associação nacional dos serviços municipais de saneamento

ASSOCIAÇÃO NACIONAL DOS SERVIÇOS MUNICIPAIS DE SANEAMENTO –
ASSEMAE.
35ª ASSEMBLÉIA NACIONAL DA ASSEMAE, 24 A 29 DE JULHO DE 2005,
BELO HORIZONTE-MG.
IX EXPOSIÇÃO DE EXPERIÊNCIAS MUNICIPAIS EM SANEAMENTO
AVALIAÇÃO
DO
COMPORTAMENTO
HIDRÁULICO
DA
UNIDADE
FLOCULAÇÃO DA ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ÁGUA Nº 2 DE
VALINHOS-SP
TEMA I : ABASTECIMENTO DE ÁGUA
(1)Luiz Carlos Alves de Souza
Engenheiro Civil formado pela Universidade São Francisco(Itastiba-SP).
Mestre em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São
Carlos (EESC/USP). É Engenheiro Civil do Departamento de Águas e Esgotos
de Valinhos-SP.
(1) Departamento
de
Águas e
Esgotos de
Valinhos,
Rua
Antonio
Carlos, 251, Centro,
Valinhos-SP,
Fone (0xx19) 38696444,
Fax(0xx19) 38715879, CEP 13.270-005,
Brasil.
E-mail
[email protected]
1
INTRODUÇÃO
Em estações de tratamento de água, as unidades de floculação são de
importância
fundamental
para
o
adequado
tratamento
de
águas
para
abastecimento público. O processo de floculação no qual são formados os flocos,
ocorre com melhor eficiência sob determinadas condições em que havendo
controle de algumas variáveis tais como: gradiente de velocidade médio, tempo de
floculação, dosagem de coagulante, pH de coagulação, entre outros, resulta na
formação de flocos com melhores características de sedimentabilidade, permitindo
que sejam retidos nos decantadores, admitindo-se que a água a ser distribuída
seja tratada em estação tipo convencional (contendo as etapas de floculação,
decantação e filtração como parte do processo de tratamento). O tempo de
floculação não pode ser determinado por método direto, uma vez que, há, de
maneira geral, curto-circuito hidráulico, resultando em valores de tempo que
podem ser muito diferentes do previsto originalmente no projeto da unidade de
floculação. Entretanto, muitas vezes é necessário conhecer o tempo de floculação
para, por exemplo, proceder ensaios em laboratório (ensaios em “jar-test”) com
vistas a determinar as dosagens mais adequadas de coagulante, alcalinizante, e,
eventualmente, de polímeros como auxiliares de floculação. Desta forma, é
importante conhecer qual é o tempo de floculação que deve ser utilizado para
ensaios em “jar-test” que seja compatível com o tempo que ocorre na unidade de
floculação.
MATERIAIS E MÉTODOS
Preliminarmente à realização do teste na ETA com solução traçadora, foi feito
experimento em laboratório utilizando equipamento de “jar-test”. Inicialmente foram
pesadas pequenas quantidades de cal hidratada Ca(OH)2 contendo 1; 2; 3; 4; 5; 6;
7; 8; 9 e 10 mg. A pesagem foi realizada em balança semi-analítica digital.
A água bruta foi coletada na entrada da ETA e nos jarros do “Jar-test” foram
colocados 2L. A temperatura era de 24 ± 1 °C. Em seguida ligou-se o agitador e
fixou-se a rotação de 67 rpm para que fosse aplicado o gradiente de 55 s-1 para a
temperatura do teste. A condutividade da água foi medida com condutivímetro
digital. O valor inicial foi de 59,4 µS/cm. Posteriormente, com o agitador ligado
2
adicionava-se a cal hidratada com as quantidades pesadas em laboratório, até que
se estabelecesse diferença perceptível e facilmente mensurável entre a
condutividade inicial da água bruta (sem adição de qualquer produto químico) e a
condutividade final com a adição da cal hidratada. O valor final obtido foi 110,3
µS/cm com a dosagem de 49 mg de cal hidratada em 2L de água, resultando
desta forma, na concentração de 24,5 mg/L de cal hidratada.
