ETA - Saneamento Ambiental
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UNIVERSIDADE DE BRASÍLIAFACULDADE DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTALSaneamento Ambiental
Professor: Oscar Cordeiro
Dimensionamento de Unidades de Estação de Tratamento de Água - ETA
Nome: Ésio Wilson Levino de Araújo Júnior – 11/0116054
1. Introdução
No presente trabalho encontra-se o projeto de uma Estação de Tratamento de
Água Convencional, ciclo completo, cuja vazão de projeto é 820 L/s. Adotou-se um
funcionamento contínuo, ou seja, de 24 horas por dia.
Os parâmetros adotados no dimensionamento desta estação seguem as
recomendações da NBR 12.216 da ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas-
e literaturas desta área do conhecimento.
2. Memorial descritivo
2.1.Unidades de mistura rápida e lenta
Nas unidades de mistura rápida das estações de tratamento de água são usados
diversos tipos de agitadores que concorrem para que a turbulência não seja uniforme em
todo o volume em que a energia é dissipada. Geralmente, nas unidades hidráulicas de
mistura rápida e de floculação, a energia dissipada é localizada e, portanto, diferente do
que ocorre nos reatores estáticos.
Nas estações de tratamento de água, a operação unitária de mistura é usada com
duas finalidades: mistura rápida, responsável pela mistura dos produtos químicos na
água para a ocorrência da coagulação; e mistura lenta, responsável pela agregação das
partículas desestabilizadas, com formação de flocos.
Do ponto de vista fenomenológico, para que as partículas sejam desestabilizadas,
deve ocorrer interação entre as partículas coloidais presentes na água bruta e os
produtos da hidrólise do coagulante. Microscopicamente, a etapa de desestabilização
para neutralização de carga requer que ocorram colisões entre as partículas coloidais e
os produtos da hidrólise do coagulante. Contrariamente ao mecanismo de neutralização
de carga, na coagulação por varredura a formação rápida de precipitados e a
subsequente floculação são mais importantes que o transporte para que aconteçam
interações entre partículas e os produtos da hidrólise durante a desestabilização.
De acordo com a NBR 12216 (1992), a mistura rápida é a operação destinada a
dispersar os produtos químicos na água a ser tratada, enquanto a floculação é requerida
para promover a agregação de partículas desestabilizadas na mistura rápida. Segundo
essa norma, as condições ideais em termos de gradiente de velocidade médio e tempo de
agitação na coagulação e floculação, e a concentração do coagulante a ser utilizado,
devem ser utilizado, devem ser determinadas, preferencialmente, em ensaios de
laboratórios. Na impossibilidade da realização desses ensaios, a norma sugere os
parâmetros usuais para projeto de unidades de mistura rápida e de floculação,
respectivamente, enfatizando-se ao projetista que dê certa flexibilidade à variação do
gradiente de velocidade, com respeito à rotação dos equipamentos de agitação – quando
usados.
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 2157s-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.
Para o dimensionamento da Calha Parshall considerou-se os mostrados na
Tabela 1, que correspondem aos valores padronizados de largura da garganta, bem
como de outras dimensões e as vazões máximas e mínimas possíveis em cada um. A
imagem 1 referencia cada dimensão apresentada na tabela.
Tabela 1 - Valores Padronizados de Calha Parshall, em cm.
wA B C D E F G K N
Q (l/s)Poleg. cm min. máx.
