Câmara de Mistura Rápida Hidráulica

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CAPÍTULO 7 
ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ÁGUA 
CÂMARA DE MISTURA RÁPIDA HIDRÁULICA 
Texto 1 
 
7.1 Generalidades 
Para que possa ser consumida, sem apresentar riscos à saúde, ou seja, tornar-se potável, a 
água tem que ser tratada, limpa e descontaminada. O tratamento da água é feito em locais 
denominado Estação de Tratamento de Água – ETA. 
A qualidade da água tratada depende do seu uso. Geralmente, o tratamento de água 
requer altos investimentos, tanto na construção, quanto na operação e manutenção das estações 
de tratamento de água. 
Existem várias concepções de Estações de Tratamento de Água. Estas concepções podem 
estar voltadas ao tratamento ou a qualidade da água bruta (manancial). As mais comuns são: 
filtração lenta; filtração em linha; filtração direta e tratamento convencional. 
 
7.1.1 Concepção da Estação de Tratamento de Água – ETA em função da qualidade 
da água bruta para os casos de mananciais de classe 1. 
 
 A escolha do tipo de tratamento de água está diretamente relacionada as 
características da água bruta como turbidez, cor verdadeira (real) e quantidades de algas. 
A tabela 7.1 mostra alguns tipos de tratamento em função da característica da água bruta. 
 
Tabela 7.1: Tratamento de Água em função das características da água bruta. 
Características 
da água bruta
Filtração Direta Filtração em 
Linha
Turbidez (UNT) 50
(15)
25
(5)
Cor real (UC) 50
(Cor aparente < 
20)
25
(Cor aparente < 
15)
Densidade Algal
(UPA/mL)
1000
(500)
500
(100)
Características 
da água bruta
Filtração Direta Filtração em 
Linha
Turbidez (UNT) 50
(15)
25
(5)
Cor real (UC) 50
(Cor aparente < 
20)
25
(Cor aparente < 
15)
Densidade Algal
(UPA/mL)
1000
(500)
500
(100)
Características 
da água bruta
Características 
da água bruta
Filtração DiretaFiltração Direta Filtração em 
Linha
Filtração em 
Linha
Turbidez (UNT)Turbidez (UNT) 50
(15)
50
(15)
25
(5)
25
(5)
Cor real (UC)Cor real (UC) 50
(Cor aparente < 
20)
50
(Cor aparente < 
20)
25
(Cor aparente < 
15)
25
(Cor aparente < 
15)
Densidade Algal
(UPA/mL)
Densidade Algal
(UPA/mL)
1000
(500)
1000
(500)
500
(100)
500
(100)
7.1.2 Concepção da Estação de Tratamento de Água – ETA com relação ao 
tratamento. 
 
A Concepção da Estação de tratamento de água com relação ao tratamento está 
mostrado na Figura 7.2. 
 
Figura 7.2: Concepção de ETA com relação ao tratamento. 
 
 
7.1.3 Sistema de tratamento de Água Convencional 
 
 A Estação de Tratamento de Água Convencional é composta das seguintes etapas de 
tratamento (Figura 7.2). 
 
Figura 7.2: Fluxograma de uma Estação de Tratamento de Água –ETA Convencional 
Água Bruta
Pré-tratamento Coagulação Coagulação Coagulação
Filtração Lenta Filtração Pré-floculação Floculação
Desinfecção
Fluoretação
Correção de pH
Filtração
Sedimentação
Filtração
Desinfecção
Fluoretação
Correção de pH
Desinfecção
Fluoretação
Correção de pH
Desinfecção
Fluoretação
Correção de pH
Filtração Lenta Filtração em 
Linha
Filtração Direta Tratamento 
Completo
Água Bruta
Pré-tratamento Coagulação Coagulação Coagulação
Filtração Lenta Filtração Pré-floculação Floculação
Desinfecção
Fluoretação
Correção de pH
Filtração
Sedimentação
Filtração
Desinfecção
Fluoretação
Correção de pH
Desinfecção
Fluoretação
Correção de pH
Desinfecção
Fluoretação
Correção de pH
Água Bruta
Pré-tratamento Coagulação Coagulação Coagulação
Filtração Lenta Filtração Pré-floculação Floculação
Desinfecção
Fluoretação
Correção de pH
Filtração
Sedimentação
Filtração
Desinfecção
Fluoretação
Correção de pH
Desinfecção
Fluoretação
Correção de pH
Desinfecção
Fluoretação
Correção de pH
Filtração Lenta Filtração em 
Linha
Filtração Direta Tratamento 
Completo
Descrição das Etapas de Tratamento: 
 
Coagulação 
Processo através do qual os coagulantes são adicionados à água, reduzindo as 
forças que tendem a manter separadas as partículas em suspensão. Nessa etapa a 
água chega em grande turbulência possibilitando a reação instantânea entre as 
impurezas em suspensão e a aplicação de produtos químicos formando os 
coágulos. 
Produtos químicos usados: Cal Hidratada, Sulfato de Alumínio, Cloreto Férrico. 
 