TESTE COM SOLUÇÃO TRAÇADORA NA ETA
3
O volume total das câmaras de floculação da ETA é de 300 m . Assim, para que
houvesse sensibilidade no teste, utilizando solução traçadora à base de cal
hidratada, foi necessário dosar, de acordo com o teste feito no “jar-test”, 24,5
mg/L de cal hidratada na água afluente às câmaras de floculação. O peso da cal
utilizada para esse teste foi de 300.000 L x 24,5 mg/L x 10-6 = 7,351 kg. A cal foi
diluída em 25L de água e a suspensão foi adicionada instantaneamente, ou seja, a
aplicação foi do tipo pulso.
Para o teste, a vazão da ETA foi mantida em 170 L/s e nenhum produto químico
foi dosado.
A condutividade foi medida na saída de uma das duas últimas
câmaras de floculação, na saída para o canal de acesso ao decantador. As
descargas de fundo dos decantadores foram abertas, bem como a filtração foi
paralisada.
O teste foi realizado à noite, durante horário de baixo consumo de água, e com os
reservatórios cheios. A rotação dos agitadores dos floculadores foi mantida a
mesma da operação normal da ETA.
A partir do instante da aplicação da solução traçadora, marcou-se o tempo com
cronômetro digital, e a cada intervalo de 2 minutos, foi medida a condutividade. A
Figura - 1 apresenta, de forma simplificada, os pontos de aplicação da solução
traçadora e de medição da condutividade no teste feito na ETA.
Os resultados apresentados a seguir na Tabela 1, sugerem que para a correta
avaliação da eficiência da floculação, é de fundamental importância verificar as
condições hidráulicas da unidade de floculação, que permitam caracterizar as
prováveis interferências causadas por curtos-circuitos hidráulicos, que geralmente,
reduzem o tempo teórico de floculação, e, em muitas situações, podem induzir a
erros na avaliação do mesmo, com conseqüentes equívocos na realização e
3
interpretação dos resultados provenientes de ensaios realizados em “jar-test”,
quando estes têm por finalidade avaliar as condições operacionais das unidades
de floculação da ETA.
Com os dados medidos no teste (Tabela –1) foram procedidos os cálculos cujo
equacionamento é apresentado em seguida. Os resultados também foram
agrupados na Tabela –1 para facilitar a interpretação dos resultados.
Ponto de aplicação da solução traçadora
entrada do decantador
Q --->
3
V = 75 m
1ª câmara de floculação
3
V = 75 m
3ª câmara de floculação
decantador
Q2
Q
Q
Q2
3
V = 75 m
2ª câmara de floculação
3
V = 75 m
3ª câmara de floculação
ponto de medição
da condutividade
decantador
canal de água coagulada
Figura 1 – Esquema da unidade de floculação e pontos utilizados para teste com
traçador na ETA.
4
TABELA 1 – Teste com traçador nas câmaras de floculação c/ suspensão de cal
hidratada. Teste com aplicação tipo pulso na entrada da primeira câmara de
floculação. Condutividade (µS/cm) medida na saída das últimas câmaras de
floculação.
