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Tratamento de água IT 3 8 6 – P ro ce ss o s Q uí m ic o s e B io q uí m ic o s Tratamento de água 1) Grandeza e unidades usadas em controle de qualidade das águas; 2) Parâmetros de qualidade da água; 3) Águas naturais e seus usos para fins industriais e potáveis; 4) Clarificação da água e remoção de alguns elementos indesejáveis 5) Abrandamento da água e desmineralização. Água • Substância “complexa” • Excelente solvente 45 x 1045 moléculas de água Água 5 % água doce 95 %água salgada Quantidade de água disponível A quantidade de água doce disponível para consumo é extremamente escassa Distribuição da água no planeta A cada 1000 L 97,5% nos oceanos 1,8% em geleiras 975 L 18 L 0,6% nas camadas subterrâneas 6 L 0,015% nos lagos e rios 0,005% de umidade no solo 150 mL 50 mL 0,0009% em forma de vapor na atmosfera 9 mL 0,00004% na matéria viva 0,4 mL Água • Padrões de potabilidade • Normas de qualidade para água de abastecimento Água – considerações gerais sobre projetos de tratamento de água Cuidados na escolha do mancial Origem do tratamento Qualidade da operação e os problemas de manutenção Água - Parâmetros de qualidade Físico • Sólidos [mg/L] • Turbidez [NTU] • Cor [comparação com uma escala arbitrária de cor] • Sabor e odor [teste de limiar odorífico] • Temperatura [ºC] • Condutividade [S/cm]. Químico • pH [expressa a concentração de íons H+] • Alcalinidade [mg CaCO3/L] • Dureza [mg Ca ou Mg/L] • Metais [mg/L] • Flúor [mg/L] • Matéria orgânica • Oxigênio dissolvido • Demanda de oxigênio Água - Tratamento Projeto de tratamento de água Natureza da água bruta Qualidade desejada para a água tratada Tratamento: é um termo genérico aplicado à conversão da água não-potável em potável. Finalidades: Remoção de produtos nocivos à saúde. A maioria dos processos envolve as etapas: - Remoção de sólidos grosseiros, areia e lama; - Adição de agentes coagulantes/floculantes; - Decantação; - Filtração; - Adição de flúor; e Cloração Finalidades da purificação e principais processos Principais processos de purificação • Higiênica • Estética • Econômica • Por gravidade • Por aspersão • Outros processos( difusão de ar ou aeração forçada) Aeração • Simples • Após a coagulação Sedimentação ou decantação • Aplicação de coagulantes e substâncias auxiliares Coagulação • Lenta • Rápida • Em leito de contato • Superfiltração Filtração • leitos Tratamento por contato Finalidades da purificação e principais processos Principais processos de purificação • Higiênica • Estética • Econômica • Cloro e seus compostos • Ozona • Raios ultra violeta • Outros processos Desinfecção • Uso do carvão ativado • Substituição do processo de cloração Sabor e odor • Cal • Carbonato de sódio • Metafosfato • Silicato e outros Controle da corrosão • Processo da cal • Do carbonato de sódio • Zeólitos Correção da dureza As águas que mais frequetemente dispensam tratamento: fontes, poços profundos bem protegidos, galerias de infiltração e de bacias de captação ou de acumulação. Atributo Unidade Limite desejável Máximo tolerável Dureza (mg/l) < 100 200 Cor (mg/l) < 30 50 Turbidez (mg/l) < 10 25 Ferro (mg/l) < 0,3 1 Coliformes (NMP/100 ml) < 50 100 Tratamentos mais comuns: CLASSIFICAÇÃO DAS ÁGUAS (RESOLUÇÃO CONAMA Nº20, 18/06/86) • Águas Doces: Classe Especial: Destinadas: •Ao abastecimento doméstico sem prévia ou simples desinfecção. Classe 1 •Ao abastecimento doméstico após tratamento simplificado. •À proteção das comunidades aquáticas. •À recreação de contato primário. •À irrigação de hortaliças e frutas que são consumidas com casca. •À preservação do equilíbrio natural das comunidades aquáticas. •À criação natural e/ou intensiva (aqüicultura) de espécies destinadas à alimentação humana. CLASSIFICAÇÃO DAS ÁGUAS (RESOLUÇÃO CONAMA Nº20, 18/06/86) Classe 2 •Destinadas: •Ao abastecimento doméstico após tratamento convencional. •À proteção das comunidades aquáticas. •À recreação de contato primário. •À irrigação de hortaliças e plantas frutíferas. •À criação natural e/ou intensiva (aqüicultura) de espécies destinadas à alimentação humana. Classe 3 •Destinadas: •Ao abastecimento doméstico após tratamento convencional. •À irrigação de culturas arbóreas, cerealíferas e forrageiras. •À dessedentação de animais. CLASSIFICAÇÃO DAS ÁGUAS (RESOLUÇÃO CONAMA Nº20, 18/06/86) Classe 4 Destinadas: •À navegação •À harmonia paisagística Aos usos menos exigentes. Águas salgadas Classe 5 Destinadas: À recreação de contato primário À proteção das comunidades aquáticas À criação natural e/ou intensiva de espécies destinadas à alimentação humana. CLASSIFICAÇÃO DAS ÁGUAS (RESOLUÇÃO CONAMA Nº20, 18/06/86) •Classe 6 Destinadas: •À navegação comercial •À harmonia paisagística •À recreação de contato secundário. •Águas salobras •Classe 7 (mesmas Classe 5) •Classe 8 (mesmas Classe 6) Uso Geral Uso específico Qualidade Requerida Abastecimento doméstico - Isenta de substâncias prejudiciais à saúde; - Isenta de organismos prejudiciais à saúde; - Baixa dureza; - Esteticamente agradável. Abastecimento industrial Água incorporada ao produto (alimentos e bebidas) - Isenta de substâncias prejudiciais à saúde; - Isenta de organismos prejudiciais à saúde; - Esteticamente agradável. Água entra em contato com o produto - Variável com o produto. Água não entra em contato com o produto (caldeiras, refrigeração) - Baixa dureza; Baixa agressividade. Irrigação Hortaliças, produtos ingeridos crus ou com casca. - Isenta de substâncias prejudiciais à saúde; - Isenta de organismos prejudiciais à saúde; Demais plantações - Isenta de substâncias prejudiciais ao solo e às plantações; - Salinidade adequada. Relação entre Usos e Requisitos de Qualidade de Água Uso Geral Uso específico Qualidade Requerida Dessedentação Animal - Isenta de substâncias prejudiciais à saúde dos animais; - Isenta de organismos prejudiciais à saúde dos animais; Preservação da Fauna e da Flora - Variável com a fauna e a flora. Recreação e Lazer Contato primário (contato direto com o meio líquido: natação, surf...) - Isenta de substâncias prejudiciais à saúde; - Isenta de organismos prejudiciais à saúde; - Baixos teores de sólidos suspensos e de óleos e graxas. Contato secundário (navegação, pesca...) - Aparência agradável. Geração de Energia Usinas hidrelétricas. - Baixa Agressividade Usinas Nucleares ou termoelétricas. - Baixa Dureza Transporte - Baixo teor de material grosseiro Relação entre Usos e Requisitos de Qualidade de Água Classes de águas doces em função dos usos (Resolução CONAMA nº20, 18/06/86) USO Classes (maior para menor exigência) Especial 1 2 3 4 Abastecimento doméstico X X(a) X(b) X(b) Preservação do Equilíbrio Natural das comunidades Aquáticas X Recreação de Contato Primário X X Proteção de Comunidades Aquáticas X X Irrigação X(c) X(d) X(e) Aqüicultura X X Dessedentação de AnimaisX Navegação X Harmonia Paisagística X Usos menos exigentes X (a) após tratamento simples. (b) após tratamento convencional. (c) hortaliças e frutas rentes ao solo. (d) hortaliças e plantas frutíferas. (e) culturas arbóreas, cerealíferas e forrageiras. Água - Tratamento • Estações de tratamento de água (ETA) utilizadas no Brasil • Estações de tratamento convencionais • Estação de filtração direta • Estação de flotação a ar dissolvido As características físico-químicas e a tratabilidade definem o tipo mais adequado Alcance das instalações e programação ETA GUANDU Localização Facilidade de acesso e transporte Disponibilidade de energia elétrica Facilidade para afastamento de água de lavagem Disponibilidade de terreno Cota