outros elementos dissolvidos ou ainda ter baixa concentração de oxigênio dissolvido e, em conseqüência, ter gosto desagradável. Embora não seja prejudicial à saúde, torna-se necessário oxigenar a água para melhorar sua condição de potabilidade. Em águas superficiais, a aeração é também usada para a melhoria da qualidade biológica da água e como parte preliminar de tratamentos mais completos. Ensaios de laboratório são importantes na determinação da necessidade e da efetividade da aplicação da aeração, bem como dos parâmetros de cálculo utilizados no projeto. AERAÇÃO Métodos de Aeração Nos aeradores mais simples a água sai de uma fonte no topo do aerador, que pode ser constituído por um conjunto de bandejas, sobrepostas, espaçadas e fixadas na vertical por um eixo, ou um tabuleiro de vigas arrumadas em camadas transversais às vizinhas. Aerador de bandeja Aerador de cascara Aeração por Gravidade Métodos de Aeração Na aeração mecânica, um turbilhonamento na água promove a aeração. AERAÇÃO Aeração Mecânica Fonte: Revista TAE AERAÇÃO Métodos de Aeração A aeração pode ser desenvolvida através de aeradores por borbulhamentoque consistem, geralmente, de tanques retangulares, nos quais se instalam tubos perfurados, placas ou tubos porosos difusores que servem para distribuir ar em forma de pequenas bolhas. Essas bolhas tendem a flutuar e escapar pela superfície da água. Aeração por Difusão AERAÇÃO Aeração por Difusão COAGULAÇÃO Coagulação é a desestabilização das partículas coloidais por meios químicos acompanhada da formação de compostos com alto poder de adsorção. É um processo muito rápido, que acontece nos segundos seguintes à aplicação do reagente coagulante à água. Faz-se necessária, então, intensa mistura no ponto de aplicação do produto químico para que se obtenha uma distribuição uniforme do coagulante e a exposição das partículas coloidais ao agente coagulante antes que as reações de coagulação se tenham completado. Para a coagulação, portanto, é requerida uma mistura rápida. O emprego da coagulação química promove redução de turbidez, colóides, bactérias, cor, ferro, ferro e manganês oxidados e alguma dureza. Os coagulantes mais empregado são sulfato de alumínio e sais de ferro. Os custos para a utilização dos sais de alumínio são inferiores, mas os sais de ferro têm a vantagem de serem aplicados em uma faixa de pH mais larga. A coagulação é indispensável em ETA’s que utilizam sistema de filtração do tipo filtração rápida. COAGULAÇÃO Coagulação química: Sulfato de Alumínio Cloreto Férrico COAGULAÇÃO A mistura rápida tem a finalidade de dispersar os coagulantes rápida e uniformemente na massa líquida, de tal maneira que cada litro de água a tratar receba aproximadamente a mesma quantidade de reagente no menor tempo possível, já que o coagulante se hidrolisa e começa a se polimerizar em fração de segundo após o seu lançamento na água. Qualquer dispositivo capaz de provocar intensa agitação, isto é, turbulência na água, mecanizado ou não, pode ser utilizado para a mistura rápida, como bombas, ressaltos hidráulicos, agitadores mecânicos, vertedores etc. Instalações que envolvem o tratamento químico exigem bons operadores e bem treinados. A preparação e aplicação de reagentes químicos, com a otimização de dosagens, requerem habilidade e dedicação. O lançamento do coagulante ocorre em condições adequadas de pH e na dosagem determinada em laboratório. Geralmente usa-se o lançamento de solução aquosa de cal para regular esse pH, considerando-se também que o coagulante reduz o pH e que fora da faixa determinada ele perde eficiência. COAGULAÇÃO No caso dos misturadores hidráulicos, o mais adequado é o empregos de um ressalto hidráulico de grande turbulência. Em geral o dispositivo empregado é uma uma calha Parshall. DOSAGEM DE COAGULANTES E pH DE OPERAÇÃO Ensaio dos Jarros (JAR TEST) O ensaio dos jarros se constitui no meio mais prático, e por isto mundialmente utilizado, para a determinação das condições ideais