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Um estudo sobre a viabilidade técnica e econômica da comparação entre clarificação convencional e ultrafiltração em águas potáveis da empresa baiana de águas e saneamento s.a. (embasa). O texto discute as variáveis importantes para a escolha do tipo de tratamento, como investimento, espaço ocupado, cultura local, e principalmente, o tipo de água bruta captada. O autor compara as tecnologias de clarificação e ultrafiltração, destacando a ultrafiltração como uma opção viável para a produção de água potável com menor uso de produtos químicos e menor geração de lodo.
O que você vai aprender
Tipologia: Notas de estudo
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Não perca as partes importantes!
A água é provavelmente o único recurso natural que referenciado com todos os aspectos da civilização humana, desde o desenvolvimento agrícola e industrial aos valores culturais e religiosos ligados à sociedade. Aproximadamente 80% de nosso organismo é composto por água. É um recurso natural essencial, seja como componente bioquímico de seres vivos, como meio de vida de várias espécies vegetais e animais, como elemento representativo de valores sociais e culturais e até como fator de produção de vários bens de consumo final e intermediário (SANTOS, 2006). Segundo estudos, 70% do planeta são constituídos de água, sendo que somente 3% são de água doce e, desse total, 98% são de água subterrânea. Atualmente, 69% da água potável são destinadas para a agricultura, 22% para as indústrias e apenas 9% usados para o consumo humano. Nas sociedades modernas, a busca do conforto implica necessariamente em um aumento considerável das necessidades diárias de água (SOUZA, 2009). Na indústria é grande usuária de água, dessa forma, carece estar atento aos meios disponíveis para se utilizar de forma eficiente esse recurso natural. Os usos da água na indústria podem ser divididos nos grupos a seguir: transferência de calor, geração de energia e aplicação a processos. As indústrias utilizam quantidades grandes de água e milhares de pessoas consomem este recurso. Pela necessidade de atender uma grande parcela de usuários de água, é necessário um tratamento para a distribuição desse recurso para a população. A partir dos estudos desse tema surgiu a oportunidade de elaborar um estudo de viabilidade técnica e econômica para a comparação do processo de clarificação da Empresa Baiana de Águas e Saneamento S.A. (EMBASA) por uma técnica relativamente nova, Ultrafiltração, que está sendo utilizada com muito sucesso na produção de água ultra pura para a indústria eletrônica e no tratamento de efluentes líquidos. Na seção 2 aborda a comparação entre duas tecnologias para tratamento de água: a convencional clarificação e a ultrafiltração. A ultrafiltração e a clarificação são tecnologias que conseguem remover sólidos em suspensão na mesma faixa de tamanho, a remoção da cor em função dos sólidos dissolvidos e em contrapartida os organismos bacteriológicos, esses processos estão elucidados na seção 3 deste trabalho. Então, a escolha entre estes dois processos deve ser baseada em diversas variáveis, como o investimento, a vazão de água pretendida, o espaço ocupado e até mesmo cultura local, porém o principal fator para a escolha do tipo de tratamento se deve ao tipo de água bruta que o sistema capta das barragens para a Estação de Tratamento Vieira de Melo.
Para concluir o trabalho a metodologia abordada na seção 4, ajudou a entender a sistematização de ambos os processos para concluir qual dessas tecnologias é a mais viável.
despejam seu lixo, logo para abastecer a população com uma água dentro dos padrões de potabilidade, faz-se necessário um aumento na utilização de produtos químicos para o tratamento de clarificação gerando mais custos e aumento de produtos químicos na água. Visto que o processo de ultrafiltração tem grande capacidade de separação de contaminantes, há uma diminuição no espaço para operação e no uso de produtos químicos no tratamento, consequentemente para próximas etapas de tratamento de água como na demanda de agente desinfetante na etapa de desinfecção, reduzindo, assim, a formação de eventuais subprodutos da desinfecção e, ainda, dependendo das características da água bruta, ser viável a obtenção de água potável sem a adição de qualquer produto coagulante ou pré-oxidante, em conseqüência gerando uma economia e mantendo os padrões da qualidade da água.
