Decantação ou Sedimentação

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142 
 
CAPÍTULO 7 
ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ÁGUA 
DECANTAÇÃO OU SEDIMENTAÇÃO 
Texto 07 
 
 INTRODUÇÃO 
 
O processo de sedimentação para a remoção de partículas sólidas em suspensão é 
um dos mais comuns no tratamento de água. Consiste na utilização das forças 
gravitacionais para separar partículas de densidade superior a da água, depositando-as em 
uma superfície ou zona. Ou seja, na sedimentação se verifica a deposição de matéria em 
suspensão, pela ação da gravidade. Este processo consiste em tornar as águas que carregam 
materiais em suspensão, mais lentos, provocando a sedimentação. Isso ocorre nos 
decantadores ou sedimentadores que são geralmente tanques retangulares com pontos de 
descarga. 
Em estações de tratamento de água convencionais os decantadores são horizontais 
simples que tem boa profundidade e volume, que retém a água por longo tempo, 
favorecendo a deposição dos flocos. Em algumas cidades podem-se observar decantadores 
verticais que tem um menor tempo de retenção da água, porem são necessários 
equipamentos como módulos tubulares que dificultam a saída dos flocos. 
As partículas que não são removidas na sedimentação, seja por seu pequeno 
tamanho ou por serem muito próxima a da água, deverão ser removidas por filtração. 
 
TEORIA DA SEDIMENTAÇÃO 
 
 Partículas discretas: são partículas que não mudam de tamanho, forma ou 
densidade durante o processo. 
 
 Partículas floculentas: podem apresentar-se aglomeradas e não mantém constantes 
suas características físicas. 
 
143 
 
A teoria da sedimentação admite a presença de partículas discretas, as quais, quando 
liberadas em um líquido de menor densidade, tem sua velocidade de sedimentação 
acelerada sob a ação da gravidade, agindo sobre ela, inicialmente, o peso aparente. 
 
 E - empuxo 
Pa 
 
 P - peso 
 
Por sua vez, o liquido age sob a partícula com uma força oposta ao seu peso 
aparente, chamada força de atrito ou de arraste que pode ser expressa por: 
2
2
1
SD VACFa
 
CD = coeficiente de arraste; = peso específico da água; A = área da secção 
transversal da partícula; vS = velocidade de sedimentação da partícula 
 
 À medida que a sedimentação prossegue, a força de atrito que se opõe ao 
movimento da partícula torna-se cada vez maior, até que se alcança um equilíbrio entre 
estas forças e o movimento torna-se uniforme e a velocidade de sedimentação constante. 
OBS.: Para remoção de uma partícula discreta Re 1,0, ou seja, para a remoção da 
partícula discreta é necessário um regime o mais laminar possível. 
 
MECANISMO DA SEDIMENTAÇÃO 
 veo 
 
 vso vr 
 ve 
 
 vs vr 
 L 
144 
 
 Seja uma partícula qualquer, situada à altura H no inicio da zona de sedimentação 
de um decantador de fluxo horizontal. Esta partícula estará sujeita a duas velocidades: 
 
 Velocidade horizontal – devido ao movimento da água no decantador, chamada de 
ve. 
 Velocidade vertical – devido a ação da gravidade chamada de vs. 
 
 Sob a ação da velocidade resultante (vr = ve + vs) a partícula sedimentará após um 
tempo (t) , em um determinado comprimento (L) do decantador. 
 
 Teoricamente, todas as partículas com velocidade de sedimentação maior ou igual a 
velocidade de escoamento serão removidas. 
es vv
 
 
 No entanto, a Partícula crítica, que é uma partícula mais leve situada à entrada ou 
à superfície da zona de sedimentação, dotada de uma velocidade de escoamento (veo) e 
velocidade de sedimentação (vso) (também chamada de - velocidade crítica de 
sedimentação- vcs), exige para a sua remoção um tempo (t0) e um comprimento (L) do 
decantador. 
 
 b 
 
 vcs 
 Vo 
 h x vs 
 L 
 
 
 
Onde, t0 será: 
145 
 
 
csV
h
t0
 
 
Assim, qualquer partícula dotada de vs > vo será removida. 
 