para a obtenção de boas coagulação e floculação. O ensaio se divide em duas etapas. Na primeira determina-se o pH em que se verificam coagulação e floculação mais perfeitas. Na segunda fase do ensaio constata-se qual a dosagem ideal de coagulante. Para a determinação do pH ótimo fixam-se diferentes valores de pH nos jarros que contêm amostras, adicionando-lhes ácidos ou hidróxidos. Aplicam-se, então, dosagens iguais de coagulante nos jarros. O jarro que apresentar melhor floculação corresponderá ao pH ótimo. Na verificação da dosagem econômica de coagulante, fixa-se o pH ótimo em todos os jarros e aplicam-se dosagens diferentes de coagulantes aos mesmos. A dosagem econômica será a aplicada ao jarro que, apresentando boa floculação, tenha recebido menos coagulante. FLOCULAÇÃO Floculação é a reunião das partículas coaguladas em flocos. Para que isto se verifique é necessário que as partículas se choquem entre si, o que só ocorrerá se elas possuírem velocidades diferentes, ou seja, se houver turbulência na água. Os choques não devem ser muito violentos (pois o objetivo é juntar as partículas) e ocorrerão aleatoriamente. Assim, necessita-se de agitação (que gera turbulência), porém agitação muito menos intensa que na coagulação e com duração muito maior, para que todos os choques de partículas necessários possam acontecer. Os gradientes de velocidade na floculação não podem ser excessivamente elevados, pois, neste caso, seriam rompidos os flocos já formados. É interessante que se faça o gradiente de velocidade decrescer ao longo da floculação, de vez que, com o aumento da quantidade de material já floculado, diminui a energia demandada para a complementação do processo. FLOCULAÇÃO Há vários tipos de floculadores hidráulicos, o mais comum sendo constituído por chicanas, conjunto de cortinas verticais formando compartimentos em série. Com agitação mecânica, os floculadores tipo paletas - de eixo horizontal ou vertical - são os mais correntemente utilizados. FLOCULAÇÃO DECANTAÇÃO DE ÁGUA FLOCULADA A decantação em geral (simples e com adição de produtos químicos) se constitui num dos processos de purificação da água mais utilizados, ocupando, talvez, o segundo lugar, em seguida à desinfecção. A decantação com adição de produtos químicos (seguinte à coagulação e à floculação) é utilizada para remover sólidos sedimentáveis que tiveram sua capacidade de sedimentação aumentada pela adição de produtos químicos. Esse tipo de sedimentação se segue à pré-sedimentação, à aeração (se utilizadas), à cogulação e à floculação, e precede a filtração. Os decantadores podem ser classificados de acordo com sua geometria e com o fluxo que se verifica através do tanque: Quanto à geometria têm-se tanques de sedimentação de base retangular, circular ou quadrada, sendo mais comum, nas unidades clássicas, o fluxo horizontal. DECANTAÇÃO DE ÁGUA FLOCULADA Os tanques de sedimentação são didaticamente divididos em quatro zonas: Zona de Entrada na qual se deve verificar uma suave transição do fluxo de entrada para um regime uniforme estável de que se necessita na zona de sedimentação. Zona de Saída na qual, ao contrário, se deve verificar suave mudança do regime da zona de sedimentação para o regime do fluxo efluente. Zona do Lodo na qual é recebido e armazenado o material decantado, de jeito que não haja interferência na decantação verificada na zona de sedimentação. Zona de Sedimentação na qual se encontra o volume para sedimentação a salvo das interferências das outras zonas. DECANTAÇÃO DE ÁGUA FLOCULADA DECANTAÇÃO DE ÁGUA FLOCULADA DECANTAÇÃO DE ÁGUA FLOCULADA DECANTAÇÃO DE ÁGUA FLOCULADA Corte esquemático de um decantador de placas paralelas Decantador de Alta Taxa DECANTAÇÃO DE ÁGUA FLOCULADA DECANTAÇÃO DE ÁGUA FLOCULADA Quanto mais poluído o manancial, mais complexo será o processo de tratamento e, portanto, mais cara será a água. FILTRAÇÃO A filtração é um processo físico-químico-biológico em que a água atravessa um leito filtrante, de