INFLUÊNCIA DA ALTURA E POSIÇÃO DE DEFLETOR DE ESCOAMENTO E DA RELAÇÃO COMPRIMENTO/LARGURA NO COMPORTAMENTO HIDRODINÂMICO DE TANQUE DE SEDIMENTAÇÃO

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1 INFLUÊNCIA DA ALTURA E POSIÇÃO DE DEFLETOR DE ESCOAMENTO E DA RELAÇÃO COMPRIMENTO/LARGURA NO COMPORTAMENTO HIDRODINÂMICO DE TANQUE DE SEDIMENTAÇÃO Mônica Maria Perim de Almeida (1) Mestre em Engenharia Ambiental - UFES, Engenheira Química - UFRRJ, Renato do Nascimento Siqueira Aluno do Programa de Engenharia Ambiental da UFES. Engenheiro Mecânico - UFES, Edmilson Costa Teixeira Prof. Adjunto II - DHS - CT/UFES. Doutor em Engenharia de Águas - Universidade de Bradford, Inglaterra, Mestre em Hidráulica e Saneamento - Escola de Engenharia de São Carlos, USP, Engenheiro Civil - UFBA, Endereço (1) : Departamento de Hidráulica e Saneamento - CT/UFES - Vitória - ES - CP CEP: Brasil - Tel/Fax: (07) RESUMO A racionalização do uso de água e restrições cada vez mais severas quanto à qualidade de efluentes líquidos dispostos no meio ambiente têm exigido a busca da otimização de processos de tratamento de água e efluentes. Vários trabalhos na literatura citam que, a maioria das unidades de tratamento de água e efluentes (UTAE s) possuem eficiência do processo de tratamento bem inferiores à prevista na fase de projeto. Neste trabalho, são apresentados os efeitos da inserção de defletores de escoamento e da relação comprimento/largura sobre o comportamento hidrodinâmico de Unidades de Sedimentação (US). A compreensão do comportamento hidrodinâmico de US fornece subsídios ao desenvolvimento de procedimentos para a elaboração de projetos mais racionais, que resultem em unidades com elevada Eficiência Hidráulica (EH), ou seja, maior grau de aproximação entre as características de escoamento real e ideal, e, Consequentemente, elevado desempenho do processo de sedimentação. PALAVRAS-CHAVE: Eficiência Hidráulica, Unidades de Sedimentação, Traçadores. INTRODUÇÃO A sedimentação é um dos processos mais antigos de tratamento de águas, sendo largamente usado nos dias atuais, tanto nas Estações de Tratamento de Águas (ETA s) quanto nas Estações de Tratamento de Esgotos (ETE s). A demanda crescente de água para 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 931

