Aula 3 - Sistemas de Tratamento de Águas e Esgoto

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Prof. Victor V Silvestre Engenheiro Sanitarista e Ambiental Mestre em Engenharia Ambiental

AULA 03: DECANTADORES E FILTRAÇÃO

1. Decantadores 1.1. Fases da sedimentação 1.2. Teoria dos decantadores 1.3. Tipos de Decantação/Sedimentação 1.4. Zonas do decantador 1.5. Cortina de Distribuição de água 1.6. Coleta de Água Decantada 1.7. Remoção de lodo 1.8. Tipos de decantadores

2. Filtração 2.1. Taxa de filtração 2.2. Número de filtros e dimensões 2.3. Espessura das camadas e altura da caixa do filtro 2.4. Meio filtrantes 2.5. Camada suporte 2.6. Fundos dos filtros 2.7. Lavagem de filtros

1. DECANTADORES Manancial

Correção de pH Alcalinizante

Água Final

Coagulação

Fluoretação

Floculação

Desinfecção

Sedimentação

Filtração

1. DECANTADORES “São unidades destinadas à remoção de partículas presentes na água, pela ação da gravidade” (NBR 12.216/92);

1. DECANTADORES O processo de sedimentação de partículas solidas, em tratamentos de água é um dos mais comuns nas estações em geral. Consiste na utilização das forças gravitacionais para separar as partículas com densidade superior à da água depositando-as em uma superfície ou zona de armazenamento. Normalmente as partículas sólidas presentes na água não conseguem ser removidas por sedimentação simples. Para isso é utilizada a sedimentação com coagulação prévia, com o objetivo fundamental de reduzir o volume de partículas sólidas nos filtros.

1. DECANTADORES Ao diminuir-se à uma baixa velocidade de escoamento, reduzem-se os efeitos da turbulência, provocando a deposição de partículas mais pesadas do que a água, suspensas nas correntes líquidas.

Os primeiros decantadores utilizados em tratamento de águas foram TANQUES DE FLUXO HORIZONTAL, conhecidos hoje também como decantadores convencionais. Apesar de terem sido os primeiros, estes são ainda muito utilizados até hoje e defendidos por muitos especialistas no tema. Seu “concorrente” é o DECANTADOR TUBULAR, conhecido também como de ALTA TAXA ou de FLUXO LAMELAR. Este tipo de decantador tem anteparos internos que favorecem a decantação

1.1 FASES DA SEDIMENTAÇÃO As fases da sedimentação podem ser divididas em: A = Zona clarificada;

B = Zona de concentração uniforme; C = Zona de transição; D = Sólidos sedimentados.

1.2 TEORIA DOS DECANTADORES O Comportamento hidráulico dos decantadores em geral pode ser analisado e dimensionado a partir da teoria de Hazen (1904) que admite o seguinte: O regime será sempre laminar na zona de sedimentação;

Fluxo perfeitamente uniforme na zona de sedimentação; A concentração das partículas é uniforme;

Não há resuspensão de sólidos já sedimentados; Ou seja, uma partícula sedimentando com uma velocidade Vcs, e sendo arrastada com uma velocidade Vo, tem sua trajetória descrita por semelhança de triângulos.

1.2 TEORIA DOS DECANTADORES

1.2 TEORIA DOS DECANTADORES A velocidade de sedimentação de uma partícula, Ê dada pela lei de Stokes:

đ?‘‰đ?‘?đ?‘ =

2 đ?‘&#x;²đ?‘”(đ?œŒđ?‘? −đ?œŒđ?‘“ ) 9 đ?œ‡

Onde: Vcs: Velocidade de sedimentação

g: Aceleração da gravidade Ď p: Densidade das partĂ­culas Ď f: Densidade do fluido

ď ­: Viscosidade do fluido r: Raio da partĂ­cula

1.2.1 CONDIÇÕES PARA EVITAR ARRASTE DE FLOCOS Uma partĂ­cula depositada no fundo do decantador serĂĄ arrastada a uma velocidade igual ou superior a Vo: đ?‘‰đ?‘œ =

8 1/2 đ?‘“

∗ đ?‘‰đ?‘?đ?‘

Onde: Vo: Velocidade longitudinal Vcs: Velocidade Crit. de sedimentação (lei de Stokes)

f: Coef. de atrito de Fanning (f=64/Nr)

Em decantadores de fluxo horizontal a velocidade de escoamento longitudinal deve ser inferior a 1,5 cm/s.