 
 TIPOS DE DECANTADORES 
 
 
a) Em função das condições de funcionamento 
 
- Decantador convencional ou clássico 
 
i. Mecanizados 
 
ii. Simples 
 
- Decantador de alta taxa (Laminar). 
 
b) Em função do escoamento 
 
Fluxo vertical Fluxo horizontal 
 Calha 
 coletora 
 
 
 
 
 
 
 
146 
 
 
 
 Cortina difusora (parede 
 perfurada) – distribuir a 
 água uniformemente 
 ZONAS DE UM DECANTADOR 
 
 
 
 3 3 
 2 Calha 
 coletora 
 4 1 2 
 
 
 1 4 
 ------- ------ lodo 
 
1 – Zona de turbilhamento: localiza-se próximo a cortina. Nesta zona ocorre a transição 
de velocidades e não há sedimentação. 
2 – Zona de sedimentação: onde ocorre a sedimentação das partículas ou flocos. 
3 – Zona de ascensão: a velocidade se eleva e há um arraste de flocos não sedimentados. 
4 – Zona de repouso: local onde o lodo fica depositado. 
 
PARÂMETROS DE DIMENSIONAMENTO 
 
1 – Relação entre o Comprimento (L) e Largura (b): 
 
 
1025,2
b
L
 
 
147 
 
2 – Relação entre Comprimento (L) e altura (H) de decantadores convencionais: 
 
 
HLH 254
 
 
3- Profundidade H 
 
 
erficialA
Qxt
H
sup
 
Usual: 4 a 4,5 m 
 
4 – Velocidade de escoamento máximo 
 
BH
Q
ve
 e 
BL
Q
vs
 
 
 
 partículas discretas → 
es vv
 
 
 partículas floculentas → 
018 vvsmáximo
 
 
 
5 – Tempo de detenção 
 
Decantadores convencionais – 1,5 a 3 horas (usual – 2 a 2,5 horas) 
 
Decantadores laminares – 15 a 60 minutos 
 
 Valor prático: t = 2 horas 
 
 
 
148 
 
 
6 – Taxa de escoamento superficial - TAS – é a relação Q/A, usualmente representada por 
m
3
/m
2
.dia, que é numericamenteigual a velocidade crítica de sedimentação. 
 
csvTAS
 
 
Projeto Operação TAS 
(m
3
/m
2
.d) 
t 
(h) 
Instalações pequenas 
 
Nova tecnologia 
(Floculação) 
 
Nova tecnologia 
(Floculação) 
 
 
Precária 
 
 
Boa 
 
 
Excelente 
20 - 30 
 
 
35 - 45 
 
 
40 - 60 
3 - 4 
 
 
1,5 - 2,5 
 
 
1,5 – 2,5 
 
7 – Número de unidades: 
 
 Q < 10.000 m
3/d → mínimo 2 unidades (limpeza) 
 
 Q > 10.000 m
3/d → critérios econômicos (terreno, forma, tamanho). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
149 
 
 
Etapas do Dimensionamento 
 
 
1. Cálculo da área superficial do decantador 
S
S
A
Q
TASV
 
Tas
Q
AS
 
 
2. Cálculo do volume do decantador 
HAV sdec
 
 
3. Verificação do tempo de detenção hidráulico 
Q
Vdec
h
 
 
4. Definição da geometria do decantador 
Os decantadores geralmente são retangulares com relação comprimento-largura 
entre 2 e 4. 
LBAS
 
 
5. Verificação da nova área superficial 
 
6. Cálculo da taxa de escoamento superficial 
SA
Q
TAS
 
 
7. Cálculo da Velocidade horizontal 
h
h
A
Q
V
 
 
150 
 
8. Cálculo do Raio Hidráulico 
hB
BH
Rh
2
 
 
9. Cálculo do Número de Reynolds 
hh
e
RV
R
 
OK000.20
 
 
10. Dimensionamento das calhas de coleta de água decantada 
A vazão nas calhas de coleta de água decantada pode ser estimada como: 
 
TASHql 018,0
 
 
ql = vazão linear nas calhas de coleta de água decantada (l/s/m) 
H = altura útil do decantador (m) 
TAS = taxa de escoamento superficial no decantador (m
3
/m
2
/dia) 
 
 Cálculo do comprimento total de vertedor. 
v
l
L
Q
q
 
 
Admitindo que o comprimento da calha de coleta de água de lavagem não exceda a 
20% do comprimento do decantador, tem-se que: 
 
 Cálculo do número de calhas 
calha
v
calhas
L
L
N
2
 
 
 
 Cálculo do espaçamento entre as calhas 
calhasN
L
Esp
 
151 
 
11. Dimensionamento da cortina difusora de passagem do sistema de floculação 
para o decantador. 
Será admitida uma velocidade na passagem em torno de 0,2 m/s. Logo, tem-se que: 
furosAvQ .
 
