DISCIPLINA: AMB30106 Sistema de Água II. Prof. Robson Alves de Oliveira

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1 DISCIPLINA: AMB30106 Sistema de Água II Prof. Robson Alves de Oliveira Ji-Paraná

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3 INTRODUÇÃO Na saída do floculador espera-se: que toda a matéria em suspensão esteja aglutinada, constituindo os flocos; que esses flocos tenham adquirido tamanho e peso suficientes para que possam ser separados da água através da decantação; Segundo o dicionário Aurélio, Decantar significa: separar, por gravidade, impurezas sólidas que se contenham em um líquido. Essas partículas sólidas separam-se por ação da gravidade, sedimentando-se no interior da água (formam sedimentos). 3

4 Assim sendo: os flocos separam-se da água porque sedimentam-se; a água, isenta desses flocos, é chamada de água decantada; Portanto, o floco não decanta, mas sedimenta-se; quem decanta é a água! As partículas trazidas pela água podem sedimentar-se como: Partículas discretas Sedimentação Discreta (Tipo I) Lei de Stokes e Lei de Newton (desarenadores); Partículas floculentas Sedimentação Floculenta (Tipo II) Decantadores convencionais de fluxo horizontal e Decantadores laminares (decantadores instalados após os floculadores). 4

5 SEDIMENTAÇÃO DE PARTÍCULAS DISCRETAS (TIPO I) Refere-se à sedimentação de partículas que conservam suas propriedades físicas iniciais: forma, dimensão e massa específica (dimensões constantes). A velocidade de sedimentação é independente da concentração (velocidade constante). O peso da partícula discreta imersa na água é calculado por: W = (ρ s ρ H2 O)g. V (1) em que: ρs = massa específica da partícula (maior que a massa específica da água; ρh2o = massa específica da água; g = aceleração da gravidade; V = volume da partícula. 5

6 Sedimentação de uma partícula discreta: esforços intervenientes. O peso da partícula W faz com que ela tenda a sedimentarse no interior da água. Entretanto, à medida que sua velocidade se torna maior, mais se faz sentir uma força frenante, denominada força de arraste. Quando se movimenta um corpo sólido no interior da água, com uma velocidade v em relação à água, aplica-se sobre ele uma força Fd para arrastá-lo. 6

7 Essa força depende: da energia cinética v 2 /2g que se deseja transmitir ao corpo; da área A de projeção da partícula sobre um plano perpendicular à direção do movimento. da forma geométrica do corpo: a influência desse formato é expressa pelo coeficiente de arraste, (ou coeficiente de arraste de Newton) denominado Cd. Assim sendo, tem-se: F d = C d. A. γ. v 2 2. g = C d. A. ρ H2 O. v2 2 (2) 7

8 A partir do instante em que a força de arraste iguala-se ao peso da partícula, a velocidade de sedimentação fica constante. Essa velocidade é denominada velocidade terminal da partícula (vt). Nestas condições, tem-se que: C d. A. ρ H2 O. v t 2 2 = (ρ s ρ H2 O)g. V (3) Explicitando-a, obtém-se: v t = 2. g. (ρ s ρ H2 O)V C d. A. ρ H2 O (4) 8

9 Se a partícula fosse esférica: Portanto: V = 4 3. π. d3 8 A = π. d2 4 em que δ s = discreta. v t = 4 3 ρ s ρ H 2O g C d (δ s 1). d (5) = massa específica relativa da partícula Para partículas esféricas e número de Reynolds inferior ou igual a 10 4 o coeficiente Cd pode ser obtido pela equação: 9

10 C d = 24 Re ,34 (6) Re Se o número de Reynolds for inferior a 0,5, pode-se desprezar os dois últimos termos, assim: C d = 24 Re Com isso, obtêm-se a denominada Lei de Stokes: v t = g. (ρ s ρ H2 O) 18. μ. d 2 = g. (δ s 1) 18. μ. d 2 (7) Para valores do número de Re da ordem de 10 3 a 10 4, Cd adquire valores próximos a 0,4 e obtém-se a Lei de Newton: v t = 3,3. g. (δ s 1). d (7) 10

