Tratamento de Agua - Coagulacao e Mistura Rapida

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Coagulação e Floculação Coagulação e Floculação 
Universidade Federal de Ouro Preto
Escola de Minas
Departamento de Engenharia Civil
CIV 640 – Saneamento Urbano
1
Objetivo da aula 7 Objetivo da aula 7 
Universidade Federal de Ouro Preto
Escola de Minas
Departamento de Engenharia Civil
CIV 640 – Saneamento Urbano
Ao final desta aula o (a) aluno (a) deverá 
reconhecer as principais conceitos do de 
coagulação e floculação 
CoagulaçãoCoagulação
Universidade Federal de Ouro Preto
Escola de Minas
Departamento de Engenharia Civil
CIV 640 – Saneamento Urbano
3
Sólidos Presentes na Água
Sólidos Presentes na Água
Figura 2: Água Bruta – ETA Itabirito
Superfície Específica
Superfície Específica
• É a área (em m2) medida em uma massa (g) de argila 
ou outro colóide
Colóide Superfície específica (m2/g)Colóide Superfície específica (m2/g)
Caulinita (1:1) 5 a 20
Óxidos de Ferro 100 a 400
Montmorilonita (2:1) 700 a 800
Matéria Orgânica 700
Desestabilização de partículas 
coloidais
Coagulação
“É o processo de desestabilização de partículas dispersas
em água de abastecimento através da introdução no
meio de produtos químicos coagulantes”meio de produtos químicos coagulantes”
• Adição de íons com carga oposta à carga da partículas;
• Coalescência das partículas;
Desestabilização de partículas 
coloidais
Floculação
“É o fenômeno através do qual as partículas
desestabilizadas chocam-se umas com as outras para
formar coágulos maiores”formar coágulos maiores”
Aplicação do Coagulante
•Tem que ser de forma mais uniforme possível
• Tempo mais curto
• Alta intensidade de agitação
Desestabilização de partículas 
coloidais
• ↑ pH → cal hidratada
• ↓pH → ácido sulfúrico
Figura 3: Casa de química.
Desestabilização de partículas 
coloidais
Coagulantes utilizados
• Sulfato de alumínio
• Cloreto férrico• Cloreto férrico
• Sulfato férrico
• Hidroxi-cloreto de alumínio (HCA ou PAC)
Desestabilização de partículas 
coloidais
Química do sulfato de alumínio:
Al2(SO4)3 + 6H2O → 2Al
3+ + 6OH + 3SO4
2-Al2(SO4)3 + 6H2O → 2Al + 6OH + 3SO4
↓
Al(H2O)6
3+
↓
Al13(OH)34
5+, Al17(OH)17
4+, Al18(OH)20
4+, Al16(OH)15
3+
Desestabilização de partículas 
coloidais
Química do sulfato de alumínio:
Dificuldades para a desestabilização:Dificuldades para a desestabilização:
• Dupla capa de cargas positivas ao redor do colóide
• Tempo de vida dos produtos da hidrólise
Desestabilização de partículas 
coloidais
Química do sulfato de alumínio:
Figura 4: Modelo da dupla 
camada
Desestabilização de partículas 
coloidais
Química do sulfato de alumínio:
•Desestabilização por adsorção: é o processo que
desestabiliza os colóides através da adsorção, em sua
superfície, de produtos de hidrólise do alumínio, de cargasuperfície, de produtos de hidrólise do alumínio, de carga
oposta.
•Desestabilização por varredura: é o processo que
desestabiliza os colóides através da saturação da água em
tratamento com o gel hidróxido de alumínio, e arraste dos
colóides aprisionados nesse gel.
Principais mecanismos de coagulação
• Adsorção-neutralização de cargas
– Após a disperção do coagulante há formação de 
espécies hidrolizadas de carga positiva que são 
adsorvidas na superfície das partículasadsorvidas na superfície das partículas
• Varredura
– Em função da dosagem do coagulante (maior que 
no mecanismo anterior) e do pH as partículas 
coloidais são adsorvidas e as suspensas são 
envolvidas pelo precipitado de alumínio ou ferro.