Remoção de Odor e Sabor 
Para remover substância que produzem odor e sabor desagradáveis na água é 
aplicado o carvão ativado. 
 
Floculação 
Aglomeração das partículas por efeito de transporte de fluido, de modo a formar 
partículas de maior tamanho que possam sedimentar por gravidade. Nessa etapa a 
velocidade da água torna-se lenta possibilitando a aglutinação dos coágulos 
formando flocos. 
 
Decantação 
A água passa lentamente, sem ser agitada, em tanques de decantação ou 
decantadores, onde os flocos pesados chegam ao fundo, formando uma camada de 
material sedimentado ou lodo, descartado periodicamente. Este processo permite 
uma melhora da aparência e da qualidade sanitária da água, pois os sólidos 
suspensos sedimentam juntamente com outros detritos. 
 
Flotação 
Este processo substitui a decantação. Neste processo os flocos são levados a 
superfície do tanque através da introdução de ar pelo fundo do tanque, formando 
uma camada de lodo que é retirado através de raspadores mecanizados. É muito 
eficiente na remoção de algas. 
 
 
Filtração 
A água passa por um sistema de filtros, constituídos por diversas camadas de 
pedregulhos, areia e carvão antracito para reter as partículas que não decantaram, 
permitindo que a água se torne límpida. 
 
Desinfecção ou Cloração 
A aplicação do cloro assegura a qualidade da água, sendo realizada em quantidade 
suficiente para eliminar microorganismos (bactérias, vírus) eventualmente 
presentes, e se manter nos reservatórios e redes de distribuição impedindo 
qualquer contaminação. Produtos químicos usados: Cloro Gasoso, Hipoclorito de 
Sódio. 
 
Fluoretação 
O flúor é aplicado por determinação do Ministério da Saúde para prevenir a 
incidência de cárie. As quantidades aplicadas são estabelecidas através da Portaria 
36. Produtos químicos usados: Fluossicato de Sódio, Fluoreto de Cálcio, Ácido 
Fluossílico. 
 
Fosfatização 
A adição de ortopolifosfato impede a formação da água vermelha ou preta e a 
incrustação das redes de ferro, removendo as já existentes. O produto é à base de 
fósforo, mineral presente em muitos alimentos. A quantidade de Fósforo 
apresentada em 2.200 litros de água é o equivalente à encontrada e um litro de 
leite. 
 
Correção de Acidez 
Como os processos anteriores ocorreram em meio ácido é necessário fazer a 
correção desta acidez. Isto é obtido com a aplicação de cal hidratada, passando a 
água a ter um pH neutro e um sabor agradável. 
 
Controle de Qualidade 
As estações de tratamento de água funcionam durante 24 horas do dia. Por esse 
motivo, o controle de qualidade da água produzida é realizado de hora em hora, 
através de análises físico-químicas, que apontam se a água distribuída está dentro 
do padrão de potabilidade exigido pelo Ministério da Saúde (Portaria 518/2004). 
 
7.2 UNIDADES DA ESTAÇÃO DE TRATAMENTO CONVENCIONAL: DEFINIÇÃO, 
PARÂMETROS DE PROJETO E DIMENSIONAMENTO. 
 
7.2.1 MEDIDORES DE VAZÃO 
 
A medição de vazão de fluidos sempre esteve presente na era da modernidade. Não 
precisamos ir muito longe. O hidrômetro de uma residência, o marcador de uma bomba de 
combustível são exemplos comuns. Em muitos processos industriais,ela é uma necessidade 
imperiosa, sem a qual dificilmente poderiam ser controlados ou operados de forma segura e 
eficiente. 
Na História, grandes nomes marcaram suas contribuições. Provavelmente, a primeira foi 
dada por Leonardo da Vinci que, em 1502, observou que a quantidade de água por unidade de 
tempo que escoava em um rio era a mesma em qualquer parte, independente da largura, 
profundidade, inclinação e outros. Mas, o desenvolvimento de dispositivos práticos só foi 
possível com o surgimento da era industrial e o trabalho de pesquisadores como Bernoulli, Pitot 
e outros. Existe uma variedade de tipos de medidores de vazão, simples e sofisticados, para as 
mais diversas aplicações. O tipo a usar sempre irá depender do fluido, do seu estado físico 
(líquido ou gás), das características de precisão e confiabilidade desejadas e outros fatores. Em 
sistemas públicos de tratamento de água o mais utilizado a o medidor Parshall. 
 
