© 2017 Qualquer parte desta publicação pode ser reproduzida, desde que citada a fonte. Todos os direitos desta edição reservados à Editora LDiBe. Capa SOU arquitetura e design Projeto gráfico Editora Cubo Revisão Editora Cubo Diagramação Editora Cubo 3ª edição Tiragem 1.500 exemplares
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Di Bernardo, Luiz Métodos e técnicas de tratamento de água / Luiz Di Bernardo, Angela Di Bernardo Dantas, Paulo Eduardo Nogueira Voltan. – São Carlos: LDiBe Editora, 2017. 1246 p. ISBN 978-85-62324-05-5 1. Tratamento de água. 2. Tecnologias de tratamento. 3. Qualidade da água. I. Dantas, Angela Di Bernardo. II. Voltan, Paulo Eduardo Nogueira. III. Título.
www.editoraldibe.com.br Av. São Carlos, 2205, sala 103 CEP 13560-900 São Carlos - SP, Brasil Fone: 55 (16) 3371 3466; Fax: 55 (16) 3371 0723
À Costancia, minha esposa que, espiritualmente, tem me apoiado em todos os momentos da minha vida. Aos meus filhos, Angela, Bruno, Mário e Laura e aos netos, Henrique, Daniel, Nicolas, Luiza, Maria e Benjamim, dos quais espero que concordem que o maior tesouro que se pode acumular na vida é o saber. Luiz Di Bernardo Ao meu pai, Luiz Di Bernardo, pelos preciosos ensinamentos e incentivo durante toda a minha vida. À minha mãe Costancia, pela ajuda, carinho e apoio. Ao meu marido Frederico e aos meus filhos Henrique e Daniel – amores da minha vida. Angela Di Bernardo Dantas Ao professor Luiz Di Bernardo, pela oportunidade ímpar de colaborar com este trabalho. Sou grato por ter a oportunidade de construir e consolidar minha trajetória profissional à luz de seus ensinamentos, ética e compromisso social. Esta obra é fruto do seu empenho, inteligência e generosidade. Paulo Eduardo Nogueira Voltan
S o b re os Autore s Luiz Di Bernardo Engenheiro civil, mestre e doutor em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (EESC-USP) e Pós-doutorado pela Iowa State University – EUA. Foi professor de disciplinas de graduação em saneamento na Faculdade de Engenharia Civil de Araraquara e na Fundação Educacional de Barretos na década de 1970. Foi professor de disciplinas de pós-graduação na Faculdade de Engenharia Civil da UNICAMP na década de 1980 e professor do mestrado e doutorado em Tecnologia Ambiental da Universidade de Ribeirão Preto (UNAERP). Foi professor de disciplinas de graduação nos cursos de Engenharia Civil e de Engenharia Ambiental e de pós-graduação em Hidráulica e Saneamento da EESC-USP de 1973 a 2009, tendo se aposentado como professor titular. Orientou 15 estudantes de iniciação científica, 55 de mestrado e 35 de doutorado na EESC-USP, desenvolveu mais de 100 trabalhos de assessoria e consultoria e elaborou aproximadamente 200 projetos de estações de tratamento de água. Publicou 73 trabalhos em periódicos nacionais e internacionais e apresentou, aproximadamente, 320 trabalhos em congressos, seminários e simpósios nacionais e internacionais. Autor principal de 6 livros em tratamento de água e de capítulos de 12 livros nacionais e internacionais. Detentor do prêmio Rudolph Hering Medal por trabalho publicado no Journal of Environmental Engineering Division – American Society of Civil Engineers (EUA); recebeu 4 prêmios Abel Wolman, outorgados pela Asociación Interamericana de Ingenieria Sanitaria y Ambiental [Argentina, Guatemala, Puerto Rico (2)]. Atualmente é diretor da Hidrosan Engenharia.
Angela Di Bernardo Dantas Formada em 1997 no curso de Engenharia Civil da Escola de Engenharia de São Carlos – EESC-USP, fez mestrado (19982000), doutorado (2000-2004) e pós-doutorado (2005-2009) no Departamento de Hidráulica e Saneamento da EESC-USP na área de pesquisa de tratamento de água de abastecimento. Durante o doutorado, realizou estágio no Georgia Institute of Technology (Atlanta, EUA) sob orientação do Prof. Appiah Amirtharajah. Profissionalmente, participou de vários projetos de Estações de Tratamento de Água (ETA) e de Resíduos de ETAs, Estudos de tratabilidade de água e de resíduos de ETAs. Autora de vários trabalhos científicos, publicados em revistas nacionais e internacionais, ou apresentados em congressos nacionais e internacionais. Co-autora dos livros Tratabilidade de Água e dos Resíduos gerados em ETAs, Florações de Algas e de Cianobactérias: Suas Influências na Qualidade da Água e nas Tecnologias de Tratamento e da segunda edição do livro Métodos e Técnicas de Tratamento de Água. Atualmente é diretora técnica da Hidrosan Engenharia e professora do mestrado e doutorado em Tecnologia Ambiental da Universidade de Ribeirão Preto (UNAERP).
Paulo Eduardo Nogueira Voltan Engenheiro Civil formado em 2004 pela Escola de Engenharia de São Carlos EESC-USP, mestre em engenharia civil – Departamento de Hidráulica e Saneamento da EESC-USP concluído em 2007, mesma instituição na qual concluiu o doutorado em 2014. Participou de diversos trabalhos envolvendo projetos de Estações de Tratamento de Água (ETA) e dos resíduos gerados em ETA, análise de desempenho de ETA, estudos de tratabilidade de água e dos resíduos gerados no tratamento de água. Atualmente é gerente de projetos da Hidrosan Engenharia.
Sumá rio Nota dos Autores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Capítulo 1. Ocorrência de Água e Abastecimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1. Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 1.2. Água superficial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 1.3. Água subterrânea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 1.4. O abastecimento de água no Brasil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 1.5. Disponibilidade hídrica de um manancial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.6. Bibliografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Capítulo 2. Tecnologias de Tratamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1. Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2. Propriedades e características das águas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.1. Amostragem e caracterização de água bruta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2.2. Características biológicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27 2.2.3. Características físicas e organolépticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.2.3.1. Turbidez, tamanho e distribuição de tamanho de partículas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.2.3.2. Cor verdadeira, cor aparente e carbono orgânico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.2.3.3. Espectroscopia em UV/Visível . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47 2.2.3.4. Condutância e condutividade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47 2.2.3.5. Potencial zeta e fluxo de corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.2.3.6. Sabor e odor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.2.3.7. Sólidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.2.3.8. Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.2.4. Características químicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50 2.2.4.1. Acidez e alcalinidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50 2.2.4.2. Cloretos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.2.4.3. Dureza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.2.4.4. Fluoretos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.2.4.5. Fósforo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.2.4.6. Metais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52 2.2.4.7. Mercúrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53 2.2.4.8. Nitrogênio, nitrato, nitrito, nitrogênio orgânico e amônia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53 2.2.4.9. pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54 2.2.4.10. Salinidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54 2.2.4.11. Selênio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54 2.2.4.12. Sódio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54 2.2.4.13. Sulfatos, sulfetos e sulfitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54 2.2.4.14. Zinco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54 2.2.4.15. Matéria orgânica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54 2.2.5. Características radioativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55 2.3. Classificação das águas usadas como fontes de abastecimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55 2.4. Padrão de potabilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.5. Tecnologias de tratamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74 2.5.1. Tratamento em ciclo completo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76 2.5.2. Filtração direta descendente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76
2.5.3. Filtração direta ascendente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77 2.5.4. Dupla filtração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79 2.5.5. Floto-filtração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 2.5.6. Filtração em múltiplas etapas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 2.5.7. Separação por membranas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82 2.6. Instalações de bancada e piloto usadas em tratamento de água . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82 2.7. Bibliografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Capítulo 3. Casa de Química . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.1. Produtos químicos e principais características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93 3.2. Recebimento, transferência e armazenamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 3.3. Dosagem e preparação de soluções e suspensões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109 3.3.1. Equipamentos de dosagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109 3.3.2.Preparação de suspensões e soluções . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109 3.3.3. Ácidos e sais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109 3.3.3.1. Ácido clorídrico e ácido sulfúrico comerciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109 3.3.3.2. Ácido fluossilícico e sais que contêm flúor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 3.3.4. Alcalinizantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 3.3.4.1. Cal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 3.3.4.2. Carbonato de sódio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 3.3.4.3. Hidróxido de sódio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 3.3.5. Coagulantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 3.3.5.1. Cloreto férrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 3.3.5.2. Sulfato ferroso clorado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 3.3.5.3. Sulfato férrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 3.3.5.4. Cloreto de polialumínio ou hidroxicloreto de alumínio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 3.3.5.5. Sulfato de alumínio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 3.3.5.6. Sais quaternários de amônio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 3.3.6. Polímeros naturais e sintéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 3.3.7. Carvão ativado pulverizado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144 3.3.8. Oxidantes e desinfetantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 3.3.8.1. Cloro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 3.3.8.2. Ácido peracético. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 3.3.8.3. Dióxido de cloro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 3.3.8.4. Ozônio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 3.3.8.5. Peróxido de hidrogênio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 3.3.8.6. Permanganato de potássio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 3.3.8.7. Reagente de Fenton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 3.4. Bibliografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 Capítulo 4. Noções de Hidráulica Aplicadas às ETAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
4.1. Dimensões e unidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 4.1.1. Dimensões primárias e secundárias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 4.1.2. Unidades compatíveis, equações homogêneas e equações dimensionalmente incompatíveis. . . . . . . . . . . . . . . . . 187 4.1.3. Prefixos compatíveis em potência de 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 4.2. Propriedades termodinâmicas da água . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 4.3. Hidrostática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 4.4. Medida de pressão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 4.5. Tipos e regimes dos escoamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 4.5.1. Em pressão ou livre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 4.5.2. Laminar ou turbulento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 4.5.3. Unidimensional, bidimensional e tridimensional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 4.5.4. Permanente e transitório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 4.5.5. Uniforme e variado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
