Tratamento de água - Flotação
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Tratamento de água
- Flotação
Prof. Ramiro Gonçalves Etchepare
E-mail: [email protected]
Universidade Federal do ParanáSetor de Tecnologia
Departamento de Hidráulica e Saneamento
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FLUXOGRAMA DO TRATAMENTO CONVENCIONAL DE ÁGUA
Manancial Coagulação FloculaçãoSedimentação ou Flotação
FiltraçãoDesinfecçãoFluoretaçãoCorreção de pH
Água Tratada
Agente oxidante
Alcalinizante
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No que consiste a flotação por ar dissolvido?
• Clarificação obtida por meio da produção de bolhas que se aderem aos flocos ou partículas em suspensão, reduzindo a sua massa específica e provocando a sua até a superfície de um tanque/flotador
• O sucesso do processo depende, entre outros, dageração de bolhas em quantidade e tamanhosadequados ao processo e da adesão das bolhas àspartículas sólidas.
• Um outro fator tem relação ao equipamentoutilizado e a parâmetros operacionais de processo.
Partícula
Bolha
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Histórico
• Final séc. XIX: Surgiu para a recuperação de minérios;
• 1924: Primeira geração. Células Sveen-Pedersen (2-3m3/m2 h);
• A partir de 1960: Tratamento de água para abastecimento (paísesescandinavos, África do Sul e Grã-Bretanha);
• Década de 90: ETA no Brasil.
• Crescente avanço > IWA International Conference on Flotation inWater and Wastewater Systems:
➢ Helsinki (2000)
➢ Seul (2007)
➢ Nova Iorque (2012)
➢ Toulouse (2016)
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HistóricoPrimeira geração (1924). Células Sveen-Pedersen
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Histórico
• 1960. Segunda geração. Células mais profundas e com maiores taxas (5-7 m/h).
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Histórico
• 1970. Unidades FAD com filtros na parte inferior. Capacidade de 10-15 m/h.
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Histórico
• Terceira geração (1990) - Unidades FAD turbulentascom capacidades de processamento de até 40 m/h. Ofiltro é substituído por condicionadores de fluxo.
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Aplicações da Flotação
✓Separação de minérios
✓Clarificação de efluentes de papel e celulose
✓Efluentes de refinaria
✓Tratamento terciário de esgotos municipais
✓Adensamento de lodos municipais e industriais
✓Remoção de turbidez, cor, sólidos suspensos totais, além da remoção de cianobactérias
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Flotação – Aplicações não convencionais
• Tratamento de águas de balneários, rios e lagos:
Unidade FAD Aplicação Vazão de
tratamento, m3.h-1
Favela da Rocinha (RJ) Rio Carioca (RJ) Piscinão de Ramos (RJ) Parque do Ibirapuera (SP) Canal Pinheiros (SP) Rio Negro (AM)
Piscina Artificial Descontaminação de Rio Piscina Artificial Descontaminação de Lago Descontaminação de Rio Descontaminação de Rio
1080 1080 270 540
36000 25000
• Remoção de algas e materiais em suspensão - DBO, óleos e graxas e metais pesados.
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Flotação – Vantagens reportadas
• Processo de alta taxa (> 10 m.h-1) de aplicação superficial
(TAS) que resulta em unidades mais compactas
• Melhor remoção de algas
• Maior remoção de sólidos suspensos, particularmente dos
sólidos finos
• Requer uma dosagem menor de reagentes (coagulantes)
• Reduz o volume de água descartado junto com o lodo
• Produz lodo com maior teor de sólidos
• Remoção de substâncias voláteis presentes na água bruta
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➢Operação e manutenção mais complexas
➢Exige operadores mais qualificados
➢Os flotadores podem precisar de cobertura
➢Requer equipamentos para a geração de bolhas
➢Maior consumo de energia
Flotação – desvantagens reportadas
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Tipos de Flotação
• Flotação por Ar Induzido (FAI) e Flotação por ar disperso
• Eletroflotação (EF)
• Flotação por Ar Dissolvido (FAD)
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Flotação por ar dissolvido (FAD)
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Água
Manômetro
Excesso de ar
Constritor de fluxo(válvula agulha – P=Patm)
Água saturada com ar (P=4 a 6 atm)
Ar comprimido
Dissolved air flotation
(DAF)
Borbulhamento de arem vaso saturador
Saturação de ar em água
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FLOTAÇÃO POR AR DISSOLVIDO
Cálculo teórico da saturação de ar em água (Lei de Henry):
• A saturação de um gás em um líquido é diretamenteproporcional a pressão do gás acima do líquido paradeterminada temperatura.