7.2.1.1 Calha Parshall: 
 
Histórico: 
A calha Parshall foi inventada por Ralph Leroy Parshall (1881-1960), que era Engenheiro 
e professor da Colorado State University, entre (1922-1925). Com base nos estudos de Venturi, 
inventou um revolucionário medidor de vazões no campo da irrigação, que passou a ser 
denominado de Calha Parshall. Este medidor foi desenvolvido para o United States Bureau of 
Reclamation, e teve publicado suas dimensões padronizadas, pela primeira vez, pelo Bureau of 
Reclamation do U.S. department of the Interior, no Water Measurement Manual. O sucesso de 
seu invento aumentou sua bolsa de estudos, enquanto era professor no Colorado Agricultural and 
Mechanical College. O College of Engineering e o seu filho, Maxwell Parshall, criaram um 
fundo (1982) para distribuir bolsas de estudos em sua memória e, assim prêmios de 
reconhecimento são distribuídos para alunos de nível classificados como excelente no 
Department of Civil Engineering. 
 
Funcionamento: 
A calha tem o formato de um canal sendo que na montante as laterais vão se afunilando, 
ou seja, em seu meio possui uma parte mais estreita, esta faz com que o curso do líquido seja 
estrangulado, após este estrangulamento existe um pescoço e dentro do pescoço um leve declivo 
fazendo com que o líquido ganhe velocidade, assim o estrangulamento não influi, ou “não 
obstrui” o fluxo do canal. O estreitamento na montante faz com que o fluido tenha um pequeno 
acumulo, sendo que após a passagem pelo pescoço, na jusante a calha volta a alargar, 
Fixado na calha, ainda na montante, existe uma escala com graduação bem visível o usuário lê o 
acumulo do liquido através da graduação, olha na tabela de vazão e tem a vazão instantânea 
naquele momento. 
 
A medição acontece em conduto livre, onde o regime fluvial da vazão é submetido a um 
regime crítico, obtendo-se uma relação entre a altura do fluído na calha e a vazão, ou seja, para 
uma altura X haverá uma vazão Y, a profundidade está diretamente ligada à vazão (Figuras 7.3 e 
7.4). 
 
 
 
Figura 7.3: Desenho da calha Parshall em planta e perfil. 
 
 
Figura 7.4. Fotos de calha Parshall fabricadas em fibra de vidro. 
 
Dimensionamento da Calha Parshall como medidor de vazão: 
 
O dimensionamento é feito através da largura da seção estrangulada, chamada de 
garganta (W), que varia de 1" à 12’, e da vazão mínima e máxima que mesma será submetida. 
Para o dimensionamento da Calha Parshall utiliza-se as Tabelas 1, 2 e 3. As dimensões da calha 
Parshall são definidas com letras (Figura 7.3), determinadas conforme a largura da garganta W. 
 
Tabela 1: Determinação da largura da garganta - W 
 
 
 
Tabela 2 – Determinação dos coeficientes k e n. 
 
Tabela 3: Dimensões da Calha Parshall. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Na Figura 7.5 estão demonstradas todos as dimensões da calha Parshall. 
 
Figura 7.5 Desenho da Calha Parshall em planta e perfil. 
 
Onde: 
H0 = altura da lâmina de água no ponto de medição; 
h1 = altura da lâmina de água no final da declividade; 
h2 = altura da lâmina de água no ressalto hidráulico; 
h3 = altura da lâmina de água, após o ressalto; 
hf ou hp = perda de carga; 
k = diferença de cota; 
D = largura do canal antes da calha; 
D’ = largura do canal no ponto de medição; 
W = largura da garganta; 
C = largura do canal após a garganta; 
B = comprimento da seção convergente; 
F = comprimento da garganta; 
G’ = comprimento da seção divergente; 
 
 
 
 
Etapas do dimensionamento: 
 
1. Determinação da vazão máxima: 
usodaETA
KqP
Q 


86400
1
 (L/s) 
 
2. Determinação da largura da garganta (W) através da Tabela 1. 
 
 
 
3. Determinação dos coeficientes n e k em função do W escolhido, através da Tabela 2. 
 
 
 
4. Determinação das dimensões da calha Parshall, em função do W, através da Tabela 3 
 
 
5. Cálculo da altura da lâmina líquida na seção de medição de vazão (H0). 
n
k
Q
H
1
0 






(m) Sendo: Q= vazão em m
3
/s. 
 
