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MEMORIAL FINAL DE DIMENSIONAMENTO DE UMA ETA, TRABALHO UNIVERSIDADE
Tipologia: Trabalhos
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Universidade Federal Rural do Semi-Árido – UFERSA Departamento de Ciências Ambientais e Tecnológicas Engenharia Civil Tratamento de Água e Esgoto Profa. Maria Josicleide F. Guedes Evelen Freire Delgado Paiva Josenildo Nunes de Lima Junior Renan Soares Bragança Thales Mendonça da Costa
Mossoró/RN Agosto/
De acordo com a NBR 12216 são adotadas as seguintes definições para fins de melhor compreensão do assunto: Estação de tratamento de água – ETA: Conjunto de unidades destinado a adequar as características da água aos padrões de potabilidade. Unidade de estação de tratamento - Cada um dos elementos da ETA em que certo processo de tratamento se realiza. Tempo de funcionamento: Tempo necessário para que a ETA produza o volume de água demandado em um dia. Etapas de construção: Ampliações sucessivas que podem ser feitas a fim de que a ETA atenda, sem sobrecarga, às demandas impostas pelo consumo. Capacidade nominal: Vazão, em condições normais de funcionamento, para a qual a ETA é projetada. Capacidade máxima: Vazão máxima que a ETA pode produzir, mantido o efluente dentro dos padrões de potabilidade. Capacidade hidráulica: Vazão máxima relacionada com o dimensionamento hidráulico da instalação, independentemente das condições sanitárias. Período de detenção: Relação entre o volume útil, referido a determinada unidade da ETA, e sua vazão. Taxa de aplicação superficial: Relação entre a vazão, referida a determinada unidade da ETA, e a área de sua superfície útil.
Detalhes a serem frisados antes de escolher o local e fazer o dimensionamento: Sempre implantar a ETA o mais próximo permissível do curso d’água e do local de consumo; O ponto de captação precisa estar protegido de assoreamento para que não danifique o funcionamento da bomba; Energia elétrica disponível; Para evitar a sucção de sólido grosseiros necessita a existência de grades; A cota máxima de enchente encontra-se abaixo da cota da ETA, uma vez que na ocorrência de enchentes não aconteça uma paralisação das bombas. Facilidade de acesso e transporte; Custo do terreno e disponibilidade de área para futuras instalações; Devem ser considerados os seguintes tipos de águas naturais para abastecimento público, no caso dessa estação a água é tipo C (águas superficiais provenientes de bacias não protegidas, com características básicas definidas na Tabela 1, e que exijam coagulação para enquadrar-se nos padrões de potabilidade). Tabela 1 - Classificação de águas naturais para abastecimento público
Define-se pelo processo através do qual os coagulantes são adicionados à água, reduzindo as forças que tendem a manter separadas as partículas em suspensão. Os coagulantes são substâncias químicas utilizadas para neutralizar impurezas, fazendo com que estas formem coloides, material em suspensão. Esse processo baseia-se em desestabilizar as partículas suspensas carregadas negativamente, existente na água na forma de coloides. Acrescenta-se na água uma substância carregada positivamente, as partículas contendo suas forças repulsivas extinguidas, por meio do acréscimo do coagulante, as mesmas tendem a se acumular em um volume maior para posterior sedimentação. O coagulante empregado é o sulfato de alumínio [ Al 2 ( SO 4 ) 3 ] extraído da bauxita, mineral abundante e de baixo custo, motivo pelo qual o material foi escolhido. Dispersão do coagulante tem que ser homogênea e rápida, sempre deixando o tempo de mistura muito curto e seu gradiente de velocidade (intensidade da agitação) ser elevado de uma forma que garanta, dentro do tempo da reação, que o coagulante tenha total dispersão na água. O medidor tipo Parshall, ultimamente, é o tipo de medidor mais empregado nas aplicações onde é necessário a medições de vazões em canais abertos, tais como, na captação de águas de rios, no tratamento de água potável e esgotos, ou ainda no lançamento de água industrial tratada para os rios ou rede de esgoto e realizar mistura rápida do coagulante. As dimensões dos medidores Parshall são padronizadas, as dimensões são mostradas abaixo na tabela 2. A dimensão escolhida foi a de 2’.
