PROPOSTA DE CÁLCULO DE GRADIENTE DE VELOCIDADE PARA SISTEMAS MODULARES DE ETAS COMPACTAS

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1 PROPOSTA DE CÁLCULO DE GRADIENTE DE VELOCIDADE PARA SISTEMAS MODULARES DE ETAS COMPACTAS Tarso Luís Cavazzana* Universidade Estadual Paulista UNESP Campus de Ilha Solteira-SP, Brasil. Engenheiro Civil pela Universidade Estadual Paulista UNESP Campus de Ilha Solteira- SP, Brasil. Mestrando pela Universidade Estadual Paulista UNESP Campus de Ilha Solteira-SP. Tsunao Matsumoto Engenheiro Civil, Mestre e Doutor em Hidráulica e Saneamento. Professor Assistente Doutor do Departamento de Engenharia Civil da Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira Universidade Estadual Paulista - Campus de Ilha Solteira. Endereço (1): Alameda Bahia, 550 Departamento de Engenharia Civil Zona Norte Ilha Solteira São Paulo Brasil Telefone: (+55) 0XX Fax: (+55) 0XX tlcavazzana@aluno.feis.unesp.br. RESUMO No atual contexto das Estações de Tratamento de Água - ETAs -, e tendo em vista o grande desenvolvimento de sistemas construtivos modulares, a importância de estudos relacionados a protótipos de tratamento que possibilitem o uso do sistema ganha importância fundamental, à medida que se poderá industrializar sua construção. Assim, sob a óptica da economia, propõe-se a construção de um Sistema Floco Decantador de Manta de Lodo, do tipo apresentado por CAVAZZANA & MATSUMOTO (003), com suas características de grande produção de água por espaço ocupado (compacticidade), à um sistema construtivo do tipo modular, que possibilita rapidez e praticidade em suas concepção, execução e operação. O trabalho supra citado ateve-se a investigar avanços no tratamento de água para abastecimento em um Sistema Floculador de Manta de Lodo (SFML), por verificar que as Estações Tradicionais de Tratamento de Água superficial demandam de um grande contingente operacional e apresentam dificuldades de automação. Objetivando, dessa maneira, uma otimização ao SFML, serão realizados trabalhos de estudos em Jar-Test, de correlações hidráulicas baseadas em gradiente de velocidades, em escala maior que o piloto existente na UNESP, Ilha Solteira, utilizado nos trabalhos de (GUILHERME (001)) e CAVAZZANA & MATSUMOTO (003), o qual permitirá simular uma estação compacta automatizada. No sistema, o qual funciona com o estabelecimento de uma manta de lodo no floculador, serão testados polímeros catiônicos (coagulantes) - em função do ph assim o indicar - às taxas de 160, 00 e 40m 3 /m /dia e turbidez da água bruta de 10, 30 e 100UT. Dos testes de iguais características, os de melhores resultados foram testados no SFML. Os resultados dos testes apresentaram turbidez da água decantada em torno de 5UT e da filtrada abaixo de 0,1UT. Esses valores mostram possibilidades de aumento das carreiras de filtração, vida útil dos filtros, diminuição da água de lavagem e, conseqüentemente, do impacto ambiental do lodo. Para tanto, há a necessidade do conhecimento do comportamento dos gradientes de velocidade no novo Sistema de Tratamento, como apresentado no decorrer do trabalho. PALAVRAS-CHAVE tratamento de água, manta de lodo, polieletrólito, floco decantador, otimização.