Nesta seção, serão apresentadas as tecnologias de clarificação e ultrafiltração, o entendimento dos processos, etapas de tratamento, vantagens e desvantagens. Autores relatam seus experimentos conforme as necessidades da região em estudo. As diversificações de membranas, variáveis como tempo, espaço, pressão, são de suma importância para a escolha do projeto para a realização de testes. 3.1 CLARIFICAÇÃO As águas superficiais, geralmente, contêm sólidos em suspensão e coloidais, oriundos da erosão do solo, decaimento da vegetação, microorganismos e compostos produtores de cor. Materiais mais graúdos, como a areia, podem ser eliminados a um grau considerável pela (pré) decantação (anterior ao tratamento químico) simples, mas a matéria orgânica deve ser oxidada (etapa de oxidação) e as partículas mais finas devem ser quimicamente coaguladas (etapa de coagulação) para produzirem flocos (etapa de floculação), os quais são removidos na decantação e filtração subsequentes. Esses processos constituem o que a indústria de tratamento de água denomina de clarificação (SANTOS & RITA, 2002). Operações unitárias envolvidas na clarificação (tratamento de água convencional): 3.1.1 Oxidação O processo de oxidação, como primeira medida no tratamento, provoca, além do controle de odor, a desinfecção. A remoção destes compostos é realizada, normalmente, através de reação de oxidação com cloro ou ozônio A oxidação pela cloração breakpoint é a técnica mais comum para a destruição de odores e desinfecção. Ocasionalmente, permanganato de potássio é mais eficiente que o cloro, com agente oxidante e pode ser usado em conjunção com a cloração, na destruição de gosto e odores. Embora pouco comum, o ozônio, um oxidante forte, pode ser utilizado (SANTOS & RITA, 2002). A oxidação também é feita com objetivo de remover minerais como ferro e manganês. Através da oxidação desses minerais formam-se precipitados que são removidos pela filtração.
3.1.4 Decantação Decantação é a remoção das partículas da suspensão, por ação da gravidade. Nesse processo o tempo de residência deve ser o suficiente para que as partículas produzidas na floculação se sedimentem e a água clarificada produzida permaneça especificada com relação à cor e turbidez. Nesta etapa, é removida toda a lama gerada no processo de Clarificação, que é composta dos sólidos suspensos retirados da água e uma parcela dos produtos químicos adicionados ao sistema. Boa parte dos decantadores usados no tratamento d’água é de fluxo ascendente, onde a água flui verticalmente, descarregando em canais efluentes; assim, o decantador ideal, pode ser usado para fins expositivos. A água entrando num decantador é forçada para o fundo, ao passar sob um septo, e, depois, ascende verticalmente, extravasando no vertedouro de um canal de descarga, localizado na superfície do tanque. As partículas floculadas decantam, numa direção oposta à da área, e são removidas do fundo por um equipamento mecânico de remoção de lodo. As partículas com velocidade de decantação V maior que a taxa de aplicação superficial da vazão sobre a área (Q.A-1) são removidos, enquanto que os flocos mais leves, com velocidades de decantação menores que a taxa de aplicação superficial, são carregadas no efluente do decantador. (SANTOS & RITA, 2002). 3.2 ULTRAFILTRAÇÃO O processo de separação por membranas, especialmente a ultrafiltração, é uma tecnologia emergente para o tratamento de águas de abastecimento pela possibilidade de obtenção de águas com melhor qualidade em estações de tratamento mais compactas, de fácil automação, com menor geração de lodo e custo competitivo em relação ao sistema convencional de tratamento (DE OLIVEIRA, 2010). Segundo Schneider e Tsutiya (2001) e Blumenroth e Schneider (2001), na produção de água potável, sistemas de ultrafiltração são utilizados para a separação de material particulado, coloidal e de microorganismos das águas brutas, oferecendo as seguintes vantagens sobre sistemas convencionais de tratamento:
De acordo com a literatura técnica alguns trabalhos já foram realizados com o intuito de comparar os processos convencionais de tratamento de água (clarificação) com a tecnologia de membranas (ultrafiltração). A primeira estação de tratamento de água de abastecimento público por ultrafiltração no mundo entrou em operação na França em 1988 com capacidade de produção de 256 m³.d-1^ e foi projetada pela fabricante de membranas Aquasource. A partir desse inicio até 1996, foram implantadas outras 27 estações de tratamento de água pela mesma empresa, a maioria delas na França, com capacidades de até 55.000 m³.d-1^ tratando água de mananciais subterrâneos e superficiais (DE OLIVEIRA, 2010). No Equador, uma planta de ultrafiltração utilizando membranas de polietersulfona (150. g.mol-1) de fibra-oca foi instalada com o objetivo de produzir água potável para abastecimento público e industrial. O sistema trabalha com a pressão hidrostática (250 kPa), aproveitando as condições topográficas locais. (ARNAL et al., 2007). No Japão, Nakatsuka; Nakate e Miyano realizaram experimentos, captando água de rio, para tratamento por duas membranas de UF de fibra oca de diferentes materiais e pesos moleculares de corte (PMC), uma em acetato de celulose (mais hidrofílica) com PMC de 150.000 g.mol-1^ e outra em polietersulfona (menos hidrofílica) com PMC de 30.000 g.mol-1. A pressão transmembrana foi mantida constante e igual a 50 kPa. Diferentes condições de retrolavagem foram utilizadas. Foram então analisadas a produtividade e a qualidade da água tratada. O estudo permitiu concluir que: (1) a ultrafiltração de água de superfície é fortemente dependente do material da membrana, das condições operacionais e da qualidade da água bruta, (2) A pressão de retrolavagem deve ser, pelo menos, o dobro da pressão transmembrana (de filtração) a fim de maximizar a recuperação e a manutenção do fluxo e (3).O fouling (o conjunto de organismos que sujam as membranas) provocado durante os períodos de alta turbidez e alta concentração de compostos orgânicos (UV 260nm) na água bruta, reduziu o fluxo e aumentou a rejeição de UV 260nm devido à formação de uma segunda camada (torta) sobre a superfície da membrana. A remoção de compostos orgânicos com peso molecular menor que o PMC da membrana foi observado e, segundo os autores, também foi devida à adsorção na camada de torta (DE OLIVEIRA, 2010). A substituição de um tratamento convencional de pré-cloragem, coagulação/floculação/decantação, filtração com carvão ativado granulado e desinfecção final com cloro por um processo combinado de carvão ativado em pó e UF foi testada na França numa instalação piloto e numa ETA. Os resultados indicaram remoções de turbidez superiores a 85%, de COT de cerca de 55%, de UV245nm superior a 73% e coliformes totais na água tratada inferiores a 1 PFU/100 mL (BAUDIN et al,1997).
Na ETA de Vigneux-sur-Seine, a sudeste de Paris, com uma capacidade de 55 000 m^3 .dia-1, Baudin et al. (2000) ensaiaram a substituição do tratamento convencional (pré- cloragem/clarificação/filtração em GAC/ozonização) pelo processo Cristal. Este processo é constituído por PAC e UF, foi instalado a seguir à ozonização e tinha como objetivo aumentar a desinfecção e remoção de matéria orgânica natural. Os resultados revelaram que a instalação do processo Cristal melhora a qualidade da água distribuída, com concentrações médias de Carbono Ôrganico Dissolvido (COD) de 0.8 mg.C.L-1^ à saída da ETA e em todo o sistema de distribuição. Como consequências foram adicionadas menores concentrações de cloro, mantendo-se o cloro residual em todo o sistema de distribuição e reduzindo-se os compostos precursores dos trihalometanos. Minegishi et al. (2000) avaliaram, em escala piloto, a necessidade e a eficiência da coagulação ou coagulação/sedimentação como pré-tratamento à ultrafiltração(UF) para produção de água para consumo humano. A instalação piloto tinha uma capacidade de