Tabela 2 - Dimensões do Medidor Parshall (cm) e Vazão com escoamento livre (L/s). No funcionamento da calha Parshall, a água é forçada por uma garganta moderadamente estreita, o nível da água à montante da garganta é o referente da vazão a ser medida, independendo do nível da água à jusante da garganta. O coagulante é lançado na água por meio de uma canaleta furada com vários orifícios e em seguida sucede a dispersão hidráulica no turbulento caminho para o regime de escoamento subcrítico. A vazão é apurada no trecho igual a 2/3 da garganta, veja a figura 1. Figura 1 – Esquema de uma calha Parshall Convencional A câmara de mistura rápida deve
Após da coagulação, a fase subsequente é a floculação, que são unidades empregadas para estimular a aglomeração de partículas constituídas na mistura rápida e nesta etapa, também ocorre produção efetiva de flocos. Tem como importância diminuir o número de partículas suspensas e coloidais existentes na massa líquida. O processo principia-se com as partículas desestabilizadas sendo induzidas a uma movimentação intensa com intuito que as partículas sólidas em suspensão, em ampla quantidade, se choquem e se aglomerem. No decorrer que os flocos se aglutinam, as colisões reduzem, diferente do volume dos flocos tende a aumentar, dessa forma os mesmos não aguentam grandes agitações, sendo assim ocorre um diminuição progressiva da agitação até o final da unidade. O tipo de unidade de floculação utilizada é a hidráulica, que acontece quando a agitação é aferida à massa líquida por meio das mudanças de direção do escoamento. O período de detenção no tanque, que é o tempo que a água escoando permanece no interior da unidade de floculação, e os gradientes de velocidade a serem utilizados necessitam ser definidos por meio de ensaios realizados com a água a ser tratada, não sendo possível resultar aos ensaios propostos a definir o período de detenção adequado, será adotado o valor de 20 a 30min e gradiente de velocidade máximo, no inicial compartimento, de 70 s-1^ e, no mínimo, no último, de 10 s-1, A oscilação é resultada através de chicanas ou outros dispositivos direcionais de fluxo que confiram à água movimento horizontal, vertical ou helicoidal. A intensidade de agitação sucede da resistência hidráulica ao escoamento e é calculada pela perda de carga. A velocidade da água no decorrer dos canais mantem-se entre 10 e 30 cm/s. O espaçamento mínimo entre chicanas deve ser de 0,60 m.
Os decantadores são tanques onde a velocidade da água, após a floculação, sofre uma diminuição para permitir a sedimentação (uso das forças gravitacionais para separar partículas de densidade maior à da água, depositando-as em uma superfície ou zona de armazenamento) dos flocos. Por uma decantação turbulenta ou convencional, o escoamento se concretiza em regime turbulento, com números de Reynolds superior a 2.000. Geralmente têm formato retangular ou circular, totalizam de 60 a 70% da área das unidades integrantes da ETA. O fundo tem declividade de acordo com a forma de remoção do lodo (manual ou hidráulica). Possuem dispositivos na entrada, previstos para melhor distribuição de água (evitando curtos-circuitos) e dispositivos na saída para evitar arraste de flocos. Cortina de distribuição de água é a entrada da água nos decantadores, ela é feita por uma cortina perfurada que tenha o maior número possível de orifícios uniformemente espaçados, segundo a largura e altura útil do decantador, a distância entre os mesmos é igual ou inferior a 0,50 m. Contém orifícios de diâmetro D, espaçados entre si, eixo a eixo, de S, os jatos de água gerados por dois orifícios vizinhos encontrar-se-ão a uma distância x dessa cortina demonstrado na figura 2. Figura 2 – Esquema de uma cortina de distribuição de água
O leito filtrante é formado por areia e antracito, a preferência da dupla camada se objetiva em alcançar uma maior eficiência na filtração, de modo que o antracito tem granulometria maior e densidade menor, conservando as impurezas maiores na parte superior do leito filtrante, aumentando a carreira de filtração. As características do leito filtrante encontram-se nas tabela 3 e 4. Tabela 3 – Características dos materiais filtrantes Tabela 4 – Composição das subcamadas de material filtrante.
Este sistema de tratamento envolve a combinação dos processos físico e químico, por meio dos quais origina a aglutinação dos sólidos totais presentes nas águas poluídas (floculação), a sua ascensão pela insuflação de ar na forma de microbolhas (flotação) e a remoção do lodo pela superfície da água. O processo de flotação é o inverso da sedimentação, onde as partículas são capturadas pelas bolhas de ar, induzidas pelo borbulhamento de gás. Essas bolhas têm densidade menor que a da fase líquida e migram para superfície arrastando as partículas seletivamente aderidas. Devido à grande quantidade de bolhas originadas existe um aumento de contato entre bolhas e partículas, ocasionando uma separação eficiente. O processo de flotação em ETA’s permite que grandes quantidades de água possam ser tratadas em menos, ou mesmo tempo, que em estações convencionais. No tratamento por flotação, o lodo final gerado é removido com mais facilidade que em estruturas convencionais, possibilitando várias opções de destinação final.