t
(min)
0
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
29
31
33
35
37
39
41
43
45
47
49
51
53
55
57
59
61
63
FLOC A
COND
(µS/cm)
63
63
83
98
110
121
126
132
132
131
128
123
117
112
107
102
97
93
89
85
81
79
77
74
72
70
69
68
67
66
65
63
64
t/To
0,00
0,04
0,11
0,18
0,25
0,32
0,39
0,46
0,53
0,60
0,67
0,74
0,81
0,88
0,95
1,02
1,09
1,16
1,23
1,30
1,37
1,44
1,51
1,58
1,65
1,73
1,80
1,87
1,94
2,01
2,08
2,15
2,22
F(t)
0,00
0,00
0,02
0,06
0,11
0,17
0,24
0,31
0,38
0,45
0,52
0,58
0,64
0,69
0,74
0,78
0,82
0,85
0,88
0,90
0,92
0,93
0,95
0,96
0,97
0,98
0,98
0,99
0,99
1,00
1,00
1,00
1,00
1-F(t)
1,00
1,00
0,98
0,94
0,89
0,83
0,76
0,69
0,62
0,55
0,48
0,42
0,36
0,31
0,26
0,22
0,18
0,15
0,12
0,10
0,08
0,07
0,05
0,04
0,03
0,02
0,02
0,01
0,01
0,00
0,00
0,00
0,00
COND/COND
Acumulada
0,00
0,00
20,00
55,00
102,00
160,00
223,00
292,00
361,00
429,00
494,00
554,00
608,00
657,00
701,00
740,00
774,00
804,00
830,00
852,00
870,00
886,00
900,00
911,00
920,00
927,00
933,00
938,00
942,00
945,00
947,00
947,00
948,00
COND.- COND.
t
Incial
(min)
(µS/cm)
0
0
20
35
47
58
63
69
69
68
65
60
54
49
44
39
34
30
26
22
18
16
14
11
9
7
6
5
4
3
2
0
1
Somatória 948
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
42
44
46
48
50
52
54
56
58
60
62
64
FLOC B
COND
(µS/cm)
67
67
84
98
109
117
122
125
125
124
121
119
113
109
106
101
97
94
89
86
82
81
78
76
73
73
71
70
68
67
67
65
64
FLOC A e FLOC B: duas últimas câmaras da unidade de floculação as quais
operam em paralelo.
5
RESULTADOS
A seguir são apresentados os resultados do teste com aplicação da suspensão de
cal (traçador) aplicada na forma de pulso na entrada da unidade de floculação.
140
130
condutividade (µS/cm)
120
110
100
90
80
70
60
50
0
10
20
30
40
50
60
tempo (min)
FIGURA 2 – Teste com solução traçadora nas câmaras de floculação para
determinação do tempo de médio de floculação – condutividade em função do
tempo de floculação.
80
Condutividade - Condutividade Inicial (µS/cm)
70
60
50
40
30
20
10
0
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
t/to
FIGURA 3 - Condutividade em função da relação tempo / tempo total t/To –
solução traçadora com aplicação tipo pulso.
6
1-F(t)
1,00
0,10
0,01
0
0,5
1
1,5
2
t/to
FIGURA 4 – Fração de condutividade remanescente em função da relação t/To
1,00
0,90
0,80
0,70
(C/Co)
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
(t/to)
FIGURA 5 – Relação F(T) em função de t/To
7
Os resultados apresentados na Tabela 1 foram calculados de acordo com o
seguinte, para as medições realizadas na saída da câmara de floculação “FLOC A”
:
t
Equação 1
T 0
em que:
t : tempo no qual foi medida a condutividade;
T0 : tempo total do teste
n
1
−
F ( t )
=
∑
C
∑
C
1 = 1
m
i = 1
i
Equação 2
i
em que :
1 – F(t) : fração correspondente do traçador no tempo t;
Ci : condutividade do traçador no tempo i;
m : número de amostras coletadas durante o teste.
− tg α =
0 , 434
(1 − p )(1 − m
)
Equação 3
em que :
m : fração correspondente a zonas mortas;
(1-p)(1-m) : fração de escoamento do tipo mistura completa;
p(1-m) : fração correspondente ao escoamento tipo pistão
Para o teste em questão foram obtidos os seguintes resultados:
Da Figura 3 a fração de escoamento tipo pistão p(1-m) resultou 0,67
tg α =
Log (1) − Log (0 ,1)
= 1,562
1,31 − 0 ,67
8
( 1 − p )( 1 − m ) =
0 , 434
= 0 , 28
1,562
que corresponde a fração de escoamento tipo
mistura completa.