topográfica favorável para adução Condições topográficas e geológicas satisfatórias Custo razoável do terreno Condições de vizinhança GRADEAMENTO DECANTAÇÃO FLOCULAÇÃO DECANTAÇÃO e FILTRAÇÃO REMOÇÃO de MICROORGANISMOS REMOÇÃO de COR, SABOR e ODOR REMOÇÃO de MATERIAL MINERAL (a) (c) (b) (f) (e) (d) (p) ESQUEMA DE UMA E.T.A. A água bruta dos rios é bombeada até a estação de tratamento, nesta fase passa por grades para reter galhos, troncos e material grosseiro flutuante. a) Entrada de água bruta b) Saída do material grosseiro retirado da água bruta. c) Entrada da água nos decantadores. d) Adição de substâncias químicas que participam do processo inicial de tratamento da água (cloro, Al2(SO4)3 e cal). Cloro = usado na desinfecção (destruição dos microorganismos causadores de doenças) Al2(SO4)3 = usado na coagulação das partículas. Cal = usada para correções de pH. •Saída do material prontamente sedimentável. f) Entrada nas câmaras de floculação. g) Saída do material floculado. h) Entrada da água nos decantadores secundários. Normalmente a decantação é acompanhada de uma filtração formada por um leito composto de carvão areia e cascalho. i) Saída contínua do material sedimentado. j) Etapa terciária de tratamento para retirada da flora microbiana (fungos, algas, bactéria e protozoários). k) Adição de cloro (cloro líquido ou dióxido de cloro). l) Saída de material. m) Adição de sílica ativada, polieletrólitos ou adsorção em carvão ativado. n) Entrada da água nas etapas de polimento. o) Saída de material. p) Entrada da água nas etapas de polimento (correção de alcalinidade, dureza e teores de sais de ferro e manganês). q) Saída de material. r) Água tratada pronta para distribuição. (g) (h) (q) (i) (r) (o) (k) (j) (n) (l) (m) Estação de Tratamento de Água O CICLO DE SANEAMENTO ETA - GUANDU AERAÇÃO ETAPAS DO TRATAMENTO DE ÁGUA Tratamento de águas subterrâneas Aeração e arejamento (águas que apresentam carência ou excesso de gases intercambiáveis, bem como para as que contém CO2 em excesso, ferro dissolvido, manganês e substâncias voláteis aromáticas de origem vegetal, acumuladas em represas e em processo de fermentação) • fase gasosa, normalmente o ar, e a água são colocadas em contato estreito • transferir substâncias voláteis da água para o ar e substâncias solúveis do ar para a água • equilíbrio satisfatório entre os teores das mesmas Aeração- Princípios teóricos 𝜕𝐶 𝜕𝑡 = 𝐾𝐿 𝐴 𝑉 (𝐶𝑠 − 𝐶) Integrando: 𝐶𝑠 − 𝐶 = (𝐶𝑆 − 𝐶0)𝑒−𝐾𝐿 𝐴 𝑉 • Onde: Co= concentração inicial do gás Cs =concentração de saturação C=concentração do instante t KL= coeficiente de transferência A= área através da qual ocorre transferência V = volume de água Efeito da temperatura Efeito da pressão TIPOS DE AERADORES Cascata Remoção de gás carbônico e substâncias voláteis. Queda total de 0,75 a 3,0 metros. Plataformas circulares ou retangulares Bandeja TIPOS DE AERADORES Adição de oxigênio e oxidação de compostos ferrosos ou manganosos 3 a 9 tabuleiros iguais Camada de material granulado - superfície de contato. Ar Difuso Aspersão TIPOS DE AERADORES Aeração • Vídeos • https://www.youtube.com/watch?v=_McHTrrOPhk • https://www.youtube.com/watch?v=OO8obWLpmp8 GRADEAMENTO ETAPAS DO TRATAMENTO DE ÁGUA Gradeamento Remoção de Sólidos em Suspensão ETAPAS DO TRATAMENTO DE ÁGUA Gradeamento Remoção de Sólidos em Suspensão • Material grosseiro de origem animal e vegetal • Grades ou peneiras – flutuantes – junto à captação • Objetivo: evitar que plantas, crustáceos ou ainda detritos grosseiros sejam admitidos na ETA. DECANTAÇÃO ETAPAS DO TRATAMENTO DE ÁGUA Decantadores ETAPAS DO TRATAMENTO DE ÁGUA Decantadores Remoção de Sólidos em Suspensão • Material grosseiro de origem mineral • Sedimentação • Antes do bombeamento – evitar problemas nas bombas • Construídos de alvenaria • Seção alargada do duto de captação – velocidade de escoamento é reduzida – permitir a sedimentação • Decantação/sedimentação – separação de partículas sólidas suspensas nas águas • Processo comum em tratamento da água – forças gravitacionais. Saída Vertedor de saída Defletor Lodo de fundo Saída de lodo Entrada Fluxo ETAPAS DO TRATAMENTO DE ÁGUA Decantador retangular de fluxo horizontal COAGULAÇÃO/ FLOCULAÇÃO Coagulação/ Floculação: alteração físico- química de partículas coloidais de uma água. Decantação Filtração ETAPAS DO TRATAMENTO DE ÁGUA Remoção de Sólidos em Suspensão Finamente Divididos Figura 8.1 Página 94 Coloides: dispersão de pequenas partículas de um material em outro D e no m in a çã o sol Dispersão de um sólido em um líquido ou em um sólido Hidrófobo ou Hidrófilo Emulsão Dispersão de um líquido em um líquido Aerossol Dispersão de um líquido ou um sólido em um gás Trazem consigo uma carga elétrica que produz uma força de repulsão mútua Redução e/ ou neutralização da carga favorecem a aglomeração Coloides em sistemas aquáticos • Apresentam, geralmente, carga elétrica negativa. A carga pode se originar de: • Dissociação de subtâncias que constituiam o cristal natural • De reações químicas na superfície • Da adsorção de íons Carga e variação de potencial na superfície de uma partícula Etapas do Tratamento de Água Tratamento Secundário - Mecanismo da coagulação Sedimentação Floculação Mistura rápida Coloides Al2O3 Al2O3 Al ou Fe A lc a lin id a d e Sílica Polieletrótiltos P o te n c ia l Z e ta C o n c e n tr a ç ã o I ô n ic a Dosagem de coagulante (0,1 – 30s) Desestabilização rápida dos colóides 0 Polieletrólitos aniônicos ou catiônicos T a m a n h o d o f lo c o Tempo (20 – 30min) 24,2 – 6,1 cm/s Geração e crescimento dos flocos Adaptado de: Eckenfelder Jr, W.W – INDUSTRIAL WATER POLLUTION CONTROL ETAPAS DO TRATAMENTO DE ÁGUA Remoção de Sólidos em Suspensão Finamente Divididos Coagulação / Floculação: • Transformar impurezas que se encontram em suspensão, em estado coloidal, e algumas que se encontram dissolvidas, em partículas que possam ser removidas pela decantação e filtração. • Adição de coagulante que forma, dentre outros,produto insolúvel destinado a remover as impurezas responsáveis pela cor, turbidez, bem como bactérias, vírus e outros elementos considerados indesejáveis. • Esses aglomerados gelatinosos se reúnem formando flocos. ETAPAS DO TRATAMENTO DE ÁGUA Remoção de Sólidos em Suspensão Finamente Divididos Coagulação / Floculação: • Coagulação: processo através do qual os coagulantes são adicionados à água, reduzindo as forças que tendem a manter separadas as partículas em suspensão. • Floculação: Aglomeração das partículas por efeito de transporte de fluido, de modo a formar partículas de maior tamanho que possam sedimentar por gravidade. • Para cada valor de pH e turbidez da água captada, existe uma quantidade de agente floculante a ser adicionada. • Entre os agentes floculantes, o sulfato de alumínio é o mais utilizado, embora o sulfato ferroso e o aluminato de sódio também sejam empregados. ETAPAS DO TRATAMENTO DE ÁGUA Floculação: Teste de jarro (jar test) Remoção de Sólidos em Suspensão Finamente Divididos C O A G U L A N T E S F A I X A DE pH Sulfato de alumínio 5,0 À 8,0 Sulfato Ferroso 8,5 À 11,0 Sulfato Férrico 5,0 À 11,0 Cloreto Férrico 5,0 À 11,0 Sulfato Ferroso Clorado ACIMA DE 4,0 Aluminato de Sódio e Sulfato de Alumínio 6,0 À 8,5 ETAPAS DO TRATAMENTO DE ÁGUA Remoção de Sólidos em Suspensão Finamente Divididos Coagulação / Floculação: • Entre os agentes floculantes, o sulfato de alumínio é o mais utilizado, embora o sulfato ferroso e o aluminato de sódio também sejam empregados. • As faixas de pH em que geralmente se obtém as condições ótimas de tratamento: COAGULAÇÃO/ FLOCULAÇÃO MISTURA