Coagulação e floculação: dosagem e jar test

Duas tarefas atrás de uma expressão

Coagulação e floculação são citadas juntas porque acontecem no mesmo trecho da estação, uma após a outra, mas são duas tarefas diferentes. As partículas coloidais na água bruta — argila, cor, bactérias, matéria orgânica — carregam carga superficial negativa, e cargas iguais as mantêm separadas. A sedimentação simples não as remove a uma taxa útil, porque a repulsão entre duas partículas é mais forte que a força que a gravidade exerce sobre partículas tão pequenas.

A coagulação é o passo que remove a repulsão. Um coagulante dosado na água produz espécies carregadas positivamente que comprimem a dupla camada elétrica em torno de cada partícula e neutralizam parte de sua carga, de modo que duas partículas que se encontram possam permanecer juntas. A floculação é o passo que faz esses primeiros agregados pequenos crescerem até flocos grandes o bastante para sedimentar ou flotar: moléculas poliméricas de cadeia longa adsorvem em mais de uma partícula ao mesmo tempo e as interligam, e onde um sal metálico é dosado em taxa mais alta, um precipitado de hidróxido se forma e envolve as partículas no que se costuma chamar de floco de varredura.

A distinção tem consequência prática na mistura. A coagulação quer energia nos primeiros segundos, para que o produto químico se disperse pelo volume antes de reagir; a floculação quer movimento suave por minutos, porque um floco já formado se quebra facilmente por cisalhamento. Uma estação que mistura uma vez só, com força, faz uma das duas tarefas e desfaz a outra. O passo de separação que vem depois — sedimentação, flotação por ar dissolvido ou filtração — é onde os agregados precisam sair, e sua taxa de aplicação superficial é o que transforma um floco bem formado em sobrenadante clarificado.

As três famílias de produtos químicos

Quase todo arranjo de dosagem recorre a três famílias, e a maioria usa mais de uma delas.

• Sais metálicos hidrolisantes — sulfato de alumínio (alume), cloreto de polialumínio, cloreto férrico e sulfato ferroso. Eles se hidrolisam na água em espécies carregadas positivamente que neutralizam a carga das partículas, e em doses mais altas precipitam como um hidróxido que varre as partículas para baixo junto com ele.
• Polímeros orgânicos — floculantes de poliacrilamida (PAM), fornecidos em graus aniônico, catiônico ou não iônico. A cadeia longa interliga partículas já desestabilizadas, e os graus catiônicos carregam carga positiva que faz parte da neutralização por si próprios.
• Ajuste de pH e alcalinidade — cal, soda cáustica ou um ácido, usados para levar a água à faixa em que o coagulante escolhido funciona. O alume e os sais férricos consomem alcalinidade ao reagir, então o pH depois da dosagem é o que o processo enxerga.

A razão de aparecer mais de um produto químico é que as duas tarefas são melhor servidas por moléculas diferentes. Um sal metálico neutraliza carga dentro de uma faixa de pH que precisa ser estabelecida para a água em questão; um polímero constrói um floco com um comprimento de cadeia que um sal metálico não tem. Um único sal metálico em uma água difícil, ou um polímero sozinho em um coloide estável, é como uma estação acaba empurrando a dose muito acima do que precisa. Os fornecedores de coagulantes publicam faixas indicativas tiradas da prática de estações de tratamento de água, mas essas faixas descrevem o produto químico, e não a sua água. O valor que importa é determinado na água que a estação de fato vai tratar.

Por que a dose não pode ser lida em uma tabela

A dose ótima de um dado coagulante se move com a água. Turbidez e sólidos suspensos, alcalinidade e pH, temperatura, fração orgânica, cor e força iônica todos a deslocam, e não a deslocam todos na mesma direção. O mesmo alume na mesma dose pode produzir um floco de sedimentação rápida em uma água bruta e uma suspensão fina que passa direto pelo vertedouro em outra. É por isso que duas estações de porte semelhante em dois rios diferentes podem manter doses muito distantes.

Duas variáveis ficam por cima da própria água. A água fria desacelera a hidrólise e a formação do floco, então uma dose que funciona no verão pode ter desempenho insuficiente no inverno, e um tempo de floculação maior pode ser necessário para compensar. E uma dose de sal metálico definida por um limite de fósforo, e não pela clarificação, é definida pela química de precipitação: ela segue a razão entre metal e fósforo na água, que é um cálculo diferente do que decide o que parece claro em um béquer.

A conclusão é que a dose é determinada, e não consultada, e a determinação é o jar test — uma cópia da estação em escala de bancada, rodada em seis béqueres com a água real, em doses escolhidas em torno da faixa esperada.

O jar test, passo a passo

O jar test é prática padronizada, e não uma norma única e fixa, e os laboratórios diferem nos detalhes. O procedimento de jar test abaixo é o método de bancada convencional e os números são os geralmente citados para ele, e é por isso que devem ser lidos como um método de partida, e não como uma especificação. O que importa mais que os valores exatos é que o mesmo procedimento seja repetido toda vez, para que dois resultados possam ser comparados.