tratamento de 120 m³.dia-1^ para o processo de coagulação/sedimentação e três módulos de UF de fibras ocas em paralelo, cada um com capacidade de 10 m^3 .d-1^ e membranas de poliacrilonitrilo com um tamanho nominal médio de poro 0,01 mm. As pesquisas demonstraram que a coagulação/sedimentação é efetiva como pré-tratamento da UF porque este processo remove partículas suspensas e substâncias húmicas de elevado peso molecular, principais colmatantes das membranas. A ETA de Alcantarilha (Portugal) ocupa uma área total de implantação de 4. hectares. Foi dimensionada para um caudal de 3 m³/s, ou seja, uma vazão média diária de 259.000 m^3 ,equivalente a uma população de 615.000 habitantes. É constituída por três linhas de tratamento em paralelo, cada uma com uma capacidade de 1 m^3 /s, de forma a fazer face às necessidades de abastecimento de água, tanto no Inverno (uma linha) como de Verão (duas ou três linhas) (ABA, 2000 apud TEIXEIRA, 2001). Segundo (TEIXEIRA, 2001), o trabalho foi possível verificar que o desempenho da ultrafiltração no tratamento de águas para consumo humano varia com o tipo de água, estando os mecanismos envolvidos no desempenho depende da qualidade da água, ou seja, a de boa qualidade, não requer um tratamento de pré-tratamento podendo ser clarificada diretamente na UF, porém para águas de pior qualidade, as membranas não geraram resultados significativos, não sendo recomendável para uma UF direta, precisando de um pré-tratamento. No Equador, uma planta de UF utilizando membranas de polietersulfona (150.000 g.mol- (^1) ) de fibra-oca foi instalada com o objetivo de produzir água potável para abastecimento público e industrial. O sistema trabalha com a pressão hidrostática (250 kPa), aproveitando as
A cor de uma água é consequência de substâncias dissolvidas ou em estado coloidal, na maioria dos casos de natureza orgânica. Quando pura, e em grandes volumes, a água é azulada. Quando rica em ferro, é arroxeada. Quando rica em manganês, é negra e, quando rica em ácidos húmicos, é amarelada. A cor de uma amostra de água está associada ao grau de redução de intensidade que a luz sofre ao atravessá-la (e esta redução dá-se por absorção de parte da radiação eletromagnética), devido à presença de sólidos dissolvidos, principalmente material em estado coloidal orgânico e inorgânico. Dentre os colóides orgânicos podem-se mencionar os ácidos húmico e fúlvico, substâncias naturais resultantes da decomposição parcial de compostos orgânicos presentes em folhas, dentre outros substratos. Também os esgotos sanitários se caracterizam por apresentarem predominantemente matéria em estado coloidal, além de diversos efluentes industriais contendo taninos (efluentes de curtumes, por exemplo), anilinas (efluentes de indústrias têxteis, indústrias de pigmentos, etc.), lignina e celulose (efluentes de indústrias de celulose e papel, da madeira, etc.). Há também compostos inorgânicos capazes de possuir as propriedades e provocar os efeitos de matéria em estado coloidal. Os principais são os óxidos de ferro e manganês, que são abundantes em diversos tipos de solo. Alguns outros metais presentes em efluentes industriais conferem-lhes cor, mas, em geral, íons dissolvidos pouco ou quase nada interferem na passagem da luz. O problema maior de coloração na água, em geral, é o estético já que causa um efeito repulsivo aos consumidores. (MATOGROSSO,
Utiliza-se a técnica espectrofotométrica para a análise de Cor Real e Aparente, numa célula de fluxo de caminho ótico de 25 mm, no comprimento de onda de 455 nm. O uso da célula de fluxo resolve o problema de pareamento de cubetas, o que dificulta a medida da Cor em concentrações abaixo de 15 mg Pt/L. Uma unidade de cor corresponde àquela produzida por 1mg/L de platina, na forma de íon cloroplatinato. No comprimento de onda de 455 nm, a turbidez interfere, mas de forma significativa apenas quando está presente em altas concentrações. (MATOGROSSO, 2012). 3.4 TURBIDEZ