4.6. Equações básicas do escoamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 4.7. Escoamento em condutos forçados em regime permanente e uniforme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 4.8. Equivalência e associações de condutos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 4.8.1. Equivalência entre dois condutos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 4.8.2. Associação de condutos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .202 4.8.2.1. Condutos em série . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .202 4.8.2.2. Condutos em paralelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203 4.9. Perdas de carga localizadas em condutos forçados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 4.9.1. Fórmula universal de perda de carga localizada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 4.9.2. Método dos comprimentos virtuais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 4.10. Bombeamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 4.10.1. Tipos de bomba e altura manométrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 4.10.2. Ponto de funcionamento e curva característica do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 4.10.3. Curva característica da bomba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 4.10.4. Potência do conjunto elevatório e características dos motores elétricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 4.10.5. Variação da rotação nominal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 4.10.6. Associação de bombas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 4.10.6.1. Associação de bombas em série . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 4.10.6.2. Associação de bombas em paralelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 4.10.7. Cavitação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .224 4.11. Transientes hidráulicos em condutos forçados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .225 4.12. Orifícios, comportas, bocais e tubulações curtas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .229 4.13. Medidores de vazão em tubulações. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 4.13.1. Placa de orifício . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 4.13.2. Tubo de Pitot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 4.13.3. Medidores de seção variável . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 4.13.4. Medidores tipo turbina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 4.13.5. Medidores eletromagnéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 4.13.6. Medidores ultrassônicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .232 4.14. Escoamento em canais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .232 4.15. Controle de nível e medição de vazão em canais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .235 4.15.1. Vertedores retangulares - parede espessa e altura crítica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .235 4.15.2. Vertedor triangular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 4.15.3. Vertedor com perfil Creager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .237 4.15.4. Vertedores tubulares e tubos verticais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .237 4.16. Perda de carga localizada em canais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .238 4.16.1. Perda de carga nas curvas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .239 4.16.2. Perda de carga nas curvas em caixas de passagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .247 4.17. Bibliografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .247 Capítulo 5. Coagulação e Floculação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 5.1. Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 5.2. Propriedades das partículas coloidais e substâncias húmicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 5.2.1. Características das argilas e substâncias húmicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 5.2.2. Origem das cargas nas partículas coloidais e nas moléculas de substâncias húmicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .252 5.2.2.1. Estabilização eletrostática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .252 5.2.2.2. Estabilização estérica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .255 5.3. Mecanismos da coagulação de partículas coloidais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 5.3.1. Considerações iniciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 5.3.2. Compressão da dupla camada elétrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 5.3.3. Adsorção e neutralização de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .257 5.3.4. Varredura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .258 5.3.5. Adsorção e formação de pontes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .258 5.4. Mecanismos da coagulação de moléculas de matéria orgânica natural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .258
5.4.1. Características gerais da matéria orgânica natural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .258 5.5. Interações entre partículas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .262 5.5.1. Considerações gerais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .262 5.5.2. Interação em encontros pericinéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .262 5.5.3. Interação em encontros ortocinéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .263 5.5.4. Interação devida às diferentes velocidades de sedimentação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .265 5.5.5. Alguns aspectos da turbulência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 5.5.6. Modelação matemática aplicada à floculação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .267 5.5.6.1. Considerações iniciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .267 5.5.6.2. Modelos matemáticos computando agregação e ruptura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 5.5.6.3. Limitações da modelação matemática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .274 5.5.7. Relação entre gradiente de velocidade médio e tempo de agitação na mistura rápida e na floculação . . . . . . . . .276 5.5.8. Otimização de parâmetros da mistura rápida e da floculação em estações existentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .279 5.5.8.1. Reprodução das condições da mistura rápida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 5.5.8.2. Reprodução das condições da floculação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 5.5.9. Otimização de parâmetros da mistura rápida e da floculação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .283 5.6. Diagramas de coagulação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .285 5.6.1. Considerações iniciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .285 5.6.2. Remoção de turbidez . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .285 5.6.3. Remoção de cor e de carbono orgânico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .303 5.6.4. Remoção de fósforo e algas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 5.6.5. Influência da concentração e da acidez da solução do coagulante na eficiência da coagulação . . . . . . . . . . . . . . .323 5.7. Uso de polímeros como auxiliares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .324 5.7.1. Considerações iniciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .324 5.7.2. Polímeros sintéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .324 5.7.3. Polímeros naturais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .325 5.7.3.1. Amido não modificado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .325 5.7.3.2. Amido modificado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .328 5.7.4. Metodologia para o uso de polímeros como auxiliares de floculação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .329 5.7.4.1. Dosagem mínima de coagulante primário com uso de alcalinizante ou acidificante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .330 5.7.4.2. Dosagem mínima de coagulante primário sem uso de alcalinizante ou acidificante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .333 5.8. Ruptura e recrescimento de flocos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .339 5.9. Controle do processo de coagulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341 5.10. Bibliografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 Capítulo 6. Unidades de Mistura Rápida e de Floculação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
6.1. Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .353 6.2. Unidades de mistura rápida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .355 6.2.1. Tipos de unidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .355 6.2.2. Divisão de vazão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .355 6.2.3. Unidades mecanizadas de mistura rápida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 6.2.4. Unidades de mistura rápida com ressalto hidráulico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .365 6.2.4.1. Considerações sobre o ressalto hidráulico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .365 6.2.4.2. Vertedor retangular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 6.2.4.3. Vertedor Parshall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .370 6.2.5. Unidades de mistura rápida por meio de injetores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .377 6.2.6. Unidades de mistura rápida por meio de malhas de fios redondos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381 6.3. Unidades de floculação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .383 6.3.1. Considerações iniciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .383 6.3.2. Tipos de unidades de floculação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .383 6.3.3. Projeto de sistemas hidráulicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386 6.3.3.1. Unidades do tipo chicanas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386 6.3.4. Projeto de sistemas mecanizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396 6.3.4.1. Considerações iniciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396 6.3.4.2. Equipamento de agitação com eixo vertical – escoamento axial ou radial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .398
6.3.4.3. Equipamento com paletas giratórias paralelas ao eixo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .401 6.3.4.4. Equipamento com paletas perpendiculares ao eixo vertical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .410 6.4. Bibliografia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411 Capítulo 7. Decantação Convencional e de Alta Taxa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
7.1. Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413 7.2. Sedimentação de partículas discretas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413 7.3. Decantação convencional. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415 7.3.1. Decantador ideal - remoção de partículas discretas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415 7.3.2. Decantador não ideal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417 7.3.2.1. Considerações iniciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417 7.3.2.2. Características das partículas floculentas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417 7.3.2.3. Características dos decantadores de escoamento horizontal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419 7.3.3. Projeto de decantadores convencionais com escoamento horizontal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421 7.3.3.1. Considerações iniciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421 7.3.3.2. Taxa de escoamento superficial e período de detenção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422 7.3.3.3. Número de unidades e dimensões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423 7.3.3.4. Distribuição de água aos decantadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424 7.3.3.5. Cortina de distribuição de água . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428 7.3.3.6. Coleta de água decantada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431 7.3.3.7. Remoção de lodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .435 7.4. Decantadores convencionais de escoamento ascendente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443 7.4.1. Unidades independentes de floculação e sedimentação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443 7.4.2. Unidades conjuntas de floculação e sedimentação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445 7.5. Decantação de alta taxa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448 7.5.1. Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448 7.5.2. Características hidráulicas do escoamento em dutos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .453 7.5.3. Modelação matemática para a sedimentação de partículas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459 7.5.3.1. Sedimentação no trecho de transição do duto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459 7.5.3.2. Sedimentação no trecho do duto com perfil de velocidade inteiramente desenvolvido . . . . . . . . . . . . . . . . . .461 7.5.3.3. Sedimentação no duto combinando os trechos de transição e de perfil de velocidade totalmente desenvolvido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464 7.5.4. Projeto de decantadores de alta taxa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .476 7.5.4.1. Tipo de dutos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .476 7.5.4.2. Velocidade de escoamento nos dutos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .478 7.5.4.3. Entrada de água e extração do material depositado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480 7.5.4.4. Coleta de água decantada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490 7.5.4.5. Alturas parciais de um decantador de alta taxa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490 7.6. Bibliografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497 Capítulo 8. Filtração Rápida Descendente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501
