Aula 5 Decantação

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B R U N O S E G A L L A P I Z Z O L A T T I 
EAM	1028	
	
TRATAMENTO	DE	ÁGUA	DE	ABASTECIMENTO	
	
Decantação	
	
1	
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA 
Campus FREDERICO WESTPHALEN 
 
Introdução 
2 
Manancial Coagulação Floculação Sedimentação 
Filtração Desinfecção Fluoretação Correção de pH 
Água Final 
A
ge
nt
e 
ox
id
an
te 
C
A
P C
oa
gu
la
nt
e 
A
lc
al
in
iz
an
te
 
A
ge
nt
e 
ox
id
an
te 
Po
lím
er
o 
Polímero Agente oxidante 
A
ge
nt
e 
ox
id
an
te 
Fl
úo
r 
 
Alcalinizante 
Decantação 
!  Processo físico de separação sólido-líquido; 
!  Separação ocorre devido a forças gravitacionais de 
partículas com densidade superior a da água; 
!  Partículas coloidais e/ou substâncias dissolvidas que 
não sedimentariam normalmente são removidas 
depois de coagulação/floculação que tem o objetivo 
de desestabilizar e agregar partículas. 
3	
Decantação 
4	
Quais partículas irão sedimentar? 
5	
Diâmetro	das	parDculas	
Fr
eq
uê
nc
ia
	re
la
Jv
a	
Diâmetro	críJco	
Somente	as	parDculas	com	diâmetro	
superior	ao	diâmetro	críJco	serão	
sedimentadas.	
Distribuição dos diâmetros das 
partículas presentes na 
suspensão diluída 
5	
Esses	 casos	 ocorrem	 quando	 o	
dimensionamento	 foi	 realizado	
considerando	 apenas	 parDculas	
superiores	 ao	 diâmetro	 críJco,	 e	
eventualmente,	 a	 suspensão	 diluída	
foi	 alterada.	 Outro	 caso	 ocorre	
quando	 tem-se	 um	 espaço	 Rsico	
limitado	 para	 a	 construção	 do	
sedimentador.	
Função do coagulante 
6	
Diâmetro	das	parDculas	
Fr
eq
üê
nc
ia
	re
la
Jv
a	
Diâmetro	críJco	
dp	>	dc	
ParDculas	
sedimentáveis	
N o v a d i s t r i b u i ç ã o d o s 
diâmetros das partículas 
presentes na suspensão 
diluída 
Teoria da sedimentação 
!  Velocidade de sedimentação: 
Forças atuantes na partícula: 
 
 Força peso; Empuxo; Força de arraste; 
7	
 SEDIMENTAÇÀO
TEORIA DA SEDIMENTAÇÀO - PARTÈCULAS DISCRETAS
Partícula Discreta: Não se altera durante a sedimentação, na forma, peo ou 
tamanho.
 
FE
FDFG
PARTÈCULA 
SÌ LIDA
LÈQUIDO EM 
REPOUSO
N.A.
Forças atuantes em uma partícula sólida durante a sedimentação
O peso de uma partícula sólida e o empuxo sofrido por ela quando submersa na água, são dados, 
respectivamente, por:
 FG = ρs . g. V e FE = ρa . g. V (eqs. 1 e 2)
FG = peso da partícula (N)
FE = empuxo (N)
ρs = massa específica da partícula (kg/m3)
ρa = massa específica da água (kg/m3)
g = aceleraqção da gravidade (m/s2)
V = volume da partícula (m3)
Fp =m ⋅ g E = ρH2O ⋅ g ⋅Vp
Fp	 Fa	
E	
F = 0∑
Fa =
1
2 ⋅Cd ⋅ρH2O ⋅A ⋅ v
2
Velocidade de sedimentação 
 
Onde: 
!  vs = velocidade de sedimentação (m/s); 
!  ρp = Densidade da partícula (kg/m3); 
!  ρ = Densidade da água (kg/m3); 
!  Vp = volume da partícula (m3); 
!  A = área de projeção da partícula sobre o plano perpendicular 
à direção do movimento; 
!  Cd = coeficiente de arraste de Newton. 
 