A Turbidez de uma amostra de água é o grau de atenuação de intensidade que um feixe de luz sofre ao atravessá-la (e esta redução se dá por absorção e espalhamento, uma vez que as partículas que provocam turbidez nas águas são maiores que o comprimento de onda da luz branca), devido à presença de sólidos em suspensão, tais como partículas inorgânicas (areia, silte, argila) e de detritos orgânicos, algas e bactérias, plâncton em geral, etc. A erosão das margens dos rios em estações chuvosas é um exemplo de fenômeno que resulta em aumento da turbidez das águas e que exigem manobras operacionais, como alterações nas dosagens de coagulantes e auxiliares, nas estações de tratamento de águas. A erosão pode decorrer do mau uso do solo em que se impede a fixação da vegetação. Este exemplo mostra também o caráter sistêmico da poluição, ocorrendo inter-relações ou transferência de problemas de um ambiente (água, ar ou solo) para outro. A turbidez na água é causada pela presença de matérias em suspensão, tais como argila, sílica, matéria orgânica e inorgânica finamente dividida e organismos microscópicos. Estes materiais ocorrem em tamanhos diversos, variando desde as partículas maiores que se depositam (tamanho superior a 1 μ) até as que permanecem em suspensão por muito tempo (como é o caso das partículas coloidais). (MATOGROSSO, 2012) Água límpida isenta de turbidez, é importante quando ela se destina direta ou indiretamente ao consumo humano ou a processos industriais. Turbidez acima de 5 unidades é notada pelo consumidor e representa uma condição insatisfatória. As águas de sistemas de abastecimento são coaguladas, decantadas e filtradas para reduzir o número e o tamanho das partículas em suspensão a um nível admissível. Coagulação e filtração devem produzir água de turbidez inferior a 1NTU; a ocorrência de turbidez na água filtrada pode indicar fendas no filtro de areia, precipitação de flocos coagulantes ou coagulação incompleta. Turbidez excessiva reduz a penetração da luz na água e com isso reduz a fotossíntese dos organismos do fitoplâncton, algas e vegetação submersa. Matérias que se sedimentam preenchem os espaços entre as pedras e pedregulhos do fundo, eliminando os locais de desova de peixes e habitat de muitos insetos aquáticos e outros invertebrados, afetando assim a produtividade de peixes. Alta turbidez reduz a fotossíntese de vegetação enraizada submersa e algas. Esse desenvolvimento reduzido de plantas pode, por sua vez, suprimir a produtividade de peixes. Logo, a turbidez pode influenciar nas comunidades biológicas aquáticas. Além disso, afeta adversamente os usos doméstico, industrial e recreacional de uma água. Na água potável, a turbidez está associada à sua qualidade Bacteriológica. Águas turvas tendem a abrigar bactérias nos flocos de turbidez, podendo conter coliformes e outros micro-organismos, mesmo na presença de cloro residual. Além disso, a turbidez alta pode
24 horas. O principal componente deste grupo é a Escherichia coli, sendo que alguns coliformes do gênero Klebsiella apresentam também essa capacidade. No caso da técnica de membrana filtrante, são considerados coliformes termotolerantes as bactérias que tem propriedade de formar colônias azuis a 44,5 ± 0,2 ºC. (COSTA,2012)
A pesquisa quantitativa tem como objeto de estudo a água e para isso utilizou-se dados da EMBASA (Empresa Baiana de Água e Saneamento S.A.), ETA Vieira de Melo como parâmetro para realização do estudo de viabilidade técnica e econômica do processo de tratamento de água por clarificação e ultrafiltração. Esta empresa possui um sistema integrado para abastecimento de água em Salvador e região metropolitana. O Sistema Integrado de Abastecimento de Água da Região Metropolitana de Salvador possui certificado de qualidade ISO 9001:2000. A empresa garante o padrão de qualidade em todas as etapas de produção, desde a captação nos mananciais (Joanes, Ipitanga e Pedra do Cavalo), tratamento nas ETAs, até a adução