1" 2,5 36,3 35,6 9,3 16,8 22,9 7,6 20,3 1,9 2,9 - -3" 7,6 46,6 45,7 17,8 25,9 45,7 15,2 30,5 2,5 5,7 2,9 1946" 15,2 62 61 39,4 40,3 61 30,5 61 7,6 11,4 5,4 3979" 22,9 88 86,4 38 57,5 76,3 30,5 45,7 7,6 11,4 9 90211" 30,5 137,2 134,4 61 84,5 91,5 61 91,5 7,6 22,9 12,6 1644
1 1/2" 45,7 144,9 142 76,2102,
691,5 61 91,5 7,6 22,9 17,3 2503
2' 61 152,5 49,6 91,5120,
791,5 61 91,5 7,6 22,9 42,1 3372
3' 91,5 167,7 64,5 122157,
291,5 61 91,5 7,6 22,9 61,6 5135
4' 122 183 79,5 152,5193,
891,5 61 91,5 7,6 22,9 136,1 6921
5'152,
5198,3 194,1 183
230,3
91,5 61 91,5 7,6 22,9 167,8 8724
6' 183 213,5 209 213,5266,
791,5 61 91,5 7,6 22,9 262,4 10541
7'213,
5228,8 224 244 303 91,5 61 91,5 7,6 22,9 303,5 12370
(Fonte: Azevedo Nettoet al, 1998. Com adaptações)
Figure 1 - Corte em Planta e Longitudinal de uma Calha Parshall Convencional
2.2.Decantadores
Segundo a NBR 12.216, os decantadores são unidades destinadas à remoção por
particular presente na água pela ação da gravidade e podem ser convencionais, ou de
baixa taxa, e de elementos tubulares, ou de alta taxa. No presente trabalhos serão
dimensionados os dois tipos de decantadores. O dimensionamento do decantador deve
ser feito de forma cautelosa, além de seus gastos construtivos serem consideráveis, é
preciso garantir que os dispositivos de entrada e saída não prejudiquem a remoção dos
flocos.
Algumas observações pertinentes:
O gradiente de velocidade na entrada do decantador deve ser menor que o da saída do floculador;
As variações das seções devem simular uma distribuição homogênea das vazões nas comportas;
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.
Na ETA aqui descrita, a entrada da água floculada nas unidades de decantação se
dão através de um canal de dimensões h= 6m (profundidade) e b = 12m (largura). A
água emerge no decantador através de 4 comportas idênticas de área e o canal de
distribuição a essas comportas apresenta seções variáveis. A variação das seções tenta
simular uma distribuição homogênea das vazões nas comportas.
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, estabelecendo-se TAS = 40 m3/m2.d, a área total
dos decantadores é 1771 m2. Como este valor de área é muito grande para uma única
unidade de decantação, ainda seguindo a norma, determinou-se o dimensionamento de
quatro decantadores idêntico. Adotando-se a profundidade H = 5m e a largura do
decantador B= 12m (caracterizando um canal de máxima eficiência), o comprimento
será L=37 m.
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 = 13% eI’ = 3,3% ao longo do comprimento do decantador
longitudinal.
2.3 Calha Parshall
Os passos e fórmulas para o dimensionamento da Calha Parshall são detalhados
abaixo:
1) Seleção da calha: segundo os valores tabelados, considerando as vazões
máximas e mínimas, são escolhidas as calhas que comportam a vazão de projeto.