• Encha seis béqueres idênticos com a mesma água bruta, na mesma temperatura, até o mesmo volume — cerca de um litro por béquer é o tamanho de bancada usual.
• Meça primeiro a água bruta: turbidez ou sólidos suspensos, pH, alcalinidade, e DQO ou fósforo total onde esses forem os parâmetros que a estação é construída para remover.
• Monte uma escada de dosagem para o coagulante em torno da faixa esperada, deixando um béquer sem dosagem como controle. Degraus largos quando a faixa é desconhecida, e degraus estreitos quando a resposta começa a aparecer.
• Mistura rápida: agite os béqueres com força por um período curto — da ordem de um minuto — para dispersar o coagulante antes que ele reaja.
• Mistura lenta: reduza a velocidade e agite suavemente pelo período de floculação, da ordem de 15 a 20 minutos, para que os flocos cresçam sem serem desfeitos.
• Pare os agitadores e deixe os béqueres em repouso pelo período de sedimentação, da ordem de 20 a 30 minutos.
• Leia o sobrenadante, e não o béquer inteiro. Amostre na mesma profundidade em todos os béqueres, e depois meça turbidez e o parâmetro alvo na amostra.
• Repita com uma escada mais estreita em torno dos dois melhores béqueres, e repita o teste inteiro sempre que a água bruta mudar de forma relevante.

As velocidades e os tempos acima pertencem à bancada, e não à estação. No local, a coagulação e a floculação são projetadas em torno da energia dissipada por unidade de volume e do tempo que a água passa em cada estágio, e o resultado de bancada é o que fixa a demanda química que esse projeto precisa atender. O gráfico de volume de tanque e TDH mostra como um tempo de detenção se torna volume de bacia quando a dose é conhecida.

Registre mais do que a dose vencedora. Entradas úteis são a dose, o pH medido após a dosagem, as velocidades e durações de mistura, o tempo de sedimentação, o resultado do sobrenadante, o tamanho e a aparência do floco, e o volume de lodo que sedimentou — esse último número é a carga que o estágio de desidratação vai receber.

Erros comuns

• Ler o melhor béquer como a dose a comprar. O sobrenadante mais claro de uma escada costuma ficar acima do ponto de retorno decrescente, e tanto o custo do produto químico quanto o volume de lodo sobem com a dose. A dose a levar adiante é a mais baixa que atende à meta com margem.
• Dosar acima do ótimo. Excesso de sal metálico ou de polímero catiônico inverte a carga das partículas e reestabiliza o que já havia sido desestabilizado, de modo que a turbidez volta a subir conforme a dose aumenta. Uma escada que piora no topo está demonstrando isso, e não sofrendo um erro experimental.
• Julgar o teste só pela clarificação onde se aplica um limite de fósforo. A remoção química de fósforo segue a razão metal-fósforo na água, e a clareza visual do sobrenadante é um guia ruim para isso.
• Preparar o polímero concentrado demais. Floculante em pó umedecido em uma solução forte forma grumos que nunca se dissolvem por completo, e a fração não dissolvida é produto químico desperdiçado e fonte de erro de dose. As soluções de trabalho são preparadas diluídas e recebem tempo de maturação antes da dosagem.
• Encurtar a mistura rápida, ou fazê-la suave demais. O coagulante precisa alcançar todo o volume antes de reagir; um primeiro estágio lento deixa parte da dose reagindo localmente e deixa o estágio de floculação com pouco material para construir.
• Testar água que a estação não vai receber. Uma amostra deixada em repouso, aquecida no transporte ou coletada em uma única hora calma não representa a carga que a estação precisa tratar no pico, e uma dose definida com ela estará errada quando importar.
• Medir o pH apenas antes da dosagem. Os sais metálicos consomem alcalinidade, e o pH que governa a reação é o que se tem depois de o produto químico ser adicionado.

Autoverificação antes de a dose ser fixada

• A amostra é a água que a estação vai tratar, coletada no ponto e no momento que decidem a carga?
• Há um controle sem dosagem no conjunto, para separar o efeito do produto químico do que a água faz por si só?
• O pH foi medido depois da dosagem além de antes dela?
• A dose está citada para o produto comercial tal como fornecido, com seu teor ativo, para que o teste e a compra coincidam?
• A dose foi verificada na carga de pico além da média?
• A solução de trabalho do polímero está diluída o bastante para a bomba dosadora, e recebeu tempo de maturação suficiente?
• O volume de lodo sedimentado foi registrado, para que a carga de desidratação a jusante seja conhecida?
• A dose vencedora foi estreitada com uma segunda escada, ou confirmada em uma segunda amostra?

De uma dose a um sistema de dosagem

Um jar test produz um número; uma estação precisa repetir esse número todos os dias, com a vazão e a carga que chegarem. O polímero em pó precisa de umedecimento, maturação e dosagem, e o equipamento que faz esse trabalho está descrito na página de tratamento químico e avançado, onde a máquina automática de dosagem de polímero prepara e dosa o floculante no local, em vez de à mão. Dois detalhes precisam viajar junto com a dose: o produto comercial e seu teor ativo, para que uma dose de laboratório e um produto químico comprado sejam a mesma coisa, e a diluição que a bomba dosadora consegue trabalhar. A taxa de dosagem que serve ao seu grau de polímero e à sua carga de desidratação é confirmada com a fábrica para o seu polímero e a sua carga de lodo, e não presumida de uma tabela. O gráfico de qualidade do afluente de projeto e o gráfico de padrões de lançamento definem a carga que o sistema de dosagem precisa atender, e as páginas de equipamentos de desidratação de lodo cobrem o que acontece com o lodo que a dose produz.