modo que partículas em suspensão sejam retidas produzindo um efluente mais limpo. Existem dois processos distintos de filtração: filtração lenta e filtração rápida. A opção por um dos métodos depende principalmente da qualidade da água bruta e do volume a ser tratado e implica em profundas diferenças no projeto da ETA. O processo de filtração lenta é mais estático em suas alternativas de projeto. O processo de filtração rápida é bastante dinâmico em termos de alternativas de desenhos, podendo ser projetado com materiais diferentes no leito filtrante, dispositivos para aumento da capacidade de filtração,bem como fluxos por gravidade ou forçados, ascendentes ou descendentes. FILTRAÇÃO LENTA Na filtração lenta, o tratamento da água é feito principalmente por processo biológico: Partículas maiores do que os espaços entre grãos são retidas. Forma-se uma camada biológica, composta por partículas inertes, matéria orgânica e microorganismos. Usualmente, os filtros lentos operam com taxas geralmente inferiores a 6 m3/m2.d. Filtros lentos operam com baixa taxa de filtração requerem maiores espaços físicos. Filtros lentos não há emprego de prévia coagulação química FILTRAÇÃO RÁPIDA A filtração rápida em meio granular é o resultado da ação de três mecanismos: Transporte conduzem partículas suspensas para as proximidades da superfície dos grãos do meio filtrante (fenômeno físico) Aderência quando as partículas estão muito próximas dos grãos filtrantes, forças de ação superficial atuam de modo a aderi-las à superfície dos mesmos ou de partículas previamente aderidas aos grãos, removendo as partículas suspensas da água (fenômeno químico) Desprendimento as partículas removidas da água acumulam-se nos grãos filtrantes, diminuindo o espaço entre eles; aumentam as forças cisalhantes sobre o material depositado fazendo com que as partículas sejam desprendidas e arrastadas para outras camadas do filtro, onde o fenômeno se repete Usualmente, os filtros rápidos funcionam com taxas de filtração entre 150 e 600 m3/m2.d. Filtros rápidos necessidade de prévia coagulação química FILTRAÇÃO RÁPIDA Limpeza Ao longo de sua operação, o filtro acumula impurezas entre os interstícios do leito filtrante, aumentando progressivamente a perda de carga e redução na sua capacidade de filtração. Quando a perda de carga ou a turbidez do efluente atingem seus valores máximos preestabelecido, deve ser feita a lavagem. O intervalo de tempo em que o filtro opera entre uma lavagem e outra consecutiva é chamado de carreira de filtração. Uma carreira de filtração fica em torno de 20 a 30 horas podendo, em situações esporádicas, principalmente no início do período chuvoso, ocorrer mais de uma lavagem por dia. Os filtros rápidos são lavados contracorrente com velocidade e vazão suficientes para criar turbulência a fim de promover o desprendimento das impurezas retidas grãos do leito filtrante. Neste processo ocorre a expansão do leito filtrante e o transporte da sujeira antes retida pela água de lavagem. A água efluente deve ter um destino adequado. FILTRAÇÃO RÁPIDA Esquema vertical de um filtro rápido Esquema vertical de um filtro lento DESINFECÇÃO Visa à eliminação de organismos patogênicos que possam estar presentes na água bactérias, protozoários e vírus. Ainda que em outras etapas do tratamento da água para torná-la potável haja redução do número dos microorganismos agregados às partículas coloidais, esse não é objetivo principal dos demais processos e operações unitárias usuais no tratamento das águas. Doenças de veiculação hídrica são o principal fator de morbidade em países em desenvolvimento fragilidade dos sistemas públicos de saneamento. Mortalidade infantil: 35,5 óbitos de crianças menores de um ano por mil nascidos vivos (IBGE, 2000). Mecanismos de ação dos agentes desinfetantes: Destruição da estrutura celular dos organismos; Interferência no metabolismo (inativação de enzimas); Interferência no crescimento, síntese de proteínas, ácidos