de água tratada para os reservatórios urbanos de distribuição. As amostras para as análises dos parâmetros escolhidos vieram da Estação Vieira de Melo, situada no Parque Bolandeira – Boca do Rio. Os pontos de coletas foram de acordo com as necessidades do caso de estudo: a água bruta e água tratada por clarificação, para a comparação pelo método de ultrafiltração. A análise de dados da eficiência de remoção de partículas teve o tratamento convencional como base o banco de dados da EMBASA, enquanto que o de ultrafiltração através de experimentos efetuadas no laboratório da empresa. De acordo com a Portaria 2914 de 12 de dezembro de 2011, a água destinada ao abastecimento populacional, deve conter características físicas, químicas e biológicas para ser considerada potável, conforme as tabelas a seguir:
A água de qualidade (de abastecimento), isto é, aquela que atende aos padrões de potabilidade estabelecidos pelos órgãos responsáveis, é uma necessidade básica de qualquer ser humano. Toda a água a ser usada num suprimento público, ou num privado, deve ser potável e não deve ser quimicamente pura, pois a água carente de matéria dissolvida e em suspensão não tem paladar e é desfavorável á saúde humana. Desta forma, manter a água potável e constantemente disponível ao homem é uma das obrigações dos órgãos governamentais fiscalizadores.(SILVA, 2004). Para ser considerada potável, a água destinada ao abastecimento da população humana deve atender as características de qualidade que estejam de acordo com os valores permissíveis dos parâmetros químicos, físicos, organolépticas e microbiológicos. No Brasil, estes parâmetros estão regulamentados pela Portaria do Ministério da Saúde nº 2914 de 2011. Na tabela 3 é apresentado o padrão microbiológico de potabilidade da água para consumo humano, o padrão de potabilidade para substâncias químicas que representam risco a saúde e os padrões de aceitação para consumo humano, respectivamente. Tabela 3. Padrão de potabilidade para substâncias químicas que representam risco a saúde. PARÂMETRO UNIDADE VMP(1) INORGÂNICAS Arsênio mg/L 0, Bário mg/L 0, Cádmio mg/L 0, Cianeto mg/L 0, Chumbo mg/L 0, Cobre mg/L 2 Cromo mg/L 0, Fluoreto(2)^ mg/L 1, Mercúrio mg/L 0, Nitrato (como N) mg/L 10 Nitrito (como N) mg/L 1 Selênio mg/L 0, ORGÂNICAS Acrilamida μg/L 0, Benzeno μg/L 5 Benzo[a]pireno μg/L 0, Cloreto de Vinila μg/L 5 1,2 Dicloroetano μg/L 10 1,1 Dicloroeteno μg/L 30 Diclorometano μg/L 20 Estireno μg/L 20 Tetracloreto de Carbono μg/L 2 Tetracloroeteno μg/L 40
Triclorobenzenos μg/L 20 Tricloroeteno μg/L 70 AGROTÓXICOS Alaclor μg/L 20, Aldrin e Dieldrin μg/L 0, Atrazina μg/L 2 Bentazona μg/L 300 Clordano (isômeros) μg/L 0, 2,4 D μg/L 30 DDT (isômeros) μg/L 2 Endossulfan μg/L 20 Endrin μg/L 0, Glifosato μg/L 500 Heptacloro e Heptacloro epóxido μg/L 0, Hexaclorobenzeno μg/L 1 Lindano (γ-BHC) μg/L 2 Metolacloro μg/L 10 Metoxicloro μg/L 20 Molinato μg/L 6 Pendimetalina μg/L 20 Pentaclorofenol μg/L 9 Permetrina μg/L 20 Propanil μg/L 20 Simazina μg/L 2 Trifluralina μg/L 20 CIANOTOXINAS Microcistinas(3)^ μg/L 1, DESINFETANTES E PRODUTOS SECUNDÁRIOS DA DESINFECÇÃO Bromato mg/L 0, Clorito mg/L 0, Cloro livre (4)^ mg/L 5 Monocloramina mg/ L 3 2,4,6 Triclorofenol mg/L 0, Trihalometanos Total mg/L 0, (1) Valor Máximo Permitido. (2) Os valores recomendados para a concentração de íon fluoreto devem observar à legislação específica vigente relativa à fluoretação da água, em qualquer caso devendo ser respeitado o VMP desta Tabela. (3) É aceitável a concentração de até 10 μg/L de microcistinas em até 3 (três) amostras, consecutivas ou não,nas análises realizadas nos últimos 12 (doze) meses. (4) Análise exigida de acordo com o desinfetante utilizado. A água clarificada é a água obtida a partir de conjunto de processos de oxidação, coagulação, floculação e decantação, chamado como um todo de clarificação. A água clarificada é utilizada, principalmente, como água de resfriamento e água de serviço.