Saneamento Ambiental I

1

Universidade Federal do Paraná Engenharia Ambiental

Aula 15 – Flotação e Filtração

Profª Heloise G. Knapik

2

• Parâmetros de qualidade de água - Potabilização

• Coagulação e Floculação

• Sedimentação e Decantação

• Flotação

• Filtração

• Desinfecção

• Reuso de água

Conteúdo – Módulo 2

Etapas Tratamento Convencional de Água

Manancial

Coagulação

Floculação

Sedimentação

Filtração

Desinfecção

Fluoretação

Correção de pH

Água final

Agente oxidante

CAP (Carvão ativado em pó)

Coagulante Alcalinizante Agente oxidante

Polímero

Polímero / Agente oxidante

Agente oxidante

Flúor

Alcalinizante

Flotação

Etapas do Tratamento Convencional

Coagulação:

• Adição de coagulante para desestabilizar as partículas (mistura rápida na água bruta) – 1 a 5 minutos

Floculação:

• Formação de flocos (mistura lenta em tanques específicos) – 20 a 30 minutos (hidráulico) ou 30 a 40 minutos (mecânico)

Decantação:

• Remoção dos flocos via força da gravidade (processo lento) – 2 a 4 horas (TAS de até 50 m³/m².dia)

Flotação:

• Remoção superficial dos flocos (processo com aeração forçada) – 5 a 20 minutos (TAS de 120 a 300 m³/m².dia)

5

Flotação - Definição

Clarificação obtida por meio da produção de bolhas que se aderem aos flocos ou partículas em suspensão,

aumentando o empuxo e provocando a ascensão dos flocos até a superfície do flotador

Indicado quando as etapas de coagulação e floculação são insuficientes ou devido às características/propriedades dos flocos formados (menores densidades)

6

Flotação

Esquema de funcionamento de um sistema de flotação a ar dissolvido Fonte: http://www.waterworld.com/

8

Lei de Stokes – separação de fases na flotação

• Densidade dos flocos de sulfato de alumínio: 1,003 g/cm³

• Com adição de ar dissolvido: 0,98 a 0,99 g/cm³

• Velocidade de flotação > 10 vezes superior às velocidades de decantação dos flocos

Flotação - Princípios

𝑉 = 𝐾𝑑2(𝜌 − 1)

𝑉 = velocidade da partícula em relação à água 𝑑= diâmetro da partícula 𝜌 = densidade da partícula 𝐾 = g/18μ

9

Vantagens:

• Unidades mais compactas

• Produzem lodo com maior teor de sólidos

• Possibilita a redução de consumo de coagulantes

• Possibilita a redução do tempo de floculação

• Reduz o volume de água descartado junto com o lodo

• Promove a remoção de substâncias voláteis

• Promove a oxidação das águas

Flotação

10

Desvantagens:

• Operação e manutenção mais complexas

• Exigem operadores qualificados

• Frequentemente precisam ser cobertas

• Requerem equipamentos para a geração de microbolhas

• Maior consumo de energia

Flotação

11

Parâmetros de projeto:

• Diferença de densidade = f(quantidade de ar fornecido)

• Tamanho das bolhas

• Taxa de aplicação superficial

• Tamanho das partículas (flocos) em suspensão

• Tipo de produto químico utilizado no tratamento

• Variações das condições de coágulo-floculante: pH, alcalinidade, gradiente de velocidade e tempo de floculação

Flotação

“É mais fácil gerar um floco leve para a flotação do que um floco pesado para a sedimentação”

12

Flotação – classificação das técnicas

Técnica Modo de geração das bolhas

Flotação por ar disperso ou por ar induzido

Em geral por meio de agitação, usualmente através de rotores, ou passando o gás por placa porosa

Flotação eletrolítica Eletrólise da água

Flotação por ar dissolvido a vácuo Dissolução do ar na água à pressão atmosférica e sua posterior liberação numa câmara com pressão negativa

