A coagulação química é um processo responsável pela desestabilização das partículas em um sistema aquoso. No tratamento de água, em arranjos que incluem coagulação, essa etapa tem por objetivo tornar as impurezas que se encontram em suspensão fina, estado coloidal ou solução, passíveis de remoção nas fases seguintes. Vem com a gente entender como funciona!

O que é “estado coloidal”?

Vamos começar com um pouco de química, para apresentar a definição de coloide: esse nome se refere a uma dispersão de pequenas partículas de um material. Em um sistema coloidal, a fase dispersa, embora grande quando comparada com as moléculas, é tão pequena que as forças interfaciais e inerciais são significativas na estabilidade. É isso que confere aspecto turvo à água, ou uma dada cor. Com isso, sistemas coloidais não sedimentam, por exemplo, como ocorreria com partículas discretas.

Na água, grande parte das partículas coloidais e moléculas que compõem a matéria orgânica natural possuem cargas elétricas superficiais carregadas negativamente. Todas as partículas coloidais têm uma carga elétrica, que produz uma força de repulsão mútua, a qual pode ser suficientemente grande, de modo a mantê-las estáveis em suspensão.

As cargas negativas configuram uma camada rígida sobre a superfície da partícula, que chamamos de camada compacta ou camada de Stern. Os íons negativos que se aproximam trazem consigo alguns íons positivos, formando uma camada difusa. Essas duas camadas compõem a dupla camada elétrica. Você pode ver a configuração dos íons na superfície das partículas coloidais no desenho esquemático da Figura 1. Nessa imagem, clássica para quem estuda estabilidade de coloides, é possível visualizar a dupla camada e os potenciais elétricos desenvolvidos ao redor da partícula.

A gente está comentando sobre esses detalhes porque é possível medir o potencial na superfície que separa a camada interna da camada difusa. O chamado potencial zeta é uma medida de estabilidade de uma partícula, indicando o potencial necessário para que haja o rompimento da “película protetora” dos íons que rodeiam a partícula coloidal. Esse parâmetro é medido por um aparelho chamado zetâmetro e é importante para caracterizar a água bruta antes de propor um tratamento que envolva coagulação. Lembrando que as características da matriz a ser tratada serão determinantes na escolha da tecnologia de tratamento a ser empregada.

Resumidamente, sabemos que algumas impurezas da água não se aproximam umas das outras se não houver a adição de substâncias denominadas coagulantes. Afinal, substâncias coloidais são estáveis.

Coagulação e floculação

Há diferentes tratamentos em que a coagulação pode ser aplicada, mas, a título de simplificação, vamos pensar no ciclo completo, em que a água é coagulada, floculada e depois parte para uma etapa de separação. Exemplos são flotação, em que flocos são removidos depois de separados por injeção de ar dissolvido, ou sedimentação, em que flocos sedimentam em decantadores pela ação da gravidade. Mas para que haja separação, precisamos de água coagulada, isto é, coloides desestabilizados, e flocos formados.

Genericamente, podemos dizer que as operações de coagulação e floculação, juntas, se referem ao processo integral de aglomeração das partículas. No caso, a coagulação é a etapa em que o agente coagulante é adicionado à água, reduzindo as forças que tendem a manter separadas as partículas em suspensão.

O condicionamento da água se dá com alteração de pH, adicionando, em geral, cal. Então a água pode receber o agente coagulante. Em geral, estações de tratamento de água usam sais metálicos. Alguns exemplos:

• Sulfato de alumínio;
• Sulfato ferroso clorado;
• Sulfato férrico, etc.

A floculação, por sua vez, é a aglomeração dessas partículas, na medida em que fornece condições, em termos de tempo de detenção hidráulica e intensidade de agitação para aumentar o tamanho dos aglomerados formados. A agitação aqui é bem mais baixa do que no caso da coagulação, pois não queremos quebrar os flocos. Mas vamos comentar disso mais adiante.