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Desestabilização de partículas 
coloidais
Química do sulfato de alumínio:
Desestabilização por Adsorção
Química do sulfato de alumínio
 A desestabilização por varredura é feita pelo hidróxido
de alumínio Al(OH)3 –gel
Desestabilização de partículas 
coloidais
de alumínio Al(OH)3 –gel
 O Al(OH)3 é insolúvel nas condições de pH da água de
tratamento
 Precipita quando a água fica em repouso
 Gel choca-se com as partículas e as adsorvem
Química do sulfato de alumínio
Desestabilização de partículas 
coloidais
Desestabilização por Varredura
Química do sulfato de alumínio
1) Adsorção
- Dosagem de Al(OH)3 < 2,0 mg/l
Desestabilização de partículas 
coloidais
- Dosagem de Al(OH)3 < 2,0 mg/l
- pH = 5,0 - 7,0
2) Região de restabilização- cargas positivas
3) Varredura
- Dosagem de Al(OH)3 > 15 mg/l
- pH = 5,8 – 9,2
4) Adsorção/varredura
Química do sulfato de alumínio
Desestabilização de partículas 
coloidais
Diagrama para Projeto e Operação Utilizando Sulfato de Alumínio
Ensaio de Jarros ou “Jartest”
• Diferentes dosagens de coagulantes
• Diferentes pH
• Diferentes gradientes médios de velocidade
• Diferentes tempo de mistura
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Diagrama de coagulação
P
A
C
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“Dimensionamento” da coagulação
Dose do 
coagulante e 
dimensões do 
misturador
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Conceito
Operação destinada a dispersar produtos químicos na água a
ser tratada, em particular no processo de coagulação (NBR
12216).
Unidades de Mistura Rápida
12216).
Fatores que influenciam na coagulação
a) Tipo de coagulante utilizado
b) Concentração do coagulante
c) Gradiente de velocidade
d) Tempo de mistura
As condições ideais em termos de gradiente de velocidade, tempo
de mistura e concentração da solução de coagulante devem ser
determinadas preferencialmente através de ensaios de
laboratório. Caso não seja possível, observar a seguinte
orientação:
Disposições da NBR 12216
orientação:
Coagulantes metálicos hidrolisáveis:
a) Gradiente de velocidade 700 s-1 e 1100 s-1
b) Tempo de mistura inferior a 5s
Polieletrólitos:
Obedecer as recomendações do fabricante
Constituem dispositivos de mistura:
a) Qualquer trecho ou seção de canal ou de canalização que
produza perda de carga compatível com as condições
desejadas, em termos de gradiente de velocidade e tempo
Disposições da NBR 12216
desejadas, em termos de gradiente de velocidade e tempo
de mistura;
b) Difusores que produzam jatos da solução de coagulante,
aplicados no interior da água a ser tratada;
c) Agitadores mecanizados;
d) Entrada de bombas centrífugas
 Misturadores hidráulicos
Medidor Parshall (Calha Parshall)
Vertedouros
Tipos de Misturadores
Vertedouros
 Difusores ou malhas difusoras
 Misturadores mecanizados
Turbinas
Hélices
Medidor Parshall
Figura 1: Esquema de uma Calha Parshall Convencional
Medidor Parshall
V
N
K
Ponto de dispersão 
do coagulante 
D D
'
W C
FB G
2/3B
Figura 2: Medidor Parshall (planta e corte) utilizado como unidade de mistura
rápida
Fonte: Libânio, 2008.
Medidor Parshall
Figura 4: Medidor Parshall, ETA
Itabirito.
Foto: Elaine Oliveira.
Medidor Parshall
Figura 4: Medidor Parshall,
Vertedouros
Floculante colocado em calha perfurada para
distribuição uniforme ao longo de toda a queda
d’água.
Figura 6: Vertedor retangular utilizado para mistura rápida.
São dispositivos que produzem jatos da solução de coagulante,
aplicados no interior da água a ser tratada.
Malhas Difusoras
Figura 8: Esquema do de uma malha difusora.
