Decantação primária e precipitação

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1 Decantação primária e precipitação Prof. Dr. Peterson B. Moraes Departamento de Tecnologia em Saneamento Ambiental Centro Superior de Educação Tecnológica UNICAMP - Limeira 1

2 Decantadores primários (sedimentação) Decantação ou sedimentação É o processo no qual a força da gravidade é utilizada para separar as partículas de densidade maior que a da água, depositando-as em uma superfície ou zona de armazenamento. A floculação, decantação e filtração recebem o nome de clarificação. Nesta fase, as partículas de impurezas são removidas. Materiais separáveis por decantação (Sólidos Sedimentáveis) Partículas granulares: aquelas que sedimentam independente uma das outras, com velocidade constante. Partículas flocosas: aquelas que resultam de uma aglomeração natural ou provocada pelas matérias coloidais em suspensão. Velocidade de sedimentação aumenta constantemente. 2

3 Decantação primária (sedimentação) Objetivo: clarificar o efluente Remoção da turbidez Remoção de cor e compostos orgânicos Remoção de algas SÓLIDOS Características Físicas Suspensão Coloidais Dissolvidos Dissolvidos Coloidais Suspensos μm Características Químicas Orgânicos Inorgânicos 3

4 Fatores que influenciam a eficiência da decantação Densidade Tempo de retenção Profundidade, área superficial, modo de entrada e operação dos tanques (limpeza) Tamanho, formato e carga elétrica superficial das partículas Velocidade e variações do fluxo (turbulência) Velocidade do vento Temperatura Concentração A turbulência não é desejável Decantador primário: Partículas do fundo: lodo primário Na superfície: flutuantes (espumas, óleos e graxas). 4

5 Tipos de decantadores Classificação: Quanto ao tipo de remoção do lodo: aspiradores) e descarga hidrostática; manual, mecânica (raspadores e Quanto ao fluxo: horizontal ou vertical Quanto ao formato: quadrado, retangular ou radial (circular) Quanto à finalidade: Clarificadores: fase de interesse é o líquido limpo. Espessadores: fase de interesse é a zona de lodo. Quanto ao regime de operação: Descontínuos: tanques cilíndricos com a solução em repouso por um certo tempo. Contínuos: tanques rasos de grande diâmetro, em que operam grades com função de remover o lodo. A alimentação é feita pelo centro do tanque. 5

6 Tipos de decantadores Decantadores Estáticos: São assim chamados pela relativa lentidão com que o processo de decantação se efetua. Trata-se de grandes tanques, em geral de seção retangular. Decantadores Dinâmicos: Os grandes volumes e áreas ocupado pelos decantadores estáticos propiciaram a criação de decantadores dinâmicos, nos quais o tempo de detenção é reduzido para 1 a 2 horas, com conseqüente aumento da taxa de escoamento superficial. De Grande Superfície de Contato: Decantadores dotados de módulos tubulares. A aplicação de módulos tubulares permite a adoção de taxas elevadas de escoamento superficial, em relação aos decantadores convencionais, resultando em decantadores que ocupam áreas bastante reduzidas. Os módulos tubulares têm ângulo de inclinação de 60º, em PVC e ABS, auto-suportáveis. 6

7 Parâmetros de dimensionamento de D.P. NBR 12209/90: TDH = Q V d max TDH 1 h para Q max e TDH 6h para Q med Taxa de escoamento superficial (q A ): Taxa de escoamento longitudinal no vertedor (ql): ql 720 m 3 /m 2.dia Se Q max 250 L/h: remoção mecanizada e mais de uma unidade Para qualquer tipo de decantador: vertedores bem nivelados e operar com 2 unidades de decantação 7

8 Principais partes do tanque de decantação Entrada Zona de decantação Zona de formação de lodo Saída 8

9 Decantador circular não mecanizado (com descarte hidráulico) 9

10 Decantador retangular não mecanizado (com descarte hidráulico) Fluxo laminar 10

11 Formatos dos tanques de decantação Decantador retangular mecanizado com corrente e descarte hidráulico Decantador circular com raspagem mecanizada 11

