Introdução: Neste trabalho encontra-se o projeto de uma Estação de Tratamento de Água, (ETA) que funcionará com uma vazão média de 500m³ /s. Adotando-se uma jornada de funcionamento da ETA de 24 horas por dia, a vazão de água tratada será de 43.200m³/dia. Considerando Considerando um consumo diário per capita de 200L, essa estação pode ser instalada num município com aproximadamente aproximadamente 216.000 habitantes. O projeto aqui descrito requer uma área de instalação da ordem de 3.800m² , com topografia pouco acidentada, acidentada, prevendo-se a expansão das unidades para possível possível aumento aumento da vazão de projeto. O aumento da demanda pode ser dado por crescimento excessivo da população ou instalação de indústrias. Devido à falta de informações adicionais sobre a localidade da ETA, não é possível fazer o dimensionamento dimensionamento das instalações de captação de água. No entanto, algumas observações devem ser pontuadas: o local de captação deve estar protegido de assoreamento para que não comprometa o puncionamento da bomba; deve haver grades para impedir a sucção de sólidos grosseiros; deve-se adotar uma altura de sucção que reduza a possibilidade de cavitação; a utilização de bombas afogadas deve ser pautada com cuidado para que, se houver risco de enchentes, não atinja a casa ca sa de bombas, interrompendo-se assim o fornecimento de água; instalação da ETA o mais próximo possível do curso d’água e do local de consumo; a localidade
deve ser provida de energia elétrica. Os parâmetros adotados no dimensionamento desta estação seguem recomendações da ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas – (NBR (NBR 12216) e literatura desta área do conhecimento.
Memorial Descritivo: A exigência do projeto é que se faça o tratamento de água por ciclo completo. Como não foram disponibilizados dados referentes a ensaios de tratabilidade, as decisões foram tomadas visando menor custo e/ou máxima eficiência. A disposição das unidades da ETA foi feita tentando-se otimizar o espaço utilizado. A ETA projetada contém as seguintes unidades: 1. Uma calha Parshall: medidor de vazão e unidade de mistura rápida e coagulação; 2. Um floculador hidráulico: unidade de floculação com escoamento vertical através de chicanas, dividido em quatro setores com gradientes hidráulicos decrescentes; 3. Dois decantadores retangulares convencionais em paralelo: unidades de decantação contendo canais de distribuição da água floculada na sua entrada com quatro comportas em cada, uma cortina de distribuição de madeira, um sistema de calhas para a coleta da água decantada, fundo para depósito de lodo e um canal condutor de água decantada na saída; 4. Dois pares de filtros em paralelo: unidades de filtração rápida descendente com leito filtrante composto de areia com tamanho efetivo de 0,4mm e antracito com tamanho efetivo de 0,8mm; 5. Um tanque de contato: unidade com chicanas para aplicação de cloro, flúor e corretor de pH caso se faça necessário. Concomitantemente, promove a altura manométrica necessária à operação hidráulica do filtro; 6. Um reservatório para água de lavagem: com 127m³ de capacidade, suficiente para a lavagem de dois filtros simultaneamente por 10 minutos. A Calha Parshall foi escolhida de acordo com a vazão de projeto, admitindo-se uma flexibilidade para esse valor. Esse valor de vazão na calha escolhida proporcionou a ocorrência de ressalto hidráulico suficiente para se ter gradiente de velocidade necessário para mistura rápida. O valor obtido foi de 1.177,10s-1, acima do recomendado para mecanismo de varredura (1000s-1). A aplicação do coagulante é feita na saída da garganta e a medição de vazão na seção à 2/3 do comprimento A, conforme a Figura 2. Pelas pequenas dimensões da Parshall, aconselha-se sua obtenção por fornecedores especializados, podendo ser de fibra de vidro.
A água coagulada é conduzida ao floculador por um canal de concreto liso, de dimensões 0,90m de largura e 0,70m de altura e 30,00m de comprimento. A largura foi expandida em relação à saída da calha Parshall, com o objetivo de reduzir o gradiente hidráulico na entrada do floculador. O gradiente obtido ao final do canal foi de 18,424s-1, dentro da faixa recomendada de 70s-1 a 10s-1. Com essas dimensões, o tempo máximo de percurso permitido de 1 minuto foi atendido. O floculador foi dimensionado para um tempo de detenção hidráulica (TDH) igual a 20 minutos, tempo mínimo exigido por norma, no intuito de minimizar o volume, e consequentemente a área requerida. Trata-se de um floculador hidráulico de chicanas e escoamento vertical. Dividiu-se em quatro setores de mesmo comprimento e área, com 36, 31, 28 e 25 chicanas de concreto liso, respectivamente, com espaçamentos crescentes de 0,70m a 1,00m e com tamanho de passagens crescentes a cada setor, garantindo uma redução progressiva do gradiente hidráulico. Essa redução se faz necessária para que não se tenha a quebra dos flocos já formados. O tempo e a altura do floculador(4,00m) foram adotados pelos projetistas, sendo a largura e o comprimento dimensionados. Os espaçamentos e a largura também foram analisados a fim de garantir que a velocidade entre as chicanas não ultrapassasse a faixa de 0,10m/s e 0,30m/s. Essa preocupação constitui grande obstáculo no dimensionamento, no sentido de limitar as possibilidades de configuração da unidade e diminuir a praticidade de construção. A questão da velocidade mínima desejada no floculador impediu que fosse projetado um sistema em paralelo com a água coagulada sendo dividida para dois floculadores e alimentando separadamente os dois decantadores. Com essas dimensões estabelecidas obtiveram-se os gradientes 50,32s-1, 62,25s-1, 42,17 s-1 e 36,00s-1. O fundo do floculador tem declividade de 1% para facilitar a limpeza da unidade, visto que há deposição de flocos com o passar do tempo. Para facilitar ainda mais essa limpeza, as chicanas inferiores foram projetadas a partir de uma pequena altura do fundo, permitindo a limpeza de todas as câmaras por apenas um registro de saída. À jusante do floculador tem-se um canal livre de condução de água floculada que irá distribuir vazões idênticas aos canais de entrada das duas unidade de decantação. Suas dimensões serão: h = 1,2m (profundidade) e b = 3,45m (largura).
A velocidade de escoamento neste canal será V = 0,12m/s, maior que a mínima permitida (0,10m/s), evitando depósito de flocos no fundo do canal. O gradiente de velocidade neste canal é G = 9,86s-1. O decantador deve ser a unidade da ETA que promove a sedimentação dos flocos formados na unidade de floculação, portanto é necessário que seja dimensionado de forma cautelosa, assim como seus dispositivos de entrada e saída para que não prejudique a remoção dos flocos ou ocorra a quebra dos mesmos. Deve-se seguir as normas e recomendações da literatura para que a conciliação de vários parâmetros promovam uma sedimentação ótima dos flocos buscando melhores resultados de remoção de turbidez e patógenos. O gradiente de velocidade é uma característica do escoamento que deve ser respeitado na entrada do decantador, sendo sempre menor que o da saída do floculador e no máximo 20s-1. Na ETA aqui descrita, a entrada da água floculada nas unidades de decantação se dão através de um canal de dimensões h= 1,3m (profundidade) e b = 0,8m (largura). A água emerge no decantador através de 4 comportas idênticas de área Ai=0,5m² e o canal de distribuição a essas comportas apresenta seções variáveis de 0,96 a 0,3m². A variação das seções tenta simular uma distribuição homogênea das vazões nas comportas. O gradiente de velocidade disponível na entrada das unidades de decantação através das comportas é de 7,442s-1, respeitando a exigência de ser menor que na saída do floculador (36,00s-1). O dimensionamento dos decantadores foi iniciado a partir do valor adotado para taxa de aplicação superficial (TAS) seguindo o recomendado pela NBR 12216 e respeitando o tempo de detenção hidráulica (TDH) mínimo de 2h, indicado por DI BERNARDO et al., 2005. Portanto, estabeleceu-se TAS = 35m³/m².d, a área total dos decantadores é 1.234,57m². Como este valor de área é muito grande para uma única unidade de decantação, determinou-se o dimensionamento de dois decantadores idêntico. Adotando-se a profundidade H = 4m e a largura do decantador B= 8m (caracterizando um canal de máxima eficiência), o comprimento será L=77m (arredondando o valor encontrado para facilitar a execução das obras de construção). Definidas as dimensões dos decantadores, obtêm-se as seguintes características de cada unidade: A=617m² ;TAS = 35,00m³/m².d; TDH: 2,737 horas; Ve = 4,058 cm/s (velocidade de escoamento longitudinal). A cortina de distribuição, feita em madeira, será instalada em cada unidade a uma distância D = 1,0m da entrada. O dispositivo teve suas características determinadas em função da obtenção de gradiente de velocidade razoável para manter a integridade dos flocos, portanto foram definidas as seguintes características: 160 orifício de diâmetro do = 0,075m; velocidade de escoamento em cada orifício Vo = 0,177m/s; espaçamento médio entre os orifícios So = 0,45m. Para o cálculo do gradiente de velocidade foi necessária a determinação de alguns parâmetros, como o número de Reynolds Re = 13169,64 e o alcance dos jatos X =2,025m. A cortina de área A =8m x 4m=32m2 (seção transversal do decantador) terá seus 160 orifícios distribuídos em 20 colunas e 8 linhas. A distância média entre os orifícios será de 0,45m. A água decantada é captada por 4 calhas coletoras de 5m de comprimento e 0,60m de largura e 2 calhas nas laterais com mesmo comprimento, mas largura de 0,30m. As calhas coletoras encontram-se instaladas na extremidade ao fim de cada decantador e possuem comprimento inferior a 20% do comprimento das unidades de decantação como se recomenda. Cada calha tem profundidade de 0,20m. O descarte do lodo formado se dará por uma comporta localizada no fundo da seção de acumulação de lodo, na parte posterior da unidade de decantação. Além da altura útil de 4m, o decantador terá mais 1m de profundidade para escoamento do lodo, caracterizando um declive I = 14% (acima do recomendado I = 5%) transversal, assim como
uma vala de acumulação do lodo com dimensões h = 1,0m e b = 0,8m, tendo também uma inclinação I’ = 1,3 % ao longo do comprimento do decantador longitudinal. FILTROS E ETC
Memorial de Calculo: A)Dimensionamento da calha Parshall: - Utilizaremos a calha com as seguintes dimensões, para a vazão de projeto de Q=500l/s: W 229 (9’’)
A 880
B 864
C 380
D 575
E 610
F 305
G 457
K 76
N 114
- Cálculo da lâmina d’água na seção de medição (seção 0): Q = K * Hon convergente)
.:.
0,500 = 1,486 *H00,633 .:.
H0 = 0,958 m (altura da lâmina na seção
- Calculando-se velocidade V0 na seção de medição (seção 0): D0 = 2/3*(D-W) +W = 2/3*(0,575 – 0,229) + 0,229 = 0,460m Q = Va*D0*H0
.:.
0,500 = Va*0,460*0,958
.:.
Va = 1,135m/s
- Vazão específica na garganta Parshall: q = Q/W = 0,500/0,229 = 2,183m/s por metro - Carga hidráulica disponível E0 na seção de medição (seção 0): E0 = H0 + V0²/2*g + N = 0,958 + 1,1352 /(2*9,807) + 0,114 = 1,138m - Calculando da velocidade e da profundidade d’água imediatamente antes do ressalto (seção 1): *Ângulo fictício: Cosφ = -g*q/((2/3)*g*E0)1,5 = -9,807*2,183/((2/3)*9,807*1,138)*1,5 = -1,055 φ = 154,181
*Velocidade média V1 no início do ressalto: V1 = 2*cos(φ/3)*(2*g*D0 /3)1/2 = 2*cos(0,999/3)*(2*9,807*0,460/3)1/2 =3,465 m/s *Altura da lâmina d’água no início do ressalto: Y1 = q/ V1 = 2,183/3,465 = 0,630m - Número de Froud para certificação da ocorrência do ressalto hidráulico (regime supercrítico Fr > 1) Fr = V1 /(g*Y1)1/2 = 3,465/(9,807*0,630)1/2 = 1,394 (Ressalto ondulado) - Calculo da altura conjugada do ressalto (seção 2, admitindo fundo do canal horizontal): Y2 = Y1 /2[(1 + 8*Fr2)1/2 – 1] = 0,630/2[(1 + 8*1,394²)1/2 – 1] = 0,966m
- Profundidade d’água na seção de saída do ressalto (seção 3) : Y3 = Y2 – (N - K) = 0,966 – (0,114 - 0,076) = 0,928m - Velocidade d’água na seção de saída do ressalto (seção 3) : V3 = Q/ Y3*C = 0,500/(0,928*0,380) = 1,418 m/s - Extensão do ressalto: L = 6*(Y2-Y1) = 6*(0,966-0,630) = 2,016m - Perda de Carga: h = (Y2-Y1)³/(4*Y2*Y1) = (0,966 – 0,630)³/(4*0,630*0,966) = 0,125m - Tempo de mistura: T = L / (V1+ V3) / 2 = 2,016/(3,465 + 1,418)/2 = 0,825s - Gradiente de velocidade: G = (γ*h/µ*T)
1/2
= (998,68*9,807*0,125/0,001071*0,825)1/2 = 1.177,6s-1
γ – Peso específico da água(9793,17 Kg/s*m²)
; µ - viscosidade absoluta da água (0,001057
N*s/m²) Resultando em G*T=917, ou seja, boas condições de mistura com um ressalto ainda estável (Fr=1,4).
B) Dimensionamento do canal da calha Parshall até o floculador: - A obtenção de nova velocidade V3 que forneça gradiente dentro da faixa permitida para entrada no floculador. Para esta circunstância as dimensões do canal serão: Y3= 0,928m (altura da lâmina d’água no final do ressalto), H’ = 1,20m (profundidade do canal),
B = 0,90m (largura) e L = 30m (comprimento) Pela equação da continuidade: A1V1=A2V2 0,500 m3 /s = Y3*B*V3 = 0,928*0,90* V3
.:.
V3 = 0,598m/s
- Obtém-se um tempo t de permanência no canal inferior ao limite máximo permitido: t = Vol/Q = Y 3*B*L/Q = 0,966*0,90*2,016/0,500 = 3,505s - O gradiente de saída no canal e entrada no floculador pode ser finalmente calculado por: J (perda de carga unitária) = (Q*n/A*Rh2/3)² = 1,301*10-4 m n = 0,013 (concreto liso) - O gradiente para a perda J é dado por:
G = (γ* ν*J/µ)1/2 = (998,68*9,807*1,301*10-4 /0,001071*3,505)1/2 = 18,424 s-1 - A declividade do canal será:
C) Dimensionamento do floculador: - Adotado: tempo de floculação T = 20min Portanto, Vol. = Q*T = 0,500 m3/s * 20min * 60s/min = 600 m 3 - Adotando-se a profundidade do floculador como H = 4m: - A área total será Vol/H = 600 m3 / 4m = 150m2 . - O floculador terá 4 setores de mesma área A= 150m2 /4 = 37,5m2. - Estabelecendo-se B = 1,5m; L = A/B = 37,5m2 /1,5m = 25m. - Os espaçamentos (e) entre chicanas foram pré-estabelecidos, seguindo a exigência de espaçamentos superiores a 0,6m. Foram escolhido 0,7m, 0,8m, 0,9m e 1,0m de espaçamentos do primeiro ao quarto setor, respectivamente. - Tempo de detenção hidráulica média: TDH=20/4=5 minutos = 300 segundos em cada setor. - Cálculo dos gradientes hidráulicos em cada seção: Considerando a água a 10ºC, temos que: γ – Peso específico da água(9793,17 Kg/s*m²)
; µ - viscosidade absoluta da água (0,001057
N*s/m²); e f=0,02 (adotado). Seção 1(e=0,7m): *Área: A1=37,5m² *Volume: V=600m³ *Tempo de floculação: T=600/0,5 = 1200s *Número de canais: n= L/e = 25/0,7=36 (aproximadamente) *Gradiente de velocidade: G= (Q/Ai)*[[(13+9*f)/18]*(ρ/µ)*(n³/T)]¹ / ² = 62,22s-1 *Perda de Carga: h=[18/(13+9*f)]*(Q/A)²*n³ = 0,315m
Seção 2(e=0,8m): *Número de canais: n= L/e = 25/0,8=31 (aproximadamente) *Gradiente de velocidade: G= 50,32s-1 *Perda de Carga: h= 0,233m
Seção 3(e=0,9m): *Número de canais: n= L/e = 25/0,9=28 (aproximadamente) *Gradiente de velocidade: G= 42,17s-1 *Perda de Carga: h= 0,190m
Seção 4(e=1,0m): *Número de canais: n= L/e = 25/1,0=25 *Gradiente de velocidade: G= 36,00s-1 *Perda de Carga: h= 0,152m - Número de Camp: 4
Ca = (ΣGi)*T = (62,22+50,32+42,17+36,00)*1200 = 22,88*10
D) Dimensionamento do canal de distribuição da água floculada ao decantador: - Cálculo das dimensões do canal de distribuição da água floculada com vazão Q = 0,500m³/s: Tem-se velocidade de saída do floculador é V=Q/a, onde a=B*H , logo a=1,5*4=6m²; V = 0,500/6 = 0,12m/s Pela equação da continuidade: A = Q/V = 0,500/0,12 = 4,16m² Adotando-se a profundidade h = 1,2m: L (largura do canal) = A/h = 4, 16 /1,2 = 3,47m ≈ 3,45m - Cálculo da perda de carga total do canal: -4
h’=V²/(2*g) = 0,12²/(2*9,807) = 7,42*10
m
- Cálculo do gradiente médio do canal: Gm = (γ*h’/µ*T)1/2 = (998,68*7,42*10-4 /0,001307*28,75)1/2 = 9,86s-1 - Cálculo do canal de distribuição de água floculada em cada unidade com vazão Q=0,25m³/s (2 canais): - Velocidade média de passagem nas comportas adotada como Vm = 0,25 m/s, dentro da faixa recomendada em Di Bernardo et al., (2005) , de 20 a 40m/s (para não quebrar os flocos formados). - Adotaram-se 4 comportas, cada uma com vazão Qi = Q/4 = 0,25/4 = 0,125m³/s - A área de cada comporta é dada por: Ai = Qi/Vm = 0,125/0,25 = 0,5m²
- Dimensões à montante da seção de cada comporta no canal de entrada adotadas: Largura(m)
Profundidade(m)
Área (m²)
0,8
1,2
0,96
0,7
1
0,7
0,6
0,8
0,48
0,5
0,6
0,3
montante da 1ª comporta: montante da 2ª comporta: montante da 3ª comporta: montante da 4ª comporta:
- Cálculo do gradiente de velocidade médio na entrada do decantador através das comportas: G = 354*Vm2*(f/Rh)1/2 Adotando-se f = 0,02 B=A1/2 = 0,707m Rh = A/P = Ai/4*B
.:.
Rh = 0,5/(4*0,707) = 0,177m (para cada comporta)
G = 354*0,252*(0,02/0,177)1/2 = 7,442s-1 (menor que o valor máximo 20s-1) - Utiliza-se a variação da área da seção transversal do canal para uniformizar a distribuição de vazão em cada comporta de entrada do decantador.
- Cálculo do gradiente da cortina de distribuição: Definimos: *Área lateral do decantador (A) = 32m² *5 orifícios por m² *Número de orifícios No = 160 *Diamêtro de cada orifício do = 0,075m So = (A/No)1/2 = (32m²/160)1/2 = 0,45m *Vazão por orifício: Qo = 125 /160 = 0,781L/s *Área de cada orifício Ao = π*D2/4 = π*0,0752/4 = 0,00442m2 *Velocidade através de cada orifício Vo = Q/No*Ao = 0,177 m/s *Cálculo do número de Reynolds (Re): v - viscosidade cinemática da água (1,008*10-6 m2 /s) Re = V*d/ν = (0,177*0,075)/(1,008*10-6) = 13169,64
Através do gráfico elaborado por Di Bernardo et al., 1980, que relaciona Re versus X/S, tem-se que X/S = 4,5, logo , X = S*4,5 = 0,45*4,5 = 2,025 m *Cálculo do gradiente: Adotado o coeficiente de descarga Cd=0,61. G = (do /So)*(π*Vo3 /8*v*Cd2*X)1/2 =(0,075/ 0,45)*(π*0,1773 /8*1,008*10-6*1*0,612*2,025)1/2 G = 8,924s-1 G menor que o máximo permitido de 20s-1. - Cálculo da distância da cortina de distribuição à entrada do decantador: *D > 1,5*H*a/A, onde: A: área da cortina a: área total dos orifícios H: profundidade útil do decantador D > 1,5*4*0,707/32 = 0,13m *Distância adotada D = 1,0m para redução de zonas mortas.
E) Dimensionamento do decantador: - Como Q = 0,500m3 /s, em um dia a vazão é de 43,200m3 /dia. Adota-se: *TAS (Taxa de aplicação superficial) = 35m3 /m2.d = 4,05*10-4m³/m²*s Portanto: *Afloc. = 0,500/4,05*10-4 = 35m3/m2.s = 1234,57m² Devido ao alto valor encontrado para área do decantador necessária para a vazão de 0,5m³/s, optamos por utilizar duas unidades de decantação de áreas iguais. - A área de cada decantador será: afloc. = 1234,574/2 =617,284 m² Com objetivo de reduzir os custos com material, serão utilizadas dimensões para um canal de máxima eficiência. Adotando-se H (profundidade) = 4m, então B (largura) = 8m. *Logo, o comprimento L será: L=afloc/B = 617,284/ 8m = 77,16 m. Aproximando-se o valor de L para 77m, tem-se os parâmetros definitivos:
*afloc. = 617m² *TDH = Vol/Q = 8*4*77/0,25 = 9856s = 2,737 horas *TAS = 35 m3 /m2.d = 0,04018cm/s (Vso) *Ve = 0,25/(77*8) = 4,058*10-2 cm/s De acordo com a recomendação: Ve < 18 Vso 4,058*10-2 cm/s < 0,7234 cm/s As calhas coletoras foram dispostas no final do decantador com comprimento menor que o máximo recomendado de 20% do comprimento do decantador.
- Cálculo das calhas coletoras: *Vazão máxima por calha determinada pela NBR 12216: q=1,80L/s.m Adotando-se q = 1,7L/s.m, tem-se: *Comprimento linear de calha = Q/q = 250 / 1,7 = 147m Estabeleceu-se: *4 calhas com 5m de comprimento e 0,60m de largura e *2 Meias calhas em cada lateral com 5m de comprimento e 0,30m de largura. *Comprimento das calhas = 5m < 20% de 77m = 15,4m. -Cálculo da profundidade das calhas coletoras: q = 1,3*B*H1,5 , onde: q = vazão recolhida por calha = Q/5 = 0,25/5 = 0,05 m3 /s B = largura de cada calha = 0,6m H = profundidade de cada calha H1,5 = 0,05/(1,3*0,6)
.:.
H=0,160m
H = 0,16m ≈ 0,15m
-Profundidade adotada H=0,25m considerando que o nível de água deve ser 10cm abaixo da superfície. - Cálculo da inclinação da zona de descarte: *Seção transversal: I = 1m / (8m – 0,8m) = 14 % *Seção longitudinal:
I’ = 1m / 77m = 1,3%
