22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

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1 22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 14 a 19 de Setembro Joinville - Santa Catarina I OTIMIZAÇÃO DO FUNCIONAMENTO DE UMA INSTALAÇÃO DE FILTRAÇÃO COM TAXA DECLINANTE VARIÁVEL, COM VAZÃO VARIÁVEL EM ESCALA REAL (ESTUDO DE CASO) Elizabeth R. Halfeld da Costa (1) Doutora e Mestre em Hidráulica e Saneamento pela EESC-USP. Engenheira Consultora da Companhia de Saneamento de Minas Gerais (COPASA-MG). Leandro Assunção - Engenheiro Eletricista pela PUC-MG. Engenheiro da Companhia de Saneamento de Minas Gerais (COPASA-MG). Nelson Cunha Guimarães - Engenheiro Civil pela UFMG. Mestrando em Engenharia Sanitária e Ambiental pela UFMG. Engenheiro da Companhia de Saneamento de Minas Gerais (COPASA-MG). Joaquim Paulo Coutinho Braga Engenheiro Civil pela Escola de Engenharia Kennedy. Gerente do Sistema Rio Manso da Companhia de Saneamento de Minas Gerais (COPASA-MG). Alexandre Costa -Técnico em eletrônica pelo CEFET-MG. Supervisor de manutenção eletrônica e auto mação da Companhia de Saneamento de Minas Gerais (COPASA-MG). Endereço(1): Endereço: Rua Passa Tempo n Carmo-Sion Belo Horizonte - Minas Gerais - CEP: Brasil - TelFax +55 (31) Elizabethhalfeld@ig.com.br

2 RESUMO Um sistema de filtração rápida com taxa declinante variável devidamente projetado e operado é uma alternativa econômica e eficiente, uma vez que este tipo de sistema dispensa a utilização de equipamentos de controle de vazão e de nível. Muitos trabalhos, utilizando esse método de operação, têm sido desenvolvidos uma vez que esse processo tem se demonstrado bastante vantajoso por produzir melhor qualidade de água filtrada e pela facilidade de operação. Embora o sistema de filtração com taxa declinante seja bastante simples, ele requer cuidados, pois uma implantação inadequada pode dificultar a operação e, por conseqüência, tornar o processo complexo e pouco eficiente. Este trabalho é o resultado da adequação da operação de um sistema com taxa declinante variável na ETA-Rio Manso (COPASA-MG), localizada na região metropolitana de Belo Horizonte, que trabalha com vazões que variam de l/s a l/s. Embora os filtros da ETA-Rio Manso fossem projetados para funcionar com taxa declinante variável, a estação não operava como tal, devido às variações de vazão e, portanto, da taxa média de filtração. Para trabalhar com todas as variações de vazão da estação utilizou-se um dispositivo capaz de introduzir perda de carga turbulenta, com flexibilidade, para atender essas variações. Assim, a válvula borboleta instalada na tubulação de saída de água filtrada, que funcionava apenas para abrir e fechar, passou a trabalhar com porcentagens de abertura atendendo, desta forma, às variações de vazão que ocorrem na estação. Para que a válvula borboleta operasse com percentuais de abertura foi necessário instalar uma válvula pneumática com acionamento elétrico de 5 vias, 3 posições com centro fechado. Para a indicação da posição de abertura da válvula foi instalado um transdutor de posição, que envia um sinal elétrico para o CLP(controlador lógico programável ), existente na ETA. A lógica do programa carregado no CLP compara continuamente a posição da válvula com o valor de abertura determinado pela vazão (taxa média de filtração), corrigindo-a, se necessário. Palavras-chave: Taxa declinante variável, sistema de filtração, filtros rápidos, taxa média variável. INTRODUÇÃO Foi nos anos 80 que os trabalhos experimentais em instalação piloto, realizados por DI DERNARDO & CLEASBY (1980) mostraram a superioridade da filtração com taxa declinante variável sobre a taxa constante. Desde então, muitos pesquisadores têm relatado os bons resultados operacionais desse tipo de método. Apesar das conclusões favoráveis ao uso da filtração com taxa declinante, um estudo publicado pela AWWA Filtration

