Decantação

Aula 09(b) – Tratamento de água
9.9 – Decantação
9.9.1- Introdução
Decantação ou sedimentação é um processo dinâmico de separação de partículas
sólidas suspensas nas águas.
Diminuindo-se a velocidade de escoamento das águas reduzem-se os efeitos da
turbulência, provocando a deposição de partículas mais pesadas do que a água, suspensas nas
correntes líquidas.
O processo de sedimentação para remoção de partículas sólidas em suspensão é um
dos mais comuns no tratamento da água. Consiste na utilização das forças gravitacionais para
separar partículas de densidade superior a da água, depositando-as em uma superfície ou zona
de armazenamento. As partículas que não são removidas na sedimentação, seja por seu
pequeno tamanho ou por serem de densidade muito próxima a da água, deverão ser removidas
na filtração.
Normalmente a água contém materiais finamente divididos, no estado coloidal, ou em
solução, que não podem ser removidos por sedimentação simples, sendo necessária a adição
de coagulante para formar aglomerados ou flocos que sedimentam com facilidade. A
sedimentação, com coagulação prévia, é um processo de clarificação usado na maioria das
estações de tratamento, visando reduzir a carga de sólidos aplicada aos filtros.
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.
Os decantadores mais utilizados são: decantadores de fluxo horizontal, apresentam alta
eficiência e baixa sensibilidade a condições de sobrecarga e; decantadores tubulares ou de alta
taxa.
9.9.2- Velocidade de sedimentação
Velocidade de sedimentação a 20º C, de partícula com densidade de 2,65 .
Partículas Tamanho das
partículas
Velocidade de
sedimentação
Tempo necessário para
cair 3,00 m
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
Decantadores de fluxo horizontal.
A relação Q/A é conhecida como taxa e escoamento superficial e é, usualmente dada
em m3/m2xdia. A taxa de escoamento superficial é numericamente igual à velocidade crítica
de sedimentação. Todas as partículas com velocidade de sedimentação igual ou superior a Vcs
serão integralmente removidas no decantador. Partículas com velocidade de sedimentação
menores que Vcs só serão removidas se entrarem no decantador, Figura 9.9 (a), a uma
profundidade do fundo não superior a x = Vs x to, sendo to tempo nominal de detenção.
133

Figura 9.9 (a) – Trajetória de partículas discretas na zona de sedimentação
Como
h
t = V = bxlxh
= bxlxh
=
o bxlxV
V
cs cs cs
AxV
Q
Os flocos de sulfato de alumínio geralmente sedimentam a uma velocidade
compreendida entre 0,02 e 0,08 cm/s, ou seja, entre 18 e 70 m3/m2xdia. Em primeira análise,
poder-se-ia concluir, pois que a taxa e escoamento superficial deve ficar entre esses valores.
Com os recursos modernos, compreendendo a dispersão de regentes, a coagulação com
agentes auxiliares e a floculação mais eficiente, consegue-se obter flocos com melhores
condições de sedimentação.
A limitação da velocidade longitudinal máxima a um valor adequado para evitar o
arrasto e a resuspensão de flocos já depositados, irá impor uma condição de profundidade
mínima nos decantadores dado pela seguinte equação:
A
= £18
a
l
h
Onde:
h e l são respectivamente o comprimento e a profundidade do decantador; A e a, áreas
da superfície e da secção transversal.
A profundidade dos decantadores convencionais tem sido adotada geralmente entre 3,5
a 4,5 m. Pode-se adotar profundidades menores quando se faz remoção contínua de lodos.
Com a fixação de uma profundidade mínima resulta um tempo de detenção, parâmetro
indevidamente usado como critério básico de projeto há algum tempo.
9.9.3- Objetivos e aplicações da sedimentação
- Remoção de areia: para evitar erosão, depósitos e entupimentos em bombas e
instalações mecânicas.
134