Sendo:Pa = Pressão parcial do soluto “a” na fase gasosaXa = Fração molar do soluto “a” na fase líquidaKar = constante da Lei de Henry (função da temperatura), atm/fração molar
𝑃𝑎 = 𝐾𝑎𝑟 . 𝑋𝑎
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FLOTAÇÃO POR AR DISSOLVIDO
Tabela 1. Constante da Lei de Henry para vários gases com significativa solubilidade na
água.
H x 104 (atm/mol)
T (oC) Ar CO2 CO H2 H2S CH4 N2 O2
0 4,32 0,0728 3,52 2,79 0,0268 2,24 5,29 2,55
10 5,49 0,104 4,42 6,36 0,0367 2,97 6,68 3,27
20 6,64 0,142 5,36 6,83 0,0483 3,76 8,04 4,01
30 7,71 0,186 6,20 7,23 0,0609 4,49 9,24 4,75
40 8,70 0,233 6,96 7,51 0,0745 5,20 10,4 5,35
50 9,46 0,283 7,61 7,65 0,0884 5,77 11,3 5,88
60 10,1 0,341 8,21 7,65 0,1030 6,26 12,0 6,29
Cálculo da Fração molar do ar (Xar)
P = 5 atm (adotado)T = 20◦C→ Kar tabelado → 6,64x 104 atm/mol
Tabela. Constante de Henry para diferentes gases (K x 104 atm/mol)
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FLOTAÇÃO POR AR DISSOLVIDO
Substituindo na equação, calcula-se a fração molar do ar (Xa):
𝑃𝑎 = 𝐾𝑎𝑟 . 𝑋𝑎
5 𝑎𝑡𝑚 = 6,64 𝑥 104𝑎𝑡𝑚
𝑓𝑟𝑎çã𝑜 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟. Xa
Xa = 7,53.10-5
𝑋𝑎 =𝑛𝑎𝑟
𝑛𝑎𝑟 + 𝑛𝐻2𝑂Qual o número de mols da água?
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FLOTAÇÃO POR AR DISSOLVIDO
molsmolg
gn OH 6,55
/18
10002
==
Para 1 L de água...
1L de H2O = 1000 g de H2O
1 mol --- 18 gnH2O --- 1000g
1 mol da molécula de H2O tem 18 g de H2O
𝑋𝑎 =𝑛𝑎𝑟
𝑛𝑎𝑟 + 𝑛𝐻2𝑂
Fração molar do ar para a condição atmosférica = ~0,0093 mol
𝑛𝑎𝑟 = 0,00419 mols
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FLOTAÇÃO POR AR DISSOLVIDO
Cálculo do volume da saturação: lei dos gases ideais
Onde:
P = pressão (atm)→ P=5 atm
V = volume de saturação do ar na água = Sar
R = constante dos gases ideais = 0,082 L.atm/K.mol
T= temperatura em Kelvin (K)→T=20ºC ou 293 K
TRnVP ar =
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FLOTAÇÃO POR AR DISSOLVIDO
Logo,
OHarOHar
ar
LmLVLLV
V
P
TRnV
22
3
/1,20/0201,0
5
293082,01019,4
==
=
=
−
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ETA Iraí (Curitiba)
Vaso saturador de leito fixo
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Bomba marca Nikuni®
Saturação de ar em água Injeção de ar com bombascentrífugas multifásicas
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Dispositivos de cavitação hidrodinâmica
Válvula de agulha
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Dispositivos de cavitação hidrodinâmica
Tubo de cavitação – tipo Venturi
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Formação de bolhas: despressurização e cavitação hidrodinâmica
Microbolhas (MBs): 10-70 µmNanobolhas (NBs): 50-500 nm
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2,5 bar1,5 bar 3 bar
4 bar 5 bar 2,5 bar / Tsup = 50 mN.m-1
Geração de bolhas com bomba multifásica / escala semi-piloto
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• Célula de flotação utilizando vaso saturador – sistema
convencional
Flotação com Ar Dissolvido - FAD
Remoção de
lodo
Vaso
saturador
Reciclo Saturado
Zona de Separação
Zona de
Contato
Reciclo
Água
tratada
Água
+
partículas
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Flotador piloto/bancada
Fonte: Fonseca, 2017
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• Remoção de lodo (vista superior)
Flotador piloto/bancada
Fonte: Fonseca, 2017
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• A/S é a relação ar-sólido em mg.mg-1;
• Sar é a solubilidade do ar, em mL.L-1;• f é a fração de gás dissolvido a uma dada pressão, usualmente 0,5 a 1,0;• P é a pressão absoluta em atmosferas;• SST é a concentração de sólidos em suspensão totais em mg.L-1;• Q é a vazão em L.s-1 ;• QR á a taxa de recirculação.