Mistura rápida
• Malhas difusoras
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A dissipação de energia correspondente ocorrerá no volume de água situado a
até duas vezes e meia o espaçamento entre os orifícios (V = 2,5 AE) (Azevedo
Netto et al.)
Malhas Difusoras
Figura 9: Distância para a Dissipação da Energia dos jatos Originários da Malha
difusora.
Dispositivos da NBR 12216:
a) A aplicação de solução de coagulante deve ser
uniformemente distribuída, através de jatos não-dirigidos no
mesmo sentido do fluxo
Malhas Difusoras
mesmo sentido do fluxo
b) Velocidade mínima da água do reator: 2 m/s
c) Área máxima da seção transversal do reator correspondente a
cada orifício: 200 cm2
d) Diâmetro mínimo dos orifícios da malha difusora: 3 mm
e) O sistema difusor deve permitir limpezas periódicas nas
tubulações que distribuem a solução de coagulante
Malhas Difusoras
Figura 10: Esquema da malha difusora do exercício 3.
Tipos de agitadores
Agitadores Mecanizados
Figura 11: Agitadores tipo turbina e de hélices utilizados paramistura rápida.
Agitadores Mecanizados
Figura 12: Padrão do fluxo para agitadores tipo turbina e hélice.
Mistura rápida
• Misturador mecânico: turbina axial
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Floculação Floculação 
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Escola de Minas
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CIV 640 – Saneamento Urbano
Floculação Floculação 
42
Sistema de Abastecimento de Água
43
Floculação
• Floculação
“É o fenômeno através do qual as partículas
desestabilizadas chocam-se umas com as outras para
formar coágulos maiores”
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formar coágulos maiores”
• Floculadores:
“São unidades utilizadas para promover a agregação de
partículas formadas na mistura rápida (NBR 12216)”
Força de Arraste
Fd – força de arraste;
Cd – coeficiente de arraste
Fd = Cd.A.γ.v
2/2g
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Cd – coeficiente de arraste
A – área do corpo
v – velocidade do corpo em relação ao fluido
γ – peso específico do líquido.
A força de arraste (Fd) depende:
• Energia cinética (v2/2g)
• Área do corpo
• Forma geométrica do corpo (Cd)
Cinética – Choque entre 
Partículas
Os choques entre partículas individuais resultam
de:
Movimento pericinético: decorre do movimento
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• Movimento pericinético: decorre do movimento
Browniano e da ação da gravidade
• Movimento Ortocinético: são aqueles
decorrentes da introdução de energia externa
Movimento Ortocinético
De acordo com Smoluchowski:
Nij = número de choques, por unidade de tempo e volume,
  jiji
ji
b
ij nnRR
RR
TK
N .
11
3
...4











47
Nij = número de choques, por unidade de tempo e volume,
Kb = Constante de boltzman
T = Temperatura absoluta
Ri = raio da partícula i
Rj = raio a partícula j
Ni = numero de partículas de tamano i por unidade de volume
Nj = número de partículas de tamanho j por unidade de volume
Projeto de Floculadores
Elementos básicos utilizados em projetos:
• Gradiente de velocidade – G -(potência dissipada
na massa líquida)*
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na massa líquida)*
• Tempo de mistura- T*
• Número de Camp = G.T (nº adimensional)
* Gradiente e tempo de detenção são parâmetros que influenciam a
oportunidade de choques entre as partículas.
Disposições da NBR 12216
• A agitação da água pode ser promovida por meios mecânicos ou
hidráulicos.
• 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.
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• 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.
• Não sendo realizados ensaios deve ser pevisto
gradiente de velocidade, no primeiro
compartimento de 70s-¹ e mínimo, no último, de 10
s-¹.
Disposições da NBR 12216
s-¹.
• Deve ser previsto dispositivos que possa alterar o
gradiente de velocidade aplicado, ajustando-os as
características da água e permitindo variações de
pelo menos 20% a mais e a menos do fixado para o
compartimento
50
• Os tanques de floculação devem ser subdivididos em
pelo menos 03 câmaras, separados por cortinas ou
parede interligados por aberturas
Disposições da NBR 12216
• Quando o fluxo de água incide diretamente sobre as
aberturas, deve-se colocar um anteparo capaz de
desvia-lo
51
Disposições da NBR 12216
• 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.