11 Dimensionamento de desarenadores (caixas de areia) São muito utilizadas na captação de águas superficiais. Destinam-se à remoção de areia e partículas mais pesadas, evitando danificar equipamentos mecânicos ou sedimentarem no interior de condutos. Uma vez conhecida vt, da partícula, pode-se dimensionar as unidades. Supõe-se que a partícula já entra no desarenador com velocidade vt constante. A correção de eventuais distorções entre o cálculo e a realidade é feita através da adoção de um coeficiente de segurança. 11

12 A velocidade média horizontal no interior do desarenador: tempo de sedimentação: ts = h/vs tempo de detenção: td = L/vh velocidade horizontal: vh = Q/S= Q/(B.h) 12

13 como ts = td: h/vs = L.B.h/Q vs = Q/(L.B) vs = Q/(L.B) vs = Q/A A = Q/vs em que, vs = velocidade de sedimentação das partículas (m.s -1 ); Q vazão (m 3.s -1 ); A Área superficial (m 2 ). q = (Q/A) = taxa de aplicação superficial. q é função somente da geometria do decantador, portanto, é um parâmetro de projeto. Vs é uma propriedade da partícula, podendo ser manipulada mediante a operação dos processos de coagulação-floculação 13

14 Partículas com Vs superiores a q serão removidas durante o processo de sedimentação gravitacional Na sedimentação discreta o que importa é a área superficial. Dito de outra maneira: do ponto de vista teórico, a profundidade o desarenador não importa. A redução de profundidade aumenta a velocidade de escoamento da partícula, reduzindo seu temo de percurso desde a entrada até a saída do desarenador. Por outro lado menor também será o seu tempo de percurso desde a superfície até o fundo, pois a distância entre esses dois pontos terá sido reduzida. 14

15 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. Na prática há uma limitação para a velocidade de escoamento da água no interior do desarenador para evitar que a partícula seja arrastada. Azevedo Netto recomenda que essa velocidade não deve ultrapassar 0,40 m/s. De acordo com a NBR Projeto de captação de agua de superfície para abastecimento publico: 15

16 A taxa de aplicação superficial do desarenador deverá ser igual à velocidade terminal de sedimentação das partículas que se deseja remover. Ela deverá remover partículas de diâmetro igual ou superior a 0,2 mm. O comprimento real do desarenador deverá ser 1,5 vezes o comprimento teórico. Azevedo Netto apresenta as seguintes velocidades terminais de sedimentação aplicáveis a grãos de areia (T = 20 ºC, γ areia = 2650 kgf/m 3 ). 16

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23 SEDIMENTAÇÃO DE PARTÍCULAS FLOCULENTAS (TIPO II) Neste caso as chocam-se umas com as outras, e crescem (coalescem), ocorrendo a floculação, do tipo que se denomina floculação pericinética. As características de sedimentação de uma determinada suspensão de partículas floculentas só podem ser determinadas através de ensaios de sedimentação. Ensaio em coluna de sedimentação É uma coluna construída de tubo plástico (PVC), de diâmetro igual a 150 mm e que possui altura igual à profundidade do futuro decantador. 23

24 Pontos de amostragem devem ser instalados a cada 0,60 m. A decantação deverá ocorrer em condições tranquilas. Em diversos intervalos de tempo, as amostras são retiradas a partir dos pontos de amostragem e submetidas à análise de sólidos em suspensão. 24

25 DECANTADORES Disposições da NBR Os decantadores das ETAs destinam-se à remoção das partículas floculentas formadas durante a floculação. A velocidade de sedimentação deve ser determinada por meio de ensaios de laboratório e multiplicada por um fator: a) Estações com capacidade até 1000 m 3 /dia: k = 0,50. b) Estações com capacidade de 1000 a m 3 /dia, em que é possível garantir bom nivel de operação: k = 0,70; caso contrário: k = 0,50. c) Estações com capacidade superior a m3/dia: k = 0,80. 25