- Remoção de partículas sedimentáveis finas (sem coagulação): quando se utilizam
águas de rios com grande transporte de sólido (alta turbidez).
- Retenção de flocos: decantação após coagulação: quando se utilizam processos de
coagulação para remoção de matéria coloidal, cor e turbidez, após floculação química.
9.9.4- Tipos de decantadores
a) Em função do escoamento da água
- Decantadores de escoamento horizontal: a água escoa na direção longitudinal, sendo que
o comprimento é a dimensão predominante.
- Decantadores de escoamento vertical: a água escoa em movimento ascendente da parte
inferior até a superfície dos tanques.
b) Em função das condições de funcionamento
- Decantadores do tipo clássico ou convencional: são aqueles em que se processa apenas a
sedimentação com água já floculada.
- Decantadores com contato de sólidos: são aqueles que promovem simultaneamente a
agitação, floculação e a decantação.
- Decantadores com escoamento laminar: o escoamento se dá em regime laminar.
9.9.5- Taxa de escoamento superficial
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 dotadas em função da qualidade da água:
Tipo de sedimentação Taxa (m3/m2 x dia)
Remoção de areia 600 a 1200
Sedimentação simples (s/ coagulação) 5 a 20
Clarificação de águas coloidais 15 a 45
Clarificação de águas turvas 30 a 60
9.9.6- Relação entre comprimento e a largura
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:
135

2,25 £ L <10
B
L 3 a 4
Mais comumente: =
B
Onde:
L = comprimento
B = largura
9.9.7- Período de detenção
Deve-se assegurar um certo tempo de permanência para a água nos decantadores, para
possibilitar a sedimentação das partículas que se deseja remover.
Adota-se:
volume - do -
decantador
Período de detenção (horas) = vazão - no -
decantador
Onde:
Vazão = em m3/h
Volume do decantador = em m3
Para decantadores clássicos adota-se geralmente entre 2h e 2h30.
9.9.8- Profundidade dos decantadores
Com o período de detenção e a vazão, obtém-se o volume do decantador, que
juntamente com a área superficial, fornecerá a profundidade.
H volume
área -sup
erficial
=
H = TxQ
BxL
Onde:
H = profundidade
Q = vazão
T = tempo de detenção
B = largura
L = comprimento
A velocidade de escoamento das águas, deve ser inferior a velocidade de arraste das
partículas sedimentadas, V < 1,25 cm/s.
136

Q
BxH
V = Q =
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.
EXEMPLO 9.9. (a):
Uma E.T.A, com 2 decantadores deverá purificar 60 L/s (216 m3/hora; 5.184 m3/dia)
de águas coloidais. Calcular os decantadores.
Solução:
a) Área do decantador
Taxa de escoamento superficial adotada: 30 m3/m2xdia
Q = AxV
2
3
A = Q = m dia
=
5184 / 173
m
m 3 m 2
xdia
30 /
V
Área para um decantador: 173/2 = 86,5 m2
b) Largura e comprimento
L
Adotando-se = 2,5
B
L x B = 86,5
2,5B x B = 86,5
B2 =86,5
2,5
B = 86,5
2,5
B = 5,9 m
L = 2,5 B
L = 2,5 x 5,9 = 14,75 m
A nova área será (área corrigida):
Ac= L x B = 14,75 x 5,9 = 87 m2
137

c) Profundidade
Adotando-se um período de detenção de detenção de 3 horas.
H TxQ 3,71
x m
= = 3(216 / 2) = =
BxL x
3 108
87,3
5,9 14,8
d) Verificação da velocidade
V = Q = (0,06 / 2) = 0,03 = 0,00137 / =
0,137 /
m s cm s
S BxH x
5,9 3,71
V = 0,136 c,/s < 1,25 cm/s
9.10- Filtração
9.10.1- Introdução
As suspensões floculadas que não foram retiradas na decantação, devem ser retiradas
nos filtros.
Os filtros são constituídos de meios filtrantes (areia, pedregulho, etc) classificados de
acordo com sua granulometria e coeficiente de uniformidade, que recebem a água sob vazão
controlada.
A medida que a água passa pelo meio filtrante, há a deposição de flocos sobre a
mesma que provoca a colmatação da camada superficial, aumentando a perda de carga, e
tornando-se necessário a lavagem do filtro.
9.10.2 – Filtros rápidos de gravidade
São aplicados a águas, em associação ao uso de produtos químicos.
9.10.2.1- Taxa de filtração
A taxa de filtração deve ser cuidadosamente fixada pelo projetista, tendo em vista as
condições locais (qualidade de água, habilidade de operação, etc.); as características do meio
filtrante (materiais e granulometria) e a carga hidráulica. De modo geral, a taxa nominal de
filtração, com todos os filtros em funcionamento, fica compreendida entre os seguintes
limites:
- Filtros de uma camada: 120 a 360 m3/m2xdia.
- Filtros de camada dupla: 240 a 600 m3/m2xdia.
A taxa de filtração a ser adotada, bem como as características granulométrica ideais do
material ou materiais filtrantes, devem ser, sempre que possível, determinada por meio de
filtro piloto.
138