RÁPIDA Unidades de mistura M IS TU R A RÁPIDA LENTA - 1917 - A taxa de colisão entre as partículas é resultado do movimento do fluido Quando aplicada à coagulação Quando aplicada à floculação A AGITAÇÃO é agente físico Fatores que afetam o processo Tempo de mistura Grau de agitação Coagulação – floculação •GRADIENTE DE VELOCIDADE. Qual a importância do gradiente de velocidade? • O agente físico responsável pela realização da coagulação e da floculação é a agitação mais ou menos intensa da água. • O “grau de agitação” ou intensidade da mistura é avaliado pelo parâmetro gradiente de velocidade. Duas partículas i e j, de raio ri e rj, movendo-se com velocidade diferentes, chocam-se com mais facilidade a gradientes de velocidade mais elevados. Colisões entre partículas são induzidas pela presença de gradientes de velocidade na água Coagulação – floculação • A partir do conceito de viscosidade • O tempo de detenção para mistura rápida pode ser calculado pela equação Segundo a NBR 12216 quando ensaios de laboratório não podem ser realizados a dispersão de coagulantes metálicos deve ser feita a gradientes de velocidade compreendidos entre 700 s-1 e 1100 s- 1, com um tempo de mistura não superior a 5 s. Independentemente da equação utilizada, o conceito de gradiente de velocidade é considerado em várias etapas do tratamento: na unidade de mistura rápida; nos floculadores; nas comportas de acesso aos decantadores; no canal de água floculada; nas cortinas de distribuição no interior das unidades de decantação. Coagulação –floculação Sobre essa equação • Tem sido contextada por assumir um regime de escoamento laminar quando nas unidades de mistura rápida e floculação predomina o regime turbulento. • É extensivamente utilizada para projeto e para operação das unidades de mistura rápida. • É corrobora pela NBR 12216, sendo que os parâmetros envolvidos têm sido testados em escala real com bons resultados. Coagulação – floculação Frequência de choques por unidade de volume Para que ocorra tem que haver contato É proporcional: • Ao gradiente de velocidade (G) • À concentração (ni, nj) dessas partículas • Ao raio de colisão (Rij), igual a ½(di+ dj). taxa de redução de partículas Depende da: • Do gradiente de velocidade • Do quadrado da concentração de partículas • Do cubo do raio de colisão Parâmetro Efeito Do gradiente de velocidade Aumentando o gradiente de velocidade, a floculação é mais rápida, até um limite no qual os flocos podem suportar a ação do cisalhamento hidrodinâmico sem se quebrarem. A solução é aplicar gradientes decrescentes à medida que os flocos crescem. Isso se chama floculação escalonada. Do quadrado da concentração de partículas Águas de turbidez muito baixa são mais difíceis de flocular que águas de turbidez mais elevada. Neste caso se recorre ao aumento artificial da concentração de partículas aplicando-se um auxiliar de coagulação. Do cubo do raio de colisão ou seja, do volume das partículas. MISTURA RÁPIDA Tem a finalidade de promover a dispersão do coagulante na água a ser tratada para obter o maior grau possível de homogeneização, de maneira que as taxas de reação ocorram uniformemente em todo o volume. M is tu ra r á p id a É realizada por uma intensa turbulência interna, ou por turbulência externa aplicada por dispositivos mecânicos, ou uma combinação das duas. A reação química de formação dos hidróxidos de ferro ou alumínio se completa em 6 a 7 segundos. Quando do emprego de polímeros como auxiliares de coagulação, que a aplicação ocorra 5 a 10 min após a dispersão do coagulante Para que ocorra uma reação adequada Todos os produtos químicos que alteram o pH (cal, soda, ácidos, cloro e outros) são aplicados a montante do ponto de aplicação do sulfato de alumínio para assegurar uma completa dissolução da mistura. O pH da água bruta deve ser corrigido previamente para que depois da reação com o sulfato de alumínio resulte o pH ótimo de coagulação. A dosagem de sulfato de alumínio deve ser efetuada a uma taxa constante na câmara de mistura, de modo que seja imediata e uniformemente distribuído na água. Maior dificuldade A dificuldade é que as quantidades de coagulante são muito pequenas comparadas ao volume de água a ser tratado • Soluções muito diluídas de sulfato de alumínio podem se hidrolisar antes de sua aplicação; • A literatura sugere valores entre 0,5 % e 2% como ideais a serem adotados na operação ou no projeto de uma estação de tratamento de água. A NBR 12216 reconhece como dispositivos de mistura: • Qualquer trecho ou seção de canal ou canalização que produza perda de carga compatível com as condições desejadas (gradiente de velocidade e condições de mistura); • Agitadores mecanizados; • Difusores que produzam jatos da solução coagulante no interior da água a ser tratada; • Entrada de bombas centrífugas; • Qualquer singularidade onde ocorra turbulência intensa; • Canal ou canalização com anteparos ou chicanas; • Ressalto hidráulico Mistura hidráulica A mistura hidráulica pode ser realizada: Em linha. Por singularidades nas canalizações. Por misturador estático. Por ressalto hidráulico. Uma perda de carga ∆h, produzida pelo deslocamento de um fluido de massa especifica ρ a uma vazão Q, dissipa uma potência P = ρ.g.Q.∆h. Mistura rápida em linha: Pode ser em conduto aberto ou fechado. Perdas de carga em consequência do escoamento ao longo dos encanamentos • O cálculo do gradientede velocidade é feito como no exemplo anterior. • Deve-se escolher uma fórmula de perda de carga que sirva tanto para condutos livres quanto sob pressão. • A equação de Manning para perda de carga unitária satisfaz essa condição. Forçado Mistura rápida em singularidades de canalização As perdas de carga localizadas decorrerem especificamente de pontos ou partes bem determinadas da tubulação. Dispositivos: curva ou mudança de direção; expansão súbita; placa de orifício; válvula e qualquer outra peça que provoque uma perda de carga localizada Placa de orifício Sabe-se que, aproximadamente 80% da energia hidráulica correspondente à perda de carga ΔhL, é dissipada em uma extensão de 5 diâmetros a jusante da singularidade, com um tempo de mistura T = 5.d/v. Aplicando-se T e 80% na equação, resulta Uma perda de carga localizada em que U = velocidade(m.s-1) e d = diâmetro da canalização (m) Mistura rápida hidráulica • Ressalto hiudráulico: Utilizam energia hidráulica para dispersão do coagulante https://www.youtube.com/watch?v=XaDISNRUWCo https://www.youtube.com/watch?v=UwyhBxWmz GQ Ressalto hidráulico Ocorre na transição de um escoamento supercrítico para um subcrítico, que são definidos pelo número de Froude, que é dado pela equação Ressalto hidráulico Alturas do ressalto: para que ocorra o ressalto, é necessário que as profundidades da água imediatamente antes e depois do ressalto, h1 e h2, satisfaçam a relação: em que y2 = altura da lâmina líquida no final do ressalto (m) Tipos de ressalto hidráulico 1) Ressalto Ondulatório – 1,0 ≤ Fr1 ≤ 1,7 2) Ressalto fraco - 1,7 ≤ Fr1 ≤ 2,5 3) Ressalto Oscilante – 2,5 ≤ Fr1 ≤ 4,5 Normalmente os ressaltos hidráulicos podem ser classificados em 5 categorias, dependendo do número de Froude a montante Ressalto hidráulico 4) Ressalto estável – 4,5 ≤ Fr1 ≤ 9,0 5) Ressalto forte – Fr1 > 9,0 Ressalto hidráulico Ressalto F Características Ressalto hidráulico ondulado 1 a 1,7 A dissipação de energia é muito pequena. A superfície da água apresenta pequenas ondulações de modo que o ressalto não é empregado. Ressalto hidráulico fraco 1,7 a 2,5 Pouca energia é dissipada. Uma série de pequenos vórtices é formada sob a