3 Committee (1984) recomenda que mais pesquisas sejam realizadas principalmente em instalações reais, sob condições controladas. Sendo assim, o trabalho desenvolvido teve como objetivos otimizar a operação do método conhecido como taxa declinante variável numa instalação que possui taxa média de filtração variável e avaliar as vantagens da utilização da taxa declinante variável em relação à taxa constante principalmente no que diz respeito à duração da carreira de filtração e da qualidade da água filtrada. METODOLOGIA: A estação é do tipo ciclo completo, constituída de dez filtros de areia e antracito com 118 m2 de área cada. Os dez filtros do sistema possuem uma área significativa de armazenamento a montante. Cada filtro da estação é constituído de duas câmaras e apenas uma tubulação de saída a qual possui uma placa de orifícios ajustável, que não tem flexibilidade suficiente para atender às variações de vazão da estação, e uma válvula borboleta que antes do trabalho era utilizada apenas para abrir e fechar a tubulação de água filtrada. A água filtrada é encaminhada a uma câmara com um vertedor comum a todos os filtros. Existem dois canais de água filtrada, cada um responsável por coletar água de um conjunto de 5 filtros, como é mostrado no esquema da figura 1. Figura 1: Esquema dos filtros da ETA - Rio Manso Na figura 2 tem-se um corte esquemático de um dos filtros da estação e da câmara com o vertedor comum de água filtrada. Figura 2: Corte esquemático do filtro da estação e câmara com o vertedor comum de água filtrada. A partir da constatação da falta de flexibilidade da placa de orifícios para atender as variações da taxa média de filtração (vazão), resolveu-se utilizar a válvula borboleta, instalada na tubulação de saída de água filtrada, para trabalhar com porcentagens de abertura, atendendo desta forma, as variações de vazão da estação. A metodologia para implantação da taxa declinante foi desenvolvida em quatro etapas, a saber: A primeira etapa constou de ensaios utilizando-se água tratada (turbidez <1 ut), oriunda do reservatório de água para lavagem, em quatro dos dez filtros da estação. Os ensaios foram realizados alternando-se a abertura da válvula borboleta em seis posições diferentes. Os

4 dados obtidos nesses ensaios possibilitaram a obtenção de seis curvas de perda de carga total, uma para cada ângulo estudado. A segunda etapa fundamentou-se na aplicação de um modelo matemático ao sistema de filtração com taxa declinante em questão, a partir do conhecimento da taxa média de filtração, do número de filtros, da carga hidráulica prevista, da área de armazenamento a montante dos filtros e das equações de perda de carga total obtidas nos filtros da estação a partir dos dados obtidos na 1a etapa. A terceira etapa consistiu na determinação através das simulações num programa de computador dos ângulos mais adequados a cada vazão, do nível de lavagem e dos níveis mínimo e máximo de operação. A quarta etapa consistiu na implantação da taxa declinante ao sistema de filtros da estação, para verificação do desempenho dos mesmos, tanto em termos de qualidade da água filtrada, quanto em termos de carreira de filtração. RESULTADOS OBTIDOS Através das curvas de perda de carga total obtidas para cada abertura da válvula borboleta investigada (etapas 1 e 2) e da aplicação de um modelo matemático ao sistema de filtração com taxa declinante em questão (etapa 3), foi possível determinar a abertura mais adequada a cada vazão de operação. A figura 3 mostra as equações das curvas de perda de carga obtidas para várias aberturas da válvula borboleta. Algumas aberturas não puderam ser investigadas por meio dos ensaios com água tratada, o controle manual da válvula não proporcionava precisão, princip almente para aberturas pequenas, sendo assim, ângulos intermediários aos estudados também puderam ser utilizados a partir de uma interpolação das curvas levantadas. Figura 3: Equações das curvas ajustadas de perda de carga total para vários ângulos de abertura. A tabela 1 mostra os resultados obtidos por meio de simulações das aberturas da válvula e das vazões e taxas médias correspondentes. Tabela 1: Resultados obtidos em simulações das porcentagens de abertura da válvula borboleta para respectivas vazões (taxas médias), considerando-se 10 filtros em operação. Vazão