Não sendo possível proceder a experiência em filtro piloto, a norma da ABNT “Projeto
de Estação de Tratamento de Água para Abastecimento Público”estabelece os seguintes
limites para a taxa de filtração:
- Filtros de camada simples, 180m3/m2xdia.
- Filtros de camada dupla, 360 m3/m2xdia .
9.10.2.2- Número e dimensões dos filtros
O número mínimo de unidades deve ser 3, e em caso muito particular 2. Normalmente
empregam-se 2 unidades para cada decantador.
Os filtros geralmente apresentam seção quadrada ou retangular. É empregadas a
seguinte relação:
= +1
n
n
B
L
2
Onde:
B = largura da câmara.
L= comprimento da câmara.
n = número de câmaras.
9.10.2.3- Espessura das camadas e altura da caixa de areia
Normalmente adotam-se as seguintes dimensões:
- Altura livre adicional: 0,25 a 0,40 m (mais comum 0,30 m); maior quanto menor o
número de filtros.
- Altura de água sobre o leito filtrante: 1,40 a 1,80 m (mais comum, 160 m).
- Altura do leito filtrante (camada única de areia): 0,60 a 0,80m.
- Altura do fundo falso: mínima ≥D + 0,25 (D = diâmetro da tubulação de água para
lavagem) ou ≥ 0,50.
9.10.2.4- Meio filtrante
Prevalecendo a atual tendência, os filtros de camada única de areia desaparecerão
dando lugar aos filtros de duas ou mais camadas filtrantes.
Para os filtros de uma única camada, as características predominantes no País para o
material filtrante eram as seguintes:
- Espessura da camada: 0,55 m.
- Tamanho efetivo: 0,4 a 0,6 mm.
- Coeficiente de uniformidade: < 1,6
- Tamanho mínimo: 0,35 mm.
- Tamanho máximo: 1,2 mm.
- Peneiras de preparação (usuais): 14 e 42 (Tyler)
139

Camada intermediária:
- Espessura da camada: 0,08 a 0,125 m.
- Tamanho efetivo: 0,8 mm.
- Coeficiente de uniformidade: < 1,7
- Areia usualmente preparada entre as peneiras 6 e 24 (Tyler).
9.10.3- Filtros lentos
9.10.3.1-Introdução
São aplicados a águas que dispensam o tratamento químico, isto é, águas de baixa
turbidez (até 10 ppm de matéria suspensa e 2000 bactérias / mL).
Na filtração lenta, desenvolvem-se ações físicas (coar, sedimentação, adsorção,
absorção); ações químicas (oxidação da matéria orgânica, ionização dos grãos de areia); ações
biológicas (formação de filme bacteriano em torno das partículas de areia).
9.10.3.2- Taxa de filtração
Varia entre 2,5 a 10,0 m3/m2xdia.
Em função das características da água a ser tratada e a vazão média do dia de menor
consumo, determina-se a área mínima de filtro necessária.
9.10.3.3- Número e dimensões dos filtros
O número mínimo de unidades deve ser de 2, sendo que um deles com capacidade para
filtrar a vazão de consumo máxima.
Sua forma geralmente é retangular, guardando uma relação de comprimento igual a 2
vezes a largura.
9.10.3.4- Granulometria e espessura da camada de areia e lâmina d’água
Meio filtrante:
- Espessura da camada:
- Material filtrante, com diâmetro efetivo entre 0,25 – 0,35 mm.
- Com coeficiente de uniformidade entre 2 e 3.
- Altura da lâmina d’água sobre a areia 0,90 a 1,50 m.
9.11- Desinfecção
9.11.1- Introdução
140