8.1. Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501 8.2. Filtração com ação superficial e ação de profundidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .502 8.3. Mecanismos da filtração. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504 8.3.1. Considerações iniciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504 8.3.2. Mecanismos de transporte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .505 8.3.3. Mecanismos de aderência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506 8.4. Cinética da filtração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .507 8.4.1. Considerações iniciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .507 8.4.2. Teoria fenomenológica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .507 8.4.3. Teoria das trajetórias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511 8.5. Índices de filtrabilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513 8.6. Características dos materiais filtrantes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518 8.6.1. Tamanho e distribuição de tamanhos dos grãos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518
8.7. Perda de carga no meio filtrante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .524 8.8. Fluidificação de meios granulares. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .529 8.8.1. Considerações iniciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .529 8.8.2. Perda de carga em meios granulares fluidificados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .530 8.8.3. Previsão da expansão de meios granulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531 8.8.4. Expansão de meios filtrantes constituídos de diferentes materiais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .536 8.8.5. Mecanismos responsáveis pela remoção de impurezas durante a lavagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .537 8.9. Métodos de controle dos filtros. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .538 8.9.1. Considerações iniciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .538 8.9.2. Carga hidráulica disponível constante e resistência total do filtro variável “CHDC × RTFV” . . . . . . . . . . . . . . . . 541 8.9.3. Carga hidráulica disponível constante e resistência total do filtro constante “CHDC × RTFC” . . . . . . . . . . . . . . 541 8.9.4. Carga hidráulica disponível variável e resistência total do filtro constante “CHDV × RTFC” . . . . . . . . . . . . . . . . 551 8.9.5. Carga hidráulica disponível variável e resistência total do filtro variável “CHDV × RTFV”. . . . . . . . . . . . . . . . . . 551 8.9.5.1. Filtração com taxa constante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551 8.9.5.2. Filtração com taxa declinante variável . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .554 8.10. Meio filtrante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .583 8.10.1. Características dos materiais filtrantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .583 8.10.2. Areia convencional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586 8.10.3. Areia praticamente unforme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .588 8.10.4. Dupla camada: areia e antracito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591 8.11. Fundo de filtros e camada suporte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .593 8.11.1. Considerações gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .593 8.11.2. Tubulações perfuradas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .595 8.11.3. Bocais simples e especiais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .595 8.11.4. Vigas em forma de V invertido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .601 8.11.5. Blocos distribuidores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602 8.12. Lavagem dos filtros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 611 8.12.1. Métodos de lavagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 611 8.12.2. Lavagem com água no sentido ascensional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 611 8.12.3. Lavagem auxiliar superficial e subsuperficial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613 8.12.4. Lavagem auxiliar com ar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 616 8.12.4.1. Lavagem independente com ar e água . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 618 8.12.4.2. Lavagem simultânea com ar e água . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 618 8.12.4.3. Sistemas adaptados para lavagem com ar e água . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .622 8.12.4.4. Aplicação de ar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .622 8.12.5. Água para lavagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 628 8.12.5.1. Reservatório elevado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 628 8.12.5.2. Bombeamento direto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 630 8.12.5.3. Água proveniente dos demais filtros da instalação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 630 8.12.5.4. Coleta de água de lavagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 630 8.13. Exemplos de dimensionamento de instalações de filtração com taxa declinante e lavagem com ar e água . . . . . . . 634 8.14. Bibliografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .652 Capítulo 9. Flotação por Ar Dissolvido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 657 9.1. Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .657 9.2. Sistemas de flotação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .657 9.3. Considerações sobre o uso da flotação no tratamento de água . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .658 9.4. Parâmetros de projeto da flotação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663 9.4.1. Considerações iniciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663 9.4.2. Ensaios em laboratório para obtenção de parâmetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664 9.5. Características do ar e propriedades da água . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 669 9.6. Quantidade de ar necessária para a flotação, taxa de recirculação e relação Ar/Sólidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .672 9.7. Câmara de saturação e geração de bolhas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .674 9.8. Zona de mistura entre água pressurizada e água floculada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 681
9.9. Câmara de flotação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 686 9.10. Bibliografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 691 Capítulo 10. Filtração Direta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 693
10.1. Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .693 10.2. Filtração direta descendente – FDD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694 10.2.1. Variantes da filtração direta descendente, vantagens e desvantagens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694 10.2.2. Parâmetros que influem na tecnologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 696 10.2.2.1. Qualidade da água bruta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 696 10.2.2.2. Pré-tratamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 706 10.2.2.3. Meio filtrante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 719 10.2.2.4. Taxa de filtração e carga hidráulica disponível . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .722 10.2.2.5. Método de operação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .722 10.2.3. Otimização do desempenho da FFD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .723 10.2.4. Exemplo de projeto e operação de instalação-piloto de FDD e aplicação dos resultados na reforma e ampliação de uma ETA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .725 10.3. Filtração direta ascendente ‒ FDA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .737 10.3.1. Características gerais da FDA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .737 10.3.2. Evolução da tecnologia no Brasil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 741 10.3.2.1. Considerações gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 741 10.3.2.2. Descrição do funcionamento de um filtro ascendente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .746 10.3.2.3. Coagulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .746 10.3.2.4. Descargas de fundo intermediárias – DFI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 751 10.3.2.5. Estado da camada de areia na filtração ascendente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .757 10.3.2.6. Características da água para lavagem e para aplicação na interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .763 10.3.3. Parâmetros de projeto e operação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .763 10.3.3.1. Considerações iniciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .763 10.3.3.2. Tipo de fundo, camada suporte e camada de areia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 766 10.3.3.3. Coleta de água filtrada e de água de lavagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .768 10.3.3.4. Câmara de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .769 10.3.3.5. Taxa de filtração e carga hidráulica disponível . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 771 10.3.3.6. Operação com descargas de fundo intermediárias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .773 10.3.3.7. Água para lavagem e aplicação na interface pedregulho-areia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .774 10.3.3.8. Encerramento da carreira de filtração por perda de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .775 10.3.4. Exemplo de projeto de FDA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .775 10.4. Dupla filtração – DF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .779 10.4.1. Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .779 10.4.2. Funcionamento da dupla filtração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .779 10.4.3. Coagulação e mistura rápida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .782 10.4.4. Remoção de turbidez . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .783 10.4.5. Remoção de cor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 814 10.4.6. Remoção de microalgas e cianobactérias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .837 10.4.7. Projeto de estações de dupla filtração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 867 10.4.7.1. Características da água bruta e parâmetros de projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 867 10.4.7.2. Arranjos das unidades de dupla filtração e alimentação dos filtros ascendentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 867 10.4.7.3. Fundo dos filtros, camada suporte e meios filtrantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .872 10.4.7.4. Descarga de fundo intermediária, aplicação de água na interface e lavagem dos filtros . . . . . . . . . . . . . . . . .874 10.4.7.5. Coleta de água de lavagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .877 10.5. Bibliografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .878 Capítulo 11. Filtração em Múltiplas Etapas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 883
11.1. Considerações gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .883 11.2. Conceituação da FiME . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .885 11.3. Amadurecimento do meio filtrante do filtro lento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .892 11.4. Remoção de microcontaminantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .901
11.5. Remoção de matéria orgânica natural (MON) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 907 11.6. Remoção de algas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 919 11.7. Remoção de turbidez, sólidos suspensos e partículas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 931 11.8. Remoção de microrganismos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 936 11.9. Uso de mantas na filtração lenta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .938 11.10. Projeto de estações FiME . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 946 11.10.1. Seleção da tecnologia FiME . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 946 11.10.2. Pré-filtro dinâmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 948 11.10.3. Pré-filtração com escoamento vertical ascendente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 951 11.10.4. Filtração lenta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .955 11.10.4.1. Considerações iniciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .955 11.10.4.2. Método de operação dos filtros lentos e entrada aos filtros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 956 11.10.4.3. Características do meio filtrante e perda de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .958 11.10.4.4. Sistema de drenagem e camada suporte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 960 11.10.4.5. Carga hidráulica disponível e taxa de filtração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 962 11.10.4.6. Número de unidades filtrantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 962 11.10.4.7. Métodos de limpeza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 962 11.11. Bibliografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 966 Capítulo 12. Resíduos de ETAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 971