A fração relativa às zonas mortas resultou m = 0,05
Para vazão de 170 L/s o tempo (em minutos) médio teórico de floculação Td
resultou em :
Td =
75 × 2
0,170x60
+
75
= 29,4min
 0,170 

 x60
2


CONCLUSÕES
Considerando-se que a fração de escoamento tipo pistão resultou em 0,67, (67%)
para realizar ensaios em “jar-test”, deve ser
utilizado o tempo de floculação
equivalente a 0,67 x 29,4 igual a 19,69 min. O tempo total de floculação de 20
minutos pode ser adotado, por questão de facilidade, para os ensaios em “jar-test”
para avaliação do desempenho da ETA, tratando 170 L/s. Para “simular” no “jartest” as condições para tratar, por exemplo, 200 L/s, o tempo total de floculação
utilizado deve ser de 16 minutos.
No teste com traçador ficou demonstrado que a fração de escoamento tipo pistão
resultou em 67%, e, 5% a fração relativa às zonas mortas na unidade de
floculação. O equacionamento apresentado foi o mesmo utilizado por PÁDUA et al
(1998), em método proposto para reprodução das condições de floculação de
estações de tratamento de água em “jar-test”.
Os resultados obtidos demonstram que a fração de escoamento tipo pistão de
67%, e a fração relativa às zonas mortas de 5% estão próximas às obtidas por
PÁDUA et al (1998), 70% e 4%, respectivamente. A alteração feita no presente
trabalho foi que, em vez de se utilizar cloreto de sódio como traçador, aplicou-se
solução de hidróxido de cálcio, uma vez que este produto é utilizado na ETA como
alcalinizante para correção do pH de coagulação.
Os dados obtidos através dos testes com solução traçadora sugerem que o tempo
teórico é, aproximadamente, 50% maior que o verificado em condições reais, se
9
for considerado o escoamento tipo pistão. Deve-se considerar que o ensaio em
“jar-test” deve ser realizado com o tempo equivalente ao escoamento tipo pistão
na unidade de floculação, pois neste caso, não há entrada ou saída de água nos
reatores do equipamento, condição esta muito diferente da que ocorre na unidade
floculação, onde o escoamento, obviamente, é contínuo. Portanto, para realização
de ensaios em “jar-test”, é fundamental que seja conhecido o tempo real de
floculação — relativo ao escoamento tipo pistão — nas câmaras de floculação das
ETAs que, de maneira geral, é menor que o tempo teórico obtido simplesmente
pela relação V/Q (volume / vazão).
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION AWWA (1990) – Water Quality and
th
Treatment – A Handbook of Community Water Supplies, 4 edition, USA, Mcgraw-
Hill.
DI BERNARDO, L. (1993) - Métodos e Técnicas de Tratamento de Água, vols. 1 e
2. ABES, Rio de Janeiro.
DI BERNARDO, L., PÁDUA, V. L., MOREIRA, A.M.R. (1998) Metodologia para la
Reproducion de Las Condiciones de floculacion en Jar Test, XXVI Congreso
Interamericano de Inginiera Sanitária Y Ambiental, Lima, Peru.
HORVÁTH, I. (1994) - Hydraulics in Water and Wastewater Treatment Technology.
John Wiley & Sons, 319p, UK.
REYNOLDS, T. D (1982) Unit Operations and Processes in Invironmental
Engineering, 576p. PWS Publishers.
SOUZA, L. C. A. (2003)— Aumento da capacidade da Estação de Tratamento de
Água nº 2 de Valinhos-SP, utilizando polímero natural como auxiliar de floculação.
São Carlos, 253p. Dissertação de Mestrado — Escola de Engenharia de São
Carlos da Universidade de São Paulo.
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