A coagulação convencional depende das características da água bruta e da quantidade de impurezas que ela contém, bem como de alguns parâmetros operacionais. No caso de parâmetros físico-químicos, podemos falar de cor, turbidez, temperatura, pH, dentre outros. No caso dos parâmetros operacionais e de engenharia, há a dose de coagulante aplicada, o tempo de mistura rápida e o gradiente de velocidade impostos tanto na coagulação quanto na floculação.

A coagulação efetiva permite a formação de flocos ideais para remoção nas etapas seguintes, tirando o “grosso” das impurezas. Nessa aglomeração de partículas, podemos incluir também microrganismos causadores de doenças, removidos juntamente à cor e turbidez da água.

Esse efeito de remoção de contaminantes pode ser visível em uma decantação bem sucedida, que pode ser visualizada na sequência de imagens abaixo como exemplo (Fonte: @marcosrochavianna).

Por mais que sistemas de ciclo completo incluam uma etapa de filtração como “polimento”, sabemos que filtros não removem cor e, além disso, não queremos sobrecarregar esta fase, afinal, lavagem de filtros inclui gasto de água. Outra questão é a desinfecção da água, cujo intuito é deixar residual na distribuição, então não queremos água com demanda de cloro na câmara de contato. Sobre essa parte, você pode ler melhor você pode ler melhor aqui.

Questão de engenharia

A gente comentou sobre alguns parâmetros da qualidade de água, mas há também questões operacionais e de projeto. Na hora da concepção, deve ser considerada norma da ABNT que regulamenta o dimensionamento das estações de tratamento de água, a NBR 12216.

Vamos enfatizar aqui as etapas de mistura rápida e lenta, onde ocorrem a coagulação e floculação, respectivamente. Nelas, podemos empregar misturadores hidráulicos ou mecanizados. Dentre os fatores que vão determinar essa escolha na concepção da planta, temos a vazão afluente, a qualidade da água e o custo de energia elétrica.

Misturadores hidráulicos, no caso da coagulação, são dispositivos capazes de gerar ressalto, tais como a calha Parshall (Figura 2) que você deve ter visto nas aulas de hidráulica de canais. Uma vantagem de instalar esse tipo de dispositivo na entrada de água bruta na estação de tratamento é que ele também permite uma medição simples da vazão. No caso de mistura lenta por misturador hidráulico, para que ocorra a floculação, podemos citar chicanas.

Misturadores mecanizados, por sua vez, tanto para mistura rápida quanto lenta vão se diferenciar em operação em termos da rotação selecionada, ou seja, o gradiente de mistura imposto. Quanto ao dispositivo selecionado, podem ser turbinas ou hélices, cuja escolha vai depender de critérios de projeto. No caso de misturadores mecanizados, o dimensionamento das unidades deverá também considerar a necessidade de redutores e inversores na agitação e, no canal entre as câmaras, deve-se atentar se o escoamento não promoverá a quebra de flocos.

Em suma, a gente enfatiza que, por mais que a coagulação pareça simples do ponto de vista de dispersão de um agente químico, é uma etapa fundamental para que as demais sejam eficientes na remoção de contaminantes em geral. Por isso, vale prestar atenção na hora de conceber o projeto e, além de tudo, garantir a operação e manutenção do sistema de forma adequada.

Referências

DAVIS, Mackenzie L.. Water and Wastewater Engineering: Design Principles and Practice. New York: Mcgraw-hill, 2010.

LIBÂNIO, M. Fundamentos da qualidade e tratamento de água. 3ª.ed. Campinas, SP. Átomo. 2010.

RITCHER, C. A. Água: métodos e tecnologias de tratamento. São Paulo: Editora Edgard Blücher Ltda., 2009. 333p.

Você já visitou alguma estação de tratamento de água de ciclo completo? Conta para a gente nos comentários!

Kamila Jessie

Doutoranda e mestre em Engenharia Hidráulica e Saneamento pela Universidade de São Paulo, é formada em Engenharia Ambiental e Sanitária.