2 INTRODUÇÃO As Estações de Tratamento de Água (ETA) tradicionais precisam ser otimizadas, de forma a ocuparem menores espaços e, atualizadas, por ainda não adotarem um sistema de dosagem de coagulante automatizado, o que diminuiria desperdícios de produtos químicos (insumos) e de água aduzida no processo. Essas características conferem à ETA maiores custo de operação e prazo de amortização, podendo inviabilizar a implantação dessa infra-estrutura essencial, ou ainda, impedir aplicações de recursos à outros investimentos, possivelmente essenciais, à uma comunidade (CAVAZZANA & MATSUMOTO (003). Sob esses aspectos, o Sistema Floculador Manta de Lodo (SFML) diminuiria o espaço ocupado em relação à quantidade de água tratada por período de tempo, tornando a ETA compacta - questão de otimização - diminuindo o custo de aquisição da área e de operação do Sistema. Os ensaios de Jar-Test determinariam as dosagens de coagulante e, dispositivos semi-automáticos controlariam sua aplicação - questão de atualização. Assim, uma ETA com a mesma concepção do Protótipo Modular Compacto (PMC), permitiria a implantação gradativa do sistema e das instalações periféricas - como a casa de bombas e leitos de secagem, sendo os últimos reduzidos em função de o lodo residual apresentar-se com uma umidade menor que a ocorrente em ETA tradicionais. Também, a redução de espaço para a potabilização da água, abre a possibilidade de incorporar-se às estações dispositivos para recuperar águas de lavagem de filtro, bem como para implantação de unidades de desidratação e análise do lodo retirado, o que certamente reduziria o impacto ambiental causado pela ETA tradicional, ao permitir direcionar o detrito retirado a alguma aplicação no setor produtivo, a exemplo da utilização, à nível experimental, dos resíduos de pneus como agregado em concreto armado (FRANÇA, 003). Quanto ao tipo de coagulante, uns dos insumos mais utilizados na ETA, deve também ser mais bem estudado. Isso se faz pertinente uma vez que certos coagulantes tradicionais (como o Sulfato de Alumínio) podem causar afecção neurológica se aplicados incorretamente (GUILHERME (001)). Por esse fato, os coagulantes utilizados nos Jar-Tests por CAVAZZANA & MATSUMOTO foram polieletrólitos industrializados, por apresentarem maior potencialidade ao controle de qualidade em sua produção. Quanto aos resultados no SFML, pode-se inferir que apresentaram bons - em torno de 4UT na saída do decantador - para as taxas de 160, 00 e 40m 3 /m /dia e, conforme comentários quanto aos aspectos observados e potencialidades do sistema utilizado, faz-se pertinente a sua aplicação prática, tornando o estudo do aumento de escala na uma forma modular, mais interessante. Isso, porque no atual contexto das Estações de Tratamento de Água - ETAs -, e tendo em vista o grande desenvolvimento de sistemas construtivos modulares, a importância de estudos relacionados a protótipos de tratamento que possibilitem o uso do sistema ganha importância fundamental, à medida que se poderá industrializar sua construção. OBJETIVOS Os objetivos constantes do trabalho são: Estabelecimento de uma configuração modular para o Sistema de Tratamento; Desenvolvimento das formas de cálculo dos gradientes de velocidade; METODOLOGIA DE CONCEPÇÃO E DE CÁLCULO A concepção básica adotada - Figura 01 -, na entrada de água, para estabelecimento dos cálculos pode ser considerada simples, já que se levou em consideração uma forma que facilitasse a execução do Sistema Floco Decantador de Manta de Lodo. Também, a medida de 1m x 1m, adotada como unidade modular, apresenta fácil adequação à uma possível aplicação.

3 Figura 01: Concepção básica da entrada de água no Sistema Já em termos de cálculos, com a finalidade de levantar-se os parâmetros hidráulicos, basicamente gradientes de velocidade, e tempos de detenção para cada etapa do tratamento, na ordem: mistura rápida, floculação e decantação, utilizou-se o que fora demonstrado por CAVAZZANA E MATSUMOTO (003), desenvolvendo-se a equação (1), como segue: P G = µ V G: gradiente de velocidade (s -1 ); P: potência introduzida no sistema (W); µ: viscosidade dinâmica da água (10-3 Pa.s); V: Volume (m 3 ). (1) Numa passagem matemática, substituiu-se a potência, levando-se em consideração o coeficiente de resistividade apresentado por DI BERNARDO, (1993) e, o colocado por VIANNA, (199) quanto à relação de espaçamento e altura de encontro de jatos sucessivos, chegando-se à equação (): G = (L f k r ) g Q A V ν () g: gravidade, Kg.m/s ; Q: vazão de ensaio, m 3 /s; ν: viscosidade cinemática da água, 10-6 m /s; A: área da seção em que se quer determinar o gradiente, m ; L f : espessura do meio filtrante, m; k r : coeficiente de resistibilidade, s.m -1.