2) Cálculo da altura da lamina líquida: a vazão de um vertedor Parshall, com
descarga livre, é dada pela seguinte equação:
, onde Ha(m) = altura do nível da água no ponto de
medição
W (m) = largura da garganta
3) Cálculo da largura na seção de medida:
4) Cálculo da velocidade na seção de medida:
, onde: Va = velocidade média do escoamento na
seção de medição da Lâmina (m/s)
5) Cálculo da energia total disponível:
, onde: Ea (m) = energia total disponível
g (m/s²) = aceleração da gravidade
6) Cálculo do ângulo fictício θ:
7) Cálculo da velocidade da água no início do ressalto:
, onde: V1(m/s) = velocidade média do escoamento no
inicio do ressalto
8) Cálculo da altura da água no inicio do ressalto:
, onde y1 (m/s) = altura da água no inicio do ressalto
9) Cálculo do número de Froude:
, onde :Fr = número de Froude
10) Cálculo da altura conjugada do ressalto:
, onde: y3 (m) = altura da lâmina durante o ressalto
11) Cálculo da profundidade no final do trecho divergente:
, onde: y2 = altura da lâmina no final do trecho divergente
12) Cálculo da velocidade (m/s) na saída do trecho divergente:
13) Cálculo da perda de carga no ressalto hidráulico:
14) Cálculo do tempo de detenção médio no trecho divergente
, onde Tmr(s) = tempo de detenção médio no trecho divergente15) Cálculo do gradiente de velocidade
, onde Gm ( ) = gradiente médio de velocidade
= peso específico da água (kg/m³) = 9980 para T = 20ºC
= viscosidade dinâmica (N.s/m²) = 0,001
As tabelas 2 e 3, apresentadas abaixo, foram criadas com o software Excel e
representam os resultados dos cálculos dos parâmetros hidráulicos, como demonstrado
acima na seção de dimensionamento. Como pedido no enunciado, os cálculos foram
feitos considerando a vazão (820 L/s) de projeto.
Tabela 2 - Dimensionamento Hidráulico para Vazão de 820 L/s
wHa (m)
D' (m)
Va (m/s)
Ea (m)
cos(θ)
θ (rad)
V1 (m/s)
y1(m) Fr1 y3 (m)
y2(m) V2(m/s)
∆H Tmr G
0,229 1,38 0,46 1,29 1,58 -1,05 - - - - - - - - - -0,305 1,14 0,67 1,08 1,43 -0,91 2,72 3,76 0,7 1,4 1,12 0,97 1,39 0,252 0,36 2661,20,457 0,87 0,84 1,12 1,17 -0,83 2,55 3,64 0,5 1,7 0,93 0,78 1,38 0,170 0,36 2156,80,61 0,72 1,01 1,13 1,01 -0,77 2,44 3,53 0,4 1,8 0,81 0,66 1,36 0,139 0,37 1928,50,915 0,55 1,35 1,10 0,84 -0,68 2,31 3,36 0,3 2,1 0,66 0,51 1,33 0,119 0,39 1742,7
Di Bernado de Dantas (2005), ao tratarem do dimensionamento de um vertedor
Parshall para promoção de mistura rápida, fazem referencia à alguns critérios e
recomendações estabelecidos por estudos teóricos sobre ressalto hidráulico, tais como
os relacionados abaixo:
Velocidade de escoamento na saída da garganta ≥ 2 m/s
Perda total de energia ≥ 0,25 m
Gradiente livre na saída
Maior gradiente de velocidade médio
Fr deve estar compreendido entre 1,7 e 2,5 ou entre 4,5 e 9,0
Menor altura possível da lâmina líquida na garganta com vazões de medição
previstas
De maneira geral, não houve opção que atendesse a todos os critérios e
recomendações estabelecidos. Assim, para otimizar a seleção, alguns parâmetros de
eliminação foram estabelecidos:
Dado o pressuposto de que há outras opções que comportem cada vazão,
calhas que apresentaram ressalto oscilante (Fr entre 2,5 e 4,5), foram
descartadas;
Consideramos o uso de coagulantes metálicos hidrolisáveis. Assim, segundo
a NBR 12216/92 O gradiente de velocidade deve estar compreendido entre
700 ( ) e 1100 ( ).
Segundo esses critérios, para a Etapa 1 foi selecionada a Calha Parshall de 1,525
(m) e para a Etapa 2, a de 0,305 (m). Vale ressaltar que, como se deve fazer para todas
as unidades da ETA, as dimensões são abordadas também sob uma ótica construtiva.
Neste sentido, priorizamos as menores dimensões possíveis, desde que estas atendessem
aos critérios necessários.
2.4 Floculadores de Chicanas
As chicanas são dispositivos hidráulicos de floculação. São canais com chicanas
alternadas cuja energia necessária para o processo é advindo, basicamente, da perda de
carga nas seguidas voltas que a água sofre ao percorrê-lo.