Flotação por ar dissolvido por pressurização

Dissolução do ar na água sob pressão e sua posterior liberação à pressão atmosférica

13

Custos de implantação:

• Para novas ETAs: 50 a 60% mais caro que um sistema convencional de decantação

• Para ETAs já existentes: 10 a 30% mais caro

Custos de operação:

• Similares ao custo operacional de estações convencionais (quando adequadamente operados)

Flotação - Custos

14

Dimensionamento de tanques de floculação:

• Menores tempos de detenção quando há o processo de flotação que os necessários para a decantação

Tempos de floculação:

• Seguido de decantação: 20 a 45 minutos de floculação

• Seguido de flotação: 10 a 20 minutos de floculação

Flotação X Decantação

15

Dimensionamento de tanques de FLOTAÇÃO

• Circulares ou retangulares

• Compostos por duas zonas:

• Zona de reação ou de mistura (local de injeção de ar e formação dos aglomerados partícula-bolhas

• Zona de flotação

17

Dimensionamento de tanques de FLOTAÇÃO

Zona de reação ou de mistura:

• Em geral, compartimento separado à frente do tanque de flotação

• Volume suficiente para 30 segundos a 1 minuto de mistura

• Tanque retangular: mais vantajoso para a mistura dos flocos

• Separação por meio de uma chincana inclinada de 60 a 75º (dirigir o fluxo e reduzir a velocidade)

18

Dimensionamento de tanques de FLOTAÇÃO

Zona de flotação:

• Baseado no critério da carga superficial – Taxa de aplicação superficial na ordem de 240 a 300 m³/m².dia

• Profundidade dos tanques entre 1,6 a 3,0 m (usual > 2 m)

• Tempo de detenção entre 5 e 15 minutos

• Área: adiciona-se a vazão de recirculação (usual de 80 m², chegando a 200 m²)

𝐴 =𝑄 + 𝑞

𝑇𝐴𝑆

𝑞 = vazão de recirculação (vazão de água clarificada encaminhada à câmara de saturação

19

Dimensionamento de tanques de FLOTAÇÃO

Zona de flotação:

• Não há relação de comprimento/largura (indicação de até 12 m de comprimento )

• Saída da água clarificada pelo fundo do tanque de flotação (contrário ao tanque de decantação)

20

Dimensionamento de tanques de FLOTAÇÃO

Mecanismos de remoção de lodo:

• Raspagem superficial:

• Operação e manutenção mais complexa

• Economia de água

21

Filtração - Definição

É um processo que consiste na remoção de partículas suspensas e coloidais e de microrganismos presentes na água de abastecimento, através da passagem dessa água por um meio poroso geralmente constituído de partículas

de areia com diferentes granulometrias

22

Filtração - Classificação

Com relação à taxa de filtração:

• Lenta: baixa taxa de filtração

• Rápida: alta taxa de filtração

Com relação ao meio filtrante:

• Simples

• Múltiplas camadas

23

Filtração - Classificação

Com relação ao sentido do fluxo:

• Ascendente

• Descendente

Com relação ao projeto e operação da ETA

• Convencional (ciclo completo)

• Direta

24

Filtração – Classificação: Projeto e operação de ETA

Filtração - Classificação

Item Filtros lentos Filtros rápidos

Taxa de filtração 1 – 7,5 m³/m².dia 120 - 480m³/m².dia

Profundidade do leito 0,3 m de pedregulho e 1,0 a 1,5 m de areia

0,4 m de pedregulho e 0,5 a 0,7 m de areia

Distribuição dos grãos Não estratificado Estratificado

Duração da carreira de filtração entre limpezas

20 – 60 dias 1 – 3 dias

Penetração da matéria em suspensão

Superficial Profunda

Método de limpeza Raspagem da camada superficial e lavagem da areia removida

Lavagem a contracorrente a ar e água ou somente a água a alta taxa

Quantidade de água usada para lavar o filtro

0,2 – 0,6 % 1 – 6 %

Pré-tratamento Geralmente nenhum Coagulação+floculação + decantação ou flotação

26

Filtração - Exemplos

Filtro lento

27

Filtração - Exemplos

Filtro rápido

28

Filtração Rápida

Mecanismos

• Transporte

• Aderência

• Desprendimento

Fatores intervenientes

• Características do meio filtrante (espessura, tamanho, massa específica, forma e distribuição do tamanho dos grãos)

