PROGRAMA COMPUTACIONAL DE AVALIAÇÃO DA UNIFORMIDADE DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA FLOCULADA ÀS UNIDADES DE DECANTAÇÃO

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1 PROGRAMA COMPUTACIONAL DE AVALIAÇÃO DA UNIFORMIDADE DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA FLOCULADA ÀS UNIDADES DE DECANTAÇÃO Marcelo Libânio (1) Engenheiro Civil, Mestre em Engenharia Sanitária e Doutor em Hidráulica e Saneamento. Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Hidráulica e Recursos Hídricos da UFMG. Pesquisador do FOTOGRAFIA CNPq. NÃO Paulo Augusto Cunha Libânio Acadêmico de 4 o ano do curso de Engenharia Civil da UFMG. Bolsista DISPONÍVEL de Iniciação Científica da Fapemig. Fabiano Augusto Lima Tavares Acadêmico de 4 o ano do curso de Engenharia Civil da UFMG. Bolsista de Iniciação Científica da Fapemig. Luiz Rafael Palmier Engenheiro Civil. Mestre em Recursos Hídricos. Doutor em Engenharia Ambiental e Recursos Hídricos. Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Hidráulica e Recursos Hídricos da UFMG. Endereço (1) : Av. Contorno, o andar - Centro - Belo Horizonte - MG - CEP: Brasil - Tel: (031) Fax: (031) mlibanio@ehr.ufmg.br RESUMO Diversas estações de tratamento apresentam significativa desigualdade na distribuição de água floculada aos decantadores, comprovada pela distinta eficiência na remoção de partículas em cada unidade, e verifica-se total empirismo na tentativa de minimizar tal fato, via de regra restringindo-se o fluxo em algumas aberturas. Como conseqüência sucede-se um significativo aporte de partículas aos filtros, pois à maior vazão de água decantada estará associada o maior número de partículas. Além disso, a queda na qualidade de água decantada, na unidade para a qual aflui maior vazão, materializa-se a partir do aumento da taxa de aplicação superficial, da velocidade de escoamento longitudinal e da vazão linear de coleta de água decantada. Adicionalmente, a elevação dos gradientes de velocidades através comportas concorre também para reduzir a eficiência da decantação. Diante do fato, o trabalho objetiva apresentar um programa computacional visando aferir, em canais existentes, a equanimidade da distribuição de água floculada às unidades de decantação, a partir do modelo matemático proposto por Hudson e colaboradores (1979). Por intermédio da aplicação do programa, torna-se possível estimar a magnitude do fechamento comportas e equalizar a vazão afluente às unidades de decantação. PALAVRAS-CHAVE: Tratamento de Água, Distribuição de Água Floculada, Modelo Matemático de Hudson. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1428

2 INTRODUÇÃO A floculação consiste na operação unitária na qual se tenciona formar os flocos, já estabilizados pela ação do coagulante, a serem removidos por sedimentação ou, em estações de filtração direta, nos próprios interstícios do leito filtrante. A operação se sucede a partir da conjunção de quatro mecanismos de transporte partículas. Tal transporte pode ocorrer devido ao movimento browniano, floculação pericinética, às diferenças de velocidade linhas de corrente do fluido em escoamento decorrente da aplicação de energia externa à massa líquida -, denominado floculação ortocinética, e às distintas velocidades de sedimentação dos flocos. Em algumas estações a floculação inicia-se nos canais de água coagulada ou prossegue nos canais de distribuição de água floculada aos decantadores. Esses dois mecanismos são denominados floculação incidental (ASCE, 1998). Para estações de tratamento operando com sobrecarga, por vezes, o prosseguimento da floculação ao longo dos canais de distribuição de água floculada, nos quais há baixa velocidade de escoamento, acarreta maior sedimentabilidade aos flocos formados. Contudo, os benefícios advindos da floculação incidental consubstanciados, em última instância em carreiras de filtração mais longas freqüentemente anulam-se em função da desuniformidade na distribuição de água floculada aos decantadores. A queda na qualidade de água decantada, na unidade para a qual aflui maior vazão, materializa-se a partir do aumento da taxa de aplicação superficial, da velocidade de escoamento longitudinal e da vazão linear de coleta de água decantada. Adicionalmente, a elevação dos gradientes de velocidades através comportas concorre também para reduzir a eficiência da decantação. Diversas estações de tratamento apresentam significativa desigualdade na distribuição de água floculada aos decantadores, comprovada pela distinta eficiência na remoção de partículas em cada unidade, e verifica-se total empirismo na tentativa de minimizar tal fato, via de regra restringindo-se o fluxo em algumas aberturas. Como conseqüência sucede-se um significativo aporte de partículas aos filtros, pois à maior vazão de água decantada estará associada o maior número de partículas. Desta forma, espera-se, por intermédio deste software, fornecer aos profissionais responsáveis pela operação estações de tratamento uma alternativa mais confiável para correção deste problema. MODELO MATEMÁTICO DE HUDSON E COLABORADORES O modelo de Hudson (1979) e colaboradores tem sido extensivamente empregado no dimensionamento de canais de distribuição de água floculada às unidades de decantação. Freqüentemente seu emprego acarreta a construção de canais com largura variável ao longo do comprimento. Tais alterações fazem-se necessárias após cada comporta de acesso aos decantadores, decorrente da redução da vazão escoada no canal. Contudo, para canais existentes, essas variações são alcança com a redução gradual da largura empregando-se alvenaria de tijolos, com conseqüente paralisação parcial ou total da estação de tratamento. O modelo preconiza que as per de carga no canal de água floculada e no interior da comporta podem ser despreza. Tal assertiva fundamenta-se nas baixas velocidades de escoamento no interior dos canais, na natureza pouco rugosa do revestimento dos mesmos 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1429