superfície livre na região do ressalto e a região a jusante do ressalto permanece aproximadamente uniforme e lisa, assim, ocorre baixa perda de carga. Ressalto oscilante 2,5 a 4,5 O ressalto apresenta uma superfície livre com ondulações e ocorre a formação de ondas que podem se propagar para jusante sobre longas distâncias. Este fenômeno pode causar erosões em alguns tipos de canais. Segundo a NBR 12216 deve ser previsto dispositivo que anule as oscilações de velocidade a jusante desse ressalto. Ressalto estável 4,5 a 9,0 O ressalto é forte e de forma estável, livre de ondulações irregulares. Ressalto forte >9,0 Este tipo de ressalto não é empregado como dissipador de energia porque há o risco de ocorrência de erosões significativas em função da elevada turbulência. O tipo de ressalto desejável para a mistura rápida é o estável, com número de Froude entre 4.5 e 9. Perda de energia no ressalto – En Essa perda de carga se dissipa no volume de água compreendido entres as seções (1) e (2), correspondendo à extensão (comprimento) Lr do ressalto. Altura crítica (profundidade crítica) - yc Comprimento do ressalto - Lr Para números de Froude Froude entre 4.5 e 9 utiliza-se a fórmula de Smetana: Tempo de mistura - Tmr Ressalto em vertedores retangulares Os vertedores retangulares são fáceis de construir e podem ser utilizados também para mistura rápida. A perda de carga no vertedor é significativa, o uso do vertedor retangular para promover a mistura rápida é recomendável somente para instalações pequenas, nas quais não ocorram variações de vazão. Distância entre o vertedor e a seção inicial do ressalto - Lm: depois de passar pelo vertedor, parte da vazão escoada pode retornar, então, a solução do coagulante deve ser adicionada após uma distância Lm. Ressalto hidráulico por mudança de declividade: uma mudança de declividade é uma maneira simples de gerar um ressalto para a mistura rápida. ETAPAS DO TRATAMENTO DE ÁGUA Coagulação e Mistura Rápida: Remoção de Sólidos em Suspensão Finamente Divididos • Feita a adição do agente floculante, a água deve passar por uma região de agitação com um grau de turbilhonamento relativamente elevado, para que se promova o maior contato entre os flocos formados. • Passado o turbilhonamento, deve ser mantida uma leve agitação que promova a formação de novos flocos sem permitir o desagregamento das partículas já formadas. Coagulantes Qualquer agente que produza a coagulação é um coagulante. • Sais que formam hidróxidos na presença de água • Compostos orgânicos naturais ou artificiais de longa cadeia molecular, os polietrólitos. CALHAS PARSHAL Foi idealizado por R.L. Parshall, engenheiro do Serviço de Irrigação do Departamento de Agricultura dos EUA. Originalmente foi pensado como medidor de vazão. Calha Parshall • É um eficiente dispositivo de mistura rápida. • Consiste de três seções: • Uma seção convergente a montante; • Uma seção estrangulada ou garganta; • Uma seção divergente na saída. O piso na seção convergente é horizontal, inclina-se para baixo na garganta e para cima na seção saída. As dimensões são padronizadas: Principal vantagem porque permitem o conhecimento prévio dos gradientes de velocidade. Calha Parshal Vantagens • não requerer energia elétrica; • a manutenção é simplificada pela ausência de partes móveis e pela facilidade de acessar a unidade; • é utilizada como medidor de vazão. Desvantagens • O misturador, depois de implantado, não pode controlar o gradiente de velocidade e o tempo de mistura quando a vazão afluente à ETA muda. A variação de vazão afluente à ETA pode gerar submersão do ressalto, diminuindo a eficiência da mistura. • O misturador pode apresentar erosão no local onde o ressalto é gerado. A construção não é tão simples, comparada com os vertedores retangulares. • A unidade ocupa maior espaço em planta na ETA, comparado com difusores, injetores ou misturadores estáticos. • A unidade para vazões inferiores a 40 l/s pode ser muito pequena, dificultando sua construção no local. • Segundo Azevedo neto, a velocidade da água Aplicação do coagulante e localização da unidade de mistura – considerações Com um único ponto de aplicação do coagulante a mistura só se completará a uma distância L (pode resultar num tempo inadequado para a coagulação). • Quanto maior o número de pontos, menores será a distância L e o tempo de mistura. • Num ressalto hidráulico o coagulante deve ser aplicado antes da zona de turbulência, onde a lâmina tem a menor profundidade. • Isso pode ser feito por meio de um tubo ou canaleta perfurada. Aplicação do coagulante e localização da unidade de mistura – considerações Aplicação do coagulante e localização da unidade de mistura – considerações • O espaçamento entre os orifícios não deve ser maior que 15 cm, de preferência 10 cm. • Em ressaltoscom F1 < 2,5, há tendência de parte da corrente passar pelo fundo sem turbulência e não receber coagulante no tempo devido. Isso pode ser contornado promovendo-se rugosidade artificial no fundo do canal. • Em misturadores mecânicos tipo turbina, o coagulante deve ser aplicado um pouco abaixo do impulsor. Aplicação do coagulante e localização da unidade de mistura – considerações • Como regra geral, a unidade de mistura rápida deve ficar o mais próximo possível dos tanques de floculação. • A situação ideal é a mistura rápida se iniciar imediatamente aos a floculação. Quando isso não for possível devem-se prever medidas para se ter um gradiente no conduto (entre a mistura rápida e a entrada dos floculadores) não menor que o gradiente inicial de floculação. • https://www.youtube.com/watch?v=fYJoT9y98-Q • https://www.youtube.com/watch?v=y6hiOLgTo6g Medidores de Vazão Calhas Parshall Mistura mecânica (com turbinas): • Unidades mecanizadas de mistura rápida são muito utilizadas nos EUA e Canadá, enquanto as hidráulicas são comumente empregadas nos países europeus e em desenvolvimento. • São classificados pelo tipo de fluxo produzido: • de fluxo axial, que move o líquido paralelamente ao eixo do agitador. • de fluxo radial, quando o líquido se move perpendicularmente ao eixo. Agitação mecanizada Câmaras de mistura Principal vantagem em relação aos relação aos misturadores hidráulicos: variação do gradiente de velocidade (variar a potência dissipada). Seção circular D = H Seção quadrada O número de potência relaciona-se com o tipo de agitador e com o regime de escoamento. Para agitadores com turbina de fluxo radial de seis pás retas fixadas em disco e em regime turbulento (Re > 10000), o valor de K passa a ser praticamente constante e igual a 5. Agitadores Mecanizados (NBR 12216) • A potência deve ser estabelecida em função do gradiente de velocidade; • Períodos de detenção inferiores a 2s exigem que o fluxo incida diretamente sobre as pás do agitador. • O produto químico a ser disperso deve ser introduzido logo abaixo da turbina ou hélice do agitador Mistura por difusores de ar (mistura pneumática) Difusores de ar podem ser empregados nas fases de mistura rápida e floculação. • Apresentam vantagens quando é utilizada a clarificação por flotação. • Adaptam-se facilmente as estruturas hidráulicas existentes, sendo uma alternativa para a ampliação ou otimização de uma ETA. • É particularmente aplicável em canais de grande profundidade. O gradiente de velocidade é controlado pelo fluxo de ar, sendo que as bolhas de ar provocam a circulação do líquido. Malha difusora: • São dispositivos que produzem jatos da solução de coagulante, aplicados no interior da água a ser tratada. É constituída por uma série de tubos dotados de orifícios para