12.1. Considerações iniciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 971 12.2. Características dos resíduos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .972 12.3. Legislação e classificação dos RETAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .983 12.4. Concepção das tecnologias de tratamento dos RETAs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 986 12.5. Tanque de recepção e regularização de vazão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 999 12.6. Adensamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1004 12.6.1. Adensamento por gravidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1004 12.6.2. Adensamento mecânico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1009 12.7. Desaguamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1012 12.7.1. Desaguamento mecânico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1012 12.8. Desaguamento natural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1021 12.8.1. Lagoa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1021 12.8.2. Leitos de secagem e de drenagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1025 12.8.3. Filtração em mantas de geotêxtil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1030 12.9. Secagem e incineração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1036 12.9.1. Sistemas não mecanizados para secagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1036 12.9.2. Sistemas mecanizados de secagem de lodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1040 12.9.3. Incineração. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1040 12.10. Disposição de lodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1041 12.10.1. Aterro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1041 12.10.2. Construção de artefatos de concreto, cimento e argila, e recuperação de área degradada . . . . . . . . . . . . . . . . .1042 12.10.3. Disposição de RETAs em ETEs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1049 12.11. Regeneração de coagulante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1062 12.12. Bibliografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1065 Capítulo 13. Desinfecção e Oxidação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1071
13.1. Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1071 13.2. Ocorrência de microrganismos na água e eficiência de inativação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1072 13.3. Princípios da oxidação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1078 13.3.1. Noções gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1078 13.3.2. Meias reações de oxidação e redução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1078 13.3.3. Outros usos dos desinfetantes/oxidantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1080 13.4. Formação de subprodutos e residuais dos desinfetantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1081
13.4.1. Tipos de subprodutos e residuais dos desinfetantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1081 13.4.2. Subprodutos formados em água com substâncias húmicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1082 13.4.3. Subprodutos formados em água com algas e cianobactérias, e sua remoção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1091 13.4.4. Oxidantes e desinfetantes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1106 13.5. Cloro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1109 13.5.1. Características gerais do cloro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1109 13.5.2. Ação do cloro na água . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1109 13.5.3. Ação do cloro na água contendo amônia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1110 13.5.4. Influência da concentração de cloro residual livre e combinado, e de outros fatores na eficiência de inativação de microrganismos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1116 13.6. Dióxido de cloro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1125 13.6.1. Características principais, vantagens e desvantagens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1125 13.6.2. Geração. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1126 13.6.3. Locais de aplicação e demanda para oxidação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1129 13.6.4. Reação com substâncias inorgânicas e orgânicas, e compostos que conferem sabor e odor à água . . . . . . . . . . 1130 13.6.5. Aspectos de saúde pública, mecanismos de inativação e fatores ambientais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1134 13.6.6. Controle de clorito e clorato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1135 13.7. Permanganato de potássio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1136 13.7.1. Reações de oxidação e características do produto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1136 13.7.2. Principais usos e locais de aplicação da solução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1136 13.7.3. Mecanismos de inativação e efeitos ambientais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1137 13.7.4. Vantagens e desvantagens do uso de permanganato de potássio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1138 13.8. Ozônio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1139 13.8.1. Vantagens, desvantagens e finalidades do uso do ozônio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1139 13.8.2. Propriedades e mecanismos de oxidação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1140 13.8.3. Produção de ozônio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1142 13.8.4. Transferência de ozônio para a fase líquida, excesso de ozônio e acessórios da instalação . . . . . . . . . . . . . . . . . 1146 13.8.5. Locais de aplicação de ozônio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1147 13.8.6. Ozonização e filtração biológica ativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1148 13.8.7. Inativação de microrganismos e subprodutos formados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1150 13.9. Peroxônio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1151 13.9.1. Vantagens e desvantagens do processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1151 13.9.2. Geração. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1152 13.9.3. Usos principais do peroxônio e locais de aplicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1153 13.9.4. Inativação e efeitos ambientais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1153 13.10. Cloraminas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1154 13.11. Radiação ultravioleta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1155 13.11.1. Espectro eletromagnético e radiação UV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1155 13.11.2. Principais características e equações de desinfecção. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1156 13.11.3. Características das lâmpadas e reatores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1157 13.11.4. Mecanismos de inativação de microrganismos e fatores intervenientes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1159 13.11.5. Remoção do carbono orgânico total . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1164 13.11.6. Unidade de desinfecção por radiação UV e características hidráulicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1164 13.12. Combinação de desinfetantes (oxidantes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1170 13.12.1. Desinfecção primária e secundária . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1170 13.12.2. Eficiência da inativação por métodos interativos de desinfecção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1170 13.12.3. Medida dos residuais dos desinfetantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1173 13.13. Bibliografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1174 Capítulo 14. Precipitação e Adsorção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1177
14.1. Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1177 14.2. Contaminantes inorgânicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1177 14.2.1. Contaminantes inorgânicos em geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1177 14.2.2. Ferro e manganês . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1179
14.3. Adsorção de substâncias orgânicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1188 14.3.1. Considerações gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1188 14.3.2. Produção de carvão ativado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1189 14.3.3. Características físicas do carvão ativado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1193 14.3.4. Características adsortivas do carvão ativado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1195 14.3.5. Cinética de adsorção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1195 14.3.6. Utilização de CAP no tratamento de água . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1201 14.3.7. Utilização de CAG no tratamento de água . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1208 14.3.8. Regeneração do carvão ativado granular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1216 14.4. Bibliografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1216 Capítulo 15. Filtração em Membranas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1219
15.1. Considerações iniciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1219 15.2. Classificação das membranas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1219 15.2.1. Classificação segundo os mecanismos de separação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1220 15.2.2. Classificação segundo a morfologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1221 15.2.3. Classificação segundo a natureza química. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1221 15.2.4. Classificação segundo o sentido do fluxo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1222 15.2.5. Classificação segundo a aplicação da pressão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1223 15.3. Módulos de membranas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1223 15.4. Componentes de uma instalação e arranjos típicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1226 15.5. Características das membranas e lavagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1230 15.6. Instalações com membranas de microfiltração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1236 15.6.1. Considerações iniciais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1236 15.6.2. Características de funcionamento e remoção de microrganismos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1236 15.7. Instalações com membranas de ultrafiltração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1238 15.7.1. Características principais das membranas de UF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1238 15.7.2. Estudos realizados em instalação-piloto de UF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1241 15.8. Instalações com membranas de nanofiltração e osmose reversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1243 15.8.1. Considerações iniciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1243 15.9. Bibliografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1245
N o t a d os Autore s O livro buscou atualizar conhecimentos publicados nas duas edições anteriores – primeira em 1993 e segunda em 2005. A terceira edição do livro Métodos e Técnicas de Tratamento de Água foi revisada e ampliada, com diversos conceitos e parâmetros de projeto revisados e atualizados. Destaca a importância do conhecimento das características da água bruta e a execução de ensaios de tratabilidade que forneçam subsídios para a elaboração de projeto confiável e operação segura visando, em quaisquer circunstâncias, a produção de água potável. Contempla modificações importantes em relação às edições anteriores, com a supressão de alguns capítulos, que foram detalhados em outros livros dos autores, e inclusão de capítulos que visam facilitar aos leitores o acesso aos conhecimentos básicos de mecânica dos fluidos e de hidráulica aplicadas ao tratamento de água e dos resíduos produzidos. Apresenta uma ampliação das alternativas de tratamento com a inclusão da separação em membranas para tratamento de água. O Capítulo 1 versa sobre a ocorrência da água e abastecimento; o Capítulo 2 resume as tecnologias de tratamento de água em função da qualidade da água bruta e características da comunidade; o Capítulo 3 apresenta a casa de química; o Capítulo 4 contempla as noções básicas de hidráulica aplicadas às ETAs; o Capítulo 5 aborda os aspectos químicos e físicos da coagulação e físicos da floculação, enquanto o Capítulo 6 fornece os parâmetros básicos para projeto de unidades de mistura rápida e de floculação; o Capítulo 7 ocupa-se da decantação convencional e de alta taxa; o Capítulo 8 discorre sobre a teoria da filtração rápida descendente e provê parâmetros de projeto e operação; os Capítulos 9 e 10 referem-se, respectivamente, às tecnologias de tratamento com flotação por ar dissolvido e as de filtração direta, enquanto o Capítulo 11 traz a tecnologia da filtração em múltiplas etapas. O Capítulo 12 ocupa-se dos resíduos de ETAs; o Capítulo 13 trata da desinfecção e oxidação; o Capítulo 14 abrange a precipitação e adsorção, e o Capítulo 15, apresenta a filtração em membranas.