A desinfecção tem por finalidade a destruição de microorganismos patogênicos
presentes na água (bactérias, protozoários, vírus e vermes). Deve-se notar a diferença entre
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. Os vírus de hepatite e da poliomielite, por exemplo, não são
completamente destruídos ou inativados pelas técnicas usuais de desinfecção.
A desinfecção é necessária, porque não é possível assegurar a remoção total dos
microorganismos pelos processos físico-químicos, usualmente utilizados no tratamento da
água.
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 (7,0 g/L aproximadamente a 20oC) .
- 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.
O cloro apresenta algumas desvantagens, porquanto é um gás venenoso e corrosivo,
requerendo cuidadoso manejo e pode causar problemas de gosto e odor, particularmente na
presença de fenóis.
O ozônio é o mais próximo competidor do cloro, sendo utilizado em larga escala
somente na Europa.
9.11.2- Eficiência na desinfecção
A eficiência da desinfecção é influenciada pelos seguintes fatores:
- 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.
9.11.3- Características de desinfetantes
Os desinfetantes utilizados no tratamento de água, devem apresentar as seguintes
características:
- 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.
141

9.11. 4- Desinfecção pelo cloro
O cloro é usado no tratamento de água como:
- 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
b) Formação de clorofenol (indesejável)
C2H5OH + HClO → C6H4ClOH (clorofenol) + H2O
- Desinfetante
Reações com o cloro tais como acima, 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.
a) Na ausência de amônia, o cloro se combina com a água formando o ácido
hipocloroso, o qual pode por sua vez, ioniza-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 .
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
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.
Para valores de pH maiores ou iguais a 7, predomina a formação de monocloramina,
desde que a relação Cl2/NH3-N seja menor que 5. Na 9.11 (a) é mostrado o que geralmente
ocorre quando se adiciona cloro à água contendo amônia. Inicialmente, há formação de
monocloramina e dicloramina com o aumento da dosagem de cloro aplicada, causando a
diminuição de nitrogênio amoniacal, até que praticamente todo o nitrogênio amoniacal reage
com o cloro.
142

Aumentando-se a dosagem de cloro, há oxidação dos compostos amoniacais até que,
para certa dosagem de cloro aplicada, resulte somente cloro residual livre. Dessa situação em
diante, a cada aumento da dosagem de cloro aplicada corresponde um mesmo aumento de
cloro residual livre. O ponto corresponde ao teor de residual mínimo de cloro conhecido como
“break-point”.
Figura 9.11(a) – Variação dos teores dos compostos de cloro em função da dosagem de
cloro em água contendo amônia.
Na prática da cloração, a desinfecção pode ser realizada por um dos três métodos:
cloração simples, cloração ao “break-point”e amônia-cloração.
A cloração simples constitui o processo elementar e de uso mais generalizado de
desinfecção pelo cloro. Com a cloração simples não há preocupação de satisfazer a demanda
de cloro na água, bastando a aplicação de uma dosagem tal que, ao fim de um determinado
tempo de contato, 20 minutos por exemplo, o cloro residual livre se mantenha entre 0,1 e 0,2
mg/L, considerando, ma prática, para águas não muito poluídas.
Em casos de águas muito poluídas, nas quais a cloração simples seria ineficaz, uma
vez que o 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”.
A dosagem de cloro deve ser tal, que apresente os seguintes residuais:
pH Residual de cloro (ppm)
Livre Combinado
143

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.
Na 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. Esse método pode ser utilizado com 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.
Em águas contendo fenóis, para se evitar a formação de sabor e odor na água aplica-se
a amônia antes do cloro, com o que se evita a formação de clorofenóis na presença de amônia
em excesso.
A desinfecção também pode ser realizada por outros métodos, tais como: desinfecção
por ozona; por calor; por irradiação, etc.
144

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