1.3 TIPOS DE DECANTAÇÃO/SEDIMENTAÇÃO Os principais tipos de decantação são: Discreta São aquelas que, durante a sedimentação, não alteram seu tamanho, forma ou peso. As partículas permanecem com dimensão e velocidade constantes.

Floculenta São aquelas que durante a sedimentação chocam-se umas com as outras, e crescem, ocorrendo a floculação. As partículas se aglomeram e sua dimensão e velocidade aumentam ao longo do processo de sedimentação.

1.4 ZONAS DO DECANTADOR Zona de entrada: destinada a distribuir uniformemente o afluente na seção transversal do tanque;

Zona de sedimentação: onde as características hidráulicas do escoamento permitem a deposição das partículas; Zona de lodo: destinada a armazenar temporariamente as partículas removidas no afluente; Zona saída: tem a finalidade de coletar uniformemente a agua decantada.

1.5 CORTINA DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Tem por objetivo uniformizar o fluxo de água no decantador na entrada da zona de sedimentação. Constitui-se de madeira de lei ou uma placa de alvenaria com orifícios para distribuição do fluxo. A NBR 12216/1992 preconiza as seguintes condições para as cortinas de distribuição: Ter o maior número possível de orifícios uniformemente espaçados segundo a largura e a altura útil do decantador; a distância entre orifícios deve ser igual ou inferior a 0,50m; A câmara de entrada que antecede a cortina deve ser projetada de modo a facilitar a sua limpeza;

1.5 CORTINA DE DISTRIBUIĂ‡ĂƒO DE Ă GUA A cortina deve estar situada a uma distância “dâ€? da parede que contem as comportas de entrada calculada por: đ?‘‘ ≼ 1,5

đ?‘Ž đ??´

đ??ť

Onde:

a= ĂĄrea total dos orifĂ­cios, em m2; A= ĂĄrea Ăştil do decantador, em m2;

H= altura Ăştil do decantador, em m.

1.5 CORTINA DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA

1.5 CORTINA DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA

1.6 COLETA DE ÁGUA DECANTADA Deve-se priorizar obter vazões iguais nas saídas do decantador;

Em decantadores convencionas, para os quais a velocidade de sedimentação Vcs tenha sido dimensionada em laboratório, a vazão por metro de tubo perfurado de coleta deve ser igual ou inferior a: q=0,018.H.Vcs Onde: q=Vazão, em L/s x m; H=Profundidade do decantador, em m; Vs= Velocidade de sedimentação, em m3/m2xdia.

Não sendo possível proceder a ensaios de laboratório a vazão nos vertedores ou nos tubos perfurados de coleta deve ser igual ou inferior a 1,8 L/s.m.

1.6 COLETA DE ÁGUA DECANTADA

1.6 COLETA DE ÁGUA DECANTADA

1.6 COLETA DE ÁGUA DECANTADA PROJETOS INADEQUADOS DE CALHAS

Tem sido comum uso indevido de calhas de coleta com comprimento relativamente longo na direção longitudinal de decantadores convencionais; Provocando o arrastamento de flocos que eventualmente sedimentariam caso o dispositivo estivesse adequadamente localizado, preferencialmente, no final do decantador. Em decantadores convencionais é conveniente que a zona de saída ocupe, no máximo, 20% do comprimento do decantador.

1.7 REMOÇÃO DE LODO A remoção de lodo, de acordo com a NBR 12216/92, poderá ser feita por três modelos: Manual

Hidráulica Com raspadores

1.7 REMOÇÃO DE LODO O decantador com remoção manual de lodo, deve apresentar as seguintes características: Ser provido de descarga de fundo, dimensionada para esvaziamento no tempo máximo de 6 h; A descarga do decantador deve situar-se preferencialmente na zona de maior acumulação de lodo;

O fundo deve ter declividade mínima de 5% no sentido do ponto de descarga. Nos decantadores convencionais, com remoção manual de lodo, deve ser prevista altura adicional suficiente para acumular o lodo resultante de 60 dias de funcionamento.

