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Microrganismos Substâncias tóxicas ou nocivas Excesso de impurezas Compostos orgânicos Higiênicas Cor Turbidez Sabor Odor Estéticas Ferro Manganês Corrosividade Dureza Econômicas Características da água Tratamento de Água para Abastecimento Finalidade do Tratamento da Água Alterar as características da água bruta de jeito a dotá-la das qualidades requeridas para o uso que dela se deseja fazer. No caso particular do abastecimento de populações, o tratamento deve tornar a água potável. A água distribuída numa comunidade deve: Ser esteticamente agradável, apresentando sabor, odor, cor e turbidez de ordem a não causar repulsa no usuário; Conter determinados elementos e substâncias dentro de certos limites estabelecidos por questões sanitárias e econômicas; Apresentar densidade bacteriológica do grupo coliforme suficientemente baixa para que a probabilidade de poluição da água por matéria fecal possa ser considerada desprezível. Procedimentos para Elaboração de uma ETA Água Bruta Coagulação Floculação Decantação Filtração Desinfecção Fluoretação Correção de pH Água Tratada Agente oxidante Pré Tratamento Métodos Gerais de Tratamento Tanque ETA do Guandu - RJ Gradeamento - ETA As velocidades através da grade deverão ser: Vmáx < 1,2 m/s Vmín > 0,4 m/s O espaçamento livre máximo entre barras deve ser: Grosseiras – 4 a 10 cm Médias – 2 a 4 cm Finas – 1 a 2 cm As barras terão, por dimensões mínimas: No sentido do escoamento (largura): 20 mm ou 2,5% do comprimento total da barra, adotando-se o maior dos dois valores. No sentido transversal ao escoamento (espessura): 5 mm ou 1% da distância entre as peças horizontais utilizadas para garantir a rigidez da grade, mantendo suas barras paralelas, tomando-se o maior valor. Ângulo de inclinação α: Mecanizadas – 75o à 90o Manuais – 30o à 60o Gradeamento - ETA Área Útil da Grade ax max v1 m u K Q A Onde: Qmax = vazão máxima gradeada (m 3/s) vmax = velocidade máxima na grade (m/s) K = fração de obstrução da grade (0,10 à 0,25) Eficiência da grade we e E Onde: e = espaçamento entre as barras (m) w = espessura das barras (m) Área Molhada do Canal ou Abertura E A A uc a = ¾” a = 1” a = 1 ¼” a= 1 ½”” (20 mm) (25 mm) (30 mm) (40 mm) ¼” (6 mm) 0,75 0,8 0,834 0,857 5/16 (8 mm) 0,706 0,768 0,803 0,826 3/8” (10 mm) 0,677 0,728 0,77 0,8 7/16” (11 mm) 0,632 0,696 0,741 0,774 ½” (13 mm) 0,6 0,667 0,715 0,755 Eficiência: valores de “E” Espessura das Barras Largura do Canal (Lc < 0,6 m adotar 0,6 m) Lc = Cc (seção de escoamento quadrada) c .max A t c Q L Onde: t = tempo de escoamento (s) Gradeamento - ETA cL c c A H Altura Molhada do Canal Número de Barras da Grade ew eL n c Velocidade Máxima na Grade Velocidade Máxima no Canal Perda de Carga na Grade Onde: g = aceleração da gravidade (9,81 m/s2) u max A . K)-(1 Q Vg cc max H . L Q Vc g VV h cg f 4,1 22 Comprimento da Grade sen c g H C Exercício: Dimensionar a unidade de gradeamento de uma ETA cuja vazão (Q) tratada é de 150 L/s. O estudo da água bruta indicou o espaçamento entre barras de 1,5 cm, prevendo-se a limpeza da grade a cada 2 horas, quando sua obstrução atingirá 20% da sua área útil. Gradeamento - ETA Peso Empuxo Força de arraste EFP a 0yF gVgmP olpp ... gVE ol .. 2 ... 