4 Assim, ao discretizar-se o módulo em três partes - início, meio e fim - tornou-se possível o cálculo dos gradientes médios para cada taxa de aplicação. E considerou-se o gradiente do meio igual à soma dos gradientes inicial e final dividido por três (pois a peça era piramidal), com gradiente para Jar-Test (Gmédio) sendo uma ponderação dos gradientes pelas respectivas alturas, conforme a equação (3): G médio = (G i h'+g meio (h - h' ) + G f h p +d ) /(h + h p + d h: altura do floculador menos h, m; h altura de encontro do jato de entrada com as paredes do floculador, m; h p+d a altura do prolongador mais decantador, m; Gmédio, o gradiente médio para o floculador, s -1. ) (3) Para o caso atual, pretende-se conceber uma peça verticalizada e, não inclinada (piramidal), visando maior facilidade de execução do sistema modular. Dessa maneira, a coagulação e floculação irão ocorrer em função do cone formado pelos jatos de entrada, espaçados de 50 cm entre si, ficando o restante do Sistema considerado como prolongador. Sendo assim, Gmeio = 0 e, Gmédio terá a forma descrita na equação (4): G médio = (G i h'+g f h p +d ) /(h'+h p+ d ) (4) A equação 4 fornece as bases estimativas para realização de Jar-Tests para ETAs do tipo da PMC proposta. A seguir estarão especificadas as formas de cálculo dos gradientes de velocidade para o início e fim. Inicialmente, a Figura 0 especifica o comportamento dos jatos sucessivos, para o qual deve ser calculado o volume envolvido. Participa também desse cálculo, o espaçamento médio (Em) entre os jatos sucessivos - o qual fenece a altura de encontro entre esses jatos (h, utilizada no cálculo do volume inicial e G médio ) - e a área de orifícios A o. Assim, pode-se descrever as equações 5, 6 e 7: Figura 0: Encontro dos jatos sucessivos h ' =, 5 Em (5) h altura de encontro do jato de entrada com as paredes do floculador, m; Em: espaçamento médio entre orifícios, m;

5 4 Em 5π Vol = π h' = ( Em ) 3 (6) 3 6 Vol: volume interno aos cones formados pelos jatos sucessivos, m 3 ; φ A o = 4 π (7) A o : Área dos orifícios de entrada, m ; φ: diâmetro da tubulação de entrada, m; Finalmente, como a concepção do SFML possui contos vivos (quadrado), há a necessidade de levar em consideração a zona morta formada, através do cálculo de um diâmetro médio (Dm) da seção transversal, que seria a área (As) de escoamento após o encontro entre os jatos sucessivos. Pode-se, então, escrever as equações 8 e 9: Dm 1+ = l Dm: diâmetro médio da unidade modular, m ; l: comprimento do lado da unidade modular, m; Dm π + l As = As: área da seção após o encontro entre os jatos sucessivos, m ; (8) (9) RESULTADOS SIMULADOS Após algumas tentativas, buscando-se gradientes semelhantes aos obtidos por CAVAZZANA & MATSUMOTO (003), chegou-se à configuração apresentada na Figura 01, com tubulação de entrada com φ = ¾ (0,01905 m). Assim, considerando uma manutenção de L f x K r = 0,15 s, pôde-se calcular os gradientes de entrada, de forma a não ocorrer cisalhamento dos flocos formados, e obter-se de um gradiente médio - G médio adequado. Os cálculos estão representados a seguir: h' =,5 0,5 = 1, 5m 4 0,5 Vol = π 1,5 = 0,375 m 3 0,01905 A o = 4 π = 0, m 3

6 Considerando uma taxa de 40m 3 /m /dia num filtro de 1m, tem-se: ) g Q 0,15 9,81 0,0069 = (Lf k Gi = r s ν A V 10 0, ,375 1 Dm + = 1 = 1, 071m 1,071 π + 1 As = = 1,07 m 0,15 9,81 0,0069,8 6 Gf = s 10 1,07 1,5 Dessa maneira, para um sistema do tipo do PMC proposto, com altura total de 3,60m, pode-se calcular um G médio da seguinte forma: G médio ( 169 1,5 +,8,35 )/ 3,60 60 = ( G h' + G h + ) /( h' + h + ) = s i f p d p d E visando explorar uma maior produção, realizou-se os cálculos anteriores, para uma taxa de 30m 3 /m /dia, conforme apresentado a seguir: ) g Q 0,15 9,81 0,00360 = 6 6 (Lf k Gi = r s ν A V 10 0, ,375 0,15 9,81 0, ,8 6 Gf = s 10 1,07 1,5 G médio ( 6 1,5 + 3,8,35 )/ 3,60 81 = s È importante ressaltar que esse G médio está dentro dos padrões aceitáveis de ETAs. COMENTÁRIOS Como se pôde observar, a visão do projeto proposto para obtenção do título de mestrado é proporcionar um avanço tecnológico aos sistemas de produção de água para abastecimento, visando maior produção de água para um menor espaço ocupado, utilizando-se de sistemas modulares industrializáveis e possivelmente transportáveis, de forma a oferecer custeios menores de implantação e flexibilidade de deslocamento. Associado ao protótipo, pretende-se também facilitar a automatização do processo, através do uso de estudos em ensaios de bancada (Jar-Tests) e turbidímetros em consonância com os dosadores de insumos e parâmetros de limpeza do sistema. Essa automação será feita a partir de CLP (Controlador Lógico Programável).