núcleicos. DESINFECÇÃO A desinfecção da água pode ser realizada por meio de processos, físicos, químicos ou da combinação entre eles. Os processos físicos consistem na aplicação direta de energia sob a forma de calor ou luz (ultravioleta ou gama). O mais antigo processo de desinfecção consiste na fervura da água, assegurando a inativação da totalidade dos microorganismos após um tempo de ebulição. Os processos químicos consistem na exposição da água a ação de diversos produtos, durante um intervalo de tempo suficiente e em concentrações adequadas, visando a inativação dos microorganismos , usualmente por meio de oxidação. Os desinfetantes mais freqüentemente utilizados no tratamento de água, em ordem decrescente de emprego, são: Cloro; Ozônio; Radiações Ultra - violeta; Em sistemas públicos de abastecimento de água, é importante manter um residual do desinfetante na água fornecida à população prevenção contra possível contaminação na rede de distribuição. DESINFECÇÃO CLORO O cloro possui poder oxidante e interage com a parede celular bacteriana, desestruturando-a e levando a uma exposição da membrana celular. Posteriormente, sucede a extrusão de constituintes vitais da célula (DNA, RNA, proteínas, entre outros), o que acarreta alterações nos processos bioquímicos associados à membrana celular, destruição dos componentes intracelulares e conseqüente morte celular. Uso comercial: Cl2 (líquido ou gasoso), hipoclorito de sódio (líquido), hipoclorito de cálcio (sólido). O cloro é o desinfetante mais usado no tratamento de águas devido ao seu baixo custo e por permitir um residual do produto na rede de abastecimento. Pode levar à formação de trialometanos (THM) nas águas de abastecimento. THM reações do Cl com substâncias húmicas THM Organoclorados potencialmente cancerígenos DESINFECÇÃO OZÔNIO O ozônio (O3) é um forte oxidante, capaz de oxidar compostos orgânicos e inorgânicos na água. O mecanismo bioquímico da desinfecção pelo ozônio está relacionado à desestabilização da membrana celular, incluindo a estrutura de proteínas nela inseridas. A membrana perde sua função seletiva e de suporte para enzimas essenciais ao metabolismo celular. O ozônio pode também difundir-se para o interior da célula e oxidar a matéria orgânica existente, interferindo em sua atividade ou mesmo destruindo diversos componentes celulares. DESINFECÇÃO RADIAÇÃO ULTRA - VIOLETA Na desinfecção por raios ultravioleta, o DNA e o RNA absorvem a luz ultravioleta nos comprimentos de onda 200-260nm. Essa absorção promove a formação de dímeros (moléculas compostas por duas unidades similares) que conduzem a uma deficiência na produção de proteínas e na sua replicação, impossibilitando a reprodução celular. 40 a 400nm DESINFECÇÃO RADIAÇÃO ULTRA – VIOLETA FLUORETAÇÃO Adição de flúor à água de abastecimento a fim de agir preventivamente contra a decomposição do esmalte dos dentes. Formas de adição do flúor à água: Ácido fluorsilícico, fluorsilicato de sódio, fluoreto de sódio ou fluoreto de cálcio. A fluoretação é uma exigência da Portaria 635/75 MS controvérsia entre os especialistas. SABESP (SP) valor padrão para a fluoretação da água: 0,7mL/L redução de até 65% na incidência de cáries na população. O excesso de flúor pode ser prejudicial para a saúde Em doses muito altas, os dentes podem ficar manchados ou até quebradiços. CORREÇÃO DE pH Após todas as etapas de tratamento, a água distribuída à população deve atender ao padrão de potabilidade vigente e, além disso, não se apresentar corrosiva ou incrustante. Possibilidade de danos às tubulações de distribuição Corrosão associada à baixos valores de pH Incrustação associada à baixos elevados de pH A água distribuída deve ser quimicamente estável Produtos utilizados para correção de pH: Cal Carbonato de cálcio Carbonato de sódio (barrilha) Hidróxido de sódio (soda cáustica) Gás carbônico Ácido clorídrico Ácido sulfúrico ESQUEMA DE ETA CONVENCIONAL
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