 
6. Cálculo da largura da calha Parshall na seção de medição de vazão (D’). 
WWDD  )(
3
2
'
(m) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7.2.2 CÂMARA DE MISTURA RÁPIDA 
 
Introdução 
O coagulante deve ser aplicado em pontos de grande turbulência para que ocorra uma 
dispersão homogenia em toda massa líquida, e o tempo para a dispersão deve ser mínimo, uma 
vez que as reações de hidrólise e polimerização são praticamente instantâneas. O local onde se 
realiza a adição do coagulante à água bruta denomina-se câmara de mistura rápida. 
 
Tempo e Intensidade de Mistura 
 Hidraulicamente a maneira mais eficiente de se conseguir uma distribuição rápida e 
homogênea de uma substância em uma massa de água é através de uma mistura turbulenta 
adequada às condições do reservatório. E uma das maneiras de se calcular a eficiência desta 
mistura é através da determinação do gradiente de velocidade G (s
-1
), que pode ser calculado 
pela expressão: 
 
V
P
G



 
Onde: 
P é a potencia dissipada em função da perda de carga hf ou hp (kgf.m/s); V é o volume de 
deslocamento da água (m
3); μ é a viscosidade absoluta ou dinâmica (kgf.s/m2). 
 
Mas, 
 
phQP  
 e 
t
V
Q 
 
 
Sendo: 
γ = peso específico (kgf/m3); Q = Vazão (m3/s); V = Volume (m3); t = tempo de detenção (s). 
Logo, 
 
t
hp
G




 , em s
-1 
 
 Para as câmaras de mistura rápida, a literatura recomenda que se trabalhe com gradientes 
mínimos entre 700 e 1000 s
-1
 com tempos de detenção (mistura) inferiores a 1 segundo (se 
possível t = 0,5 s). 
 
Tipos de Misturadores Rápidos 
 Hidráulicos 
 Mecânicos 
 
 
7.2.2.1. Câmara de Mistura Rápida Hidráulica 
 
 Os dispositivos hidráulicos para a mistura rápida utilizam o fenômeno denominado 
ressalto hidráulico como elemento de dispersão. 
O ressalto hidráulico é uma elevação da superfície livre da corrente líquida que ocorre na 
passagem do regime supercrítico ou rápido para o subcrítico ou tranqüilo. 
 Um dos dispositivos hidráulicos muito utilizado em ETAs é a Calha Parshall. 
 
A condição de que o ressalto hidráulico produz uma dissipação de energia bastante 
significativa aliada ao fato de que o estreitamento da garganta do Parshall favorece a uma 
distribuição mais homogênea do coagulante, são indicadores de que um Parshall seja uma boa 
estrutura para funcionamento como unidade de mistura rápida. 
Para que um Parshall seja eficiente deve-se projetá-lo de modo a que o ressalto ocorra 
imediatamente à jusante de sua garganta, queo nível da água no canal a jusante esteja à altura da 
soleira da seção convergente à garganta do medidor, empregar velocidades através desta 
garganta não inferiores a 2,0m/s e perda de carga total superior a 0,25m. Estas condições são 
recomendadas para que sejam obtidos bons gradientes de velocidade (> 1000s
-1
) com tempos de 
detenção adequados. A literatura recomenda que o gradiente de velocidade mínimo deve estar 
entre 700 e 1000 s
-1
 e o tempo de detenção menor ou igual a 1 segundo (ideal 0,5 segundos). 
 
 
 
 
 
 
Etapas do dimensionamento: 
 
Dimensionamento da Unidade – Calha Parshall 
 O dimensionamento da Calha Parshall como misturador rápido é dividido em duas 
partes: Na primeira, faz-se o dimensionamento da Calha Parshall como demonstrado no item 
7.2.1.2. e na segunda faz-se a verificação da Calha Parshall como misturador rápido. 
 