 
Serão adotados furos com geometria quadrada, tendo os mesmos largura de 0,1 m. 
 
11.1 Cálculo do número de orifícios 
oseçaodofur
furos
orifícios
A
A
N
 
 
Disposição das passagens na cortina difusora 
 
11.2 Cálculo da área individual de influência de cada orifício 
 
 
11.3 Cálculo do número de fileiras horizontais e verticais 
 
 
12. Cálculo da Velocidade de escoamento nos orifícios 
orifícios
h
A
Q
V
 
 
13. Verificação do Gradiente de Velocidade nos orifícios 
jV
G
.. 
gD
Vf
j
H .2.
. 2 
hB
hB
RD hh
.2
..4
.4
 
 
hh
e
DV
R
. 
152 
 
A cortina difusora será confeccionada em madeira, de modo que pode-se adotar um 
valor de rugosidade equivalente a 0,5 mm. 
 
 
14. Cálculo do fator de atrito 
2
9,0
74,5
.7,3
log
eh RD
Q
f
 
 
15. Cálculo da perda de carga unitária 
gD
Vf
j
H .2.
. 2 
 
16. Cálculo do Gradiente de Velocidade 
jV
G
.. 
 
O valor do Gradiente de velocidade nas passagens deve ser igual ao gradiente de 
velocidade da última câmara de floculação. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
153 
 
EXEMPLO 7. 
Dimensionar um sistema de sedimentação utilizando decantadores convencionais 
para receber água floculada de uma ETA. Para o dimensionamento adotar: 
 População: hab 
 Per-capita: L/hab.d 
 K1 = 
 K2 = 
 Uso da ETA = 
 Velocidade de sedimentação dos flocos: 40m/d 
 Número de unidades de sedimentação: 4 
 Altura da Lâmina líquida: 4,5 m 
 Relação comprimento/ largura: 4 
 
1. Cálculo da vazão: 
 
2. Cálculo da área superficial do decantador: 
S
S
A
Q
TASV
 
Tas
Q
AS
 
 
3. Cálculo do volume do decantador 
HAV sdec
 
 
4. Verificação do tempo de detenção hidráulico 
Q
Vdec
h
 
 
5. Definição da geometria do decantador 
LBAS
 
 
6. Verificação da nova área superficial 
154 
 
 
7. Cálculo da taxa de escoamento superficial 
SA
Q
TAS
 
 
8. Cálculo da Velocidade horizontal 
h
h
A
Q
V
 
 
9. Cálculo do Raio Hidráulico 
hB
BH
Rh
2
 
 
10. Cálculo do Número de Reynolds 
hh
e
RV
R
 
OK000.20
 
 
11. Dimensionamento das calhas de coleta de água decantada 
A vazão nas calhas de coleta de água decantada pode ser estimada como: 
TASHql 018,0
 
 
 Cálculo do comprimento total de vertedor. 
v
l
L
Q
q
 
Admitindo que o comprimento da calha de coleta de água de lavagem não exceda a 
20% do comprimento do decantador, tem-se que: 
 
 Cálculo do número de calhas 
calha
v
calhas
L
L
N
2
 
 
155 
 
 Cálculo do espaçamento entre as calhas 
calhasN
L
Esp
 
 
12. Dimensionamento da cortina difusora de passagem do sistema de floculação 
para o decantador. 
Será admitida uma velocidade na passagem em torno de 0,2 m/s. Logo, tem-se que: 
 
furosAvQ .
 
 
Serão adotados furos com geometria quadrada, tendo os mesmos largura de 0,1 m. 
 
12.1 Cálculo do número de orifícios 
oseçaodofur
furos
orifícios
A
A
N
 
 
Disposição das passagens na cortina difusora 
 
12.2 Cálculo da área individual de influência de cada orifício 
 
 
12.3 Cálculo do número de fileiras horizontais e verticais 
 
 
13. Cálculo da Velocidade de escoamento nos orifícios 
orifícios
h
A
Q
V
 
 
14. Verificação do Gradiente de Velocidade nos orifícios 
156 
 
jV
G
.. 
gD
Vf
j
H .2.
. 2 
hB
hB
RD hh
.2
..4
.4
 
 
hh
e
DV
R
. 
A cortina difusora será confeccionada em madeira, de modo que pode-se adotar um 
valor de rugosidade equivalente a 0,5 mm. 
 