• Operação dos filtros rápidos

29

Filtração Rápida

Filtros rápidos de fluxo descendente

• Mais utilizados em estações convencionais

• O leito filtrante pode ser simples ou duplo

• O fluxo de água de lavagem é ascendente

Filtros rápidos de fluxo ascendente

• Camada espessa de areia (2m)

• Camada suporte de 60 cm

30

Filtração Rápida

Lavagem de filtros

• Introduzir água lavada em contracorrente com velocidade suficiente para fluidificar o leito filtrante

• Velocidade da água de 0,60 a 1,00 m/minuto

• Deve promover a expansão do leito filtrante de 20 a 30%

• Filtro de fluxo ascendente – velocidade mínima de 80 cm/minuto

31

Filtração Lenta

Processo de tratamento

• Processo biológico, não há a necessidade de emprego de coagulante químico

• Maiores áreas requeridas

• Tanque com areia (espessura entre 0,9 a 1,2 m) sobre uma camada de pedregulho (espessura de 0,2 a 0,45 m) – sistema de drenagem sob a camada de pedregulho, destinado a recolher a água filtrada.

32

Filtração Lenta

Processo de tratamento

• Eficiência depende da camada biológica – dias até semanas para se formar

• Necessário um número mínimo de dois filtros (operação)

• Vantagens: elevada eficiência de remoção de organismos potencialmente transmissores de doenças.

33

Filtração Lenta – Variações de Configurações

Água bruta

Filtração lenta

Decantação plena (lago, decantador convencional

ou de alta taxa)

Pré-filtração dinâmica em pedregulho

Pré-filtração em pedregulho com escoamento horizontal ou vertical

34

Filtração Lenta

Filtro lento com duas unidades em paralelo

35

Filtração Lenta

Não é o mais utilizado atualmente devido a:

• Aplicável a águas brutas de boa qualidade

• Grandes áreas para implantação

• Lavagem do leito filtrante é quase sempre manual

• Após lavagem necessita que a camada filtrante biológica se restabeleça

• Recomendações (NBR 12.216/92):

• Espessura mínima do meio filtrante de 0,90 m

• TAS de 3 a 6 m³/m².dia

36

Filtração Lenta

Lavagem dos filtros

• Remoção manual da camada superficial (2,5 cm da camada superficial)

• Intervalo médio de 25 dias (de 7 a 90 dias)

• Descarga de fundo (filtro de fluxo ascendente)

37

Filtração Rápida x Filtração Lenta

Padrão para a água filtrada (Portaria 2.914/2011)

• Água após filtração rápida: 0,5 µT em 95% das amostras

• Água após filtração lenta: 1,0 µT em 95% das amostras

Etapas do Tratamento Convencional

Coagulação:

• Adição de coagulante para desestabilizar as partículas (mistura rápida na água bruta) – 1 a 5 minutos

Floculação:

• Formação de flocos (mistura lenta em tanques específicos) – 20 a 30 minutos (hidráulico) ou 30 a 40 minutos (mecânico)

Decantação:

• Remoção dos flocos via força da gravidade (processo lento) – 2 a 4 horas (TAS de até 50 m³/m².dia)

Flotação:

• Remoção superficial dos flocos (processo com aeração forçada) – 5 a 20 minutos (TAS de 120 a 300 m³/m².dia)

Filtração:

• Lenta: TAS de 1 a 7,5 m³/m².dia (carreira de filtração de 20 a 60 dias)

• Rápido: TAS de 120 a 480 m³/m².dia (carreira de filtração de 1 a 3 dias)