 
 Dimensionamento da Calha Parshall. 
 
1. Determinação da vazão máxima: 
usodaETA
KqP
Q 


86400
1
 (L/s) 
 
2. Determinação da largura da garganta (W) através da Tabela 1. 
 
 
 
3. Determinação dos coeficientes n e k em função do W escolhido, através da Tabela 2. 
 
 
 
4. Determinação das dimensões da calha Parshall, em função do W, através da Tabela 3 
 
 
5. Cálculo da altura da lâmina líquida na seção de medição de vazão (H0). 
n
k
Q
H
1
0 






(m) Sendo: Q= vazão em m
3
/s. 
 
 
6. Cálculo da largura da calha Parshall na seção de medição de vazão (D’). 
WWDD  )(
3
2
'
(m) 
 
 
Verificação da calha Parshall como misturador rápido: 
 
7. Cálculo da Velocidade na Secção de Medida (v0) 
 
aHD
Q
A
Q
v
'.
0 
(m/s) 
 
 
 
8. Cálculo da vazão específica na garganta da Parshall. 
 
W
Q
q 
 
 
 
 
9. Cálculo da Energia Total Disponível 
 
N
g
V
HEa 
.2
2
0
0
 
 
 
 
10. Cálculo da Velocidade da água no início do ressalto (quase no ressalto) 
 
 







3
cos
3
2
2 01
gE
v
 
 
Cálculo do Ângulo Fictício  
 
 
2
3
0 )
3
2
(
)cos(
Eg
qg



 
 
 
 
11. Cálculo da Altura de água no início do Ressalto 
 
1
1
v
q
H 
 (m) 
 
 
 
12. Cálculo do Número de Froude. 
 
1
1
1
hg
v
Fr


 
 
 
 
 
13. Cálculo da altura conjugada do ressalto 
 
 
 1.81.
2
2
1
1
2  rF
H
H
 
 
 
 
 
14. Cálculo da velocidade no ressalto. 
 
2
2
HW
Q
v


(m/s) 
 
 
 
 
15. Cálculo da Profundidade no Final do Trecho Divergente (altura na saída). 
 
 
KNHH  23
 
 
 
 
 
16. Cálculo da velocidade na saída do trecho divergente (velocidade na saída). 
 
CH
Q
A
Q
v


3
3
 
 
 
 
 
17. Velocidade média entre o ressalto e a saída do trecho divergente. 
 
2
32 vvvm


 
 
 
 
 
 
 
18. Cálculo do tempo de detenção médio no trecho divergente 
 
m
h
V
G
t
'

 (s) 
 
 
 
19. Cálculo da Perda de Carga no Ressalto Hidráulico 
 
 
  3030 HKHhfhfHKH 
 
 
 
 
 
20. Cálculo do Gradiente de Velocidade 
 
ht
hf
G




 
 
Sendo: 
γ = peso específico (kgf/m3)---- Água: γ = 1000 kgf/m3; hp = hf = perda de carga (m); th = tempo 
de detenção (s); μ = é a viscosidade absoluta ou dinâmica (kgf.s/m2). 
Temperatura μ 
(kgf.s/m2)x10
-4 
Temperatura μ 
 (kgf.s/m2)x10
-4
 
0 
10 
15 
20 
30 
40 
1,791 
1,308 
1,114 
1,007 
0,799 
0,653 
50 
60 
70 
80 
90 
100 
0,549 
0,469 
0,407 
0,357 
0,317 
0,284 
 
 
Dimensionamento do Canal de Água Coagulada 
 
Adota-se a velocidade do canal entre 0,6 e 2,0 m/s e a altura do canal entre 0,5 e 
1,5 m. 
 
1. Cálculo da Largura do Canal 
 
hv
Q
B
c .

 
 
 
2. Cálculo do Raio Hidráulico 
 
 hB
hB
RH
.2
.


 
 
 
3. Cálculo da Perda de Carga Unitária 
 
21321 jRA
n
Q H 
 2
32 










HRA
nQ
j
 
 
 
 
4. Cálculo do Gradiente de Velocidade 
 

 jv
G c


 
 
Adotando: T = 18
o
C -- =1,04x10-4kgf.s/m2; =1000 kgf/m
3
 
 
 
 
 
Obs: O gradiente de velocidade no canal de água coagulada deve ser maior do que 
100 s
-1
. Caso contrário deve-se alterar os valores da altura e velocidade inicialmente 
adotados.