8	
vs =
2 ⋅ ρp − ρ( ) ⋅Vp ⋅ g
ρ ⋅Cd ⋅A
#
$
%
%
&
'
(
(
12
vs =
4
3 ⋅
ρp − ρ( ) ⋅d ⋅ g
ρ ⋅Cd
#
$
%
%
&
'
(
(
12
Para	par/culas	esféricas	
Válidas	para	número	de	Reynolds	entre	2x103	e	2,5x106	
Velocidade de sedimentação 
!  Segundo Fair para partículas esféricas: 
!  Cd = 24/Re para Re ≤ 1 
!  Cd = 0,4 para Re ≥ 2000 
!  CD = 24/Re + 3/√Re + 0,34 para 1 < Re < 2000 
9	
vs =
g ⋅ ρp − ρ( ) ⋅d 2
18 ⋅µ
Para	Re	≤	1	 Para	Re	1	≤	500	
vs =11,37 ⋅
ρp
ρ
−1#
$
%
&
'
(⋅d 2
Velocidade de sedimentação 
(coeficiente de arraste) 
10	
Velocidade e diâmetro crítico 
11	
vcrit =
µ
ρ ⋅dcrit
dcrit =
18 ⋅µ 2
g ⋅ ρp − ρ( ) ⋅ρ
#
$
%
%
&
'
(
(
13
Exemplo 
!  Calcular o diâmetro crítico e velocidade de 
sedimentação de partículas sólidas constituídas de: 
!  Areia com densidade de 2650 kg/m3; 
!  Flocos de cloreto férrico com densidade de 1005 kg/m3. 
 
 
Considerar as partículas esféricas e temperatura da água a 20 oC 
(ρ = 998 kg/m3; µ = 0,00102 N.s/m2). 
12	
Tipos de sedimentação 
!  Em função da concentração dos sólidos a da iteração entre eles temos 4 
tipos de sedimentação: 
!  Discreta; 
"  Pouca interação entre as partículas as partículas sedimentam como se 
não tivessem as outras partículas; 
!  Floculante; 
"  Iteração entra as partículas que formam flocos, aumentando de 
tamanho, alteração da densidade e velocidade de sedimentação; 
!  Interferida ou por zonas; 
"  Partículas discretas ou flocos em alta concentração, ficam muito próximas de 
modo as causarem interferência na velocidade de sedimentação das partículas 
ou flocos vizinhas; 
!  Compressão; 
"  Ocorre no material já sedimentado, ocorrendo a compactação das partículas. 
13	
Sedimentação discreta 
!  As partículas permanecem com dimensões e 
velocidades constantes ao longo do processo de 
sedimentação, não ocorrendo interação entre as 
mesmas. 
14	
Sedimentação floculenta 
!  A velocidade de sedimentação das partículas não é 
mais constante, uma vez que as mesmas agregam-se 
ao longo do processo de sedimentação; 
!  Com o aumento do diâmetro das partículas há, 
consequentemente, o aumento de sua velocidade de 
sedimentação ao longo da altura. 
15	
Sedimentação discreta x floculenta 
16	
17	
Pré-sedimentadores 
!  Normalmente utilizado para adequar a água bruta 
em ocasiões atípicas ; 
!  Objetivo de diminuir a concentração de sólidos que 
inf luenciarão na coagulação/f loculação e 
clarificação; 
!  Normalmente utilizado antes da coagulação, com 
utilização de polieletrólito catiônico. 
18	
Classificação dos decantadores 
!  Os mais importantes sob o ponto de vista prático são 
os seguintes: 
!  Em função do escoamento da água: 
"  Decantadores de escoamento horizontal 
"  Decantadores de escoamento vertical 
!  De acordo com as condições de funcionamento: 
"  Decantadores tipo clássico ou convencional; 
"  Decantadores com contato de sólidos, do tipo “dinâmico”, 
“compacto”, ou “acelerado”; 
"  Decantadores com escoamento laminar ou de alta taxa (tubulares 
ou de placas): Tipo mais recente e de maior eficiência; 
"  Decantadores com injeção de micro-areia que tornam os flocos 
mais pesados e com recuperação da micro-areia. 
19	
Decantador de escoamento horizontal 
20	
Decantador de escoamento horizontal 
21	
Decantador de escoamento horizontal 
22	
Decantador de fluxo vertical 
23	
Decantadores com contato de sólidos 
24	
!  Efetua-se simultaneamente a floculação e a decantação. 
Água	
	bruta	
Produto	químico	
Água	
	bruta	
Produto	químico	
Floculação		
Decantador de escoamento horizontal com fundo 
múltiplos 
25	
 