52
• Os tanques de floculação devem apresentar a maior
parte da superfície livre exposta, de modo a facilitar o
exame de processo.
Tipos de Floculadores
Floculadores Mecanizados
Introduz equipamentos mecanizados capazes de manter
a água em constante agitação
a) Agitadores do tipo de Fluxo Axial (Turbinas e Hélices)
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b) Agitadores do tipo paletas
 paletas de eixo vertical
 paleta única de eixo vertical
 paletas de eixo horizontal
Agitador fluxo Axial - Turbina
54
Floculador - Tipo Turbina
55
Floculador - Tipo Turbina
Floculador ETA Itacolomi
Foto: Peterson
56
Floculador – Paleta de eixo 
vertical
57
Floculadores mecânicos – paleta de 
eixo vertical
58
Floculador – Paleta de eixo 
vertical
59
Considerações sobre distribuição de 
água floculada
60
Floculador – Paleta de eixo 
horizontal
61
Floculador – Paleta única de 
eixo horizontal
62
A potência fornecida à água por agitadores mecânicos deve
ser determinada pela expressão (NBR 12216):
P = µ.G2.Vol
Onde:
Agitadores Mecânicos
Onde:
P – potência, em W
µ - viscosidade dinâmica, em “Pa.s”
G – gradiente de velocidade, em s-1
Vol – volume útil do compartimento, em m3
63
Floculadores Hidráulicos
Faz a água percorrer um caminho cheio de mudanças
de direção
Tipos de Floculadores
Floculador de chicanas
• chicanas verticais
• chicanas horizontais
Floculador tipo Alabama
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Floculação (recapitulando…)
• Objetiva promover choque entre as partículas
desestabilizadas pela ação do coagulante para
formação de flocos a serem removiidos por
sedimentação ou flotação.
• Principais fatores intevenientes
– Tempo 
– Gradiente médio de velocidade
65
Dimensionamento de Floculadores
66
Floculador hidráulico
67
Floculador – Chicanas Verticais
68
Floculador – Chicanas Verticais
Floculador ETA Itacolomi
69
Floculador – Chicanas 
Horizontais
70
Floculador – Chicanas 
Horizontais
71
Floculador – Chicanas 
Horizontais
72
Floculador – Tipo Alabama
73
O gradiente de velocidade em um compartimento do
floculador hidráulico é dado pela seguinte expressão(NBR
12216):
Floculador Hidráulico
f
f
vT
gh
G 
Onde:
v – viscosidade cinemática (m2/s)
Tf – tempo de detenção teórico para cada câmara de floculação (s)
hf - perda de carga nas passagens (m)
g – acelaração da gravidade (m/s2)
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fvT
Disposições da NBR 12216:
a) Nos floculadores hidráulicos, a agitação deve ser obtida por
meio de chicanas ou outros dispositivos direcionais de fluxo que
confiram à água movimento horizontal, vertical ou helicoidal; a
intensidade de agitação resulta da resistência hidráulica ao
escoamento e é medida pela perda de carga.
Disposições da NBR 12216
escoamento e é medida pela perda de carga.
b) A velocidade da água ao longo dos canais deve ficar entre 10
cm/s e 30 cm/s.
c) O espaçamento mínimo entre chicanas deve ser de 0,60 m,
podendo ser menor, desde que elas sejam dotadas de
dispositivos para sua fácil remoção.
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Tipos de Floculadores
Floculadores Hidráulicos:
• Pouca flexibilidade (variação de vazão)
• Perda de carga
• Impossibilidade de alterar o Gradiente de Velocidade• Impossibilidade de alterar o Gradiente de Velocidade
• Menores custo de implantação,,operação e 
manutenção
• Não exige pessoal qualificado para manutenção
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Tipos de Floculadores
Outras Modalidades
• Floculador Hidráulico tipo bandeja perfurada
• Floculação em meio granular
77
Considerações sobre distribuição de 
água floculada
78
• Obrigado
• anibal@em.ufop.br
79