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CAPÍTULO 1
O co r rên c i a de Água e Aba ste cime nto Muitos sistemas de abastecimento de água utilizam tanto fonte superficial quanto subterrânea. Essa prática tem sido comum, especialmente em cidades com populações abastecidas superiores a 100 mil habitantes. Um sistema híbrido, com uso de água superficial e subterrânea, proveniente de poços rasos ou profundos, pode apresentar diversas vantagens, como será visto posteriormente. A Figura 1.1 mostra o esquema geral de um sistema de abastecimento de água que utiliza fontes de água superficial e subterrânea. Também há sistemas em que vários poços recalcam a água para um único local, onde é feito o tratamento conjunto da água subterrânea para o abastecimento de um determinado setor da cidade.
1.1. ntrodução O organismo humano necessita de uma quantidade variada de substâncias e elementos químicos indispensáveis à manutenção da vida, tais como carbono, oxigênio, hidrogênio, nitrogênio, cálcio, fósforo, potássio, enxofre, sódio, cloro, magnésio, etc., que compõem a base química do protoplasma e participam dos processos metabólicos vitais. Outros elementos de que o organismo necessita em quantidades muito pequenas, como cromo, cobalto, cobre, estanho, ferro, iodo, manganês, molibdênio, selênio, zinco e flúor, são denominados elementos-traço. Há, ainda, alguns que provavelmente são importantes ao ser humano (sem necessidade confirmada), como arsênio, bário, bromo, estrôncio, níquel, silício e vanádio. As águas naturais contêm grande parte das substâncias e elementos facilmente absorvidos pelo organismo, constituindo, portanto, fonte essencial ao desenvolvimento do ser humano, já que cerca de 60% da água utilizada é ingerida na forma líquida. Por outro lado, as águas naturais podem conter organismos, substâncias, compostos e elementos prejudiciais à saúde, devendo ter seu número ‒ ou concentração ‒ reduzido ou eliminado, para o abastecimento público.
1.2. Água superficial Na natureza, há a seguinte situação, em termos de porcentagem de disponibilidade: 95% de água salgada e 5% de água doce. Desses 5%, aproximadamente 99,7% encontram-se nas geleiras e 0,3% constituem as águas superficiais e subterrâneas. O Brasil é um país que possui grande quantidade de água em seu território, contendo cerca de 8% da água doce disponível no mundo. Desses
Figura 1.1. Esquema típico de um sistema de abastecimento de água com uso de fontes superficial e subterrânea.
3
Métodos e Técnicas de Tratamento de Água
8%, a Amazônia, com apenas 5% da população brasileira, possui 80% da água doce, enquanto o restante do País, com 95% da população, dispõe de somente 20% da água doce (ver Figura 1.2). Com a instituição da Lei nº 9.433 (Brasil, 1997), definiu-se bacia hidrográfica como a unidade territorial para a implementação da Política Nacional de Recursos Hídricos e a atuação do Sistema Nacional de Gerenciamento de Recursos Hídricos. Com base neste princípio, o Conselho Nacional de Recursos Hídricos instituiu a Divisão Hidrográfica Nacional, segundo a Resolução nº 32, de 15 de outubro de 2003, como mostra a Figura 1.3 (ANA, 2007a). Com o Sistema Balanço Hídrico do Brasil, publicado pela ANA (2012), é possível, via satélite, saber diariamente o volume de água que entra pelas suas fronteiras, na Amazônia,
e o volume que sai para outros países, pelas principais bacias do território nacional, além do total que deságua no Oceano Atlântico. O Brasil passou a ter um controle, via satélite, em todos os rios fronteiriços e transfronteiriços, da quantidade de água que entra no País. Inicialmente, o Balanço Hídrico do Brasil tratou de aspectos quantitativos relativos às águas brasileiras com e sem contribuição de outros países. A vazão total da produção hídrica interna no Brasil é 210.430 m3/s e, interna somada à externa, é 350.694 m3/s. A Figura 1.4 mostra as bacias hidrográficas do Brasil e a produção hídrica em cada uma delas. No Brasil, a contribuição específica de água varia da ordem de 2 L/s/km2, nas bacias hidrográficas da região do semiárido, a cerca de 40 L/s/km2, no noroeste da região amazônica, enquanto o valor médio nacional é de 21 L/s/km2. Embora a disponibilidade de água superficial
Figura 1.2. Disponibilidade de água na natureza e no Brasil. Fonte: Brasil Escola (2014).
Figura 1.3. Divisão hidrográfica do Brasil. Fonte: ANA (2007a).
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Capítulo 1 - Ocorrência de Água e Abastecimento
ou seculares são aquelas que se situam abaixo da variação anual do nível freático. As reservas reguladoras ou renováveis correspondem ao volume de água armazenada no aquífero acima do nível freático mínimo. Essas reservas correspondem, de forma geral, ao escoamento de base dos rios, ou seja, à contribuição do aquífero para os rios ao longo de um ano hidrológico. O valor de escoamento básico de um rio pode ser considerado, portanto, como valor de recarga dos aquíferos. Nas áreas de recarga dos aquíferos, uma parte da água que se infiltra no solo, através de sistemas de escoamentos locais a intermediários, participa do escoamento básico, enquanto que outra parte, que integra o sistema de escoamento intermediário a regional, vai para as porções mais profundas dos aquíferos ou para as porções confinadas, denominada recarga profunda. Os dados de literatura mencionam a recarga profunda com valores entre 5 e 10% da recarga total (DAEE, 1974 apud ANA, 2007a). Da área total de 840.800 km2 dos aquíferos nos Estados de Goiás, Mato Grosso, Mato Grosso do Sul, Minas Gerais, Paraná, Rio Grande do Sul, Santa Catarina e São Paulo, cerca de 89.935 km2 correspondem às áreas de recarga, mostradas na Figura 1.5, nas quais, além das áreas de recarga dos 27 principais sistemas aquíferos brasileiros, também é apresentada a divisão hidrográfica nacional, com as 12 regiões. As reservas renováveis desses sistemas totalizam cerca de 21.000 m3/s e a disponibilidade hídrica subterrânea (reserva explorável), considerada igual a 20% das reservas reguladoras, corresponde a cerca de 4.100 m3/s. A Tabela 1.1 apresenta as principais características dos diferentes tipos de aquíferos do Brasil (ANA, 2007a). Da mesma forma que ocorre no caso da água superficial, a disponibilidade de água subterrânea no Brasil, para consumo humano, é considerável, havendo cidades de porte médio a grande que são parcial ou totalmente abastecidas por mananciais subterrâneos.