26 Dificilmente o projetista pode realizar de ensaios de sedimentação, em virtude do pequeno tempo que lhe é concedido para a elaboração do seu projeto. A NBR estabelece, não sendo possível proceder a ensaios de laboratório, as velocidades de sedimentação para o cálculo das taxas de aplicação devem ser, conforme as capacidades das estações, as seguintes: a) até 1000 m 3 /dia: 1,74 cm/minuto (25 m 3 /(m 2.dia). b) entre 1000 e m 3 /dia: 2,43 cm/minuto (35 m 3 /(m 2.dia). c) Superior a m 3 /dia: 2,80 cm/minuto (40 m 3 /(m 2.dia). 26

27 Em uma ETA com capacidade para tratar 100 l/s (8640 m 3 /dia), que tem dois decantadores clássicos de seção retangular (planta), cada um com as seguintes dimensões: comprimento: 25 m; largura: 6 m; a taxa de escoamento superficial com que deles trabalharão será: Q/A = 8640 /(10 x 30) = 28,8 m 3 / (m 2. dia) Tipos de decantadores atendendo a NBR Dois tipos são utilizados no Brasil para o tratamento da água: Clássicos ou convencionais (baixa taxa); Tubulares ou de fluxo laminar (alta taxa). 27

28 Decantadores clássicos (baixa taxa) O mais utilizado é o de seção retangular, em planta. Entretanto, algumas ETAs possuem decantadores de seção circular, em planta (menos utilizado). Esse tipo permite que se crie um manto de lodo em seu interior, melhorando muito a qualidade da água decantada. 28

29 Decantadores clássicos de seção retangular São o tipo mais numeroso entre os decantadores existentes. Após ser admitida no interior do decantador, a água floculada é distribuída em toda sua seção transversal através de uma cortina distribuidora. 29

30 Em seguida, ela percorre a extensão do decantador com velocidade muito baixa, até atingir a zona de saída. 30

31 A água decantada é recolhida através de calhas coletoras ou tubos perfurados (o primeiro tipo é mais comum no Brasil). Devido a pequena velocidade da no interior dos decantadores (grande valor do raio hidráulico), o Re também é grande, tornando turbulento o regime de escoamento. 31

32 Exemplo: em um retangular, com as seguintes dimensões: comprimento: 30 m; largura: 10 m; profundidade: 4 m e que se destina a tratar a vazão de 100 l/s (8640 m 3 /dia) A taxa de aplicação superficial correspondente será: q = Q/A = 8640 /(10 x 30) = 28,8 m 3 / (m 2. dia) A área da seção de escoamento será: A = 10 x 4 = 40 m 2 O perímetro molhado correspondente será: P = = 18 m 32

33 O diâmetro hidráulico dessa seção será: RH = A / P = 40 / 18 = 2,22 m A velocidade da água no interior do decantador será: U = Q / A = 0,100 / 40 = 0,0025 m / s Assim, o número de Reynolds, correspondente à temperatura de 20ºC (ν = 10-6 m 2 / s) será: Re = U x RH / ν = 0,0025 x 2,22 / 0, = 5555,56 caracterizando o regime turbulento (Re > 4000). Entretanto, a literatura recomenda a manutenção de Re (deve ser feita a verificação deste valor) 33

34 Além disso, é desejável que o número de Froude seja da ordem de Para decantadores convencionais: 10-7 < F1 2,6 x 10-5 R e = ρ U R H μ e F 1 = U2 g R H Taxa de aplicação superficial q [m 3 /(m 2.dia)] Velocidade horizontal (Uh) [cm/s] Tempo de detenção td [horas] 20 a 30 0,2 a 0,4 3 a 4 30 a 40 0,3 a 0,7 2,5 a 3,5 34