1.7 REMOÇÃO DE LODO Os decantadores devem ser dotados de remoção hidráulica de lodo, com ou sem dispositivo mecânico de arraste, quando o lodo acumulado é rico em matéria orgânica não-estabilizada ou outras condições demonstrem ser a descarga hidráulica mais vantajosa do que a limpeza manual A remoção hidráulica do lodo acumulado exige o fundo do decantador inclinado de ângulo superior a 50°, formando poço em forma de tronco de pirâmide ou de cone invertido, na extremidade inferior do qual deve situar-se a abertura da descarga.

1.8 TIPOS DE DECANTADORES 1.8.1 DECANTADORES DE FLUXO HORIZONTAL (CONVENCIONAL) Após ser admitida no interior do decantador, a água floculada é distribuída em toda sua seção transversal através de uma cortina distribuidora. Em seguida, ela percorre a extensão do decantador com velocidade muito baixa, até atingir a zona de saída. Neste local, a água decantada é recolhida através de calhas coletoras ou tubulações perfuradas.

1.8 TIPOS DE DECANTADORES 1.8.1 DECANTADORES DE FLUXO HORIZONTAL (CONVENCIONAL)

1.8 TIPOS DE DECANTADORES 1.8.1 DECANTADORES DE FLUXO HORIZONTAL (CONVENCIONAL)

1.8.1.1 VANTAGENS X DESVANTAGENS VANTAGENS Ideais para vazões pequenas; Suporta variações de vazão quando projetadas adequadamente; Pode ser adaptado para funcionar como sistema de alta taxa. DESVANTAGENS O tempo de detenção da água é relativamente alto; A velocidade da água deve ser baixa para impedir o arrastamento do lodo; Pode apresentar corrente secundária que podem prejudicar a sedimentação, oriundas de: conversão térmica, gradientes de concentração de partículas suspensas, ação do vento na superfície e curtos-circuitos hidráulicos.

1.8.1.2 DIMENSIONAMENTO Nestes decantadores a velocidade crĂ­tica de sedimentação ĂŠ dada por: đ?‘„

đ?‘‰đ?‘?đ?‘ = đ??´ Onde:

Q= vazĂŁo da ETA (mÂł/s) A = ĂĄrea horizontal do decantador que tambĂŠm pode ser descrita como L*b.

Esta relação entre a VazĂŁo e a Ă rea horizontal ĂŠ tambĂŠm conhecida como taxa de escoamento superficial.

1.8.1.2 DIMENSIONAMENTO Enquanto a Velocidade longitudinal ĂŠ dada por: đ?‘‰đ?‘œ = 18đ?‘Łđ?‘?đ?‘

à rea da seção transversal ĂŠ dada por: đ?‘„

đ?‘Ž = đ?‘‰đ?‘œ đ?‘œđ?‘˘ đ?‘Ž = đ?‘? ∗ â„Ž1 E o dimensionamento deve respeitar as seguintes relaçþes:

2,25 ≤

đ??ż đ?‘?

< 10 e

đ??ż â„Ž1

=

đ??´ đ?‘Ž

≤ 18

Onde: L: Comprimento do decantador ; h1: profundidade do decantador; a: à rea da seção transversal; A: à rea da superfície

1.8.1.2 DIMENSIONAMENTO Respeitar a relação entre comprimento e largura é muito importante. Afinal, um comprimento pequeno dificulta a boa distribuição de água

Comprimentos grandes podem resultar em velocidades longitudinais elevadas, causando arrasto das partículas Em geral boa parte dos projetos, utiliza uma relação de L/b = 3 ou 4.

1.8.1.2 DIMENSIONAMENTO ďƒ˜1. Encontrar “Aâ€?

đ?‘‰đ?‘?đ?‘ =

đ?‘„ đ??´

ďƒ˜6. Encontrar “bâ€? đ??ż đ?‘?

ďƒ˜2. Encontrar “Voâ€? đ?‘‰đ?‘œ = 18đ?‘Łđ?‘?đ?‘

= đ?‘Łđ?‘Žđ?‘™đ?‘œđ?‘&#x; đ?‘Žđ?‘‘đ?‘œđ?‘Ąđ?‘Žđ?‘‘đ?‘œ đ?‘’đ?‘š 4.

ďƒ˜7. Encontrar “h1â€? đ?‘Ž = đ?‘? ∗ â„Ž1

ďƒ˜3. Encontrar “aâ€? đ?‘„

đ?‘Ž = đ?‘‰đ?‘œ

ďƒ˜8. Fazer as relaçþes e conferir, caso contrĂĄrio refazer os cĂĄlculos đ??ż

ďƒ˜4. Adotar “L/bâ€? đ??ż

2,25 ≤ đ?‘? < 10 ďƒ˜5. Encontrar “Lâ€?

đ??´ = đ?‘?∗đ??żđ?‘’

đ??ż đ?‘?

= đ?‘Łđ?‘Žđ?‘™đ?‘œđ?‘&#x; đ?‘Žđ?‘‘đ?‘œđ?‘Ąđ?‘Žđ?‘‘đ?‘œ đ?‘’đ?‘š 4.

2,25 ≤ đ?‘? < 10 đ??ż â„Ž1

đ??´

= � ≤ 18

1.8.1.2 DIMENSIONAMENTO A NBR 12216:1992 preconiza as seguintes condições para o número de decantadores da ETA: Podem dispor de apenas um decantador: Estações com capacidade inferior a 1.000 m³/dia, operação continua; Estações com capacidade de até 10.000 m³/dia com período de funcionamento inferior a 18 h/dia; Quando não mecanizada devem dispor de no mínimo dois decantadores: Estações com capacidade superior a 10.000 m³/dia; Estações com capacidade superior a 1.000 m³/dia e período de funcionamento superior a 18h/dia;

1.8.2 DECANTADORES TUBULARES/ALTA TAXA (LAMINARES) Decantadores de Alta Taxa: são tanques com dimensões reduzidas comparadas com o decantador de fluxo horizontal, constituídos de placas inclinadas (geralmente com inclinação de 60º).

1.8.2 DECANTADORES TUBULARES/ALTA TAXA (LAMINARES)

1.8.2 DECANTADORES TUBULARES/ALTA TAXA (LAMINARES) Pode também ser composto por uma série de elementos tubulares de pequeno diâmetro (aproximadamente 5 cm) que são agrupados de forma a atuar como unidade; A inclinação das placas facilitam a remoção dos flocos em virtude da diminuição do percurso de decantação, aumentando a eficiência consideravelmente.

1.8.2 DECANTADORES TUBULARES/ALTA TAXA (LAMINARES)

1.8.2.1 VANTAGENS X DESVANTAGENS VANTAGENS Aplicação de maiores taxas de escoamento superficial com menor tamanho. Alta eficiência na separação sólido

DESVANTAGENS Dificuldade de se efetuar eventuais reparos ou trocas das placas ou tubos lamelares. Necessita de um perfeito controle de fluxos de entrada de liquido e sólidos, e a retirada constante dos sólidos, para que seja mantido o equilíbrio do sistema. Em alguns casos, de poder haver o entupimento dos canais da lamela e ser necessária sua limpeza ou desmontagem seguida de limpeza.

2. FILTRAÇÃO Manancial

Correção de pH Alcalinizante

Água Final

Coagulação

Fluoretação

Floculação

Desinfecção

Sedimentação

Filtração

2. FILTRAÇÃO Neste Processo, a água já clarificada vinda dos decantadores, ainda pode conter sólidos suspensos e dissolvidos, que devem ser retirados.

A filtração é um processo de separação de sólidos e líquidos, através da passagem do fluido por um meio poroso. A medida que a água passa pelo meio filtrante, há a deposição de flocos residuais sobre a mesma.

2. FILTRAÇÃO Há dois tipos principais de filtros:

Filtros rápidos Filtros lentos

O filtro mais utilizado é o filtro rápido, que consiste em: Uma camada de areia ou outro meio poroso menos denso (ex. antracito), colocado sobre uma camada de areia. Uma camada de pedregulho (camada suporte)

2. FILTRAÇÃO Neste filtros, segundo a NBR 12.216/1992 a camada filtrante deve ser constituída de areia, com as seguintes características: Espessura mínima, entre 0,25m e 0,9m, dependendo do tipo do filtro; Tamanho efetivo de 0,25 a 0,45 mm, dependendo do tipo do filtro; Coeficiente de uniformidade menor que 3, dependendo do tipo do filtro; O coeficiente de uniformidade é determinado em ensaio de granulometria e expresso pela equação a seguir: U=d60/d10 Onde: d60: Tamanho dos grãos abaixo do qual ficam 60% da massa do material granular d10: Tamanho dos grãos abaixo do qual ficam 10% da massa do material granular

2.1 TAXA DE FILTRAÇÃO A taxa de filtração (m³ de água/m² de filtro.dia) deve ser cuidadosamente fixada pelo projetista, tendo em vista as condições locais (qualidade de água, habilidade de operação, etc.); as características do meio filtrante (materiais e granulometria) e a carga hidráulica. A taxa de filtração a ser adotada, e outros parâmetros, devem ser, sempre que possível, determinados por meio de filtro piloto. Não sendo possível proceder a experiência em filtro piloto, a norma da ABNT 12.216/92 estabelece os seguintes limites para a taxa de filtração: Filtros de camada simples, 180 m3/m2.dia. Filtros de camada dupla, 360 m3/m2.dia.

2.2 NÚMERO DE FILTROS E DIMENSÕES O número mínimo de unidades deve ser 3, e em caso muito particular 2.

Normalmente empregam-se 2 unidades para cada decantador. Os filtros geralmente apresentam seção quadrada ou retangular.

Em seu dimensionamento é empregada a seguinte relação: B n 1  L 2n

Onde: B = largura da câmara; L= comprimento da câmara; n = número de câmaras. Os maiores filtros geralmente não excedem 170 m². Nas duas maiores estações do brasil tem-se filtros com 141 m² e 172 m².

65cm

4 cm

2. 3 ESPESSURA DAS CAMADAS E ALTURA DA CAIXA 50 15 cm

DO FILTRO (FILTROS RÁPIDOS)

20cm

cm

Água de lavagem

Altura livre adicional: 0,25 a 0,40 m (mais comum 0,30 m); maior quanto menor o número de filtros. Altura de água sobre o leito filtrante: Areia - 1,40 a 1,80 m (mais comum,areia 160 m). Antracito e areia – 1,80 a 2,40 (mais comum, 2,20m) Fundo com blocos

Altura do leito filtrante leopold de Camada única de areia: 0,60 a 0,80m plástico(mais comum 0,55). Canal de d istribuição Dupla camada: Antracito 0,45 à 0,7 m; Areia 0,15 a 0,30 (mais comum 0,25)

40cm

70 c antracito

55 c 25 c

camada suporte

35 c 30 c 50 c

Tubo de FºFº D=350m (chegada de água para la e saída de água filtrad

65cm

4 cm

2. 3 ESPESSURA DAS CAMADAS E ALTURA DA CAIXA 50 15 cm

DO FILTRO (FILTROS RÁPIDOS)

20cm

cm

Água de lavagem

Camada de pedregulho: 0,30 a 0,55 (mais comum 0,5)

40cm

Altura do fundo falso Mínima ≥D + 0,25 (D = diâmetro da tubulação de água para lavagem)areia ou ≥ 0,50. Fundo com A profundidade total do filtro é denominada blocosdos altura da caixa do filtro e resulta na soma leopold de valores adotados:

70 c antracito

55 c 25 c

camada suporte

35 c 30 c 50 c

plástico

Altura total = altura livre + Altura doCanal leito + de d istribuição altura de pedregulho + altura do fundo falso)

Tubo de FºFº D=350m (chegada de água para la e saída de água filtrad

2. 4 MEIOS FILTRANTES (FILTROS RÁPIDOS) Filtros de uma única camada: Espessura da camada: 0,55 m. Tamanho efetivo: 0,4 a 0,6 mm. Coeficiente de uniformidade: < 1,6 Tamanho mínimo: 0,35 mm. Tamanho máximo: 1,2 mm.