 
 
 
15. Cálculo do fator de atrito 
2
9,0
74,5
.7,3
log
eh RD
Q
f
 
 
 
 
 
16. Cálculo da perda de carga unitária 
gD
Vf
j
H .2.
. 2 
 
 
 
 
17. Cálculo do Gradiente de Velocidade 
jV
G
.. 
 
157 
 
Decantação de alta taxa de escoamento superficial 
 
Nos decantador convencional de fluxo horizontal todas as partículas dotadas de vs > 
ve serão removidas, ao longo do comprimento L durante um determinado tempo T. 
 
 
 
 
Se for colocada uma bandeja C – C’ a uma altura H menor que H0, as partículas 
com vs < ve também poderiam ser removidas, além de se reduzir o tempo necessário para a 
remoção. 
 
 
 
 
 
 
veo 
vs 
L 
H 
veo 
vs 
L 
H 
158 
 
 Com o objetivo de aumentar a eficiência e diminuir o tempo de detenção surgiram 
os decantadores de andares ou de fundos múltiplos. Os primeiros decantadores foram 
construídos em Estocolmo, com 2 andares, Tóquio e Paris, com 3 andares. No entanto, a 
remoção de lodo tornou-se um problema ser resolvido, pois deveria repetir-se com maior 
freqüência. A solução encontrada foi a utilização de raspadores mecânicos. 
 Porém, estes decantadores não apresentavama eficiência esperada. Estudos 
demonstraram que o problema estava no regime de escoamento, com Re entre 2000 a 
200.000, o que interferia no fenômeno da sedimentação. Sugeriu-se, então, que se 
mantivesse Re < 500. 
 
VR
R He
4
 
 
 Para diminuir Re deveria diminuir RH, ou seja, aumentar o número de células. 
Surgiu então os decantadores de altas taxas. 
 
Os decantadores de altas taxas consistem, essencialmente, de uma série de tubos 
(circulares, quadrados ou hexagonais), ou lâminas planas paralelas colocadas em um tanque 
apropriado, com um ângulo de inclinação (usualmente entre 50 a 60º), o que permite uma 
alta limpeza devido ao escoamento continuo do lodo. 
 Este tipo de decantador permite taxas de escoamento superficial entre 4 a 10 vezes 
maiores que as usadas nos decantadores convencionais, normalmente entre 120 a 300 
m³/m².d, sendo a mais comum de 200 m³/m².dia. 
 
 Os períodos de detenção são normalmente menores que 15 minutos e se obtêm em 
fluxo mais estável que os decantadores convencionais. 
 
 Bases teóricas para dimensionamento dos decantadores de altas taxas: 
 
 
 
159 
 
 
 
 
Vcs = velocidade crítica de sedimentação 
Ve = velocidade no sentido do escoamento 
 l = comprimento das placas L = l_ 
d = espaçamento entre as placas d 
Sc = constante crítica 
 
 Placas paralelas – Sc= 1 
 Tubos circulares – Sc= 4/3 
 Condutos quadrados – Sc=11/8 
 
 = ângulo de inclinação das placas ou tubos 
 
Vcs é igual a taxa de escoamento superficial entre cada placa, expressa em m³/m².d (em 
geral entre 20 a 30 m³/m².dia). 
 
Ve é igual a taxa de escoamento superficial equivalente à dos decantadores convencionais, 
expressa em m³/m².d (120 a 300 m³/m².dia). 
 
 l 
 d 
 
 
160 
 
L = nos módulos patentiados são utilizados valores de L entre 10 e 12. Excelentes 
resultados tem sido obtidos em projetos que utilizam placas planas paralelas com valores de 
L entre 20 e 24. 
 
 - a eficiência dos decantadores decresce à medida que se aumenta a inclinação alem de 
60º. 
 
Obs. Manter Re <500 (preferencialmente manter Re<250) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
161 
 
Exemplo de Dimensionamento: 
 
EXEMPLO 8: 
 Dimensionar um sistema de sedimentação composto por decantadores laminares 
(alta taxa ) para uma estação de tratamento de água, adotando os seguintes dados: 
 
 População: ___________ hab. 
 Per-capita: ___________L/hab.d 
 K1 = 
 K2 = 
 Uso da ETA = 
 Velocidade de sedimentação dos flocos: 0,0463 cm/s 
 Número de unidades de sedimentação: 04 
 Decantador laminar composto por placas paralelas 
 Relação entre o comprimento e largura do decantador: 1,5 
 Comprimento da placa: l =1,2 metros 
 Espaçamento entre as placas: w = 6,0 cm 
 Espessura das placas: 0,5 cm 
 Ângulo das placas com a horizontal: 60o 
 