Canal de descarga 
chão chão 
 
Compartimento 
inferior 
Canal de água 
floculada 
Compartimento 
superior Canal de 
Água decantada 
Água sob pressão 
Para limpeza 
26	
Decantador de escoamento horizontal com fundo 
múltiplos 
Decantador laminar de alta taxa 
27	
Decantador laminar de fluxo descendente 
28	
Taxa de escoamento superficial (q) 
!  Do tipo de decantador: 
!  Para decantador convencional, regime turbulento: 
"  20 - 60 m3/m2.dia 
!  Da qualidade da água: 
"  águas turvas, com impurezas pesadas: 25 - 35 m3/m2.dia 
"  águas coloridas com impurezas leves, requer menores taxas: 15 - 
30 m3/m2.dia 
!  Qualidade de operação (utilização de auxiliares de coagulação) 
"  paradecantador de fluxo laminar: 160 - 240 m3/m2.dia 
29	
Decantadores convencionais – parâmetros de 
projeto 
!  Relação Comprimento/Largura ≥ 4; 
!  Taxa de escoamento linear (vertedor) ≤ 1,8 L/m/s; 
!  Re ≤ 20.000 (Verificação); 
!  Fr ≥ 10-5. 
30	
Roteiro de dimensionamento de decantadores 
convencionais 
!  Cálculo da área: 
!  Tempo de detenção hidráulico: 
!  Definir geometria do decantador: 
!  Verificar a taxa de escoamento superficial para a nova 
área: 
!  Velocidade horizontal: 
31	
Q = v ⋅A = q ⋅As
TDH = VolumedecantadorQ
L
B = 3a4
vh =
Q
Ah
q = QAajustada
(usual)	
!  Cálculo do número de Reynolds: 
Dimensionamento das calhas de coleta 
 
!  ql=vazão linear nas calhas de coleta de água decantada (l/s/m); 
!  H=altura útil do decantador (m); 
!  vs=velocidade de sedimentação (m3/m2/dia). 
32	
Re =
vh ⋅RH
υ
ql =< 0,018 ⋅H ⋅ vs
Roteiro de dimensionamento de decantadores 
convencionais 
!  Comprimento total do vertedor: 
!  Comprimento da calha (20% de L): 
!  Número de calhas: 
!  Se define o número de calhas (inteiro imediatamente 
maior) e se verifica novamente o ql. 
33	
Lvertedor =
Q
ql
Lcalha = 0,2 ⋅L
Ncalhas =
Lvertedor
2 ⋅Lcalha
Roteiro de dimensionamento de decantadores 
convencionais 
Espaçamento entre as calhas 
34	
12,0	m	
47,0	m	
2,0	m	1,0	m	
9,0	m	
Esp = BNcalhas
Decantador convencional 
35	
Decantador convencional 
36	
Dispositivos de entrada 
(comportas e cortina de distribuição) 
37	
Dispositivos de entrada 
(comportas e cortina de distribuição) 
!  Distribuição uniforme de vazão quando tiver mais de 
um decantador (tolerável diferença de + ou – 20%); 
!  Entrada afogada e gradiente nas passagens G < 20 
s-1 (considerar o gradiente da última câmara de 
floculação, saída do floculador ou do canal de água 
floculada, quando houver). 
38	
Canais de distribuição 
39	
Gradiente na passagem das comportas 
40	
G = K f4 ⋅RH
"
#
$
%
&
'
12
⋅ v 32
f	 =	 fator	 de	 atrito	 do	 material	 das	 paredes	 da	 comporta	 (geralmente	 concreto	
0,0552);	
	