5 L/s Taxa média m3/m2.dia Abertura da válvula borboleta por faixas de trabalho (%) , , , ,

6 A partir das curvas de perda de carga total ajustadas, foi possível obter os níveis operacionais de trabalho no canal comum de alimentação dos filtros. Ou seja, o nível mínimo operacional (N1); o nível máximo operacional (N3) e nível de lavagem (N2), como pode ser visto no gráfico da figura 3 e no corte esquemático da figura 2; Assim, a válvula borboleta instalada na tubulação de saída de água filtrada, que funcionava apenas para abrir e fechar, passou a trabalhar com porcentagens de abertura atendendo desta forma, às variações de vazão que ocorrem na estação (etapa 4). Para que a válvula borboleta operasse com percentuais de abertura foi necessário instalar uma válvula pneumática com acionamento elétrico de 5 vias, 3 posições com centro fechado. Para a indicação da posição de abertura da válvula foi instalado um transdutor de posição, que envia um sinal elétrico para o CLP(controlador lógico programável ), existente na ETA. A lógica do programa carregado no CLP compara continuamente a posição da válvula com o valor de abertura determinado pela vazão (taxa média de filtração), corrigindo-a, se necessário. Um limite superior e um inferior para as aberturas das válvulas foi estipulado para cada faixa de vazão, visando sempre o afogamento da tubulação. Esses limites encontram-se relacionados na tabela 2. Tabela 2: Limites superior e inferior para as aberturas das válvulas em função das faixas de vazão. Faixa de vazão (l/s) abertura da válvula Limite inferior

7 abertura da válvula Limite superior % 20% % 30% % 35% % 50 % % 67,5% ,5% 75% % 100%

8 A carreira de filtração passou então a ser determinada pelo nível de lavagem (N2) estabelecido por meio das curvas de perda de carga total e por todas as vazões de operação. O monitoramento contínuo da vazão, dos níveis no canal de água decantada, da turbidez do efluente global filtrado nos canais de água filtrada foi implantado no CLP da estação. Os gráficos das figuras 4, 5, mostram o monitoramento continuo operacional da taxa declinante da ETA-Rio Manso, que pode ser visto a qualquer hora na tela do computador da estação. Figura 4: Monitoramento contínuo do sistema com taxa declinante variável ETA -Rio Manso referente ao dia 01/01/03. Figura 5: Monitoramento contínuo do sistema com taxa declinante variável ETA -Rio Manso referente ao dia 02/01/03. A vazão da estação, o nível no canal de água decantada e a turbidez do efluente global filtrado registrados estão representados pelas linhas preta, azul e verde, respectivamente. A linha alaranjada registra a turbidez da água de lavagem e a vermelha a turbidez efluente dos filtros 1 a 5. Os níveis N2 e N3 são representados na tela para orientação do operador. Observando as telas das figuras 4 e 5 percebe-se que: As elevações de turbidez na água filtrada só ocorrem no começo de operação do filtro mais limpo (linha verde ou vermelha). Tal fato ocorre quando o nível no canal de água decantada diminui (linha azul); A turbidez máxima no efluente global dos filtros (linha verde) foi de 0,3 ut, o mesmo aconteceu com o efluente dos filtros 1 a 5; Nenhum pico significativo de turbidez ocorreu por causa da elevação da vazão registrada pela linha preta; Os registros da turbidez da água de lavagem servem para auxiliar no monitoramento do tempo gasto na operação de lavagem e da eficiência da mesma. A turbidez máxima da água decantada nos dias 01 e 02 de janeiro de 2003 foi da ordem de 1uT e as carreiras de filtração chegaram a 80 horas e os filtros eram lavados quando o nível N2 era atingido. Em épocas em que a turbidez da água decantada atingia valores máximos para a ETA-Rio Manso (próximos de 2 ut), os picos de turbidez que ocorreram devido ao começo de operação do filtro mais limpo e ao aumento de vazão não ultrapassaram 0,5 ut, as carreiras

9 de filtração foram limitadas em de 60 horas, para evitar picos de turbidez maiores que 0,5 ut. Com o intuito de fazer uma comparação com a taxa constante (método de operação anteriormente utilizado na estação), manteve-se totalmente abertas as válvulas borboletas na saída dos filtros desafogando a entrada dos mesmos. Dessa forma, o sistema de filtração passou a operar com taxa constante. Os resultados de dois dias de monitoramento da taxa constante estão contidos nas figuras 6 e 7. Observando as figuras 6 e 7 percebe-se que o nível no canal de água decantada está bem abaixo do nível N2, e que para uma carga hidráulica menor que a utilizada no método da taxa decliante apareceram picos maiores de turbidez que ocorreram ou por aumento de vazão ou por ocasião da lavagem dos filtros. Esses picos chegaram a ser da ordem de 1,2 ut. Figura 6: Monitoramento contínuo do sistema com taxa declinante variável ETA -Rio Manso referente ao dia 09/02/03. Figura 7: Monitoramento contínuo do sistema com taxa declinante variável ETA -Rio Manso referente ao dia 10/02/03. Os dados obtidos já no começo da implantação da taxa declinante na ETA-Rio Manso vêm confirmar as vantagens da utilização desse método de operação citadas por vários pesquisadores, principalmente no que diz respeito à produção de carreiras de filtração mais longas e à produção de água filtrada com melhor qualidade, mesmo por ocasião de aumento de vazão. O método é simples e de fácil operação. Provavelmente o armazenamento a montante dos filtros na ETA-Rio Manso é o responsável pela ausência dos picos acentuados de turbidez no efluente, quando um filtro é retirado de operação ou quando há aumento da vazão na estação. Além da melhoria na qualidade da água filtrada a implantação da taxa declinante proporcionou uma economia nos gastos com a água de lavagem uma vez que as carreiras de filtração aumentaram. Comparando-se os mesmos meses do ano de 2002 e 2003 verificou-se uma redução do volume mensal gasto com água de lavagem dos filtros conforme tabela 3. Tal fato ocorreu em virtude do aumento das carreiras médias de filtração como pode ser observado por meio da tabela 4.