Figura 1.4. Balanço Hídrico do Brasil. Fonte: ANA (2012).
não seja uniforme no Brasil, como visto na Figura 1.2, com grandes concentrações populacionais em regiões nas quais, nessa forma de ocorrência, a água está se tornando escassa, pode-se afirmar que o País é privilegiado em recursos hídricos, não havendo conflitos relevantes pelo uso da água em seus municípios, Estados e países fronteiriços, como vem sendo observado nos últimos anos em países de algumas regiões do mundo, destacando-se, entre outras, as regiões do rio Ganges (Índia, Nepal e Bangladesh), do rio Jordão (Israel, Jordânia, Líbano e Síria), do rio Nilo (Egito, Sudão, Etiópia, Burundi, Quênia, Congo, Uganda, Ruanda e Tanzânia) e dos rios Tigre e Eufrates (Iraque, Síria e Turquia). O problema poderá ser mais grave nos próximos anos, porque há previsão de crescimento de 30% a 70% da população em algumas dessas regiões até 2025, além da existência de projetos de irrigação que demandarão grandes quantidades de água no futuro, em alguns dos países mencionados.
1.4. O abastecimento de água no rasil Os princípios fundamentais que devem ser verificados na prestação dos ser viços de saneamento básico, preconizados pela Lei nº 11.445 de 2007 (Brasil, 2007), são: i) universalização do acesso; ii) integralidade; iii) prestação dos serviços de forma adequada à saúde pública, à proteção do meio ambiente e, no caso da drenagem e do manejo das águas pluviais, visando também à segurança da vida e do patrimônio público e privado; iv) adoção de métodos, técnicas e processos que considerem as peculiaridades locais e regionais; v) articulação intersetorial, particularmente com as políticas de desenvolvimento urbano e regional, de habitação, de combate à pobreza e de sua erradicação, de proteção ambiental e de promoção da saúde; vi) eficiência e sustentabilidade econômica; vii) utilização de tecnologias apropriadas, considerando-se a capacidade de pagamento dos usuários e a adoção de soluções graduais e progressivas; viii) transparência das ações, baseada em sistemas de informações e processos decisórios institucionalizados; ix) controle social; x) segurança, qualidade e regularidade,
1.3. Água subterr nea Segundo Borghetti et al. (2004), a água subterrânea representa 29,9% da água doce disponível no planeta. Em alguns países, o abastecimento é efetuado, em grande parte, por esse tipo de fonte, representando cerca de 61% no Brasil. As reservas hídricas dos aquíferos são divididas em reservas renováveis e permanentes. As reservas permanentes 5
Métodos e Técnicas de Tratamento de Água
Figura 1.5. Regiões de recarga dos diferentes aquíferos do Brasil. Fonte: ANA (2007b). Tabela 1.1. Disponibilidade de água subterrânea nos sistemas aquíferos do Brasil
Sistema Aquífero Solimões Alter do chão Boa Vista Parecis Jandaíra Açu Itapecuru Corda Motuca Poti-Piauí Cabeças Serra Grande
P, L P, L P, L P, L CF P, C P, L P, L, C P, L P, L, C P, L, C P, L, C
Barreiras
P, L, C
Beberibe
P, L, C
Marizal
P, L, C
Tipo1
Região hidrográfica dominante Amazônica
Atlântico Nordeste Oriental
Tocantins/Araguaia e Parnaíba
Atlântico Leste, Atlântico Sudeste, Atlântico Nordeste Oriental, Atlântico Nordeste Ocidental, Tocantins/Araguaia Atlântico Nordeste Oriental Atlântico Leste, São Francisco Atlântico Leste São Francisco São Francisco, Atlântico Nordeste Oriental Atlântico Nordeste Oriental São Francisco, Parnaíba, Tocantins/Araguaia Paraná
Reserva (m3/s) Renovável Explorável2 4.481,5 896,3 1.247,5 249,5 162 32,4 2.324 464,8 30,5 6,1 10,5 2,1 1.074 214,8 46 9,2 15 3 650 130 36 7,2 63,5 12,7
Área de Recarga (km2) 457.664 312.574 14.888 88.157 11.589 3.674 204.979 35.266 10.717 117.012 34.318 30.450
Espessura média (m) 150 600 200 100 160 400 300 500
Precipitação (mm/ano) 2.206 2.098 2.450 1.890 823 881 1.836 1.371 1.470 1.342 1.104 943
176.532
60
1.938
1.085
217
318
100
2.073
2
0,4
18.797
200
514
36
7,2
São Sebastião P, L, C 6.783 1.358 41 8,2 Inajá P, L, C 956 300 722 1,5 0,3 Tacaratu P, L 3.890 200 965 14,5 2,9 Exu P, L 6.397 777 3 0,6 Missão Velha P, L, C 1.324 130 1.115 1 0,2 Urucuia-Areado P, L 144.086 300 1.294 1.182 236,4 Bambuí CF 181.868 1.165 201,5 40,3 Bauru-Caiuá P, L 353.420 200 1.457 2.939,5 587,9 Serra Geral F 411.855 150 1.681 3.731,5 746,3 Paraná, Atlântico Sul, Uruguai, Paraguai Guarani P, L, C 89.936 250 1.487 805,7 161,1 Ponta Grossa P, L, C 24.807 300 1.543 145,5 29,1 Tocantins/Araguaia, Paraguai Furnas P, L, C 24.894 200 1.511 143 28,6 Total 2.767.151 20.473,2 4.094,64 1 P: Poroso; L: Livre; C: Confinado; F: Fraturado; CF: Cárstico-fraturado. 220% das reservas renováveis. -: sem informação. Fonte: ANA (2007b). 6
Capítulo 1 - Ocorrência de Água e Abastecimento
déficit de atendimento até o incentivo à evolução tecnológica no setor, passando pela valorização de soluções individuais apropriadas e pela caracterização dos investimentos em estruturais (relativos às estruturas) e estruturantes (que favorecem ou condicionam a estruturação). Os critérios para a determinação do déficit orientaram a proposta do Plano e adotaram maior amplitude conceitual, conduzindo à construção de uma definição que contempla, além da infraestrutura implantada, os aspectos socioeconômicos e culturais ‒ refletidos, sobretudo, nas soluções individuais ‒ e também a qualidade dos serviços ofertados ou da solução empregada, levando-se em conta três situações distintas: atendimento adequado, atendimento precário e sem atendimento, sendo que o déficit corresponde às duas últimas situações. A determinação da necessidade de investimentos e a proposição de programas para o financiamento do setor consideram a lógica dos investimentos em ações que podem caracterizar medidas estruturais, constituídas por obras e intervenções físicas em infraestrutura de saneamento, ou estruturantes, aquelas que, além de garantir intervenções para a modernização ou a reorganização de sistemas, dão suporte político e gerencial à sustentabilidade da prestação de serviços, suscitando o aperfeiçoamento da gestão. Partindo-se da premissa de que a consolidação das ações em medidas estruturantes trará benefícios duradouros às medidas estruturais, assegurando a eficiência e a sustentação dos investimentos realizados, foi prevista uma gradativa transição entre medidas estruturais e estruturantes, conforme Figura 1.6. A universalização do acesso é entendida como a ampliação progressiva do acesso de todos os domicílios ocupados ao saneamento básico, ou seja, não deverá haver qualquer barreira de acessibilidade, seja legal, econômica, física ou cultural. A partir da avaliação da demanda, que se orienta pelas metas fixadas, foi calculado o montante de investimentos necessários ao alcance das metas de atendimento e de qualidade dos serviços de abastecimento de água potável e esgotamento sanitário ‒ para populações
e xi) integração das infraestruturas e serviços com a gestão eficiente dos recursos hídricos. O Plano Nacional de Saneamento Básico ‒ PLANSAB, cuja elaboração é prevista na lei de diretrizes nacionais para o saneamento básico ‒ Lei nº 11.445 de 2007 (Brasil, 2007), consolida os avanços verificados no setor de saneamento brasileiro nos últimos anos, com a forte retomada dos investimentos e a aprovação do marco legal do setor, até então inexistente, ocupando um vácuo de planejamento que vem desde meados dos anos 1980. O PLANSAB proposto em 2011, elaborado pela Secretaria Nacional de Saneamento Básico – Ministério das Cidades (Brasil, 2011a, 2011b), se destinou a orientar a política de saneamento básico no País até 2031, bem como contemplou uma abordagem integrada do saneamento básico, incluindo quatro componentes: abastecimento de água potável, esgotamento sanitário, limpeza urbana e manejo de resíduos sólidos, e drenagem e manejo das águas pluviais urbanas. A partir da análise e da determinação de um cenário de referência para o desenvolvimento do País, o PLANSAB estabeleceu metas para o saneamento básico brasileiro e, visando atingi-las ao longo dos 30 anos de execução do Plano, definiu macrodiretrizes e estratégias que deveriam orientar a atuação dos agentes públicos e privados, em especial o Governo Federal, bem como criou programas de investimentos em saneamento básico com previsão dos recursos necessários tanto da parte dos agentes federais ‒ Orçamento Geral da União (OGU) e agentes financeiros e de fomento do Governo Federal, dentre outros ‒ como daqueles não federais ‒ governos de Estados, prefeituras municipais, iniciativa privada, organismos internacionais, etc. A Tabela 1.2 apresenta as metas que deveriam ser observadas em relação aos serviços de abastecimento de água potável em todas as áreas urbanas do País, em 2020 e 2030. O PLANSAB destacou que, nas Regiões Sudeste, Sul e Centro-Oeste, o abastecimento de água potável deveria contemplar integralmente as áreas urbana e rural. O PLANSAB proposto destaca-se pelas inovações apresentadas, desde os critérios para a determinação do
Tabela 1.2. Situação em 2008 e Metas para o abastecimento de água nas Macrorregiões e no Brasil, em porcentagem
Indicador A.1. Domicílios urbanos e rurais abastecidos por rede de distribuição e por poço ou nascente, com canalização interna A.2. Domicílios urbanos abastecidos por rede de distribuição e por poço ou nascente, com canalização interna A.3. Domicílios rurais abastecidos por rede de distribuição e por poço ou nascente, com canalização interna
Ano
Brasil
2008 2015 2020 2030 2008 2015 2020 2030 2008 2015 2020 2030
91 93 94 98 97 99 100 100 62 64 69 77
Macrorregião
Fonte: Proposta do PLANSAB (Brasil, 2011a, 2011b).