12 12

13 Formatos dos tanques de decantação Decantador compacto circular de raspagem mecanizada 13

14 14

15 Formatos dos tanques de decantação Decantador circular não mecanizado 15

16 Decantador laminar 16

17 Decantador laminar Velocidade de sedimentação: 20 m 3 /m 2 /dia a 60 m 3 /m 2 /dia. (Função das características do floco, definidas pelas etapas de coagulação e floculação) Ângulo das placas com a horizontal: 60 o Comprimento da placa: 0,6 metros a 1,2 metros Velocidade de escoamento entre as placas: 15 cm/min a 20 cm/min Espessura entre as placas: 4 cm a 8 cm Altura do decantador: : 4,0 metros a 6,0 metros. Relação Comprimento/Largura 2 Taxa de escoamento linear (vertedor( vertedor) 1,8 l/m/s 17

18 Placas paralelas: Aumentar a área superficial e a velocidade maior estabilização das partículas construção de tanques menores e separação de partículas menores 18

19 Decantadores convencionais em ETA s e ETE s Quantidade de lodo gerado: 3 a 5% do volume total de água tratada 19

20 Sedimentação gravitacional Decantador de escoamento horizontal 20

21 Sedimentação gravitacional Taxa de escoamento superficial: 20 m 3 /m 2 /dia a 60 m 3 /m 2 /dia. (Função das características de sedimentabilidade do floco, definidas pelas etapas de coagulação ão-floculação) Altura do decantador: : 3,0 metros a 5,0 metros. Relação Comprimento/Largura 4 Taxa de escoamento linear (vertedor( vertedor) 1,8 l/m/s Re (Verificação) Fr 10-5 R = e V. h R.ρ μ F r = 2 V g. R h Decantador de escoamento horizontal 21

22 Sedimentação gravitacional Decantador de escoamento horizontal 22

23 23

24 Formatos dos tanques de decantação Alta tolerância à sobrecarga ou variação de fluxo Fácil operação e baixo custo de construção Pouca manutenção Menor taxa de curto-circuito (em retangulares) Indicado para plantas de alta capacidade 24

25 Formatos dos tanques de decantação Fácil remoção do lodo Alta eficiência na clarificação Mais indicado para plantas com vazões e cargas constantes Recomendado para pequenas e médias aplicações 25

26 ETE ABC (Sabesp) Decantadores primários 26

27 Características do lodo primário Viscosidade > água: cálculos de perda de carga 5x maiores que para água Percentagem de sólidos: 2 a 8% Alta porcentagem de m.o. não estabilizada (putrescível) 27

28 Tipos de sedimentação Sedimentação discreta: As partículas permanecem com dimensões e velocidades constantes ao longo do processo de sedimentação, não ocorrendo interação entre as mesmas, ou seja, sedimentam individualmente, não floculam nem se aglomeram umas às s outras. É o que ocorre nas caixas de areia. Sedimentação floculenta: a velocidade de sedimentação das partículas não é mais constante, cresce com o tempo, uma vez que as mesmas agregam-se ao longo do processo de sedimentação. Com o aumento do diâmetro das partículas há, h, conseqüentemente, entemente, o aumento de sua velocidade de sedimentação ao longo da altura. É o que ocorre nos decantadores primários. rios. Sedimentação em zona (zonal( e por compressão): As partículas sedimentam-se como um bloco rígido r (são coesivas), a concentração de sólidos s é alta, o que faz com que as interações entre as partículas sejam significativas, formando uma face de separação entre o líquido l e material. É o que ocorrem nos decantadores secundários. 28

29 Teoria da decantação H Zona de Entrada Vs>Vc Vs = Vc Vx Vy Zona de decantação Vs<Vc Zona de Saída Zona de Lodos Sedimentação discreta decantador ideal 29

30 Fatores intervenientes no funcionamento de decantadores reais 30

31 Sedimentação discreta H 1 2 V s V h B L L = Vh. t H = VS. t V S V. H L V Q = h. h = B H 31

32 Sedimentação discreta 1 V h H 2 V s B L V S = V h. H L Q V h = B. H V Q. H = S B. H. L Q V S = = B. L Q A s 32

33 Sedimentação discreta H 1 2 V s V h V s q B L Q Q q = V S = = As B. L A s Q Taxa de escoamento superficial Partículas com V s superiores a q serão removidas durante o processo de sedimentação gravitacional 33