3 e no pequeno comprimento comportas, função da espessura paredes do decantador. Desta forma, a perda de carga total passa a ser: hf = hf* + Vc²/ 2 g (1) em que: hf, perda de carga total na comporta; hf*, perda de carga na entrada da comporta; Vc²/ 2 g, perda de carga na saída da comporta. A perda de carga na entrada da comporta é função da carga cinética de velocidade através da comporta: hf = α Vc²/ 2 g (2) na qual α é um coeficiente de perda de carga. A existência de uma velocidade longitudinal perpendicular à linha de corrente que passa no centro da comporta faz com que o coeficiente α seja função também da velocidade no canal a montante da mesma. Desta forma: em que: α = φ (Vm / Vc)² + θ (3) φ e θ são funções da espessura da parede do decantador. A partir de dados experimentais, Hudson e colaboradores (1979) sugerem que φ e θ sejam iguais a 1,67 e 0,70, respectivamente, para comportas instala em decantadores cuja espessura da parede seja inferior a três vezes o diâmetro - ou o lado, para seção quadrada - da comporta. Desta forma, admitindo-se que na construção do canal as comportas terão dimensões idênticas, o emprego do modelo concretiza-se para perda de carga constante em to as comportas, indicativo de uniformidade da distribuição vazões. DETALHAMENTO DO PROGRAMA COMPUTACIONAL A análise da uniformidade da distribuição da água floculada às unidades de decantação consiste em uma sub-rotinas de um software de avaliação hidráulica de estações de tratamento de água, elaborado inicialmente em linguagem Pascal e, posteriormente, em Delphi (LIBÂNIO et al., 1998). O programa apresenta os seguintes dados de entrada: i) Vazão afluente ao canal de água floculada (l/s); ii) Número total de comportas de acesso aos decantadores; iii) Largura e lâmina d água do canal (m); 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1430

4 iv) Dimensões comportas, em função da forma circular, quadrada ou retangular de cada comporta (m²). A partir da dimensão comportas de acesso às unidades de decantação, da largura e da lâmina d água no canal de água floculada a montante comportas, e utilizando-se o modelo matemático de Hudson, o programa computacional realiza as interações objetivando, ao final de todo o processo de cálculo, determinar as vazões afluentes através interligações, assim como as respectivas per de carga e gradientes de velocidade nas passagens. Torna-se possível portanto, a partir dos valores observados in loco, determinar as necessidades de ajuste nas aberturas e estimar a magnitude do fechamento parcial mesmas, redistribuindo-se o fluxo de água floculada aos decantadores de forma mais eqüitativa. EXEMPLO DE APLICAÇÃO DO SOFTWARE Para a simulação do emprego do software, admite-se uma vazão efluente da unidade de floculação de 500 l/s, para ser distribuída a 4 decantadores com 2 comportas cada, de seção quadrada de 40 cm de lado. O canal de distribuição de água floculada apresenta largura da base constante de 1,0 m. Após 4 iterações determina-se a magnitude do fechamento parcial comportas. A Tabela 1 apresenta os principais resultados iterações. Tabela 1: Principais resultados do exemplo da aplicação do programa. Número Iteração 1 Iteração 2 Iteração 3 Iteração 4 da Comport a Vazão (l/s) Dimensões x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x 39 A distribuição da vazão pelas 8 comportas acarreta uma velocidade inferior a 0,2 m/s na passagem e um gradiente de velocidade inferior a 22 s 1. A Tabela 1 não apresenta os resultados da lâmina d água a montante de cada comporta e a perda de carga na passagem. CONSIDERAÇÕES FINAIS O programa desenvolvido está sendo aplicado inicialmente a quatro estações de tratamento de água no Estado de Minas Gerais, que potabilizam uma vazão total de superior a 600 l/s, nas quais se verificam valores distintos de turbidez da água decantada 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1431

5 efluente de idênticas unidades de decantação. Em algumas estações a concepção hidráulica da distribuição da água decantada acarreta que para alguns filtros aflua, preferencialmente, o efluente de decantadores operando com vazões superiores às de outras unidades, reduzindo a carreira de filtração dos mesmos. A adequação dimensões aberturas deverá equalizar a distribuição de vazões e elevar a duração global carreiras de filtração. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq pela concessão da bolsa de Produtividade em Pesquisa para o primeiro autor e à Fapemig pelas bolsas de Iniciação Científica para o segundo e terceiro autores. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. AMERICAN SOCIETY OF CIVIL ENGINEERS & AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION Water Treatment Plant Design, Ed. McGraw-Hill, Inc.3 nd Edition, HUDSON, H. E.; UHLER, R.B. & BAILEY, R.W. - Dividing Flow Manifolds with Square - Edged Laterals, Journal Environmental Engineering Division, ASCE, 105, 745, LIBÂNIO, M; TAVARES, F. A. L.; LIBÂNIO, P. A C. & HELLER, L. - Emprego de software de avaliação hidráulica na adequação de estações de tratamento de água, Anais Eletrônicos do XXVI CONGRESO INTERAMERICANO DE INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL, Lima, o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1432