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43 Decantadores clássicos de seção circular São tão eficientes quanto os decantadores clássicos de seção retangular. Entretanto, no Brasil, são pouco utilizados. Provavelmente porque os projetistas habituaram-se a conceber ETAs com unidades de formato prismático, em que é mais fácil construir paredes comuns. Nesses decantadores é possível criar mantos de lodo que podem aumentar a eficiência de remoção de flocos. Diâmetros de 10 a 60 m; profundidade de 2,0 a 3,0 m; declividade em torno de 8% em direção ao poço de lodo ( mm m -1 ); fluxo afluente radial (do centro para a borda); 43

44 Maior comprimento da calha coletora por volume de efluente maior equalização do fluxo; menor custo de equipamentos; menor custo de manutenção; 44

45 Decantadores de fluxo laminar (alta taxa) São comumente denominados decantadores laminares ou decantadores lamelares. São classificados em dois tipos: a) decantadores de fluxo ascendente; b) decantadores de fluxo horizontal. a) Decantadores laminares de fluxo ascendente A Figura seguinte representa a seção longitudinal de um decantador, no interior do qual uma partícula desloca-se com velocidade horizontal vh, enquanto precipita-se com velocidade de sedimentação vs. 45

46 Observa-se que se esse decantador possuísse uma bandeja intermediária, que não influenciasse as velocidades, seu comprimento poderia ser reduzido à metade. Enquanto que, se as bandejas fossem duas, seu comprimento poderia ser reduzido a um terço, e assim sucessivamente. 46

47 As unidades desse são construídas com muitas bandejas, sendo reduzido o espaço entre elas, introduzindo-se um grande perímetro molhado na seção de escoamento. 47

48 Dessa forma, contribui-se para a redução do número de Reynolds do escoamento, tornando laminar o seu regime. Decantador tubular do tipo de fluxo ascendente, com placas paralelas inclinadas 48

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50 A água floculada é introduzida sob as placas. Ao escoar entre elas, ocorre a sedimentação dos flocos. A água decantada sai pela parte de cima do decantador, após haver escoado entre as placas paralelas, e é coletada por calhas coletoras. As placas paralelas são dispostas de modo a formarem um ângulo com a horizontal superior a 50 graus que assegura a auto-limpeza dos módulos. À medida que os flocos vão se sedimentando, as maiores massas de flocos adquirem peso suficiente para se soltarem dos módulos e se arrastarem em direção ao fundo. 50

51 Assim, os flocos acabam por se precipitarem para o poço de lodo, onde permanecem acumulados até serem removidos através da abertura da descarga de fundo. Módulos para a decantação laminar Podem ser adquiridos prontos (existem indústrias especializadas). Podem ser construídos de plástico (são leves, especialmente quando imersos na água), e de fácil instalação. São fornecidos em blocos. Para sua utilização, basta apenas cortá-los nas dimensões adequadas ao decantador. 51

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53 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 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 Vazão: 1,0 m 3 /s 53

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59 Considerações sobre o dimensionamento de Decantadores Número de decantadores da ETA Uma unidade: Capacidade inferior a m 3 /dia, em operação contínua operação contínua. Capacidade de até m 3 /dia, funcionamento 18h/dia. No mínimo duas unidades: Capacidade superior a m 3 /dia. Funcionamento superior a 18 h/dia. Canais de Acesso - velocidade ao longo do canal Maior que 0,10 m/s evitar sedimentação. Menor que 0,45 m/s evitar a quebra de floco. 59

60 Cortina Distribuidora Tem o objetivo de uniformizar o fluxo de água floculada em tratamento. Velocidade baixa distribui mal a vazão Velocidade alta quebra dos flocos Material: Alvenaria; madeira; concreto. 60

61 Deve ter o maior número possível de orifícios uniformemente espaçados segundo a largura e a altura útil do decantador. A distância entre orifícios deve ser igual ou inferior a 0,50 m. Deve estar situada a uma distância d da entrada: d = 1,5.(a/A).H. em que a = área total dos orifícios, em m 2 A = área da seção transversal do decantador, em m 2 H = altura útil do decantador, em m A relação a/a igual ou inferior a 0,5. O gradiente de velocidade nos orifícios deve ser igual ou inferiores a 20 s

62 Muito Obrigado!!! 62