a dispersão do coagulante. • São necessários pelo menos 16 orifícios por decímetro quadrado para se obter resultados satisfatórios. Isso implica num diâmetro muito pequeno para o orifício. Frequente obstrução e necessidade de limpeza (por isso o emprego dessas malhas difusoras caiu em desuso). FLOCULAÇÃO A floculação é uma operação unitária de clarificação com o objetivo de juntar partículas coaguladas para formar flocos, de modo a possibilitar sua separação por sedimentação ou flotação e/ou filtração da água. É considerada uma operação unitária por envolver apenas fenômenos físicos de aglutinação das partículas. Floculação • Características desejáveis dos flocos: • tamanho e densidade adequados ao processo de remoção que segue: • clarificação por sedimentação ou flotação ou filtração. • Não é desejável a formação de um floco volumoso. É o processo mais utilizado para remoção de substâncias que produzem cor é turbidez na água. O processo de agregação é dependente da duração e da quantidade de energia aplicada (gradiente de velocidade). Fl o cu la çã o a aferição do êxito da floculação efetua-se pelas características da água decantada: monitoramento da turbidez. Sempre que a tecnologia de tratamento envolver o processo de coagulação, a floculação ocorre mesmo na ausência de uma unidade específica para tal finalidade O desempenho da floculação esta diretamente ligado ao desempenho da coagulação. A ineficácia da floculação aumentará a afluência de partículas às unidades filtrantes, favorecendo a deterioração da água filtrada e reduzindo o intervalo entre lavagens podendo tornar o processo de potabilização antieconômico. CINÉTICA DA FLOCULAÇÃO • O mecanismo predominante será função das dimensões das partículas desestabilizadas e do crescimento dos flocos. Os mecanismos de floculação referem- se à forma como o transporte das partículas desestabilizadas realiza-se para a formação dos flocos. Transporte das partículas Devido ao movimento browniano - denominado floculação pericinética Devido as diferenças de velocidade das linhas de corrente do fluido em escoamento - denominado floculação ortocinética Devido as às distintas velocidades de sedimentação dos flocos - denominado floculação por sedimentação diferencial A floculação por sedimentação diferencial é relevante para as ETAs com tecnologia convencional de potabilização. Transporte das partículas Devido ao movimento browniano - Floculação Pericinética • Deve-se ao movimento das partículas coloidais devido ao seu contínuo bombardeamento pelas moléculas de água. • É o primeiro processo de formação de flocos, porém, é menos relevante. • Os primeiros contatos entre as partículas desestabilizadas iniciam- se já na unidade de mistura rápida. • As partículas coloidais desestabilizadas chocam-se e aglomeram-se formando flocos pequenos, com dimensão inferior a 1 µm. • A energia propulsora da floculação pericinética é a energia térmica do fluído. Floculação ortocinética • A floculação ortocinética decorre da introdução de energia externa que fomenta a aglutinação das partículas para a formação de flocos de maior peso Floculação por sedimentação diferencial É decorrente da desuniformidade de volume e massa específica dos flocos (presença de flocos de grande e de pequeno tamanho). Devido as às distintas velocidades de sedimentação dos flocos - denominado floculação por sedimentação diferencial Devido a essa desuniformidade os flocos adquirem distintas velocidades de sedimentação. Ocorrem choques no movimento descendente na unidade de decantação e a formação de flocos mais pesados. Ocorre principalmente no início da unidade de decantação quando a concentração de flocos afluente é muito elevada. Floculação pericinética • Variação na concentração de partículas • O processo é independente de fatores externos, a não ser a temperatura e independe da dimensão das partículas Após a integração e considerando N = No para t = 0, obtém-se: O tempo 𝑡1 2⁄ (em segundos), para reduzir a concentração inicial de partículas em suspensão (No) seja reduzida a metade (N), é dada pelas seguintes relações: Não leva em consideração: a resistência e a quebra de flocos, sua massa específica e volume. Agitação Agregação Ruptura A agregação é resultado dos encontros das partículas desestabilizadas,sendo que a agitação promove uma maior taxa de encontros, formando os flocos. Quanto maior o gradiente de velocidade, mais rápida é a taxa de aglutinação de partículas, porém os flocos crescerão até um limite máximo. As forças de cisalhamento quebram os flocos em partículas menores. Flocualação Floculaçaão A tabela abaixo apresenta valores característicos dos coeficientes de agregação KA e de quebra KB, determinados experimentalmente para diversas condições de água bruta. FLOCULADORES São unidades utilizadas para promover a agregação de partículas formadas na mistura rápida (NBR 12216). Disposições da NRB 12216 Floculdores - Disposições da NRB 12216 I. Agitação: • Mecânica • Hidrúlica II. O período de detenção no tanque de floculação e os gradientes de velocidade a serem aplicados devem ser determinados por meio de ensaios realizados com a água a ser tratada. I. Dependendo do porte da estação e a critério do órgão contratante, não sendo possível proceder aos ensaios destinados a determinar o período de detenção adequado, podem ser adotados valores entre 20 min e 30 min, para floculadores hidráulicos, e entre 30 min e 40 min, para os mecanizados. II. Não sendo realizados ensaios, deve ser previsto gradiente de velocidade máximo, no primeiro compartimento, de 70 s-1 e mínimo, no último, de 10 s-1. III. Deve ser previsto dispositivo que possa alterar o gradiente de velocidade aplicado, ajustando-o às características da água e permitindo variação de pelo menos 20% a mais e a menos do fixado para o compartimento. IV. Os tanques de floculação devem ser providos de descarga com diâmetro mínimo de 150 mm e fundo com declividade mínima de 1%, na direção desta. V. Os tanques de floculação devem apresentar a maior parte da superfície livre exposta, de modo a facilitar o exame de processo. Geometria dos floculdores • Para as unidades com tempo de detenção mais curto é de se esperar que as câmaras de base quadrada apresentem desempenho inferior às de base circular • Câmaras de seção circular predominam nas estações pré- fabricadas, sendo as vazões para estas unidades de menor magnitude. • Empregando agitadores tipo hélice e turbina, e reatores cilíndricos e de base quadrada, verifica-se que os agitadores tipo turbina apresentam resultados superiores quando instalados nos reatores de base quadrada. Base retangular x Base circular Tipos de unidade de floculação Forma de transferir energia à massa líquida: hidráulica ou mecânica Floculadores hidráulicos: Qualquer dispositivo que utilize a energia hidráulica dissipada no fluxo da água através de um tanque, canal ou canalização pode constituir um floculador hidráulico. Floculadores Floculador de chicanas: a) chicanas horizontais (fluxo horizontal); b) chicanas verticais (fluxo vertical) Uma recomendação geral indica o uso de floculadores de fluxo horizontal para vazões superiores a 75 L/s, e para menores capacidades, floculadores de fluxo vertical. A limitação dos floculadores de fluxo vertical é função da profundidade. Com profundidades de até 4,5 m, pode-se usar floculadores de fluxo vertical para capacidades de até 1000 L/s. • Uma recomendação geral indica o uso de floculadores de fluxo horizontal para vazões superiores a 75 L/s, e para menores capacidades, floculadores de fluxo vertical. A limitação