Filtros de camada dupla A granulometria do antracito depende da granulometria da areia para que não ocorra a mistura extensiva das duas camadas. Tamanho efetivo do antracito ≥ 1,8 Tamanho efetivo da areia. Tamanho efetivo do antracito ≤ 2,1 Tamanho efetivo da areia.

2. 5 CAMADA SUPORTE A transição entre a camada filtrante e o sistema de drenagem dos filtros deve ser feita através de camada suporte, salvo com sistema drenante projetado de forma a dispensá-la. Camada suporte deve ser constituída de seixos rolados, com as seguintes características: Espessura mínima não inferior a 30 cm; Material distribuído em estratos com granulometria decrescente no sentido ascendente, espessura de cada estrato, não inferior, a 5 cm;

2. 6 FUNDOS DOS FILTROS Há três tipos usuais de fundos Fundos falsos com bocais;

Canalizações perfuradas; Blocos Leopold®.

2. 6 LAVAGEM DE FILTROS Há duas condições para se determinar o momento de lavagem dos filtros: Quando o nível de água tingir certo limite com a mesma vazão; Quando há alteração da turbidez da água tratada. A lavagem dos filtros em geral ocorre contra a corrente.

Neste procedimento deve haver controle da expansão do material filtrante que deve ser entre 25% e 50%.

EXERCÍCIO Você passou no concurso público de uma prefeitura. Logo no seu primeiro dia o secretário de obras informa que será aberta uma licitação para ampliação da estação de tratamento de água do município. Como o engenheiro mais antigo saiu de férias você ficou responsável por pré-dimensinar um novo decantador convencional, para poder orçar a implantação da obra, que irá compor o edital de licitação. Sabendo que a vazão esperada é 50 L/s e que os testes realizados na antiga ETA apresentaram uma Velocidade de sedimentação (Vcs) de 3,0 cm/min, qual o deve ser tamanho do novo decantador da ETA, para que seja possível orçar sua implantação?

EXERCĂ?CIO ďƒ˜Encontrar “Aâ€?

đ?‘‰đ?‘?đ?‘ =

đ?‘„ đ??´

ďƒ˜Encontrar “bâ€? đ??ż đ?‘?

ďƒ˜Encontrar “Voâ€? đ?‘‰đ?‘œ = 18đ?‘Łđ?‘?đ?‘

= đ?‘Łđ?‘Žđ?‘™đ?‘œđ?‘&#x; đ?‘Žđ?‘‘đ?‘œđ?‘Ąđ?‘Žđ?‘‘đ?‘œ đ?‘’đ?‘š 4.

ďƒ˜Encontrar “h1â€? đ?‘Ž = đ?‘? ∗ â„Ž1

ďƒ˜Encontrar “aâ€? đ?‘„

đ?‘Ž = đ?‘‰đ?‘œ

ďƒ˜Fazer as relaçþes e conferir, caso contrĂĄrio refazer os cĂĄlculos đ??ż

2,25 ≤ đ?‘? < 10

ďƒ˜Adotar “L/bâ€? đ??ż

2,25 ≤ đ?‘? < 10 ďƒ˜Encontrar “Lâ€?

đ??´ = đ?‘?∗đ??żđ?‘’

đ??ż đ?‘?

= đ?‘Łđ?‘Žđ?‘™đ?‘œđ?‘&#x; đ?‘Žđ?‘‘đ?‘œđ?‘Ąđ?‘Žđ?‘‘đ?‘œ đ?‘’đ?‘š 4.

đ??ż â„Ž1

đ??´

= � ≤ 18

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