2Spa a VAC F Sedimentação - ETA Fenômeno físico no qual, em decorrência da ação da gravidade, as partículas suspensas apresentam movimento descendente em meio líquido de menor massa específica. Sedimentação - ETA Peso Empuxo EFP a olpol Spa VgVg VAC .... 2 ... 2 ololp Spa VgVg VAC .... 2 ... 2 Força de arraste Sedimentação - ETA Peso Empuxo Força de arraste ololp Sca VgVg VAC .... 2 ... 2 6 . 3d Vol a pp S C dg V ..3 .)..(4 Lei de Newton 4 . . 2d Ac Sedimentação - ETA Onde: VS = velocidade de sedimentação (m/s) g = aceleração da gravidade (9,81 m/s2) s = densidade da partícula (2650 Kg/m 3) A = densidade do fluido (1000 Kg/m 3) µ = viscosidade cinemática do fluido (m2/s) dP = diâmetro efetivo da partícula (m) Viscosidade cinemática da água em função da Temperatura T (oC) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 µ(m2/s) . 10-6 1,79 1,52 1,31 1,15 1,01 0,90 0,80 0,73 0,66 a pp S C dg V ..3 .)..(4 .. .2424 pe a dVR C .18 )..( 2pp S dg V Lei de Stokes Desarenador - ETA Desarenador - ETA V Q BLA .5,1 . Área do Desarenador Dimensões do Desarenador (B 0,6m) B A L Velocidade Máxima de Escoamento (0,15 à 0,30 m/s) Altura Mínima da Lâmina de Água no Desarenador BV Q H .max min Obs: Recalcular a velocidade máxima real de escoamento Volume Diário de Sólidos Sedimentados (Ts = 7.10 -5 m3 de areia/m3 de água) QTV SSD . Profundidade da Câmara de Sedimentação LB V h SD . Exercício: Dimensionar um desarenador para reter todas as partículas de areia com até 0,2 mm de diâmetro, o qual deverá ser implantado a montante de uma ETA cuja vazão (Q) tratada é de 150 L/s. O estudo da água bruta indicou que a temperatura média é de 25oC e que a taxa de sedimentação é de 7.10-5 m3 de areia/m3 de água. (Projetar no mínimo 2 unidades, uma reserva). Desarenador - ETA Coagulação - ETA 1 m 10-3 m Partículas coloidais Partículas em suspensão Partículas dissolvidas Tratamento convencional e suas variantes Filtração em linha Filtração direta Filtração lenta Processos de membrana Osmose Reversa Nanofiltração O processo de coagulação envolve a aplicação de produtos químicos para a precipitação de compostos em solução e desestabilização de suspensões coloidais de partículas sólidas que não podem ser removidas por sedimentação, flotação ou filtração. Turbidez Cor aparente SST Cor real SDT Compostos dissolvidos A coagulação é a alteração físico-química de partículas coloidais de uma água, caracterizada principalmente por cor e turbidez, produzindo partículas que possam ser removidas em seguida por um processo físico de separação. Coagulação - ETA - - - - - Repulsão Eletrostática - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Mecanismos de desestabilização: Compressão da dupla camada Adsorção-neutralização Varredura Ponte interparticular Força de Van der Waals Coagulante Coagulação - ETA Colóide é uma dispersão de pequenas partículas de um material com um outro. Características Hidrofóbico: não possui afinidade com a água. Hidrofílico: possui afinidade com a água. Tamanho entre 0,001µm e 1µm. Geralmente possuem carga elétrica negativa. -50 -40 -30 -20 -10 0 10 3 4 5 6 7 8 9 10 Po te nc ia l Z et a ( m V) pH Água Bruta - ETA Guaraú Variação do Potencial Zeta com o pH Coagulação - ETA Sulfato de alumínio (5 mg/L a 100 mg/L) OHAl 2 3 HAlOH 2 OHAlOH 2 2 HAlOH 2 OHAlOH 