dos floculadores de fluxo vertical é função da profundidade. Com profundidades de até 4,5 m, pode-se usar floculadores de fluxo vertical para capacidades de até 1000 L/s. Em floculadores de chicanas de pequena capacidade (40 L/s ou menos), de fluxo horizontal ou vertical, o principal problema apresenta-se no pequeno espaçamento entre as chicanas. Floculadores hidráulicos de ação de jato: tipo "Cox" e "Alabama". São incluídos nesta classificação os floculadores de fluxo helicoidal e os chamados floculadores "Cox" e"Alabama". Nesses floculadores, as passagens entre as câmaras são orifícios submersos. Cox Alabama Floculadores de fluxo vertical em manto de lodos Cita-se ainda o floculador em meio poroso, que teve suas primeiras aplicações na Índia e no Brasil, na década de 1970. Esse tipo de floculador foi recentemente aperfeiçoado na França e nos Estados Unidos. Floculadores mecanizados • Agitadores do tipo de paletas: podem ser de três tipos: paletas de eixo vertical; paletas de eixo horizontal; paleta única, de eixo vertical. • Agitadores do tipo de fluxo axial: de turbinas e hélices. Floculadores – mistura lenta • Mecânico EIXO VERTICAL EIXO HORIZONTAL Floculadores Hidráulico x mistura • As principais deficiências dos floculadores hidráulicos são: Falta de flexibilidade para responder as mudanças na qualidade da água. A hidráulica e os parâmetros de floculação (tempo de floculação e o gradiente de velocidade) são função da vazão e não podem ser regulados independentemente (são de difícil ajuste). A perda de carga pode ser significativa. A limpeza é geralmente difícil. Os tanques de floculação mecânica estão mais sujeitos a curtos-circuitos e zonas mortas, que são praticamente inexistentes nos canais de floculação hidráulica. Os floculadores hidráulicos são menos sensíveis a variações de vazão que o mecânico. DECANTAÇÃO 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. Decantação Remoção de Sólidos em Suspensão Finamente Divididos •Os decantadores mais utilizados são: decantadores de fluxo horizontal, que apresentam alta eficiência e baixa sensibilidade a condições de sobrecarga e; decantadores tubulares ou de alta taxa. • A decantação é uma operação onde ocorre a deposição de matérias em suspensão pela ação da gravidade. • Tempo de Detenção: é o tempo que a água permanece no decantador. T C Q • T = tempo de detenção (h), C = capacidade do decantador (m3) e Q = vazão (m3/h). • De acordo com a expressão acima, o tempo detenção corresponde ao necessário para encher o decantador com a vazão Q. • Para decantadores clássicos adota-se geralmente entre 2h e 2h30. ETAPAS DO TRATAMENTO DE ÁGUA Decantação Remoção de Sólidos em Suspensão Finamente Divididos L V H V 1 • Para as partículas com velocidade de decantação igual ou maior tem chance de ser eliminada, atingido o fundo antes da extremidade f. • Os pontos a e b, com partículas com velocidade V 1 menor que V, são desfavoráveis para eliminação. ETAPAS DO TRATAMENTO DE ÁGUA Decantação Remoção de Sólidos em Suspensão Finamente Divididos As partículas suspensas descem com velocidade constante, sem interferência mútuas, mantendo inalteradas sua forma, peso e tamanho, numa água que apresenta temperatura uniforme e invariável. Cada partícula que atinge o fundo é automaticamente eliminada, ou seja, fica em repouso. Partículas Tamanho das partículas Velocidade de sedimentação Tempo necessário para cair Areia 0,20 mm 2,4 cm/s 2 minutos Areia fina 0,10 mm 0,9 cm/s 6 minutos Silte 0,01 mm 0,01 cm/s 8 horas Velocidade de sedimentação a 20º C, de partícula com densidade de 2,65 . ETAPAS DO TRATAMENTO DE ÁGUA Decantação Remoção de Sólidos em Suspensão Finamente Divididos Retangulares(os mais comuns), circulares, trapezoidais, de placas paralelas; estes dois últimos são mais modernos e de menores dimensões. Corte longitudinal de um decantador convencional ETAPAS DO TRATAMENTO DE ÁGUA Tipos de Decantadores Remoção de Sólidos em Suspensão Finamente Divididos uma partícula está submetida a duas forças: - horizontal - devido ao movimento da água no decantador; - vertical - devido à ação da gravidade. ETAPAS DO TRATAMENTO DE ÁGUA Mecanismos de Decantação Remoção de Sólidos em Suspensão Finamente Divididos - Zona de turbilhonamento - é a parte de entrada da água onde as partículas estão em turbilhonamento. - Zona de decantação - é a zona onde não há agitação e as partículas avançam e descem lentamente, caminhando para a zona de repouso. - Zona de ascenção - é a zona onde os flocos que não alcançaram a zona de repouso seguem o movimento ascensional da água e aumentam a velocidade tornando-se máxima na passagem pelo vertedor. - Zona de repouso - é onde se acumula o lodo. Nesta zona não há influência da corrente de água do decantador, a não ser que haja inversão das camadas de água pela brusca mudança de temperatura; fermentação do lodo, etc. ETAPAS DO TRATAMENTO DE ÁGUA Zonas do decantador DECANTADORES Tipo de sedimentação Taxa (m3/m2 x dia) Remoção de areia 1200 Sedimentação simples (s/ coagulação) 20 Clarificação de águas coloidais 45 Clarificação de águas turvas 60 • 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 adotadas em função da qualidade da água: Taxas de escoamento superficial 1025,2 B L 43a B L • 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: Onde: L = comprimento e B = largura. ETAPAS DO TRATAMENTO DE ÁGUA Relação entre comprimento e a largura Remoção de Sólidos em Suspensão Finamente Divididos erficialárea volume H sup BxL TxQ H BxH Q S Q V Com o período de detenção e a vazão, obtém-se o volume do decantador, que juntamente com a área superficial, fornecerá a profundidade. H = profundidade, Q = vazão, T = tempo de detenção, B = largura e L = comprimento. A velocidade de escoamento das águas deve ser inferior a velocidade de arraste das partículas sedimentadas, V < 1,25 cm/s. O número mínimo de decantadores em uma E.T.A deve ser de 2 unidades, para possibilitar limpeza e reparos, sem interromper o tratamento. ETAPAS DO TRATAMENTO DE ÁGUA Profundidade dos decantadores Remoção de Sólidos em Suspensão Finamente Divididos FILTRAÇÃO •Quanto ao sentido do fluxo: - Descendentes: os mais comuns; - Ascendentes: os clarificadores de contato. Filtração: Filtro Rápido de Gravidade Convencional • A água procedente do decantador alimenta o filtro através de canal ou tubulações, armazenando-se no reservatório. •Durante a filtração a água vai se processando a velocidade constante, por intermédio de um controlador de vazão, consequentemente a areia vai se colmatando aos poucos, em decorrência da detenção das partículas em suspensão (flocos), carreadas para o filtro. •Ao mesmo tempo a perda de carga vai aumentando até atingir um valor limite o qual não deve ser ultrapassado. FILTRO RÁPIDO DE GRAVIDADE CONVENCIONAL Filtração: Filtros de Pressão • Os filtros de pressão tem muita coisa em comum em relação aos filtros de gravidade. Diferem apenas por serem fechados, confeccionados em metal, de forma cilíndrica, e operarem sob pressão. Sua pressão varia de 10 à 50m e a perda de carga máxima é da ordem de 7 metros. FILTRO DE PRESSÃO • Para evitar a expansão da areia na própria filtração. Filtração: Filtração Ascendente (Filtro Russo) • É usada para remoção de teores pouco elevados de cor e turbidez sem auxilio de coagulação. • Geralmente são aplicados em pequenas comunidades. • Tem forma retangular em grande parte e, devido a baixa taxa de filtração, são relativamente grandes. • Durante a filtração a taxa é normalmente mantida constante. Filtração: Filtração Lenta Filtração: Filtração Lenta • A lavagem