34 Sedimentação discreta V Q = q A V s q S = s V s = Velocidade de sedimentação (m/s) q = taxa de escoamento superficial (m 3 /m 2 /dia) q é função somente da geometria do decantador,, portanto, é um parâmetro de projeto. V s é uma propriedade da partícula, podendo esta ser manipulada mediante a operação dos processos de coagulação ão-floculação 34

35 Tempo de detenção τ = p v τ = Q V τ = tempo de retenção p = profundidade da zona de sedimentação ν = velocidade crítica de sedimentação V = volume Q = vazão Tipo de partícula ν (mm s -1 ) Areia fina, argila 0,07 11,9 Suspensão orgânica Flocos de ferro e alumínio 0,42 1,98 0,83 1,00 Lodo ativado 2,00 0,42 Areia grossa 20,0 0,042 τ (h) para 3 m 35

36 q = Q d A q = taxa de escoamento superficial Q d = vazão máxima diária A = área do tanque Valores típicos: 30 a 45 m 3 m 2 d 1 Entre 60 e 75 m 3 m 2 d 1 para alta taxa com placas Q = Q d l Q d = vazão máxima diária l = comprimento do vazadouro Valores típicos: 300 a 450 m 3 m 1 d 1 36

37 Decantação 1. Tamanho de Partícula e Forma A lei de Stokes ilustra este fato. V t = ( ρs ρ) gd 18μ 2 Partículas finas, em fluxo laminar, atingem a velocidades terminais quase rapidamente. F d = Força de Atrito F d = C Aρv 2g D c 2 F d = 3πμvd F p = Força da Empuxo F = ( ρ ρ gv p s ) 37

38 Quando a velocidade terminal se atinge a força de atrito é igual a força do empuxo V t 4g( ρ s ρ) d = 3C Dρc 1/ 2 38

39 Sedimentação gravimétrica A força da gravidade pode ser usada na concentração dos sólidos suspensos. Assim os dois, partículas o tamanho de partícula e gravidade especifica dos sólidos são importantes. 39

40 Desenho de um sedimentador No desenho de um tanque de sedimentação, o procedimento usual é fazer um analisis das velocidades criticas das partículas presentes. Se encontraram partículas com maior e menor velocidade critica, estas tem uma percentagem de separação podendo melhorar este pela adição de algum floculante. c 0 H 0 A = c i H i A = c u H u AKK (3) A : area, ft 2 40

41 Processo de sedimentação 41

42 42

43 Comparação entre decantadores θ V sh V sv l V s V 0 w h θ Trajetória crítica 43

44 Comparação entre decantadores q = V = s Q A Decantador convencional V s = A p. senθ. Q. S c ( L.cosθ + senθ ) Decantador laminar S c = 1 (Placas planas) S c = 4/3 (Tubos circulares) S c = 11/8 (Tubos quadrados) 44

45 Velocidade de Sedimentação F a = Força de arraste C d. ρ. A 2 p. V 2 Peso Empuxo E = ρ. V. ol g P = m p. g = ρ p. Vol. g F y = 0 P = Fa + E 45

46 Velocidade de Sedimentação Força de arraste Empuxo P = F + a E Peso C d. ρ. A 2 p. V 2 + ρ. g. V ol = ρ. g. V p ol C d. ρ. A 2 p. V 2 = ρ. g. V p ol ρ. g. V ol 46

47 Velocidade de Sedimentação Força de arraste Empuxo Peso V ol = π. d 6 3 p C d. ρ. A 2 p. V 2 = ρ. g. V p ol ρ. g. V ol A sedimentação acontece quando a força de gravidade excede as forças de inércia de viscosidade V = 4.( ρ ρ ). g. d p 3. ρ. C d p ρ p = densidade da partic ρ = densidade da agua d p = diâmetro da partícula C d = coeficiente de arraste 47

48 Velocidade de Sedimentação Log C d 0,44 Região A Região B Região C Região D 0,1 0, Log R e V = Lei de Newton 4.( ρ ρ). g. d p 3. ρ. C d p 24 C d = = R e 24. μ V. d. ρ p V = g.( ρ ρ). 2 p d p 18. μ Lei de Stokes 48

49 49

50 50

51 51

52 Floculação e Sedimentação Água bruta Água coagulada Água floculada Frequência relativa d p > d c Partículas sedimentáveis Diâmetro crítico Diâmetro das partículas 52

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