2 abastecimento público e o incremento dos descartes líquidos sanitários e industriais têm comprometido sobremaneira os recursos disponíveis de água doce em todo o nosso planeta. A melhoria da eficiência do processo de sedimentação nas ETA s propicia o aumento da qualidade e da quantidade da água fornecida para consumo humano e nas ETE s proporciona efluentes de melhor qualidade e mais ajustados às exigências legais dos órgãos de controle ambiental, sem onerar de modo abusivo o custo do tratamento (Almeida, 1997). A sedimentação está diretamente relacionada com os padrões de escoamento dentro das unidades. Quanto menor a intensidade de curtos-circuitos e mistura, mais o padrão de escoamento se aproxima do ideal para este tipo de unidade, que é o fluxo pistão. Os defletores de escoamento têm sido indicados como dispositivos adequados para reduzir o grau de curtoscircuitos. A redução da intensidade de mistura pode ser conseguida inserindo-se dispositivos que levem ao aumento da relação comprimento/largura ( ) da unidade. OBJETIVOS Verificar a influência da altura e da posição do defletor de escoamento, bem como da variação da relação comprimento/largura da unidade, no comportamento hidrodinâmico do escoamento, através de parâmetros que indicam a intensidade de curtos-circuitos e mistura, obtidos a partir da curva de passagem da unidade (curva que fornece a concentração do traçador em função do tempo na saída da unidade; o procedimento de obtenção da curva de passagem é apresentado na seção seguinte). Tais conhecimentos são de fundamental importância para a adoção racional de medidas que melhorem a eficiência hidráulica de unidades de sedimentação. METODOLOGIA Os estudos foram conduzidos em uma unidade de experimentação montada no Laboratório de Hidráulica e Saneamento da Universidade Federal do Espírito Santo. A unidade possuía formato trapezoidal com taludes formando ângulos de 45 o com a horizontal. A base da unidade tinha 13cm x 358 cm. Obteve-se uma profundidade média do escoamento de 0,4 cm para as três vazões testadas: 1,0 l/s (Qmín),,5 l/s (Qméd) e 3,7 l/s (Qmáx). Os defletores usados nos experimentos ocupavam toda a largura da seção transversal da unidade, possibilitando o escoamento somente por baixo dos mesmos. Foram testadas três alturas relativas de defletores, h/h=0,, 0,4 e 0,6, que correspondiam a relações entre a altura submersa do defletor (h) e a profundidade média do escoamento (H). As posições relativas de instalação dos defletores, denominadas, referiam-se a posição ocupada por estes (x) em relação ao comprimento total da unidade (L). Foram testadas posições que variaram de 0,50 a 0,4500, com um espaçamento fixo de 0,0375 entre elas. O aumento da relação comprimento/largura da configuração referência ( =,5) foi feito através de duas chicanas longitudinais, que elevaram a relação para 3,8 (configuração tripartida). As curvas de passagem da unidade foram obtidas injetando-se instantaneamente permanganato de potássio (KMnO 4 ) nas proximidades da entrada da unidade e realizando-se coletas discretas 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 93

3 de amostras na sua seção de saída. A determinação da concentração do traçador com o tempo foi realizada em um espectrofotômetro visível, utilizando-se comprimento de onda de 544 nm. A análise do comportamento hidrodinâmico da unidade de experimentação foi feita sob dois aspectos: intensidade de curto-circuito e grau de mistura. Para este fim, foram usados respectivamente os parâmetros hidráulicos t10 (tempo de saída de 10% da massa do traçador) e (índice de dispersão)obtidos das curvas de passagem da unidade. Em termos matemáticos o índice de dispersão é dado por: t tg (1) onde tg é o centro de massa da curva de passagem, dado por: tg C( ).. d 0 0 C( ). d () e t é a variância da curva de passagem, dada por: t C( ).. d 0 C( ). d 0 tg (3) RESULTADOS E DISCUSSÃO Em uma primeira etapa será visto como a altura e a posição de instalação de defletores influenciam o comportamento do escoamento, no que concerne à intensidade de curto-circuito e grau de mistura. O efeito da relação comprimento/largura da unidade no comportamento hidrodinâmico do escoamento será tratado na segunda parte, tomando-se como base a avaliação do grau de mistura. Efeito de Defletores de Escoamento Sabe-se que a instalação de defletores de escoamento em UTAE s minimiza o grau de curtocircuito [Thirumurthi, 1969; Lyn e Rodi, 1990]. Todavia, não há na literatura muitas informações de como a posição e a altura relativa do defletor de escoamento afetam o comportamento hidrodinâmico da unidade. A influência dos defletores de escoamento sobre a intensidade do grau de mistura também tem sido pouco discutida, visto que este não é o objetivo principal de sua instalação, porém, como será visto adiante a instalação de defletores também interfere no grau de mistura. A seguir, será verificada a influência da inserção de defletores de escoamento na intensidade de curto-circuito e mistura, com base nos parâmetros t 10 e. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 933

