Saneamento Ambiental I. Aula 14 Sedimentação e Decantação

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1 Universidade Federal do Paraná Engenharia Ambiental Saneamento Ambiental I Aula 14 Sedimentação e Decantação Profª Heloise G. Knapik 1

2 Conteúdo Módulo 2 Parâmetros de qualidade de água - Potabilização Coagulação e Floculação Sedimentação e Decantação Flotação Filtração Desinfecção Reuso de água 2

3 Etapas Tratamento Convencional de Água Manancial Coagulação Agente oxidante CAP (Carvão ativado em pó) Coagulante Alcalinizante Agente oxidante Floculação Polímero Sedimentação Filtração Polímero / Agente oxidante Desinfecção Agente oxidante Fluoretação Correção de ph Alcalinizante Flúor Água final

4 Etapas do Tratamento Convencional Coagulação: Adição de coagulante para desestabilizar as partículas (mistura rápida na água bruta) Floculação: Formação de flocos (mistura lenta em tanques específicos) Decantação: Remoção dos flocos via força da gravidade (processo lento) Flotação: Remoção superficial dos flocos (processo com aeração forçada) 4

5 Roteiro Aula de Hoje Introdução Lei de Newton Lei de Stokes Classificação dos processos Sedimentação Discreta (Tipo I) Sedimentação Floculenta (Tipo II) Tipos de Decantadores Parâmetros de projeto e dimensionamento Decantadores convencionais de fluxo horizontal Decantadores laminares Exercício Dimensionamento de decantadores convencionais e laminares 5

6 Coagulação ETA Miringuava, PR 6

7 Tanques de Floculação ETA Miringuava, PR 7

8 Tanques de Sedimentação ETA Miringuava, PR 8

9 Lodo resultante ETA Miringuava, PR 9

10 Tanques de Sedimentação 10

11 Tanques de Sedimentação 11

12 Sedimentação - Definição Processo de separação sólido-líquido que tem como força propulsora a ação da gravidade. Força de arraste Empuxo Peso 12

13 Velocidade de Sedimentação Força de arraste Empuxo F a C d.. A 2 p. V 2 Peso E. V g p. P mp. g p. Vp. g P F y 0 F a E 13

14 Velocidade de Sedimentação Força de arraste Empuxo Peso P F a E C d.. A 2 p. V 2. g. V p. g. V p p V 2.( ). V p. C d p. g 14

15 Velocidade de Sedimentação Força de arraste Empuxo Peso Se a partícula é uma esfera de diâmetro d: Volume esfera V p. d 6 3 p V S 4.( ). g. d p 3.. C d p 15

16 Velocidade de Sedimentação Força de arraste Empuxo Peso Lei de Newton Lei de Stokes V V S S 4.( ). g. d g.( p p 3.. C 18. d ). d 2 p p C d 24 R e 24. V. d. S p 16

17 Velocidade de Sedimentação Força de arraste Empuxo Peso Lei de Newton V s = f(g, ρ P, ρ, d P, C d ) Esc. Transição e turbulento (Re >1) Lei de Stokes V s = f(g, ρ P, ρ, d P, μ) Esc. Laminar (Re 1) 17

18 Sedimentação Classificação dos Processos Sedimentação discreta (Tipo 1) Sedimentação floculenta (Tipo 2) Sedimentação em zona (Tipo 3) Sedimentação por compressão (Tipo 4) 18

19 Sedimentação Discreta (Tipo I) Sedimentação discreta: As partículas permanecem com dimensões e velocidades constantes ao longo do processo de sedimentação, não ocorrendo interação entre as mesmas 19

20 Sedimentação Discreta (Tipo I) - Equacionamento 1 H 2 V s V L B L Velocidades de interesse: V L : velocidade média longitudinal de escoamento V S : velocidade de sedimentação da partícula 20

21 Sedimentação Discreta (Tipo I) - Equacionamento 1 H 2 V s V L B L Considerando Q a vazão afluente, a velocidade na seção transversal será: Q V L B. H 21

22 Sedimentação Discreta (Tipo I) - Equacionamento 1 V L H 2 V s B L Sendo T 1 o tempo que a partícula percorrerá toda a extensão (L), então: V L L T 1 T 1 L V L 22

23 Sedimentação Discreta (Tipo I) - Equacionamento 1 V L H 2 V s B L Sendo T 2 o tempo que a partícula percorrerá toda a altura (atingirá o fundo): T 2 H V S 23

24 Sedimentação Discreta (Tipo I) - Equacionamento 1 H 2 V s V L B L Para atingir simultaneamente o fundo no comprimento total (partícula crítica) T1 T 2 L V H L V S Q V L B. H 24

25 Sedimentação Discreta (Tipo I) - Equacionamento 1 H 2 V s V h B L V S Q Q Q TAS B. L As As Taxa de aplicação superficial Partículas com V s superiores a TAS serão removidas durante o processo de sedimentação gravitacional 25

26 Sedimentação Discreta (Tipo I) Análise Matemática V S = Q A S = TAS V s =Velocidade de sedimentação (m/s) TAS=taxa de aplicação superficial(m 3 /m 2.dia) TAS 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-floculação 26

27 Sedimentação Discreta (Tipo I) Propriedade da sedimentação discreta: A dimensão física da partícula permanece inalterada durante o seu processo de sedimentação gravitacional, o que significa dizer que a sua velocidade de sedimentação é constante. 1 H 2 V s V L B L 27

28 Sedimentação Floculenta (Tipo II) Sedimentação floculenta: a velocidade de sedimentação das partículas não é mais constante, uma vez que as mesmas agregamse ao longo do processo de sedimentação. Com o aumento do diâmetro das partículas há, conseqüentemente, o aumento de sua velocidade de sedimentação ao longo da altura. 28