 
 
 
 
60
o
 
1,2 m 
6,0 
cm 
162 
 
 
 
Solução: 
1) Cálculo da Vazão: 
 
2) Cálculo da relação l/w 
 
w
l
L
 
 
3) Cálculo da velocidade de escoamento entre as placas (v0) 
 
senL
Sv
v cs
cos.
.0
 
senLvv s cos..0
 
Sc = constante crítica ---- Placas paralelas – Sc= 1 
 
 
 
4) Cálculo da área útil entre as placas 
 
útilAVQ .0
 
 
 
 
5) Cálculo da área superficial útil entre as placas 
 
o
u
su
sen
A
A
60
 
 
163 
 
Admitindo uma relação entre o comprimento do decantador e sua largura igual a 
3/2, tem-se que: 
 
2
.3
.
2B
LBAsu
 
 
 
Portanto, vamos adotar a largura do decantador como sendo igual a: 
 
 
6) Cálculo do número de espaçamentos entre as placas 
 
w
L
N útile
 
 
B
A
L útilútil
 
 
 
w
L
N útile
 
 
 
7) Cálculo do número de placas 
 
1espplacas NN
 
 
 
8) Cálculo do comprimento do decantador perpendicular as placas 
 
164 
 
EspNwNL placasep .
 
 
9) Cálculo do comprimento do decantador relativo ao plano horizontal 
 
 
 
 
60sen
60cos.
p
d
L
lLxL
 
 
 
10) Arranjo dos poços de lodo e definição das dimensões finais do decantador laminar 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
60
o
 
1,2 m 
6,0 
cm 
x 
60
o
 
Lp 
Ld 60
o
 
x 
x 
0,5 m x 0,5 m 
165 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
xmB 5,0.2
 
Em função de alguns valores de B, tem-se que: 
B (m) X (m) H (m) 
0,5 
1,0 
1,5 
2,0 
 
 
Admitindo que cada poço de lodo tenha uma largura de 2,5 metros, tem-se que: 
 
poçoA
 
 
Portanto, o número de poços pode ser calculado em função da área total do decantador. 
 
poçosN
 
 
 
 
60
o
 
60
o
 
0,5 m B B 
h 
166 
 
 
 
Portanto, vamos adotar _____ poços, tendo os mesmos a seguinte configuração: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
11) Verificação do dimensionamento hidráulico 
 
dLxL
 
 
xLLd
 
 
7,5 m 
10,0 m 
2,5 m 
2,5 m 
167 
 
 
d
po
L
L
60sen
 
 
o
dp senLL 60.
 
 
12) Cálculo do número de espaçamentos 
 
EspNwNL espespp .1.
 
 
 
 
 
13) Cálculo da Velocidade de Escoamento entre as Placas 
 
wBN
Q
A
Q
v
espútil ..
0
 
 
 
 
 
14) Cálculo da Velocidade de Sedimentação 
 
sencos.
.0
L
SV
V cs
 
 
 
 
 
15) Cálculo da Taxa de Escoamento Virtual 
168 
 
 
d
v
A
Q
q
 
 
 
 
16) Cálculo do Número de Reynolds 
 
hB
hB
RD hh
.2
..4
.4
 
 
 
hh
e
DV
R
. 
 
 
17) Dimensionamento das calhas de coleta de água decantada 
 
Admitindo-se uma vazão linear por metro de calha igual a 1,5 l/s.m, tem-se que: 
 
 Cálculo do comprimento total de vertedor 
 
v
l
L
Q
q
 
 
Uma vez que o comprimento da calha de coleta de água de lavagem é 
necessariamente igual ao comprimento do decantador laminar, tem-se que: 
 
calhaL
 
 
169 
 
 Cálculo do número de calhas 
calha
v
calhas
L
L
N
.2
 
 
Portanto, vamos adotar um total de 08 calhas, com 10,0 metros de comprimento. Logo, 
vL
 
v
l
L
Q
q
 
 
 Cálculo do espaçamento entre as calhas 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
170 
 
 
 Definição das alturas do decantador laminar 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
H1 Função da geometria do poço de lodo 
H1 = 
H2 Entrada de água floculada (0,4 a 0,8 metros) 
H2 = 
H3 Função da altura das placas 
3H
 
H4 Função da distância entre as calhas de coleta de água decantada 
24
Esp
H
 
H
1 
H
2 
H
3 
H
4 
 
171