basicamente deve ser feita a alta velocidade, no sentido ascendente, de modo a causar uma expansão do leito filtrante e, deste modo, arrastar o material depositado através do leito expandido. • É suficiente uma velocidade de lavagem que provoque uma expansão de 10 a 20%. • A necessidade de lavagem é indicada pela perda de carga existente, pela alta turbidez e pelo desempenho da filtração. LAVAGEM DOS FILTROS Decantação Filtração Floculação Remoção de sólidos CORREÇÃO DO PH •O pH é corrigido para valores em torno da neutralidade através da adição de cal hidratada ou cal virgem. •Evita a corrosão da tubulação e incrustações. Correção do pH • Cálculo da Dosagem ideal de Cal na Água • Determinação em Laboratório: • Faz-se uma suspensão de cal em água na concentração de 1000 mg/L; - Suponhamos que o pH da água tratada seja igual a 5 - Se deseja elevar para 7,2 - implicou em adicionar 5 mL da solução de 1000 mg/L para um litro da água tratada. - Com essa adição, encontrou-se a dosagem ideal de cal (5 mg/L). DESINFECÇÃO A desinfecção tem por finalidade a destruição de microorganismos patogênicos presentes na água (bactérias, protozoários, vírus e vermes) 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. • A desinfecção é necessária, porque não é possível assegurar a remoção total dos microorganismos pelos processos físico-químicos, usualmente utilizados no tratamento da água. DESINFECÇÃO – REMOÇÃO DE MICROORGANISMOS Características hidrobiológicas Bactérias Vírus Vermes Algas Protozoários Velocidade de destruição ou desativação de micro- organismo: 𝑑𝑁 𝑑𝑡 = -KN Onde: K = coeficiente de mortalidade; N = número de organismos ainda vivos no instante t Desinfecção Velocidade de destruição ou inativação de MO Em geral • Quanto maior a dosagem , menor o tempo para uma desejada porcentagem de inativação; • Quanto maior o tempo de contato, maior é a inativação de MO • Quanto maior temperatura, maior a eficiência na inativação. 𝑑𝑁 𝑑𝑡 = -KN Onde: K = coeficiente de mortalidade; N = número de organismos ainda vivos no instante t Desinfecção – Remoção de microorganismos Tabela contendo as principais doenças de veiculação hídrica DOENÇA AGENTE CAUSADOR FORMA DE TRANSMISSÃO Cólera Vibrião Colérico Via Oral Disenteria bacilar Bactéria Shigella Via Oral Febre Tifóide Bactéria Salmonella Typhi Via Oral Febre Paratifóide Bactéria Salmonella Paratyphoide Via Oral Diarréia Infantil Bactérias Intestinais Via Oral Poliomielite Vírus Via Oral Hepatite Infecciosa Vírus Via Oral Ancilostomiase Ancylostoma(helmintos) Via Cutânea LeptospiroseLeptospira icterohaemorrahagiae através de pequenas feridas na pele ou nas membranas, mucosas, nariz e boca Esquistossomose Schistosoma Mansoni(verme) Via Cutânea Desinfecção – Remoção de microorganismos • Eficiência do tratamento na remoção e eliminação de coliformes • Filtro deve receber uma água decantada com qualidade bacteriológica abaixo de 1000 NMP/100 mL. NMP = Número mais provável Origem da água Água Bruta Água Decantada Água Filtrada Água Tratada Rio paraíba (S. José dos Campos, SP) 1600 24 0 0 790 110 0 0 5400 540 8 5 3500 920 130 0 4900 240 130 0 1600 240 130 8 3500 170 33 0 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. • 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. Desinfecção – Remoção de microorganismos Fo rm a s Cloro elementar (Cl2) Mais fácil de aplicar devido à solubilidade Líquido (hipoclorito de sódio) sólido(hipoclorito de cálcio) • O cloro apresenta algumas desvantagens: gás venenoso e corrosivo, requerendo cuidadoso manejo e pode causar problemas de gosto e odor, particularmente na presença de fenóis. • Devido normas de segurança: hipoclorito de sódio alternativa mais adequada para pequenos sistemas • O ozônio é o mais próximo competidor do cloro, sendo utilizado em larga escala somente na Europa. Desinfecção – Remoção de microorganismos • Ozônio: produzido no local de aplicação. • Além de desinfetante é usado como redutor de odor, gosto, ferro e manganês. • Vantagens - ação bactericida 30 à 300 vezes mais rápido que o cloro para o mesmo tempo de contato. - não há perigo de superdosagens. • Desvantagens - não tem ação residual. - muito gasto com energia. Desinfecção – Remoção de microorganismos • Desinfecção pelo calor: •Vantagens - facilidade - eficiente • Desvantagens - alto custo - não tem ação residual Desinfecção – Remoção de microorganismos • Desinfecção por Irradiações - é efetuada por luz ultravioleta, através de lâmpada de vapor de mercúrio com bulbo de quartzo. • Vantagens: - não altera gosto e odor; - período de contato pequeno; - dosagens alta não é prejudicial. • Desvantagens:- não tem ação residual; - esporos, cistos e vírus são resistentes; - custos elevados. Desinfecção – Remoção de microorganismos Eficiência na desinfecção: • 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. Desinfecção – Remoção de microorganismos Características da desinfecção: • 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. Desinfecção – Remoção de microorganismos Desinfecção – Remoção de microorganismos Desinfecção pelo cloro Oxidante Desinfetante 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 c) Formação de clorofenol (indesejável) C2H5OH + HClO → C6H4ClOH (clorofenol) + H2O ETAPAS DO TRATAMENTO DE ÁGUA Desinfecção – Remoção de microorganismos • Desinfecção pelo cloro - Oxidante - Desinfetante: Reações com o cloro (anterior) 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. Desinfecção – Remoção de microorganismos • Desinfecção pelo cloro - Desinfetante a) Na ausência de amônia, o cloro se combina com a água formando o ácido hipocloroso, o qual pode por sua vez, ionizar-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. Desinfecção – Remoção de microorganismos • Desinfecção pelo cloro - Desinfetante Dissociação em função do pH • A cloração deve ser efetuada a pH inferior a 8,0 (Portaria 518/04) 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 ETAPAS DO TRATAMENTO DE ÁGUA Desinfecção – Remoção de microorganismos • Desinfecção pelo cloro - Desinfetante b) Na presença de amônia 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. As cloraminas, embora menos ativas que o ácido hipocloroso, também são bactericidas poderosas, com a vantagem de serem mais estáveis proporcionando um tempo de proteção mais longo. Desinfecção – Remoção de microorganismos • Desinfecção pelo cloro - Desinfetante A quantidade de cloro necessário para reagir com toda matéria orgânica presente é a chamada “demanda de cloro”. Para que se possa garantir a total destruição dos microorganismos, é necessário assegurar que após o tratamento ainda exista cloro residual na água após um especificado tempo de contato. Esse tempo aumenta com o pH e diminui com a temperatura. Desinfecção – Remoção de microorganismos • Desinfecção pelo cloro - Desinfetante Desinfecção pelo cloro - Desinfetante Quando existem compostos orgânicos nitrogenados na água, o nível de cloro ativo residual inicialmente cresce com a adição de cloro. Nesta fase inicial de adição de cloro, o nível de cloro ativo residual cresce até o ponto em que toda matéria orgânica nitrogenada foi convertida em cloraminas. A partir desse ponto, adições subseqüentes de cloro reduzem a dosagem de cloro ativo residual provocando a oxidação das cloraminas pelo ácido hipocloroso. O ponto em que todas as cloraminas foram oxidadas e que corresponde ao nível mais baixo decloro ativo residual denomina-se break point. A partir do break point, a concentração de cloro ativo será proporcional ás adições subseqüentes de cloro. Cloro residual para uma água