• A relação ar/sólidos recomendada é de 0,005 a 0,016 mg de arpor mg de SST
QSST
QPfS
SA Rar
−=
)1(3,1
Parâmetros de projeto
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Parâmetros de projeto
• Taxa de recirculação de água saturada: 5 a 15%
• Tempo de detenção hidráulico: 15 a 35 min
• Altura do flotador: 1,5 - 2 m
• Taxa de aplicação superficial: 120 a 360 m3/m2.dia
• Comprimento: < 12 m
• Relação entre comprimento e largura (L/B): 1 a 1,5
• Vazão máxima por unidade de flotação: 600 L/s
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Exercício
Calcular a área, volume, TDH e dimensões de 4 flotadores(compartimentos) em paralelo para uma ETA considerando osseguintes dados:
• População: 200.000 hab
• Per-capita: 200 L/hab.d
• Coeficiente relativo ao dia de maior consumo: 1,2
• Coeficiente relativo a hora de maior consumo: 1,5
• Uso da ETA = 4%
• Taxa de reciclo ao saturador = 10%
• Altura do flotador = 1,5 m
• Relação comprimento/largura (L/B): 1
• Taxa de Aplicação Superficial (TAS) = 140 m3/m2.d
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Exercício
Vazão de projeto:
𝑄 = 0,577 𝑚3/𝑠
Área do tanque de flotação:
𝐴 = 392,2 𝑚2
𝐴𝑐 = 98,06 𝑚2
Dimensões:
𝐵 = 9,90 𝑚
~10 𝑚
𝐿 = 10 𝑚
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Exercício
Nova área e TAS
Área do tanque de flotação:
𝐴 = 400 𝑚2
𝐴𝑐 = 100 𝑚2
𝑇𝐴𝑆 = 137 𝑚2
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Exercício
Volume do flotador:
𝑉𝑐 = 150 𝑚3
Tempo de detenção hidráulico:
𝑡𝑑 = 944 𝑠
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Mecanismos de flotação
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Aprisionamento de bolhas no interior de precipitados/flocos
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Arraste de flocos/partículas por bolhas
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EFLUENTE
Efluente bruto Efluente floculado Flotação inicial
Flotação: 15s Flotação: 1min Flotação: 4min
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FLOTAÇÃO – 240 s
Lodo flotado
Efluente
tratado
EFLUENTE
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FAD no tratamento de águas: Contexto Nacional
• 1994 – Primeira aplicação de FAD para tratamento de água foi
a ETA Meaípe, no Espírito Santo, que opera desde 1994
• ETAs de pequeno porte (unidades compactas)
ETA Mantenópolis – ES (34 L.s-1)
ETA Mairiporã – SP (28 L.s-1)
• ETAs de grande porte (grandes centros urbanos)
ETA Iraí - Curitiba (Sanepar) – 2850 L.s-1
ETA Brasília (Caesb) – 3.500 L.s-1
ETA Rio Pequeno (São José dos Pinhais-PR) e ETA Manaus II
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ETA Iraí (Curitiba) – Sanepar
Flotador - Camada de Lodo flotado
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Flotador vazio e em processo de enchimento
ETA Iraí (Curitiba) – Sanepar
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Unidade de flotação da ETA Mairiporã da Sabesp
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Descoberta recente na flotação por ar dissolvido (últimos 5 anos):
Nanobolhas
Laboratório de Tecnologia Mineral e Ambiental da UFRGS
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O que são Nanobolhas?
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Poucos segundos Poucos minutos Dias, meses...
Macrobolhas (0, 2 – 1 mm)
Nanobolhas ( < 1 mm)
Microbolhas ( 10 – 80 mm)
Tempo de vida de bolhas
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Nanopancake
Nanobolhas de superfície
Nanobolhas dispersas
100 nm
Líquido
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NBs com corante azul de metileno
D32 = 780 nm
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Imagem de AFM (Fonte: Borkent et al., 2010)
NBs sobre uma superfície hidrofóbica
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Contribuição das NBs na adesão de bolhas maiores
Fonte: Pourkarimi et al. (2017)
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Bibliografia
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• Agência Nacional de Águas. Atlas Brasil, Abastecimento Urbano de Água. Panoramapor Estados. V. 2. ANA, Brasília, 2010.
• Azevedo, A.. Estudos de flotação por ar dissolvido com bomba multifásica (FAD-B) esedimentação lamelar (SL) no tratamento de água bruta para abastecimento público(Canoas-RS). Dissertação de mestrado (UFGRS), 2013.
• Azevedo, A. ; Etchepare, R. ; Rubio, J Raw water clarification by flotation with microand nanobubbles generated with a multiphase pump. WATER SCIENCE ANDTECHNOLOGY , v. 113, 2017