Para dimensionamento de sistemas de floculação do tipo chicanas, devem ser
usados os seguintes parâmetros:
Na ausência de estudos, o tempo de floculação deve estar entre 20 e 30
min;
A velocidade de escoamento entre as chicanas deve estar compreendida
entre 0,07 e 0,30 m/s;
A velocidade de escoamento nas voltas deve ser da ordem de 2/3 da
velocidade entre as chicanas de cada trecho considerado;
O espaçamento entre as chicanas deve ser de, no mínimo, 0,6 m no
sistema de escoamento vertical, podendo ser menor no escoamento
horizontal, já que nesse sistema, a profundidade raramente excede 1,5 m;
Para atenuar efeitos de curtos-circuitos, deve ser previsto um
recobrimento mínimo entre as chicanas, principalmente no sistema de
escoamento vertical.
2.2.1. Chicanas Horizontais
Decidiu-se usar 2 floculadores em paralelo, com uma vazão (QF) de 410 L/s
passando em cada um. Adotou-se, por segurança, o tempo máximo de detenção (TF) da
norma, que é de 30 min. O número de câmeras deve estar entre 3 e 5, por a vazão não
ser tão alta será adotado 3 canais de floculação, o que resulta num tempo de detenção de
10 min em cada. Quanto ao gradiente de velocidade (G), escolheu-se 60, 36 e 16 s-1.
O volume de cada câmara é:
V c=QF . T F=410 L
s.10 min.
60 s1min
=246 m ³
Esse volume possui as grandezas de largura (B), profundidade (H) e
comprimento (L). Uma das dimensões deve ser arbitrada, escolheu-se por arbitrar uma
largura de 5 m. Assim, as outras dimensões são:
V C=H . B. L=¿ L . H=V C
B=246
5=¿ L. H=49,2 m ²
Essa dimensão equivale à área lateral de cada floculador. Ainda não se sabe quais
são as dimensões H e L, porém tem-se o produto das duas. Assim, pode-se calcular o
número de canais entre chicanas através da fórmula:
n=0,045.3√(H . L .G
Q )2
. t
Como, em sistemas de escoamento horizontal, dificilmente a profundidade
excede 1,5 m (Di Bernando e Dantas, 2005), estipulou-se essa profundidade (H) como
sendo de 2,5 m. Logo, o comprimento (L) será de 19,7 m. Encontrado o número de
canais, pode-se achar o espaçamento entra as chicanas (e), a velocidade no canal (v1), a
velocidade nas passagens (v2) e a largura das passagens (l). As fórmulas usadas estão a
seguir e os resultados na Tabela:
e= Ln+1
v1= QH . e
v2=23
. v1
l=1,5. e
Tabela: Gradiente de velocidade, número de chicanas, espaçamento entre as
chicanas, largura das passagens, velocidade no canal e velocidade nas passagens.
Canal G (s-1) N e (m) l (m) v1 (m/s) v2 (m/s)
1 60 36 0,53 0,79 0,31 0,21
2 36 26 0,74 1,1 0,22 0,15
3 16 15 1,23 1,85 0,13 0,09
No escoamento horizontal, o espaçamento entre as chicanas pode ser menor que
0,6 m (Di Bernando e Dantas, 2005), perante a isso, considerou-se satisfatório o
espaçamento mínimo de 0,53 m. A velocidade ao longo dos canais (v1), segundo a
norma, deve estar entre 0,1 e 0,3 m/s, o que foi respeitado.
Para impor a turbulência necessária, a largura das passagens (l) deve sobrepor a
anterior em, pelo menos, 0,5 m. Como aqui a largura da chicana é de 5 m, a tolerância
máxima para a abertura é de 2,75 m, o que também foi respeitado.