A desinfecção é a extinção ou inativação de organismos patogênicos capazes de provocar doenças ou outros organismos indesejáveis. Para efetuar a desinfecção de águas de abastecimento utiliza-se de um agente físico ou químico, o ozônio, e por isso o termo desinfecção é chamado de ozonização. O Ozônio é o mais forte desinfetante e oxidante indicado para o tratamento da água. Seu principal benefício é que não há desenvolvimento de subprodutos além de se auto decompor em oxigênio a sua desvantagem é a curta meia-vida e a baixa solubilidade na água. Na determinação do método a ser empregado na desinfecção, deve ser adotado os seguintes procedimentos iniciais: Exame da qualidade da água a desinfetar e sua variação; Análise de eventuais problemas relativos a odor e sabor após a cloração; Estimativa da temperatura mínima da água; Verificação de PH da água no ponto a ser aplicado o cloro; Avaliação do tempo de contato que se precisa ou que se pode ter; Verificação da demanda de cloro pela água, em diferentes ocasiões; Seleção do método de cloração e realização e ensaios; Fixação do residual de cloro a ser mantido; Previsão da dosagem máxima de cloro e calculo da quantidade; Projeto do sistema de dispersão e mistura do cloro na água; Estudo, especificações e dimensionamento dos aparelhos, equipamentos e instrumentos necessários, inclusive balança e material de segurança. Determinação das reservas de cloro (estoques) a serem mantidas.
O memorial de cálculo, em linhas gerais, é a previsão feita pelos projetistas dos dimensionamentos da ETA a ser construída sempre visando diminuir os custos e facilitar a sua execução. Tem como objetivo orientar aos interessados, como se deu a construção da memória de cálculo, bem como facilitar a análise de especialistas. Como resultados indiretos são esperados: Um planejamento mais eficaz, aproximando o programado do realmente executado, Ampliação da transparência; Propiciar um entendimento fácil e simplificado da programação; Facilitação da elaboração posterior da planilha gerencial financeira; Nos anexos constam as planilhas do qual foi dimensionado toda a ETA, sempre seguindo as recomendações da ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas – (NBR 12216/1992).
O floculador apoiou-se em um tempo de detenção hidráulica (t) igual há 28, minutos, consequentemente dentro do tempo exigido por norma, que é de 20 a 30 minutos, com intensão de minorar o volume, e, consequentemente a área solicitada. Trata-se de um floculador hidráulico de chicanas e escoamento vertical, fragmentou- se em 4 setores de mesmo comprimento, 9 metros e área superficial 92,24m², com 22 chicanas no primeiro canal, no segundo 21 chicanas, no terceiro 20 e no quarto 19 chicanas no canal, obtendo-se assim 82 chicanas de concreto liso, com espaçamentos crescentes a cada setor, o primeiro de 0,5m, o segundo 0,524m, o terceiro 0,55m e o quarto 0,579m, assegurando uma diminuição progressiva do gradiente hidráulico, para que não haja quebra dos flocos formados, se faz necessária essa redução. A utilização dos espaçamentos só é capaz de existir dispositivos que propiciam a retirada das chicanas para limpeza, uma vez que a norma frisa que as mesmas careceriam de ser maior ou igual a 60cm. A altura do floculador de 5,00m foi escolhido pelos projetistas, sendo a largura e o comprimento dimensionados. Os espaçamentos e a largura também foram avaliados para assegurar a velocidade entre as chicanas não excedesse a faixa de 0,10m/s a 0,30m/s. Com essas dimensões estabelecidas obtiveram-se os gradientes de 62,91s-1, 53,66s-1, 45,62s-1^ e 37,92s-1. O fundo do floculador tem declividade de 1% para favorecer a lavagem da unidade, considerando que haja deposição de flocos no decorrer do tempo. Figura 7 – Floculador Hidráulico Vertical
O dimensionamento do decantador inicia-se observando a capacidade da estação de tratamento, no caso sendo superior a 10000 m³/dia, deste modo foram aplicados três decantadores idênticos. Sem dados de laboratório, a velocidade de sedimentação para o cálculo das taxas é de 2,8cm/min (40m³/m².dia) e a velocidade longitudinal máxima é de 0,75cm/s. Uma das características do escoamento que sempre deve ser acatado na entrada do decantador é o gradiente de velocidade, sendo constantemente menor que o da saída do floculador e no máximo 20s-1. O dimensionamento iniciou-se a partir do valor adotado para taxa de escoamento superficial (q=40m³/m².dia) adotando o aconselhado pela NBR 12216 e acatando o tempo de detenção hidráulica igual 2,93h, que é igual a 10575s. A área total de cada decantador é 564 m². Admitindo-se a profundidade de 5m e a largura do decantador igual a 11m, o comprimento será de 33m (arredondando para simplificar a execução). Os decantadores empregados terão 6 calhas cada um, espaçadas em 1,83m para a destinação final da água decantada, estas calhas terão 6,6m de comprimento e terão vazão linear de 3,6L/s/m. O gradiente de velocidade da cortina de destruição de água deu 18,35s-1, dentro da norma que é informa que a máxima é de 20s-1. Figura 8 – Decantador de fluxo horizontal