7
Norte
Nordeste
Sudeste
Sul
75 78 83 91 87 95 100 100 37 38 42 50
82 84 88 95 94 97 100 100 50 51 58 70
97 98 99 100 98 99 100 100 87 90 93 100
97 98 99 100 98 99 100 100 89 91 94 100
CentroOeste 95 96 97 100 96 98 100 100 86 86 91 100
Métodos e Técnicas de Tratamento de Água
do peso específico do líquido e da diferença de nível entre os dois pontos. A relação entre as pressões absoluta e a relativa (ou efetiva), conforme Figura 4.2, é dada por: P1abs = P1rel + Patmabs
A pressão relativa será positiva quando a pressão absoluta for maior que a pressão atmosférica local e, negativa, quando a pressão absoluta for menor que a pressão atmosférica local. No último caso, há depressão, sucção ou vácuo, como ocorre quando acontece a cavitação em bombas centrífugas. A menos que seja destacada, a pressão será considerada, neste livro, como pressão relativa.
(4.10)
P1abs: Pressão absoluta em 1; P1rel: Pressão relativa em 1; Patmabs: Pressão atmosférica do local (leitura do barômetro).
4.4. Medida de pressão A maioria dos medidores de pressão relativa se baseia na Lei de Stevin (Equação 4.9, P = γH). Na Figura 4.3, são mostrados dispositivos de medida de pressão que utilizam o próprio líquido como líquido manométrico. Na medida em que, para pressões elevadas, podem ser necessários manômetros/piezômetros muito extensos (por exemplo, para se medir a pressão de 30 mca), podem ser utilizados manômetros com líquidos manométricos e manômetros diferenciais, como mostram as Figuras 4.4a e 4.4b. Ainda, existem os manômetros de Bourdon, em que se utiliza um tubo curvo (tubo de Bourdon), que se deforma com a alteração da pressão interna e movimenta um ponteiro, em uma escala graduada (Figura 4.4c). Para medição da pressão atmosférica (para o cálculo da pressão absoluta), é utilizado um barômetro, o qual, geralmente, é formado por mercúrio. Exemplo 4.4: Para medir a pressão interna em uma tubulação veiculando água (γágua = 9.789 N/m3), no ponto A, foi instalado um manômetro diferencial com uma extremidade aberta para a atmosfera, no qual o líquido manométrico é o mercúrio (γmercúrio = 133.220 N/m3), tendo sido registrada uma diferença de 0,20 m, como mostra a Figura 4.5. Determine a pressão no ponto A. Para calcular a pressão no ponto A, primeiramente é necessário calcular a pressão no ponto B, na interface entre o mercúrio e a água, situado 60 cm abaixo do ponto A.
2 1
Figura 4.1. Esquema representativo da pressão hidrostática. 1
2
Figura 4.2. Escalas de medida de pressão.
Figura 4.3. Medidores de pressão (adaptada de Baptista e Coelho, 2003).
190
Capítulo 4 - o
es de idr ulica Aplicadas s TAs
Figura 4.4. Medidores de pressão (adaptada de Baptista e Coelho, 2003).
Figura 4.5. Manômetro diferencial do exemplo 4.4.
Destaca-se que o líquido está entre estes dois pontos é o mercúrio. De acordo com a Lei de Stevin (Equação 4.9), considerando a pressão P1 = Patm = 0 (pressão relativa), tem-se: PB − P1 = γ ∆H → PB − 0 = 133.220 N / m3 × 0,6 m → PB = 79.932 N / m2 O cálculo da pressão em A é realizado com a Equação 4.9, considerando a pressão PB calculada, a diferença topográfica entre os dois pontos (-0,4 m) e que a água é o líquido que separa os dois pontos (γagua = 9.789 N/m3). PA − PB = γ ∆H → PA – 79.932 = 9.789 N / m3 × ( −0, 40 ) m → PA =79.932 N / m2 − 3.916 N / m2 = 76.016 N / m2 A pressão no ponto A é 76.016 N/m2 ou 7,76 mca.
A seguir, são apresentadas as classificações dos escoamentos segundo os aspectos considerados.
O escoamento livre pode ser subdividido em fluvial, quando a velocidade média, em uma seção considerada, é menor que um valor crítico, e torrencial, quando a velocidade média na seção considerada é maior que um valor crítico.
4.5.1. Em pressão ou livre
4.5.2. aminar ou turbulento
O escoamento em pressão ou forçado ocorre no interior de dutos, ocupando integralmente a seção de escoamento, sem contato com o meio externo. Tal escoamento pode ocorrer por gravidade ou por bombeamento. O escoamento é denominado livre ou de superfície livre quando, em qualquer seção transversal, o líquido estiver sempre em contato com a atmosfera, como se observa em rios e canais (ver Figura 4.6).
a) Laminar: ocorre quando as partículas movem-se em trajetórias definidas e paralelas, em camadas ou lâminas, com uma camada escorregando sobre as adjacentes e a viscosidade do meio é preponderante no sentido de amortecer a tendência ao surgimento de instabilidade ou turbulência. Neste escoamento, as forças viscosas superam as forças de inércia e as forças viscosas de cisalhamento dificultam o
4.5. Tipos e regimes dos escoamentos
191
Métodos e Técnicas de Tratamento de Água
Figura 4.11. Esquemas ilustrativos de escoamentos permanente e variável.
transmitidas com a velocidade de propagação do som, que causam variação acentuada de pressão, sendo a compressibilidade do fluido um fator importante. É um fenômeno chamado de transiente hidráulico ou golpe de aríete. Neste livro, será abordado apenas o escoamento permanente. 4.5.5. Uniforme e variado
Figura 4.12. Esquema de escoamento variado e uniforme.
Com relação à trajetória, o escoamento pode ser uniforme ou variado. No escoamento uniforme, o vetor velocidade é constante em módulo, direção e sentido, para todos os pontos e em qualquer instante, como observado em condutos de seção constante de grande extensão (adutoras e canais prismáticos com altura de água invariável). No escoamento variado, o vetor velocidade varia como em condutos forçados de diferentes diâmetros instalados em série ou em canais com declividade variável. O escoamento variado pode ser ainda classificado como bruscamente variado ou gradualmente variado (ver Figura 4.12).