7 Por exemplo, para o caso dos insumos, seria interessante estabelecer curvas de taxa-turbidez-dosagem, a partir de ensaios de bancada, para sua aplicação no Sistema Floculador de Manta de Lodo já que os referidos ensaios são realizados com base nas propriedades hidráulicas do SFML. Outro fator relevante é a facilidade dos cálculos para esse tipo de ETA. Quanto aos resultados já colhidos em escala reduzida, pode-se observar um teste de 4h apresentado por CAVAZZANA & MATSUMOTO (003), representados pelas Figuras 03 e 04. A Figura 04, representa a manta de lodo formada no interior sistema; é essa manta que possibilita uma melhoria dos resultados em relação aos Jar-Tests realizados. Polieletrólito C - taxa de 40 - T0 = 30 UT no Módulo - 4h - 8 Turbidez (UT) Decantador Filtro Tempo (h) Figura 03: Resultados de turbidez no teste de 4 h à taxa de 40m3/m.d e turbidez inicial de 30UT. Manta - taxa de 40 - T0 = 30 UT no Módulo - 4h - Altura da manta (m),50,00 1,50 1,00 0,50 0,00 0,00 5,00 10,00 15,00 0,00 5,00 30,00 Tempo (h) Figura 04: Resultados da manta no teste de 4 h à taxa de 40m3/m.d e turbidez inicial de 30UT.

8 CONCLUSÕES O SFML vem apresentando resultados no mínimo satisfatórios nos trabalhos realizados por CAVAZZANA & MATSUMOTO (003), como turbidez da água decantada em torno de 5UT e da filtrada abaixo de 0,1UT, fazendo então consistente a persistência da aplicação desse sistema numa forma automatizada, compacta e modular numa escala maior e com alguns testes adicionais. Dessa maneira abre-se uma grande possibilidade para uma aplicação comercial desse tipo de ETA, com economia e praticidade. Economia em função da possibilidade de grande produção por unidade de área ocupada e praticidade por ser facilmente automatizada e implantada em módulos. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CAVAZZANA, T. L., MATSUMOTO, T. (003) Avaliação e Aplicação dos Resultados de Jar-Test no Módulo Decanto Floculador de Alta Taxa, In: Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, XXII, Joinville, SC, Anais em CD-ROM. DI BERNARDO, L. (1993) - Métodos e Técnicas de Tratamento de Água - vol, ABES, Rio de Janeiro, 498p. FRANÇA, V. H. (003) Aderência Aço-Concreto Uma análise do comportamento do concreto fabricado com resíduos de borracha Comunicação Pessoal, Dissertação de Mestrado a ser defendida junto ao Departamento de Engenharia Civil da Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira/UNESP. GUILHERME, C. M. (001) Comportamento do Decanto-Floculador de Manta de Lodo e Decantador de Alta Taxa no Tratamento de Água de Abastecimento utilizando Sulfato de Alumínio e Diferentes Polieletrólitos Comunicação Pessoal, Dissertação de Mestrado a ser defendida junto ao Departamento de Engenharia Civil da Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira/UNESP. VIANNA, M. R. (199) - Hidráulica Aplicada às Estações de Tratamento de Água - 1 ed. Belo Horizonte - MG: Instituto de Engenharia Aplicada Editora, 344 p. AGRADECIMENTOS À FAPESP pela concessão de bolsas de Iniciação Científica e de Mestrado e auxílio à pesquisa.