Deve-se obter agora a extensão média percorrida pela água nos canais (Lp), a
perda de carga nas voltas (ΔHvoltas ) e o gradiente de velocidade médio (Gm ) para cada
canal, a partir das fórmulas abaixo.
Lp=60. v1.T F
ΔH voltas=N . v 1²+( N−1 ) . v 2²
2.g
Gm=√ g . ΔHν .T F
Nas fórmulas acima, adotou-se a aceleração da gravidade (g) como 9,8m/s2e a
viscosidade cinemática da água (ν) como 1,01 x 10-6 m²/s. Os resultados estão
mostrados na Tabela.
Canal LP (m) ΔH voltas (m)
Gm (s-1)
1 186 0,25 642 135 0,09 393 80 0,02 18
A descarga será feita com diâmetro de 150mm, pois esse é o mínimo
especificado pela norma. Como a declividade de fundo deve ser de 1%.
3. Decantadores
a) Dimensionamento do Decantador de escoamento horizontal do tipo convencional
O primeiro passo no dimensionamento dos decantadores é estabelecer o número de decantadores que serão usados na ETA. A norma estabelece que estações de tratamento de água com capacidade superior a 10.000m³/dia devem constar de pelo menos duas unidades iguais. Assim, pela vazão de projeto ser 70848 m³/dia e por questões de flexibilidade, serão utilizadas quatro unidades de decantação.
Em seguida, determina-se a taxa de aplicação dos decantadores, que é determinada em função da velocidade de sedimentação das partículas que devem ser removidas, segundo a relação:
QA
=f . Vs(1)
Onde:
Q= vazão que passa pela unidade, em m³/s
A = área superficial útil da zona de decantação, em m²;
f = fator de área, adimensional;
Quando a realização dos ensaios não é possível, a taxa de aplicação superficial pode ser estimada de acordo com a vazão nos seguintes intervalos:
Q < 1000 m³/d – TAS = 25 m³/ m².dia 1000 m³/d < Q < 10.000 m³/d – TAS = 35 m³/m².dia Q > 10.000 m³/dia – TAS = 40 m³/m².dia
Como a vazão deste projeto se enquadra no último intervalo, a TAS utilizada será de 40 m³/m².dia. Este valor garante o tempo de detenção hidráulica (TDH) mínimo de 2 horas, como é recomendado por Di Bernardo.
Não sendo possível proceder ensaios para se determinar as velocidades de sedimentação, a norma determina as velocidades de sedimentação segundo intervalos da taxa de aplicação superficial
3.1.Cálculo das dimensões do canal de distribuição da água floculada ao decantador
Para os seguintes cálculos foi considerada a ligação entre o floculador de chicana horizontal e o decantador horizontal tipo convencional.
Tem-se que velocidade de saída do floculador (v) = 0,13 m/s
Pela Equação da continuidade:
A=Qv=0,82 m ². s−1
0,13 m /s=6,31 m ²
Adotando-se uma profundidade (h) = 2 m
L (largura do canal) = A/h = 6,3/2 = 3,2 m
3.1.1. Calculo da perda de carga total (ht) no canal, considerando apenas as forças de atrito:
hr= v2
2 g=0,13 ²
19,61=0,000 862245 m
3.1.2. Cálculo do gradiente médio de velocidade no canal:
Gm= y . EnμTm
=¿
3.1.3. Cálculo do canal de distribuição de água floculada em cada unidade com vazão Q = 205 L/s
Segundo as recomendações de Di Bernadoet al, 2005, adotou-se a velocidade média de passagem da água nas comportas (Vm) = 0,25 m/s. Adotou-se quatro (4) comportas.