Figura 4.13. Esquema de um conduto forçado com escoamento
unidimensional permanente.
como frequentemente é observado no caso da água, a massa específica (ρ) pode ser considerada constante, resultando: A1 V1 = A2 V2 ou Q1 = Q2
4.6. E uações básicas do escoamento
Em que: Q1, Q2: vazão nas seções 1 e 2 (m3/s). A equação da quantidade de movimento é obtida a partir da segunda Lei de Newton, em que a variação da quantidade de movimento entre dois pontos quaisquer do escoamento permanente é igual à resultante das forças externas (ver Figura 4.13), ou seja: (4.19) R = d mV dt
Na sua maioria, os escoamentos podem ser considerados unidimensionais e em regime permanente, simplificando sobremaneira as equações normalmente utilizadas. As três principais equações para estudo do escoamento, nestes casos, são: equação da continuidade, equação de quantidade de movimento e Equação de Bernoulli. A equação da continuidade é decorrente da lei de conservação de massa, a qual estabelece que a massa não pode ser criada ou destruída, ou seja, a massa que entra em um duto é igual à massa que sai deste. Seja um duto, como esquematizado na Figura 4.13, no qual foram consideradas duas seções do escoamento. Nessa condição, o fluxo que passa na seção (1) é igual ao que passa na seção (2), podendo-se escrever que: ρ1 A1 V1 = ρ2 A2 V2
(4.18)
( )
ou
= R Q β1 V1 − β2 V2
(
)
(4.20)
Em que: R : resultante das forças externas atuantes (N); Q: vazão escoada (m3/s); V1, V2: velocidade média na seção considerada (m/s); β1, β2: coeficiente de Boussinesque. O coeficiente β leva em conta a variação da velocidade de escoamento V e a velocidade média (Vm) em uma seção transversal do escoamento de área A (ver esquema da Figura 4.14), o qual, em condutos forçados, é superior a 1,1,
(4.17)
Em que: ρ1, ρ2: massa específica nas seções 1 e 2 (kg/m3); A1, A2: área das seções 1 e 2 (m2); V1, V2: velocidade de escoamento nas seções 1 e 2 (m/s). Considerando-se que o líquido é incompressível e o escoamento se dá com mesma temperatura nas duas seções, 194
Capítulo 4 - o
es de idr ulica Aplicadas s TAs
no escoamento turbulento, e igual a 1,33, no escoamento laminar. No escoamento livre, β varia de 1,02 a 1,12. Em geral, na prática, o valor de β é considerado igual a um. Assim, a Equação 4.20 fornece: = R Q V1 − V2 (4.21)
(
α1
A Equação de Bernoulli deriva da primeira lei da termodinâmica, a qual estabelece que a mudança de energia interna de um sistema é igual à soma da energia adicionada ao fluido com o trabalho realizado pelo fluido, resultando na Equação 4.22. No caso do escoamento entre duas seções de um fluido incompressível, em regime permanente, ocorre a perda de carga devida ao atrito, resultando a Equação 4.23.
ou
(4.22)
P1 V2 P V2 + Z1 + α1 1= 2 + Z 2 + α2 2 + ∆H12 γ 2g γ 2g
(4.23)
, α2
V22
: energia ou carga cinética nas seções 1 e 2 (m); 2g 2g ∆H12: perda de energia ou perda de carga entre as seções 1 e 2 (m); α1, α2: coeficientes de Coriolis nas seções 1 e 2 (igual a 2,0 no escoamento laminar, e compreendido entre 1,01 e 1,10 no escoamento turbulento, em condutos forçados; nos condutos com escoamento livre, esse coeficiente varia entre 1,03 e 1,36). Em geral, adota-se α = 1 nos casos de escoamentos comumente observados na prática. Conhecendo-se a trajetória de um líquido, caracterizada pelas cotas geométricas em relação a um plano horizontal de referência (comumente denominado perfil da tubulação), são representados os valores de (P/γ), como visto nas Figuras 4.15 e 4.16, obtendo-se o lugar geométrico dos pontos cujas cotas são dadas por (P/γ + Z), designado como linha de carga efetiva ou linha piezométrica. Cada valor da soma (P/γ + Z) é denominado cota piezométrica ou carga
)
P1 V2 + Z1 + α1 1 = cte γ 2g
V12
Em que (ver Figura 4.15): P1 P2 , : energia ou carga de pressão nas seções 1 e 2 (m); γ γ Z1, Z2: energia potencial de posição ou carga de posição nas seções 1 e 2, em relação a um plano horizontal de referência (m);
Figura 4.14. Representação do perfil de velocidade em conduto
Figura 4.15. Linha de energia e linha piezométrica em escoamento
forçado.
permanente em conduto forçado.
Figura 4.16. Linha de energia e linha piezométrica em escoamento permanente em conduto livre.
195
Métodos e Técnicas de Tratamento de Água
piezométrica, e seria o valor atingido por um piezômetro instalado em cada ponto da tubulação. Acrescentando-se acima da linha piezométrica, os valores de carga cinética (V2/2g), resulta a linha de cargas totais ou linha de energia, que representa a energia mecânica total por unidade de peso de líquido (H = Z + P/γ + V2/2g). No escoamento permanente, a carga total diminui ao longo da trajetória, no sentido do movimento, devido ao trabalho realizado pelas forças resistentes, gerando-se perda de energia, ou de carga ou de pressão, representada pela perda de carga ∆H12.
cálculo do diâmetro da tubulação, se o material de execução e a vazão forem conhecidos. Para tanto, é necessário o uso de equações consagradas na hidráulica, tais como a Fórmula Universal e a de Hazen-Williams. Em alguns casos práticos, as perdas de carga localizadas (na entrada, na saída e em peças especiais) são muito pequenas, se comparadas à perda de carga por atrito, e podem ser desprezadas. Entretanto, nas ETAs, normalmente, são encontradas tubulações relativamente curtas ou muito curtas, nas quais as perdas de carga localizadas são bastante significativas. Fórmula Universal Em sua forma geral, a fórmula Universal é dada por:
4.7. Escoamento em condutos forçados em regime permanente e uniforme
∆H = f
A Figura 4.17 apresenta a interligação dos reservatórios R1 e R2 por meio de uma tubulação forçada (sob pressão), em que há: -
L V2 D 2g
(4.24)
Em que: L: comprimento do tubo (m); D: diâmetro do tubo (m); V: velocidade média de escoamento (m/s); g: aceleração da gravidade (m/s2); f: fator de atrito (adimensional); ∆H: perda de carga por atrito (m). Para tubos de seção não circular (dutos), pode-se utilizar a fórmula universal com Dh (Diâmetro hidráulico) no lugar de D. O fator de atrito é um adimensional que depende apenas do número de Reynolds, para o escoamento laminar, da rugosidade relativa (ε/D), para o escoamento turbulento, e de ambos (Rey e ε/D), para o escoamento de transição. No trabalho de Swamee (1993), foi proposta uma equação geral para o cálculo do fator de atrito (f), a qual é a mesma para todos os tipos de escoamento (Equação 4.25).
tubulação de veiculação de água de R1 para R2: diâmetro D e comprimento L; carga hidráulica total disponível: ΔHR1R2 = ZR1 - ZR2; perda de carga na entrada da tubulação (saída do R1): ΔH1; perda de carga na saída da tubulação (chegada ao reservatório R2): (V3)2/2g; perda de carga por atrito ao longo da tubulação: Hf = ΔHR1R2 – [ΔH1 + (V3)2/2g].
Conhecendo-se os dados da situação, como mostrado na Figura 4.17, há dois casos geralmente encontrados na prática: i) determinação da vazão a ser veiculada de R1 para R2, se o diâmetro da tubulação e o material de execução forem conhecidos; ii)
0,125
−16 8 6 ε 5,74 2.500 64 + f = − + 9,5 ln 3,7 D Rey 0,9 Rey Rey
(4.25)
estimativa do diâmetro a ser utilizado. Para estes casos, há uma simplificação da fórmula universal, válida apenas para 10-6 < ε/D < 10-2 e 5 × 103 < Rey < 108, dada por:
Em que: Rey: número de Reynolds (Equação 4.11); D: diâmetro do tubo (m); ε: rugosidade absoluta (m) (Tabela 4.8); ε/D: rugosidade relativa. O diagrama de Moody permite determinar o fator de atrito f em função do número de Reynolds e da rugosidade relativa para tubulações comerciais. Foi construído com base na Equação 4.25 e está mostrado na Figura 4.18. A Tabela 4.8 apresenta valores da rugosidade absoluta equivalente ε para os principais materiais de tubulações de veiculação de água, mostrados na Figura 4.19. A fórmula universal de perda de carga é a mais utilizada, embora possa produzir condições complexas de cálculo quando não são conhecidas as vazões aduzidas pela tubulação ou para
0,02066 L Q2 D5 ∆H = 2 ε 5,74 + Log 0,9 3,7 D Rey Em que: ∆H: perda de carga (m); Q: vazão (m3/s); D: diâmetro do tubo (m); g: aceleração da gravidade (m/s2); ε: rugosidade (m); Rey: número de Reynolds (Equação 4.11). 196
(4.26)
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