contendo N amoniacal Na prática da cloração, a desinfecção pode ser realizada por um dos três métodos: • cloração simples, • cloração ao “break-point” • amônia-cloração. Desinfecção – Remoção de microorganismos • Desinfecção pelo cloro - Desinfetante Cloração simples: • constitui o processo elementar e de uso mais generalizado de desinfecção pelo cloro. • não há preocupação de satisfazer a demanda de cloro na água • aplicação de uma dosagem tal que, ao fim de um determinado tempo de contato, por exemplo 20 minutos, o cloro residual livre se mantenha entre 0,1 e 0,2 mg/L, considerando, na prática, para águas não muito poluídas. Desinfecção – Remoção de microorganismos • Desinfecção pelo cloro - Desinfetante Cloração ao “break-point”: • águas muito poluídas, cloração simples seria ineficaz (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”. Desinfecção – Remoção de microorganismos • Desinfecção pelo cloro - Desinfetante Desinfecção – Remoção de microorganismos • Desinfecção pelo cloro - Desinfetante A dosagem de cloro deve ser tal, que apresente os seguintes residuais: pH Residual de cloro (ppm) Livre Combinado 6-7 0,2 1,0 7-8 0,2 1,5 8-9 0,4 1,8 A concentração de cloro residual não deve ser superior a 2,5 mg/L. 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. • 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. Desinfecção – Remoção de microorganismos • Desinfecção pelo cloro - Desinfetante O custo de produção de ozônio é bastante elevado, diretamente ligado ao custo da energia elétrica. Algumas vantagens do seu uso: * Não deixa resíduos indesejáveis na água tratada, * Reação com compostos orgânicos (fenólicos) não leva ao desenvolvimento de odores e sabores desagradáveis, * Reação com detritos vegetais (algas) não leva ao desenvolvimento de odores e sabores desagradáveis, * É mais efetivo contra os microorganismos, é o germicida mais eficiente que se conhece. Desinfecção – Remoção de microorganismos • Ozônio Remoção de dureza (abrandamento) • A dureza é causada pelos sais de cálcio e magnésio presentes na água. • Os processos mais empregados para remoção são: - cal soda - resina - eletrodiálise. • consiste na remoção total ou parcial de Ca ou Mg, quase sempre nas formas de bicarbonatos, sulfatos e cloretos. • cal soda a frio: para dureza > 150, reduz para 15 à 30 p.p.m. • cal soda a quente: com fosfato trissódico, para dureza > 150, reduz para 5 à 15 p.p.m. • Reações: a) Ca (HCO 3 ) 2 + Ca (OH) 2 2 Ca CO 3 + 2 H 2 O b) Mg (HCO 3 ) 2 + 2 Ca(OH) 2 Mg (OH) 2 + 2Ca CO 3 + 2 H 2 O c) Mg CO 3 + Ca(OH) 2 Mg (OH) 2 + Ca CO 3 d) Mg SO 4 + Ca(OH) 2 Mg (OH) 2 + Ca SO 4 e) Ca SO 4 + Na 2 CO 3 Ca CO 3 + Na 2 SO 4 Remoção de dureza (abrandamento) Processo cal soda: Remoção de dureza (abrandamento) Abrandamento por troca iônica • Abrandamento por troca de Cátions (Resina) • Resina é da forma hidrogeniônica (fracamente ácida) o processo é análogo, sendo que a regeneração é com ácido clorídrico ou sulfúrico - No abrandamento: Ca SO4 + R-2Na + R-Ca + Na2 SO4 - Na lavagem: R-Ca + 2NaCl R-2Na + CaCl2 Remoção de dureza (abrandamento) Abrandamento por troca iônica • Desmineralização da água • É o processo de remoção praticamente total dos íons em uma água, através de resinas catiônicas e aniônicas. • Como a desmineralização da água consiste na remoção dos íons nela presentes, o processo é também chamado de deionização. a) com as resinas catiônicas Ca (HCO 3 ) 2 + RH 2 RCa + 2 H 2 CO 3 Ca SO 4 + RH 2 RCa + H 2 SO 4 Mg SO 4 + RH 2 RMg + H 2 SO 4 b) com as resinas aniônicas H 2 CO 3 + R(OH) 2 RCO 3 + 2 H 2 O H 2 SO 4 + R(OH) 2 RSO 4 + 2 H 2 O 2 HCl + R(OH) 2 RCl 2 + 2 H 2 O DESMINERALIZAÇÃO DA ÁGUA Remoção de dureza (abrandamento) Eletrodiálise • É um tratamento que consiste na remoção dos íons presentes na água, provenientes dos sais minerais dissolvidos, através da influência do campo elétrico. • Campo entre dois eletrodos, entre os quais são colocadas membranas catiônicas e aniônicas paralelas e alternadamente, confeccionadas com porosidade que permite a passagem dos cátions e ânions ou mesmo a retenção, conforme o caso. • Em razão disto, em certos compartimentos obtém-se água doce e em outros, água mais salgada (salmoura). Planta esquemática da eletrodiálise para dessalinização da água Remoção de dureza (abrandamento) Eletrodiálise Controle de Gostos e Odores • Causas de gostos e odores: - certos minerais causam gosto; - gostos e odores são causados pela morte e apodrecimento de plantas do tipo algas; - outros causadores de gosto e odores são compostos de clorofenóis; - outras causas despejos de indústrias, matéria orgânica dissolvida e gases; - minerais tais como FeSO4, Mg, Na2 SO4, NaCl e Cloro excessivo. Controle de Gostos e Odores • Tratamento Preventivo com Sulfato de Cobre: Tem por finalidade evitar o crescimento de algas. Se as algas já estão bastante crescidas poderá causar contratempos com a morte das mesmas, uma vez que elas apodrecem. • Tratamento com Amônia e Cloro: Esta combinação é também um agente eficiente para a remoção de gostos e odores. • Tratamento com Carvão Ativado: A ação adsorvente do carvão, seguida da sedimentação e filtração, produz completa remoção das substâncias causadores de gostos. • Pode ser aplicado antes ou depois da coagulação e antes da filtração. • Outros Tratamentos: Remoção de gostos pela Aeração; Pré-cloração e Permanganato de potássio . ETAPAS DO TRATAMENTO DE ÁGUA Fluoretação • Significado sanitário - É amplamente conhecido que o F- têm efeito benéfíco na prevenção da cárie dentária. • Entretanto em concentrações elevadas pode causar fluorose, ou seja, uma deposição escura marron - roxo nos dentes e também nos ossos. • Onde há 1,0 mg/L de F- em água natural há menos incidência de cárie que nos lugares onde não existe. Fluoretação Temperatura Média Anual das Máximas Diárias Concentração Ótima de Flúor em mg/L 10,0-12,1 1,2 12,2-14,6 1,1 14,7-17,7 1,0 17,8-21,4 0,9 21,5-26,3 0,8 26,4-32,5 0,7 32,6-37,5 0,6 TRATAMENTO DE ÁGUA ESQUEMA DE UMA E.T.A. a) Saída do material grosseiro retirado da água bruta. b) Entrada da água nos decantadores. c) Adição de substâncias químicas que participam do processo inicial de tratamento da água (cloro,Al2(SO4)3 e cal). Cloro = usado na desinfecção (destruição dos microorganismos causadores de doenças) e mantido ao longo de todo o processo para proteger a água contra contaminações no sistema de distribuição. Al2(SO4)3 = usado na coagulação das partículas. Cal = usada para correções de pH. d) Saída do material prontamente sedimentável. e) Entrada nas câmaras de floculação. f) Saída do material floculado. g) Entrada da água nos decantadores secundários. Normalmente a decantação é acompanhada de uma filtração formada por um leito composto de carvão areia e cascalho. h) Saída contínua do material sedimentado. i) Etapa terciária de tratamento para retirada da flora microbiana (fungos, algas, bactéria e protozoários). j) Adição de cloro (cloro líquido ou dióxido de cloro). k) Saída de material. l) Adição de sílica ativada, polieletrólitos ou adsorção em carvão ativado. m) Entrada da água nas etapas de polimento. n) Saída de material. o) Entrada da água nas etapas de polimento (correção de alcalinidade, dureza e teores de sais de ferro e manganês). p) Saída de material. q) Água tratada pronta para distribuição. GRADEAMENTO DECANTAÇÃO FLOCULAÇÃO DECANTAÇÃO e FILTRAÇÃO REMOÇÃO de MICROORGANISMOS REMOÇÃO de COR, SABOR e ODOR REMOÇÃO de MATERIAL MINERAL (a) (c) (b) (f) (e) (d) (p) (g) (h) (q) (i) (r) (o) (k) (j) (n) (l) (m)
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