A vazão em cada comporta é dava por:
Qi=Q4
=0 , 2054
=0,05125 m ³/ s
Logo a área de cada comporta (Ai) será:
Ai= QiVm
=0,051250,25
=0 ,205 m ²
3.1.4. Cálculo do gradiente de velocidade médio na entrada do decantador através das comportas:
G=354∗V m2 .( fRh )
12
Adotando f = 0,02 e Rh= AP
=0 ,2054∗0,3
=0,33 para cada comporta
G=354∗0,252 .( 0,020 ,33 )
12=5,42 s−1
3.2.Dimensionamento do decantador
Considerando os seguintes dados:
Funcionamento continuo, ou seja, de 24 h/d;
Q = 0,82 m³/s;
TAS = 40 m³/m².dia = 46,3x10−3m³/m².s;
É possível calcular a área total dos decantadores, que será:
Adect= 0 , 82
46,3 x 10−3=1771 m2
E a área de cada um deles é dada por:
Adeci=17714
=443 m ²
Adotando-se uma profundidade (H) = 5 m e largura (B) = 12m;
O comprimento (L) será: Adeci
B=443
5=37 m
Logo: Adecli = 443 m²
TDH = Vol./Q = 3 horas
TAS = 40 m³/m².d = 0,0462 cm/s (Vso)
A velocidade de escoamento horizontal (Ve) = Q/A = 0,205/443 = 0,0137 m/s
Está de acordo com a norma, que recomenda Ve<18.Vso.
3.3.Cálculo do gradiente da cortina de distribuição
Área lateral do decantador (A) = 60 m²;
Adotando-se 10 orifícios por m²;
Número de orificios No = 600 orifícios;
Adotando-se 110mm como diâmetro de cada orifício;
Distancia entre os orifícios (So) = ( ANorificios
)1 /2
=( 60600
)1/2
=0 , 316 m;
Vazão por orifícios (Qo) = (0,205
ls)
480=0,0003417 L/ s
;
Área de cara orifício (Ao) = π.D²/4 = 0,0095m²
Velocidade da água através de cada orifício (Vo) = Q
No∗Ao=0 , 14 m ² /s
Gradiente:
¿( doSo )∗(π .
V o3
8.C d2 . Xo )12=( 0,0075 m
0,44 )∗(π .0,1663
8.1,009 .10−6 .0,612 )12=19,4 s−1
Distancia da cortina à entrada do decantador:
Segundo a relação D > 1,5Ha/A
onde A (área da cortina) = 60m ;
a(área total do orifício) = 600*(0,0095) = 5,7m;
H (profundidade do decantador) = 5m;
D ≥1,5∗5
60=0,13 m
3.4.Cálculo das calhas coletoras
Pela norma, a vazão máxima permitida na calha é q = 1,8 L/s.m
Adotando-se q = 1,8L/s.m, tem-se:
Comprimento linear da calha (Lc) = Q/q = 0,205/1,8 = 114 m;
Divide-se em 3 calhas de 9,5 m de comprimento cada. Resultando no total de 12 calhas distribuídas em 4 decantadores.
Profundidade das calhas coletoras:
Segundo a relação:
q=1,3. B . H 1,5
Onde, q = vazão por calha = Q/3 = 0,068 m³/s B = largura da calha = 0,3m (adotado) H = profundidade da calha
Solucionando a equação, H = 4,2m.
3.5.Cálculo da inclinação da zona de descarte
Inclinação da secção transversal (l)% = (1m / 12m).100 = 8,33%
Inclinação da seção longitudinal (l’)% = (1m / 60m).100 = 2%
Foi adotada na norma NBR12216 uma velocidade do raspador de 30 cm/min.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR-12216 - Projeto de
estação de tratamento de água para abastecimento público; procedimento. Rio de Janeiro,
1989. 17p.
DI BERNARDO, L.; DANTAS, A.D. Métodos e técnicas de tratamento de água. São
Carlos: Rima, 2005. 1566 p.
LIBÂNIO, M. Fundamentos de qualidade e tratamento de água. Campinas: Átomo, 2005.
444p.
VIANNA, M.R. Hidráulica Aplicada às Estações de Tratamento de Água. Belo Horizonte;
Imprimatur, 1997. 576p.