K	=	700,6	para	água	a	20	oC.	
Cortina de distribuição 
41	
Cortina de distribuição 
42	
Re	
x/S	
Di	Bernardo	e	Giorge[,	1976	
Gradiente na passagem dos orifícios 
43	
G = DS ⋅
π ⋅V 3
8 ⋅Cd2 ⋅υ ⋅ x
⎛
⎝
⎜
⎞
⎠
⎟
12
•  D	=	diâmetro	do	ori]cio	(m);	
•  S	=	espaçamento	entre	dois	ori]cios	adjacentes	(m);	
•  V	=	velocidade	média	de	passagem	da	água	através	do	ori]cio	(m/s);	
•  Cd	=	coeficiente	de	arraste	(0,8	a	0,9)	(Di	Bernardo	e	Giorge[,	1976);	
•  υ	=	viscosidade	cinemábca	da	água	(m2/s);	
•  x	=	distância	percorrida	pelos	jatos	até	que	haja	interferência	entre	eles	(m).	
Decantador laminar de alta taxa 
44	
Decantador de alta taxa 
45	
Q / A = f. vs 
Q = vazão do decantador em m3/s; 
A = área superficial do decantador (m2); 
f = fator de área (adimensional) ; 
vs= velocidade de sedimentação da partícula (m/s); 
f = ------------------------------ 
senθ (senθ + Lcosθ) 
S 
l 
d 
θ 
vo 
• θ	=		ângulo	de	inclinação	dos	elementos	tubulares	(graus);	
• 	L	=	l/d	(	≥	12)	(adimensional);	
• 	l	=	comprimento	da	placa	ou	elemento	tubular	(m);	
• 	d	=	diâmetro	interno	do	elemento	tubular	ou	distância	entre	placas		paralelas	(m);	
• 	S	=	fator	de	eficiência	(	adimensional);	
•  	S	=	1	placas	planas	paralelas;	
•  	S	=	4/3	para	tubos	circulares;	
•  	S	=	11/8	para	tubos	quadrados.	
	