10 Tabela 3: Volume de água de lavagem nos anos de 2002 e 2003 Mês Volume de água de lavagem (m3) Ano 2002 Ano 2003 % Redução Janeiro ,11 Fevereiro ,48 Março ,78 Abril ,29

11 Tabela 4: Carreira média de filtração obtida nos anos de 2002 e 2003 Mês Carreira média (horas) Ano 2002 Ano 2003 % Aumento Janeiro 44,22 66,00 49,25 Fevereiro 44,72 61,58 37,70 Março 44,18 59,33 34,29 Abril 40,30 54,50

12 35,24 Conclusões Do trabalho realizado pode-se concluir que: Sobre a implantação da taxa declinante variável; A implantação da taxa declinante variável foi satisfatória, pois possibilitou ao sistema de filtros: Atender todas as vazões de trabalho da estação e trabalhar como um verdadeiro sistema com taxa declinante variável; Produzir carreiras superiores às carreiras máximas produzidas anteriormente (40 horas); Melhorar a qualidade da água filtrada atenuando os picos de turbidez que ocorrem devido ou ao aumento de vazão ou à colocação de um filtro limpo em operação. Sobre a utilização da válvula borboleta em porcentagens de abertura A utilização da válvula borboleta com instrumento capaz de introduzir perda de carga demonstrou ser eficiente, pois possibilitou o afogamento da tubulação de entrada atendendo a todas as vazões de trabalho da estação. Sobre a economia obtida com a implantação da taxa declinante Os registros operacionais registraram a redução do volume mensal gasto com água de lavagem dos filtros em virtude do aumento das carreiras de filtração. Esses resultados influíram positivamente na redução dos custos inerentes ao tratamento de água no sistema Rio Manso, visto que o menor volume de água de lavagem acarreta em um menor volume de lodo a ser tratado pela unidade de tratamento de resíduos (UTR) da estação. Além disso, quanto menos água tratada utilizada na operação de lavagem, maior será o volume de água tratada disponibilizado para faturamento e distribuição. Sobre a metodologia A metodologia desenvolvida demonstrou ser eficiente pois permitiu obter os ângulos de operação da válvula borboleta adequados às várias vazões de operação da estação, de modo a garantir a perda de carga necessária ao sistema de filtração com taxa declinante;

13 As curvas de perda de carga obtidas a partir dos ensaios com água tratada conforme metodologia possibilitaram obter os níveis mínimos e máximos de operação além dos níveis de lavagem. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1.American water works association. Filtration Committee report. (1984) Comparison of alternative system for controlling flow through filters. Journal AWWA, Denver, v.76, n.1, p.91-95, jan. 2.Costa, E.R.H (2001). Avaliação do funcionamento de uma instalação de filtração direta descendente com taxa declinante variável em escala real e piloto. São Carlos 260 p. Tese (Doutorado)- Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. 3.Di Bernardo, L & Cleasby J.L (1980) Declining-rate versus constant-rate filtration, Journal of the Environmental Engineering Division, ASCE, New York, v.106, n. EE6, p , dec. 4.Di Bernardo, L. (1985) Proposição de um modelo matemático para projeto de sistemas de filtração com taxa declinante. In: Congresso brasileiro de engenharia sanitária e ambiental, 13º., Maceió, Anais. Alagoas, ABES. 5.Machado, R. (1995). Proposição de modelação matemática para sistemas de filtração com taxa declinante variável incluindo armazenamento a montante dos filtros. São Carlos. v.1, 103 p. Tese (Doutorado)- Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. 6.Teixeira, B.A.N (1991). Proposição de um método para obtenção e operação de sistemas de filtração com taxa declinante. São Carlos 208 p. Tese (Doutorado)- Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo.