QUALIDADE DA ÁGUA DECANTADA EM FUNÇÃO DO TEMPO DE OPERAÇÃO DE DECANTADORES CONVENCIONAIS

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1 QUALIDADE DA ÁGUA DECANTADA EM FUNÇÃO DO TEMPO DE OPERAÇÃO DE DECANTADORES CONVENCIONAIS Válter Lúcio de Pádua (1) Engenheiro Civil. Doutorando do Departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo. Luiz Di Bernardo Professor Titular do Departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo. FOTOGRAFIA NÃO DISPONÍVEL Endereço (1) : Av. Dr. Carlos Botelho, Vila Pureza - São Carlos - SP - CEP: Brasil - Tel.: (016) Fax: (016) padua@sc.usp.br RESUMO No presente trabalho são feitas considerações sobre a influência do tempo de operação na qualidade da água produzida em decantadores convencionais com escoamento horizontal e vertical. Os estudos dos decantadores com escoamento vertical foram realizados numa instalação piloto provida de duas unidades de decantação com 4,0 m de altura e 0,23 m de diâmetro interno, as quais foram operadas com taxas de escoamento superficial média (TES) de 90 ± 4 m 3 /m 2.dia durante 139,5 horas, tendo sido registradas a temperatura da água bruta, a turbidez e a cor aparente das águas bruta e decantada e a altura da interface de clarificação nos decantadores. Nos estudos realizados na instalação piloto, observou-se que o tempo de operação influiu na altura da interface de clarificação e, consequentemente, na qualidade da água decantada, tendo-se obtidos os melhores resultados quando a interface de clarificação situou-se entre 2,0 e 3,5 m. Os estudos referentes aos decantadores com escoamento horizontal foram realizados numa estação de tratamento de água (ETA) em que é utilizado sulfato de alumínio como coagulante e polímero natural como auxiliar de floculação. Os decantadores desta ETA operam com TES da ordem de 31,6 m 3 /m 2.dia. Foram coletadas amostras ao longo do comprimento de dois decantadores, sendo que um deles estava em operação por 75 dias e o outro por 150 dias. Nos estudos realizados na ETA, observou-se que o tempo de operação influiu na qualidade da água ao longo do comprimento do decantador, tendo-se verificado que a clarificação da água na unidade que estava mais tempo em operação foi mais pronunciada a partir da metade de seu comprimento, ao contrário do outro decantador, que apresentou água com baixa turbidez praticamente em toda sua extensão. Pelos resultados obtidos, observou-se que, em função da sedimentabilidade dos flocos e da freqüência e forma de remoção do lodo, é possível reduzir a relação entre comprimento e largura usualmente adotada no projeto dos decantadores convencionais com escoamento horizontal sem afetar de modo significativo a qualidade da água decantada. PALAVRAS-CHAVE: Tratamento de Água, Decantador, Tempo de Operação, Escoamento Horizontal, Escoamento Vertical. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1576

2 INTRODUÇÃO O desempenho dos decantadores das ETAs pode ser influenciado por muitos fatores, tais como: natureza da suspensão afluente (tamanho, forma, peso específico e concentração dos flocos), velocidade de escoamento da água, geometria do decantador, comportamento hidrodinâmico do decantador, efeitos de vento, correntes de densidade, viscosidade do meio líquido, ressuspensão de material depositado no fundo do decantador, condições de distribuição de água na entrada e na saída do decantador, condições de operação (TES, freqüência de limpeza, forma de extração do lodo, etc) e volume destinado ao armazenamento do lodo. Além disso, o desempenho dos decantadores das ETAs está intimamente relacionado às condições de coagulação e de floculação da água. Geralmente, as dimensões de projeto dos decantadores convencionais com escoamento horizontal das ETAs sem extração mecânica do lodo são fixadas tais que seu comprimento seja de 2 a 5 vezes sua largura e de 2 a 25 vezes sua altura, a qual comumente varia de 3 a 4 m. Contudo, também deve-se levar em consideração aspectos construtivos, procurando manter a profundidade das unidades de decantação próxima à das unidades de floculação e de filtração da ETA. Além disso, a seção transversal do decantador (largura e altura) deve ser projetada de modo que a velocidade de escoamento horizontal (V ec ) seja inferior à velocidade que inicia o arrastamento de partículas depositadas no fundo do decantador, a qual pode ser estimada por meio da equação (1). Segundo McGAUHEY (1956), a V ec não deve exceder a valores da ordem de 20 a 40 vezes a velocidade de sedimentação crítica de projeto (V sc ), enquanto a ABNT (1989) recomenda que a V ec seja inferior a 18V sc quando o número de Reynolds for maior que ( S ) 8β arg s 1 d p V ar = f em que: equação (1) V ar : velocidade de arrasto [L.T -1 ] β ar : coeficiente relacionado às características dos flocos g: aceleração da gravidade [L.T -2 ] S s : coeficiente igual à relação de massas específicas da partícula e do líquido f: coeficiente de atrito de Darcy-Weisbach D p : tamanho da partícula [L] A definição da altura do decantador deve ser feita considerando-se também que a mesma influi na freqüência de limpeza da unidade de decantação, quando não se tem raspador mecânico ou descarga automática de lodo. Altura maior garante maior volume para armazenamento do lodo gerado durante a sedimentação de partículas, o que possibilita maior tempo de operação do decantador antes de ser necessário retirá-lo para limpeza. De acordo com SHIMADA (1978), as correntes de densidade são mais intensas em decantadores profundos e menores em tanques rasos com alta velocidade horizontal. Além disso, decantadores com maiores alturas elevam o custo de construção. Segundo o pesquisador, o efeito negativo das 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1577

3 correntes de densidade pode ser reduzido por meio do dimensionamento eficiente das cortinas de distribuição de água floculada e dos vertedores de coleta de água decantada. A largura e o comprimento dos decantadores convencionais com escoamento horizontal é estabelecida em função da TES, a qual em geral é inferior a 50 m 3 /m 2.dia. A TES de projeto depende basicamente da velocidade de sedimentação dos flocos formados após a coagulação química e posterior floculação. O tempo que os decantadores são mantidos em operação depende basicamente do volume destinado ao armazenamento do lodo, da forma de remoção do lodo e da qualidade da água decantada. Neste trabalho foram realizados estudos com o objetivo de avaliar como o tempo de operação influi na qualidade da água produzida em decantadores convencionais com escoamento horizontal e vertical sem extração mecanizada de lodo. MATERIAIS E MÉTODOS Ensaios na ETA A ETA na qual foram feitos os ensaios referentes a este trabalho possui três decantadores convencionais de escoamento horizontal com 12,8 m de largura, 32,0 m de comprimento e 4,0 m de altura útil. A vazão média afluente à ETA é de 450 L/s, resultado TES igual a 31,6 m 3 /m 2.dia em cada unidade, assumindo que a vazão total seja distribuída eqüitativamente. Foram coletadas amostras ao longo do comprimento de dois dos três decantadores da ETA, os quais diferiam entre si pelo período que se encontravam em operação após a última limpeza: 75 dias para o decantador 1 e 150 dias para o decantador 2. Os ensaios foram realizadas numa época em que a água bruta apresentava turbidez da ordem de 13 ut, tendo-se coletado amostras 10 cm abaixo da superfície, às distâncias de 0, 8, 12, 16, 24 e 36 m, contados a partir do início dos decantadores, fazendo-se leituras de turbidez de cinco amostras em cada ponto. Ensaios na instalação piloto A instalação piloto de escoamento contínuo utilizada neste trabalho, cujo esquema é mostrado na Figura 1, é constituída por duas unidades de floculação mecanizadas, cada uma com duas câmaras em série com 16, 4 L de volume útil cada e dois decantadores de escoamento vertical com 4,0 m de altura e 0,23 m de diâmetro interno. O afluente à instalação piloto era a água coagulada em uma ETA na qual é utilizado sulfato de alumínio como coagulante e, eventualmente, polímero natural como auxiliar de floculação, produto este que estava sendo empregado durante todo o período referente à realização dos ensaios na instalação piloto. Os dois decantadores da instalação piloto foram operados simultaneamente sob as mesmas condições durante todo o estudo. A partir da base de um dos decantadores haviam pontos de tomada de amostra localizados nas alturas de 0,4; 1,4; 2,4; 3,4 e 4,0 m. Nas amostras coletadas nestes pontos, foram lidas a turbidez e a cor aparente remanescente, para avaliar a alteração da qualidade da água ao longo da altura do decantador, o qual foi operado com TES de 90 ± 4 m 3 /m 2.dia. Os experimentos foram conduzidos por 139,5 horas, tempo suficiente para que o manto de lodo atingisse a altura de 4 m no decantador, tendo sido registradas, além da turbidez e da cor aparente da água bruta e da água decantada, a temperatura da água bruta e a altura da 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1578

4 interface de clarificação. Durante os ensaios, os gradientes de velocidade médios da primeira e da segunda câmara de floculação foram de 30 e 15 s -1, respectivamente. Figura 1: Esquema da instalação piloto com escoamento contínuo. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1579

5 RESULTADOS E DISCUSSÃO Ensaios na ETA Na Figura 2 são apresentados os resultados que mostram a variação da qualidade da água decantada ao longo do comprimento dos decantadores da ETA estudada. Figura 2: Variação da qualidade da água ao longo dos decantadores da ETA. Turbidez (ut) Decantador 1 Decantador Distância (m) Tanto no decantador 1 quanto no decantador 2, a água coletada aproximadamente na metade do seu comprimento (16 m) apresentou praticamente a mesma turbidez da água coletada ao final. No decantador mais limpo, na sua entrada, a água já apresentava turbidez baixa, o que não ocorreu naquele que estava em operação por mais tempo. Nos dois casos, verificou-se um ligeiro aumento nos valores de turbidez na distância de 32 m, quando comparados à distância de 16 m, o que deve ser decorrente da desuniformidade de coleta de água decantada, provavelmente com existência de caminhos preferenciais que conduzem ao arrastamento de flocos para a calha de coleta. Geralmente, no projeto de decantadores convencionais com escoamento horizontal, tem sido sugerido que as calhas de coleta de água decantada não ocupem mais do que 20% do seu comprimento. É possível que para a ETA em questão, devido a velocidade de sedimentação relativamente alta dos flocos formados, a calha pudesse ocupar um espaço maior, desde que a remoção de lodo fosse mais freqüente e que as linhas de corrente de aproximação dos vertedores não causassem arrastamento de flocos que seriam removidos. Pelos resultados obtidos, observa-se que provavelmente os decantadores da ETA estudada poderiam ter sido projetados com menor comprimento, sem provocar deterioração da qualidade da água decantada para tempos de operação de até 75 dias. Na Figura 3 é mostrada a fotografia de um dos decantadores da ETA estudada, sendo destacada a altura do lodo ao longo do comprimento do decantador no momento em que este foi retirado de operação para limpeza. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1580

6 Figura 3 Altura do lodo ao longo do comprimento de um decantador. Durante um certo período, o manto de lodo que se forma na entrada do decantador favorece a floculação das partículas, melhorando a qualidade da água decantada. Contudo, à medida que aumenta o volume de lodo, inicia-se o arrastamento excessivo de flocos para as calhas de coleta de água decantada. Antes que isto ocorra, o decantador deve ser retirado de operação para limpeza. Quanto menor a altura do decantador convencional, maior o número de interrupções do funcionamento da unidade para limpeza, considerando-se que tal operação não seja feita mecanicamente. Há pesquisadores que recomendam remoções freqüentes do lodo dos decantadores, para reduzir a chance da solubilização de metais que venham a deteriorar a qualidade da água produzida na ETA. Pelos resultados mostrados na Figura 2, observa-se o arrastamento de flocos que ocorre no início do decantador 2, fato não observado no decantador 1 e que é atribuído à diferença entre os tempos de operação de ambos. Pelos resultados obtidos na ETA, para os tempos de operação de 75 e 150 dias, teoricamente os decantadores poderiam ter metade do comprimento original, sem que houvesse deterioração na qualidade da água decantada. Este procedimento faria com que os decantadores dobrassem sua TES. Contudo, não é recomendável dobrar a TES multiplicando por dois a vazão afluente aos decantadores e mantendo o mesmo comprimento, pois isso tornaria a V ec duas vezes maior, o que poderia conduzir ao arrastamento de flocos previamente depositados no fundo da unidade, fazendo-os chegar à calha de coleta de água e, consequentemente, piorando a qualidade da água decantada. Deve-se ressaltar que os resultados apresentados neste trabalho referem-se a um estudo de caso específico. O comprimento máximo da calha de coleta de água decantada e as dimensões dos decantadores devem ser estabelecidos com base nas condições particulares de operação de cada ETA e na qualidade da água bruta, considerando-se possíveis variações sazonais. Ensaios na instalação piloto Na Figura 4 estão representados graficamente os resultados obtidos durante a operação da instalação piloto. No decorrer do tempo, notou-se o aparecimento de uma interface nítida, separando uma região com elevada concentração de sólidos da região com líquido mais clarificado, como pode ser visto na Figura 5. A temperatura da água bruta nas amostras coletadas durante os ensaios variou de 24,6 a 26,1 o C. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1581

7 Figura 4 - Turbidez da água bruta e decantada ao durante a operação da instalação piloto. Turbidez (ut) Água coagulada Decantador 1 Decantador , ,5 Tempo (horas) 100,5 103,5 120,5 123,5 126,5 Figura 5 - Alteração da qualidade da água no interior do decantador da instalação piloto. Pela Figura 4, observa-se que exceto em algumas coletas pontuais, não houve diferença significativa na qualidade da água produzida pelos decantadores. Em ambos, observou-se que a produção de água de melhor qualidade ocorreu quando a interface de clarificação situava-se de 2 a 3,5 m. Quando era superior a este valor, houve instantes em que ocorreu aumento de turbidez na água decantada, a qual chegou a apresentar valor superior à da água bruta devido ao arrastamento de flocos ocorrido pela elevação da interface de clarificação, conforme pode ser observado na Figura 4. A partir de 92 horas de operação, a interface de clarificação situouse a 4 metros, com 103,5 h a interface estava na altura de 3,7 m nos dois decantadores, situando-se novamente por volta de 4,0 m após 121,5 horas de operação, mantendo-se em torno desta altura durante aproximadamente cinco horas e baixando para 3,6 m no encerramento do ensaio, que ocorreu com 139,5 h de operação da instalação piloto. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1582

8 Na Figura 6 estão representados os valores de turbidez das amostras coletadas a diversas alturas em um dos decantadores da instalação piloto ao longo de 80 horas de operação. Por volta de 60 horas a amostra coletada 0,4 m acima da base do decantador apresentava um concentração muito elevada de sólidos, com turbidez superior a 1000 ut, motivo pelo qual não foram feitas as leituras de turbidez neste ponto a partir de 60 a hora de operação. Após 77 horas de ensaio, a turbidez e a cor aparente da água coletada a 3,4 m da base do decantador eram de 3,07 ut e 21 uc, respectivamente. Passadas mais 15 horas, a turbidez da água coletada a 3,4 m já era superior a 470 ut. Com 97,5 horas de operação a amostra coletada a 3,92 m apresentava 240 ut, enquanto 8 cm acima a turbidez era de apenas 4,29 ut. Pela Figura 6, observa-se a tendência de melhoria da qualidade da água decantada com o aumento da altura do decantador (aumento do tempo de detenção). Pode-se notar também a ocorrência de aumento acentuado de turbidez na água decantada, por volta de 60 horas de operação, nas amostras coletadas a 1,4 e 2,4 m, devido a elevação da interface de clarificação que passou a situar-se à altura de 1,0 m. À medida que aumentou o tempo de operação da instalação piloto, o transpasse de turbidez passou a ser observado também na água decantada final, coletada a 4,0 m de altura. Figura 6 - Variação da qualidade da água decantada em função da altura do decantador. Turbidez (ut) h=0,4m h=1,4m h=2,4m h=3,4m h=4m Tempo (horas) Como a interface de clarificação desloca-se ao longo da altura do decantador em função do tempo de operação, as unidades de decantação com escoamento vertical devem ser operadas com bastante cuidado para evitar o arrastamento excessivo de flocos e a conseqüente deterioração da qualidade da água decantada, fato que nas ETAs pode conduzir à redução brusca da duração da carreira de filtração, devido a sobrecarga de sólidos nos filtros e à deterioração da qualidade da água filtrada. O tempo de operação em que inicia-se o transpasse de turbidez na água decantada dependerá fundamentalmente de fatores tais como TES, freqüência de remoção do excesso de lodo dos decantadores, produtos químicos utilizados na coagulação, eficiência da floculação e qualidade da água bruta. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1583