22 HOHAl Sólido3 OHOHAlSólido 23 HAlOH 4 342 )(SOAl 2 4 3 .3.2 SOAl Cloreto férrico (5 mg/L a 70 mg/L) Coagulação - ETA OHFe 2 3 HFeOH 2 OHFeOH 2 2 HFeOH 2 OHFeOH 22 HOHFe Sólido3 OHOHFe Sólido 23 HFeOH 4 3 FeCl ClFe .33 342 )(SOFe 2 4 3 .3.2 SOFe Coagulação - ETA Polímeros Sintéticos e Naturais (1 mg/L a 4 mg/L) Sintéticos: Não Iônico: não apresentam sítios ionizáveis Catiônico: apresentam sítios ionizáveis positivos Aniônico: apresentam sítios ionizáveis negativos Anfolítico: apresentam sítios ionizáveis negativos e positivos Naturais: Amido Não Modificado: condensação polimérica da glucose (27% amilose e 72% amilopectina) Amido Modificado: processo de derivatização (modificações físicas, químicas e enzimáticas) Coagulação - ETA Gradiente de Velocidade V P G . 2T 00022,0+T 0337,01 000181,0 Onde: = viscosidade absoluta da água (Kgf.s/m2) G = gradiente de velocidade (s-1) P = potência útil ou turbulência (Kgf.m/s) V = volume útil do tanque (m3) T = temperatura da água (C) Mistura Rápida ou Coagulação Agitação Hidráulica Onde: P = potência útil (Kgf.m/s) = peso específico do líquido (kgf/m3) Q = vazão tratada (m3/s) H = perda de carga no sistema (m) HQP .. L HV V HAV V HQ G . .. . ... . .. T(C) (Kgf/m3) T(C) (Kgf/m3) 0 999,87 10 999,73 2 999,97 20 998,23 4 1.000,00 30 995,67 6 999,97 35 994,06 então, Cálculo da altura de água na seção de medição H0 = k.Q n Onde: Q é a vazão medida (m3/s); k é o coeficiente do medidor; H0 é a lâmina de água na seção de medição (m); n é o expoente variável. Largura da calha na seção de medição D’= 2/3 (D – W) + W Velocidade na seção de medição v0 = Q/(D’.H0) Vazão específica na garganta q = Q/W Carga hidráulica disponível E0 = (v0 2/2g) + H0 + N Calculo da velocidade antes do ressalto v1= 2.(2g . E0/3) 0,5. cos(Ɵ/3) cos Ɵ = -g.q /(2/3 g.E0) 1,5 Ɵ = cos-1(x) Altura de água antes do ressalto H1 = q /v1 Número de Froude F1 = v1 / (g.H1 ) 0,5 Altura de ressalto H2 = H1 /2 {[1+8(F1) 2]0,5 -1} Velocidade no ressalto v2 = Q /(W.H2) Altura na seção de saída H3 = H2 – (N-K) Velocidade na saída da calha v3 = Q /(C.H3) Perda de carga no ressalto hf = (H2–H1) 3/(4H1.H2) Tempo de mistura T = 2G´/(v2+v3) Gradiente de velocidade G = [(g/μ).(hf/T)] 0,5 Coagulação - ETA Dimensões do Medidor Parshall (cm) e Vazão com escoamento livre (L/s) W (pol) W (cm) A B C D E F G K N X Y Q (L/s) k n 3'' 7,6 46,6 45,7 17,8 25,9 45,7 15,2 30,5 2,5 5,7 2,5 3,8 0,85 - 53,8 3,704 0,646 6'' 15,2 61 61 39,4 40,3 61 30,5 61 7,6 11,4 5,1 7,6 1,52 - 110,4 1,842 0,636 9'' 22,9 88 86,4 38 57,5 76,3 30,5 45,7 7,6 11,4 5,1 7,6 2,55 - 251,9 1,486 0,613 1' 30,5 137,2 134,4 61 84,5 91,5 61 91,5 7,6 22,9 5,1 7,6 3,11 - 455,6 1,276 0,657 1,5' 45,7 144,9 142 76,2 102,6 91,5 61 91,5 7,6 22,9 5,1 7,6 4,25 - 696,2 0,966 0,65 2' 61 152,5 149,6 91,5 120,7 91,5 61 91,5 7,6 22,9 5,1 7,6 11,89 - 936,7 0,795 0,645 3' 91,5 167,7 164,5 122 157,2 91,5 61 91,5 7,6 22,9 5,1 7,6 17,26 - 1426,3 0,608 0,639 4' 122 183 179,5 152,5 193,8 91,5 61 91,5 7,6 22,9 5,1 7,6 36,79 - 1921,5 0,505 0,634 5' 152,5 198,3 194,1 183 230,3 91,5 61 91,5 7,6 22,9 5,1 7,6 62,8 - 2422,0 0,436 0,663 6' 183 213,5 209 213,5 266,7 91,5 61 91,5 7,6 22,9 5,1 7,6 74,4 - 2929,0 0,389 0,627 8' 244 244 239,2 274,5 349 91,5 61 91,5 7,6 22,9 5,1 7,6 130,7 - 3950,0 0,324 0,623 Exercício: Dimensionar o sistema de mistura rápida (coagulação) de uma ETA cuja vazão (Q) tratada é de 150 L/s. A dispersão do coagulante será promovida por dispositivo de agitação hidráulica (medidor Parshall). Coagulação - ETA Coagulação - ETA Agitação Mecânica (Tanque de mistura rápida prismático de base quadrada com rotor tipo turbina – Tempo de retenção ≤ 5s – Gradiente de velocidade 1000 s-1) P n D 3 5 423 Onde: P = potência útil (kgf m/s) n = velocidade angular da turbina (rpm) D = diâmetro da turbina (m) 3,1 75,0 9,3 7,2 3,3 7,2 D h D H D L 10,0 5 4 D l D b D B Esta expressão é válida quando: Onde: L = lado do tanque (m) D = diâmetro da turbina (m) H = profundidade útil do tanque (m) h = afastamento da turbina ao fundo do tanque (m) B = comprimento das paletas da turbina (m) b = altura das paletas da turbina (m) l = largura das cortinas anti-vórtice (m) Exercício: Dimensionar o sistema de mistura rápida (coagulação) de uma ETA cuja vazão (Q) tratada é de 150 L/s. A dispersão do coagulante será promovida por equipamento mecânico tipo turbina radial. Adotar tempo de retenção de 1s e gradiente de velocidade igual a 5000 s-1. Coagulação - ETA Floculação - ETA Floculação pode ser definida como o processo de agregar partículas coaguladas ou desestabilizadas para formar massas ou flocos maiores para possibilitar sua separação por sedimentação e ou filtração. Mecanismos de Transporte: Floculação Pericinética (Movimento Browniano) Floculação Ortocinética (Gradientes de Velocidade) Floculação por Sedimentação Diferencial Partículas Coaguladas Partículas Floculadas Floculação - ETA Fuxo Helicoidal Fuxo Horizontal Fuxo Vertical Alabama Meio Poroso Placas Perfuradas Floculadores Hidráulicos Fuxo Horizontal Fuxo Vertical Alabama Floculação - ETA B L l p Dados e Parâmetros de Projeto: •Tempo de retenção total: Adotar T = 25 min = 1500 s •Limites de velocidade nas células: 0,10 m/s V 0,30 m/s •Número de setores: Adotar 4 setores •Gradientes de velocidade: 1º setor: G1 = 65 s -1 2º setor: G2 = 45 s -1 3º setor: G3 = 30 s -1 4º setor: G4 = 20 s -1 •Espessura das chicanas: As chicanas serão de placas de concreto com espessura de 0,05m. •Coeficiente de perda de carga: Adotou-se K = 1,5 •Temperatura da água: = 25º C • Densidade: = 998,23 kg/m3 • Comprimento total: L = 20,0m • Velocidade de escoamento no quarto setor: Adotar V4 = 0,15 m/s Exercício: Dimensionar o sistema de floculação de uma ETA cuja vazão tratada é de 150 L/s. Será utilização um floculador hidráulico com chicanas de fluxo horizontal. Floculação - ETA •Tempo de Retenção: 1º setor: t1 = 4 min = 240 s 2º setor: t2 = 5 min = 300 s 3º setor: t3 = 7 min = 420 s 4º setor: t4 = 9 min = 540 s Floculação - ETA Floculadores Mecânicos Eixo Vertical Eixo Horizontal Exercício: Dimensionar o sistema de floculação de uma ETA cuja vazão tratada é de 150 L/s. O floculador utilizado será mecânico dotado de agitadores tipo paletas. Dados do Fabricante Dimensões do equipamento: b = 3,2 m B = 4 braços Re1 = 1,20 m ; Ri1 = 1,05 m Re2 = 0,95 m ; Ri2 = 0,80 m Velocidades angulares do equipamento: n3 = 2,1 rpm; n2 = 3,5 rpm; n1 = 4,9 rpm. Floculação - ETA Decantação - ETA A decantação ou sedimentação é um processo físico que separa partículas sólidas em suspensão da água. Consiste na utilização de forças