	
Decantador de alta taxa 
46	
Chamando l / d = L 
vcs = velocidade crítica de sedimentação. 
Toda partícula que tiver vs > vcs será, teoricamente, removida. 
vo − vcs × senθ
vcs × cosθ
=
l
d
θθ cosLsen
vv ocs +
=
Tipos de elementos tubulares 
47	
Roteiro	de	dimensionamento		
θ	
l	
lu	
e	
dh	dh	
d	 1º				espaço		entre	placas		na	
direção	perpendicular	ao	
senJdo	do	escoamento	(d)	
d	=	(dh.senθ)	-	e	
d	=	cm;	e	=	cm	2º				comprimento	úJl	(	Lu	)	
Lu	=	l	-	dh.cosθ	 Lu	=	cm;	l	=	cm	
3º				comprimento	relaJvo	(	L	)	
L	=	Lu	/	d	 L	=	adimensional			(	deve	ser		≥	12	)		
4º				fator	de	área	ou	forma	geométrica		(f)	
f	=	adimensional	
S	=	1	para	placas	paralelas	e	planas	f	=	------------------------------	
senθ	(senθ	+	Lcosθ)	
S	
5º				área	superficial	do	decantador		(	A)	
A	=	Q	/	(f.	vs)	 A	=	m2	;	vs	=	m/s;	Q	=	m3/s	
a	
l	
6º				número	de	canais	entre	placas		(	N)	
N	=	A.senθ	/	a.d	 a	=	m;	d	=	m;	A	=	m2	
7º				comprimento	do	decantador		(c)	
c	=	l.cosθ	+	[	N.d	+	(N+1).e		]	/	senθ	
a	=	m;	l	=	m;	d	=	m;	e	=	m	
8º				velocidade	longitudinal	entre	as	placas		(vo)	
vo	=	Q	/	(A.senθ)	 vo	=	m/s;	Q=	m3/s;	A	=	m2	
9º				Número	de	Reynolds		(Re)	
Re	=	4.Rh.	vo	/		ν	
Rh	=	raio	hidráulico	(m);		
ν	=	coeficiente	de	viscosidade	cinemábca	da	água	
Rh	=	(a.d)	/	2(a+d)	
10º				Velocidade	longitudinal	máxima	(vomax.)	
vomax.	=	(	Re/8)1/2.vs	
Se		vo	≅	vomax			⇒	dimensionamento	OK	!		
Caso	contrário	⇒	alterar	dimensões	das	placas,	
e/ou	espaçamentos.	
Aspectos	construJvos	dos	decantadores	lamelares		
Tubo	perfurado	submerso	
ou	calha	coletora	
60	a		
90	cm	
Depende	da	largura	das	placas	
c	
Canal	coletor	de	água	decantada	
Placas	inclinadas	
1	 1	
2	
2	
1	a	3m	
Aspectos	construJvos	dos	decantadores	lamelares		
placa	 placa	
Canal	coletor	de	água	decantada	
lodo	 lodo	
θ	≥	55º	
Canal	de	
	água	
floculada	
Tubulação	p/		
rebrada	do	lodo	
Corte	1-1	
1,60	
0,60	
1,20	
1,15	
0,50	
0,40	
5,45m	
OBS:	medidas	sugesbvas.	
devem	ser	avaliadas	em		
cada	caso	
0,40	
Aspectos	construJvos	dos	decantadores	lamelares		
Corte	2-2	
Entrada	de	
	água	
floculada	
Saída	de	água	
decantada	
válvula	
Ori]cios		
Tubo	para	
rebrada	do	lodo	
calhas	
Lay-out de ETAs 
54	
Canal	de	água	coagulada	
CASA	DE		
QUÍMICA	
Lay-out de ETAs 
55	
Canal	de	água	coagulada	
CASA	DE		
QUÍMICA	
Lay-out de ETAs 
56	
Canal	de	água	coagulada	
CASA	DE		
QUÍMICA	
Lay-out de ETAs 
57	
Canal	de	água	coagulada	
CASA	DE		
QUÍMICA	
FIM 
58	
Exemplo	de	dimensionamento		
Dimensionar	um	decantador	com	placas	para	uma	vazão	de	50L/s.		
Deverão	 ser	 removidas	 par/culas	 com	 velocidade	 de	 sedimentação	 igual	 ou	
superior	a	 	2,0	cm/min.	O	decantador	terá	o	formato	mostrado	abaixo.	Serão	
usadas	placas	de	PVC	medindo	1,2m	x	2,4m	e	10mm	de	espessura.	As	placas	
serão	 inclinadas	60º	e	espaçadas	entre	si	 	10cm.	Calcular	as	dimensões	 	em	
planta	desse	decantador	e	a	velocidade	de	escoamento	longitudinal.	
Placa	
2,4m	
1,2m	
c	
1º				espaço		entre	placas		 d	=	(dh.senθ)	-	e	
d	=	(	10.sen60)	–	1	=		7,7cm	
2º				comprimento	úJl	(	lu	)	 lu	=	l	–	dh.cosθ	
3º				comprimento	relaJvo	(	L	)	 L	=	lu	/	d	
lu	=	1,2	–	0,10.cos60		=			1,15m	
L	=		1,15	/	0,077	=	14,93	
4º				fator	de	área	ou	forma	geométrica		(f)	
f	=	------------------------------	
senθ	(senθ	+	Lcosθ)	
S	
f	=		(sen60	(	sen60	+	14,93.cos60))	/	1		=		7,21	
5º				área	superficial	do	decantador	 A	=	Q	/	(f.	vs)	
A	=	0,05	/	(	7,21	.	0,00033)	=		20,82	m2	
6º				número	de	canais	entre	placas	 N	=	A.senθ	/	a.d	
N	=	20,82.	sen60	/	(	4,8	.	0,077)	=		49,2		=	49		
7º				comprimento	do	decantador		(c)	
c	=	l.cosθ	+	[	N.d	+	(N+1).e		]	/	senθ	
c	=		1,2.cos60	+	[	49.0,077	+	(49+1)0,01]	/	sen60	=	5,6	m	
8º				velocidade	longitudinal	entre	as	placas	
vo	=	Q	/	(A.senθ)	
Vo	=	0,05	/	(	20,82.sen60)	=	0,00277	m/s		ou	0,277	cm/s	
9º				Número	de	Reynolds		(Re)	
Re	=	4.Rh.	vo	/		ν	
Rh	=	raio	hidráulico	(m)			ν	a	água	a	20ºC	=	1,011x10-6	Nm2/s	
Rh	=	(a.d)	/	2(a+d)	
Rh	=	(4,8	.	0,077)	/	2(4,8+0,077)	=	0,038m		
Re=	4.	0,038	.	0,00276		/	1,011x10-6		=		415		
10º				Velocidade	longitudinal	máxima	
vomax.	=	(	Re/8)1/2.vs	
vomax.	=	(	415/8)1/2.	0,00033	=	0,0024	m/s		ou	0,24	cm/s		
Como		vomax	(	0,24	cm/s	)			é	próxima	de		vo	(0,277	cm/s)		
dimensionamento					OK	!