4 Comportamento da Intensidade de Curtos-Circuitos A Figura 1 mostra o comportamento de t 10 em função de para as três alturas relativas (h/h) de defletor (0,, 0,4 e 0,6) e para Qméd (,5 l/s). t10 (a) h/h=0, t10 (b) h/h=0,4 t 10 (c) h/h=0,6 0,53 0,47 0,57 0,50 0, ,3375 0,3750 0,415 0,730 0,50 0, ,3375 0,3750 0,415 0,50 0, ,3375 0,3750 0,415 Figura 1- Resultados típicos de t 10 para: (a) h/h=0,; (b) h/h=0,4; e (c) h/h=0,6. 0,780 Nota-se nestas figuras uma tendência de crescimento de t 10, em relação a, até um valor máximo, após o qual ocorre decaimento ou estabilização do seu valor. Este fato indica redução da intensidade de curtos-circuitos até uma posição correspondente a t 10 máximo. A distribuição do fluxo na entrada da unidade ocorria através de orifícios localizados na face frontal e no fundo do difusor, conforme mostrado na Figura. Figura - Padrão de escoamento observado no difusor de entrada. As regiões de entrada e saída da unidade se caracterizam pelo escoamento tridimensional e turbulência, sendo estes efeitos mais fortes na entrada. Entre estas duas regiões existe uma zona intermediária onde os efeitos citados são pouco significativos. A observação visual durante os experimentos permitiu verificar que o escoamento na região de entrada ocorria preferencialmente pela camada de fundo e nas laterais da unidade. A instalação do defletor em posições cada vez mais afastadas da entrada da unidade permitia uma obstrução mais efetiva do jato de entrada até uma posição limite, a partir da qual sua atuação não reduzia a quantidade de 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 934

5 movimento, porque o fluxo nas posições posteriores a ela já estava com boa distribuição de velocidade na seção transversal. A instalação de defletor de pequena altura relativa na parte inicial da unidade não é tão eficiente na redução de curtos-circuitos, pois o escoamento ocorre, como dito anteriormente, preferencialmente pela camada de fundo. Como esquematizado na Figura 3, a inserção de um defletor com h/h=0,6 na posição =0,65 torna-se mais eficiente quanto à obstrução do jato de entrada na unidade e, Consequentemente, mais adequado para a minimização da intensidade de curto-circuito. =0,65 Figura 3 - Influência da altura do defletor no comportamento hidrodinâmico da unidade. Comportamento do Grau de Mistura O comportamento de em função de para Qméd é apresentado na Figura 4. (a) h/h=0, (b) h/h=0,4 (c) h/h=0,6 0,39 0,4 0,3150 0,50 0, ,3375 0,3750 0, ,50 0, ,3375 0,3750 0,415 0,50 0, ,3375 0,3750 0,415 Figura 4 - Resultados típicos de para: (a) h/h= 0,; (b) h/h=0,4; e (c) h/h=0,6. O comportamento dos gráficos é semelhante para as três alturas de defletor, com decrescendo à medida em que se aumenta o valor de até um valor mínimo, e depois aumentando ou se mantendo constante. Esta redução dos valores de indica a redução do grau de mistura na unidade até um valor mínimo, que parece estar associado à altura do defletor, pelo fato de diminuir à medida em que são usados defletores de maior h/h. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 935

6 Análise Integrada da Influência do Defletor na Intensidade de Curto-Circuito e Mistura Nota-se nas Figuras 1 e 4 um comportamento inverso entre as funções t 10 () e de (), para o mesmo h/h, indicando que a mitigação da intensidade de curtos-circuitos leva também a uma redução no grau de mistura. A posição relativa onde foi encontrado o maior valor de t 10 para h/h=0, (0,3375) não coincidiu com a posição onde se obteve o menor valor de (0,3150). A diferença percentual (DP) entre estes dois valores foi de 6,9%, calculada segundo a equação (4): [()t 10máx - () mín].100 DP = (4) 0,5.[()t 10máx + () mín] onde: ()t 10máx = posição relativa com valor máximo de t 10 () mín = posição relativa com valor mínimo de Para a altura relativa 0,4, a diferença percentual foi de 1,0%, e para h/h=0,6, a diferença foi de 7,6%. Esta variação de DP, entre 6,9% e 1,0%, mostra que, apesar da redução de curtoscircuitos estar também associada a redução do grau de mistura, essas características do escoamento são regidas por processos físicos globais distintos e não complementares da dinâmica do escoamento. Ou seja, alguns processos físicos que governam a evolução de curtocircuito (como por exemplo advecção) é também, em parte, responsável pela mistura de constituintes na massa líquida. Por outro lado, a difusão turbulenta contribui altamente para o grau de mistura, mas é relativamente menos significativa para a intensidade de curto-circuito. Relação Comprimento / Largura (b) A relação é um fator de grande importância em estudos de comportamento hidráulico de unidades de sedimentação. O índice de dispersão( ) dá uma indicação do grau de mistura nestas unidades. Estudos realizados por Marske e Boyle (1973) e Teixeira (1993) mostram que existe uma boa correlação entre e. Teixeira obteve uma equação relacionando estes parâmetros, cujo coeficiente de determinação foi de 0,706, para o caso geral, isto é, sem diferenciação das configurações das unidades. A curva relacionando os dados de Teixeira, bem como os dados obtidos neste trabalho para,5 e 3,8, são apresentados na Figura o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 936