29 Sedimentação Floculenta (Tipo II) Propriedade da sedimentação floculenta: A dimensão física da partícula é alterada durante o seu processo de sedimentação gravitacional (floculação por sedimentação diferencial), o que significa dizer que a sua velocidade de sedimentação é variável. 1 V L H 2 V s B L 29

30 Tipos de Decantadores Decantador convencional Decantador de fluxo laminar 30

31 Decantador Convencional 31

32 Decantador Convencional 32

33 Decantador Convencional Horizontal Ocupa aprox. 60 a 70% da área da estação de tratamento Eficiência: variável em função das zonas de entrada e de coleta 10% do comprimento será a zona de entrada Definida a forma do decantador = a área é determinada pela TAS ou V s 33

34 Decantador Convencional Parâmetros de Projeto Taxa de escoamento superficial: Função das características de sedimentabilidade do floco, definidas pelas etapas de coagulação-floculação Objetivo de Remoção TAS (m³/m².dia) Turbidez 32 a 48 Cor Verdadeira e Compostos Orgânicos 24 a 40 Algas 20 a 32 Altura do decantador: 3,0 metros a 5,0 metros. Relação Comprimento/Largura = 3 a 4 34

35 Decantador Convencional Parâmetros de Projeto TAS em função da vazão tratada na ETA (ABNT, 1992) Vazão tratada na ETA Até m³/dia Taxa de aplicação superficial (TAS) Até 25 m³/m².dia Entre e m³/dia Até 35 m³/m².dia quando se tem um bom nível operacional, caso contrário recomenda-se TAS de até 25 m³/m².dia Mais de m³/dia Até 40 m³/m².dia 35

36 Decantador Convencional Parâmetros de Projeto 36

37 Decantador de Fluxo Laminar Parâmetros de Projeto 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) = 1,8 l/m/s 37

38 Decantador de Fluxo Laminar Parâmetros de Projeto 38

39 Decantador Convencional X Decantador de Fluxo Laminar Decantador Convencional TAS V s Q A S Decantador Laminar V s A p Q. Sc. sen. L.cos sen S c =1 (Placas planas) S c =4/3 (Tubos circulares) S c =11/8 (Tubos quadrados) q c q q L c ql. Sc sen. L.cos c sen sen. L.cos sen S 39

40 1 - Exemplo Dimensionamento Dimensionar um decantador convencional para vazão de 30 L/s, considerando uma taxa de aplicação superficial (TAS) de 24 m³/m².dia e um tempo de detenção de 3 horas. 40

41 2 - Exemplo Dimensionamento Uma ETA que tem bom nível operacional e que trata 180 L/s possui dois decantadores, cada um com 8 m de largura e 30 m de comprimento. Com base nestes dados, calcular a TAS dos decantadores e verificar se o valor encontrado atende ao recomendado pela ABNT (1992). 41

42 Sedimentação Problemas reais Não ocorre a sedimentação discreta (Tipo 1): - Formação de flocos irregulares - Correntes convectivas causadas por insolação: parcelas de água com diferentes densidades - Efeito de curto-circuito: zonas de estagnação - Ocorrência de ventos: mistura Eficiência pode ser aumentada adicionando-se argila ou recirculando as partículas já sedimentadas 42

43 Remoção do Lodo Produção de lodo é função de: - Natureza físico-química da água bruta - Eficiência hidráulica das unidades de processo - Tipo e dose de coagulante aplicado 60 a 95% do lodo gerado é acumulado nos tanques de decantação 43

44 Remoção do Lodo Processo de remoção do lodo: - Contínuo (para grandes instalações) - Intermitente Ex.: Tanques horizontais de limpeza manual podem ter o lodo acumulado por 2-3 meses ou mais 44

45 Remoção do Lodo Aspectos qualitativos do lodo: - Aspecto gelatinoso, com maior concentração de sólidos suspensos (75 a 90%) do que sólidos voláteis (20 a 35%) - Concentração de sólidos totais entre e mg/l - ph próximo da neutralidade Águas com elevada turbidez são mais fáceis de tratar exigem menores doses de coagulantes, e, portanto, o lodo apresenta uma maior compatibilidade (critério para o dimensionamento ou seleção do sistema de adensamento) 45

46 Remoção do Lodo Dispositivos de remoção do lodo: - Manual (para situações com pequena produtividade de lodo ou pequenas instalações) - Mecanizada (para grande geração de lodo ou formado por matéria facilmente putrescível) Deve-se realizar a descarga e limpeza dos tanques pelo menos de 1 a 2 vezes por ano (proliferação de microrganismos) 46

47 Remoção do Lodo Dispositivos de remoção do lodo: - Manual : Previsão de um altura extra de 1 a 1,2 m no fundo do tanque, com inclinação lateral e longitudinal 47

48 Remoção do Lodo Dispositivos de remoção do lodo: - Mecanizado : Tanque circular: lâminas raspadoras rotativas Tanque retangular: lâminas raspadoras em pontes rolantes ou correntes submersas 48

49 Etapas do Tratamento Convencional Coagulação: Adição de coagulante para desestabilizar as partículas (mistura rápida na água bruta) 1 a 5 minutos Floculação: Formação de flocos (mistura lenta em tanques específicos) 20 a 30 minutos (hidráulico) ou 30 a 40 minutos (mecânico) Decantação: Remoção dos flocos via força da gravidade (processo lento) 2 a 4 horas (TAS de até 50 m³/m².dia) Flotação: Remoção superficial dos flocos (processo com aeração forçada) 5 a 20 minutos (TAS de 120 a 300 m³/m².dia) 49