gravitacionais para separar partículas de densidade superior à da água. Segundo Di Bernardo (2005), os tanques de sedimentação são divididos em quatro zonas: Zona de Entrada: destinada a distribuir uniformemente o afluente na seçãotransversal do tanque; Zona de Sedimentação: onde as características hidráulicas do escoamento permitem a deposição das partículas; Zona do Lodo: destinada a armazenar temporariamente as partículas removidas do afluente; Zona de Saída: tem a finalidade de coletar uniformemente a água decantada. Decantação - ETA Tipos de Decantadores Decantação - ETA Decantador clássico com base retangular e fluxo horizontal Decantação - ETA Exercício: Dimensionar as unidades de decantação de água floculada de uma ETA cuja vazão tratada é de 150 L/s. Os decantadores serão clássicos, de base retangular e fluxo horizontal. Filtração - ETA A filtração consiste na remoção de partículas suspensas e coloidais e de microrganismos presentes na água que escoa através de um meio poroso. Após certo tempo de funcionamento, há necessidade da lavagem do filtro, geralmente realizada pela introdução de água no sentido ascensional com velocidade relativamente alta para promover a fluidificação parcial do meio granular com liberação das impurezas. Os mecanismos responsáveis pela remoção de partículas durante a filtração com ação de profundidade são complexos e influenciados principalmente pelas características físicas e químicas das partículas, da água e do meio filtrante, da taxa de filtração e do método de operação dos filtros. Tamanho dos grãos (Dmax; Dmin); Tamanho efetivo (D10); Coeficiente de Uniformidade (CU); Forma e geometria dos grãos; Porosidade; Massa específica. Características dos Materiais Filtrantes SISTEMA COM BLOCOS LEOPOLD SISTEMA DE FUNDO FALSO COM VIGAS “V” INVERTIDAS FILTROS RÁPIDOS POR GRAVIDADE DE FLUXO DESCENDENTE – TIPOS DE FUNDOS (SISTEMAS DE COLETA DE ÁGUA FILTRADA E DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA PARA LAVAGEM) Lavagem por Reservatório Elevado Filtração - ETA Exercício: Dimensionar as unidades de filtração rápida por gravidade de fluxo descendente de uma ETA cuja vazão tratada é de 150 L/s. Os filtros terão as seguintes características: leito filtrante com camada única de areia, taxa nominal de filtração (150 m3/m2.d), sistema de coleta de água filtrada com fundo falso, espaçamento entre bocais (e = 0,20 m) e número de filtros (n = N = 3), largura das calhas (b = 0,40 m), espessura da calha (e = 0,20 m), distância do fundo das calhas a superfície do leito filtrante (DF = 0,50 m), perda de carga na tubulação (HA = 2,1 m), perda de carga nos bocais de distribuição (HB = 0,80 m – fabricante), margem de segurança (HF = 0,15 m). Desinfecção - ETA Tecnologias de tratamento de esgotos apresentam baixa eficiência na inativação de coliformes, embora diversos fatores como temperatura, insolação, pH, predação, entre outros concorram para o decaimento natural desses microrganismos indicadores. A desinfecção constitui-se na etapa do tratamento cuja função precípua consiste na inativação dos microrganismos patogênicos, realizada por intermédio de agentes físicos e/ou químicos. A ação dos desinfetantes sobre os microrganismos pode se dar sob três mecanismos: destruição ou danificação da