7 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 Este estudo 0, 0,1 0,0 Teixeira (1993) = 0,4587-0,665 R = 0, Figura 5 - Representação gráfica de em função de. Nesta figura observa-se, com relação aos dados obtidos neste estudo, que os resultados de para a maior relação (=3,8) apresentaram bom ajuste com a curva de regressão, o que não ocorreu para,5, onde foram observadas grandes variações no valor de. Estas variações demonstram que a configuração da unidade influencia fortemente o escoamento quando a relação é pequena, onde são mais significativos os efeitos das regiões de entrada e saída. Os grandes desvios observados para o mesmo valor de referem-se a unidades sem e com defletor de escoamento. Estes resultados apontam para a necessidade de um maior cuidado no emprego de relações do tipo proposta por Teixeira (1993), que possui como única variável independente do problema. De modo geral, a literatura dá um tratamento do tipo caixa preta, sem levar em consideração as características do escoamento no interior das unidades, mas estas variações mostram a necessidade de serem realizadas análises mais detalhadas do escoamento, como por exemplo, determinação de campos de velocidade, visando um maior entendimento dos processos da dinâmica do escoamento. CONCLUSÕES - A posição de instalação do defletor de escoamento bem como sua altura são de fundamental importância para a redução da intensidade de curtos-circuitos dentro de unidades de tratamento. - A redução das intensidades de curto-circuito e mistura não apresentam uma relação direta entre si. Este fato é decorrente dessas características de escoamento serem regidas por processos físicos globais distintos e não complementares da dinâmica do escoamento. - Na unidade com pequena relação (,5), observa-se que a inserção de defletor de escoamento é efetiva na redução da intensidade de curto-circuito, pois minimiza a quantidade de movimento das partículas do fluido na região de entrada, fazendo com que o escoamento se distribua mais rapidamente por toda largura da unidade. A redução na 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 937

8 intensidade de curto-circuito levou também à redução do grau de mistura, devido à melhoria na distribuição do escoamento na seção transversal da unidade. - Foi mostrado que os defletores ajudam na redução da intensidade de mistura, mas, para este propósito, o aumento da relação é muito efetivo. - Os dados experimentais obtidos neste trabalho para a maior relação comprimento/largura ( =3,8) apresentaram um bom ajuste com a função = f( ) proposta por Teixeira (1993), confirmando a adequação do uso desta função em projetos de unidades de sedimentação com altos valores de. - Os efeitos das configurações internas das unidades são muito importantes quando a relação é muito pequena, levando à obtenção de valores de muito diferentes para a mesma relação comprimento/largura. Torna-se necessário, nesse caso, a incorporação de outros parâmetros relacionados com a geometria da unidade para a previsão de, além da relação. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ALMEIDA, M.M.P. Estudo do efeito do uso de defletor de escoamento e da relação comprimento/largura efetiva do escoamento na eficiência hidráulica de bacia de sedimentação. Vitória, Dissertação de mestrado - Departamento de Hidráulica e Saneamento - Universidade Federal do Espírito Santo, LYN, D.A., RODI, W. Turbulence measurements in model settling tank. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, v.116, n.1, p.3-1, MARSKE, D.M., BOYLE, J.D. Chlorine contact tank design - a field evaluation. Water & Sewage Works, p.71-77, Jan TEIXEIRA, E.C. Hydrodynamic processes and hydraulic efficiency of chlorine contact units. England, Ph.D. Thesis, Department of Civil Engineering - University of Bradford, THIRUMURTHI, D. A break-through in the tracer studies of sedimentation tanks. Journal of the Water Pollution Control Federation, v.41, n.11, part, p.r405-r418, o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 938