9 Deve-se ressaltar que a fotografia mostrada na Figura 5 refere-se a um período em que a água bruta apresentava turbidez relativamente alta devido a chuvas e em que era utilizado, além de sulfato de alumínio como coagulante primário, polímero natural como auxiliar de floculação. Nos ensaios realizados em que a água bruta apresentava-se menos turva, turbidez inferior a 20 ut, a interface de clarificação não foi verificada de modo tão nítido. CONCLUSÕES Na ETA estudada, é possível que fosse obtida água decantada com qualidade satisfatória mesmo que a relação entre o comprimento (32,0 m) e a largura (12,8 m) dos decantadores convencionais de escoamento horizontal fosse inferior ao valor atual, o que permitiria reduzir o custo de construção destas unidades. Contudo, operar os decantadores com maior TES, decorrente do aumento da vazão afluente e mantendo-se o mesmo comprimento, é um procedimento que deve ser feito com cautela, de modo que a velocidade de escoamento não supere a velocidade que provoca o arrastamento de flocos depositados no fundo do decantador e que as linhas de corrente de aproximação dos vertedores das calhas de coleta também não causem arrastamento excessivo de flocos. Deve-se ressaltar que o estabelecimento das dimensões e da TES de um decantador precisa ser feito sob as condições particulares de operação de cada ETA, considerando-se a qualidade da água bruta e possíveis variações sazonais. À medida que aumenta o tempo de operação dos decantadores convencionais com escoamento horizontal, pode ocorrer arrastamento de flocos ao longo do seu comprimento, de modo que, para mantê-lo em operação por mais tempo, é conveniente que a calha de coleta de água decantada ocupe o menor comprimento possível do decantador, obedecendo os valores máximos de vazão por metro linear no vertedor de coleta de água decantada. Quanto ao decantador com escoamento vertical, concluiu-se que o estabelecimento da sua altura de projeto depende da qualidade desejada para a água decantada e do tempo que se deseja manter o decantador em operação antes de retirá-lo para limpeza. Quanto maior a altura, melhor a qualidade da água decantada e maior o tempo de operação, embora tal fato represente maior custo de construção da unidade. O manto de lodo formado, ao favorecer a floculação no interior do decantador e aumentar a retenção de flocos préformados, exerceu grande influência na qualidade da água decantada, possibilitando o aumento da velocidade de sedimentação dos flocos. Os melhores resultados foram observados quando o manto de lodo situou-se entre 2,0 e 3,5 m da altura do decantador, de farma que poder-se-ia operar tais unidades de modo que a extração de lodo garantisse sempre uma sempre uma altura intermediária a essas. AGRADECIMENTOS Os autores expressam seus agradecimentos à FAPESP pelos recursos financeiros utilizados na montagem da instalação experimental (Proc. 95/ ) e pela bolsa de doutorado concedida ao primeiro autor (Proc. 95/ ). 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1584

10 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ABNT - NB Projeto de estação de tratamento de água para abastecimento público. ABNT, Rio de Janeiro, DI BERNARDO, L. Sedimentação e flotação. In: MÉTODOS E TÉCNICAS DE TRATAMENTO DE ÁGUA, v.1. Ed. Luiz Di Bernardo e Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental, Rio de Janeiro, McGAUHEY, P.H. Theory of sedimentation. Journ. AWWA, v.48, p , Apr PÁDUA, V.L., BRITO, S.A, DI BERNARDO, L. Influência do tempo de detenção no desempenho dos decantadores de estações de tratamento de água. Anais do VIII Simpósio Luso-Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, vol. I, João Pessoa, abr SHIMADA, P. Considerações sobre a eficiência de remoção em decantadores. São Carlos, Dissertação de mestrado-departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos, USP. 135p. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1585