organização estrutural da célula; interferência no nível energético do metabolismo; interferência na biossíntese e crescimento devido à combinação de vários mecanismos como a síntese de proteínas, ácidos nucléicos, coenzimas ou células estruturais. A capacidade para oxidar moléculas biológicas e a capacidade de difusão através da parede celular, são pré-requisitos essenciais para qualquer agente desinfetante. Desinfecção - ETA Desinfecção - ETA Fatores que atuam na eficiência de um sistema de desinfecção: Característica do Desinfetante (tipo); Dose do Desinfetante e Tempo de Contato (porcentagem de inativação); Característica da Água (turbidez, MO, compostos inorgânicos, pH e temperatura); Características dos Microrganismos (espécie, forma e concentração); Homogeneidade da Dispersão do Desinfetante na Massa Líquida (lei de Chick-Watson) Lei de Chick-Watson Onde: No , N – número de organismos viáveis no início e no tempo t; C – concentração do desinfetante; N – coeficiente de diluição, relacionado com a dispersão do desinfetante na massa líquida; K – constante de inativação Desinfecção - ETA Os desinfetantes químicos mais utilizados são: Cloro líquido ou gasoso (Cl2); Hipoclorito de sódio ou de cálcio (NaClO ou Ca(ClO)2); Ozônio (O3); Permanganato de potássio (KMnO4); Ozônio/peróxido de hidrogênio (O3/H2O2); Íon ferrato (FeO4 -2) ; Ácido peracético (CH3COOOH). Os desinfetantes físicos mais utilizados: Radiação Ultravioleta (UV); Processos Oxidativos Avançados (POA); Fotocatálise Heterogênea; Desinfetantes/Organismos Desinfecção com Cloro Entre D1 e D2 as cloroaminas decompostas pelo cloro em excesso A partir de D2 qualquer adição de cloro produzirá um CRL proporcional a dose aplicada Desinfecção - ETA Exercício: Calcular o consumo de cloro gasoso (Cl2), para uma ETA cuja vazão tratada é de 150 L/s. O teor desejado de cloro na água será de 5 mg/L, peso específico do cloro 0,000057 Kg/m3 e porcentagem de impurezas (0%). Onde: C é o consumo de cloro (mg/s ou Kg/d); Q é a vazão de água (m3/s); T é o teor de cloro (mg/L); PI é a porcentagem de impurezas (%). Consumo previsto (kg/d) N° de cilindros (900 Kg) Mínima Máxima Serviço Reserva Total 54 180 1 2 3 180 360 2 4 6 360 540 3 6 9 540 720 4 8 12 Fonte: Richter, 2009. Fluoretação - ETA Segundo a Portaria 635/75: Fluoretação é o teor de concentração do íon fluoreto presente na água destinada ao consumo humano, apto a produzir os efeitos desejados à prevenção da cárie dental. A concentração recomendada de íon fluoreto nas águas de abastecimento público é obtida pela seguinte fórmula: G = 22,2/E Onde E = 10,3 + 0,725 T T = média de Temperaturas máximas diárias observadas durante um período mínimo de 1 ano (recomendado 5 anos) em graus centígrados. Fluoretação - ETA Exercício: Calcular o consumo de flúor na forma de fluoreto de sódio (NaF), para uma ETA cuja vazão tratada é de 150 L/s. O teor desejado de flúor na água será de 1,0 mg/L, peso molecular de 42 g e porcentagem de impurezas de 3,5%. Fluoretação - ETA Onde: C é o consumo de flúor (mg/s ou Kg/d); Q é a vazão de água (m3/s); T é o teor de flúor (mg/L); PNaF é o peso molecular do fluoreto de sódio (g); PI é a porcentagem de impurezas (%); PF é o peso molecular do flúor (g).
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