aula 03 caixa de areia

7/23/2019 Aula 03 Caixa de Areia

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Tratamento pr imário - Sedimentação 1

SEDIMENTAÇÃO

Sedimentação separação sólido-líquido ( S > L).

No processo de lodos ativados, a separação sólido-líquido, por sedimentação, ocorre nas

seguintes fases do processo:

a) Caixa de areia: nessa fase é removida a matéria sólida de natureza inorgânica (em geral,

partículas de areia carreadas pelas águas pluviais).

b) Sedimentador ou decantador primário: essa unidade de separação sólido-liquido

precede a unidade de aeração (reator biológico) e nela são removidas as partículas de naturezaorgânica de pequenas dimensões. Os sólidos retidos neste decantador, que são continuamente

retirados pelo fundo, podem ser descartados da mesma forma que os demais sólidos orgânicos mas,em geral, são diretamente conduzidos ao reator anaeróbio, onde são decompostos por via biológica

anaeróbia.

c) Sedimentador ou decantador secundário: essa unidade vem após o tratamentosecundário e remove a massa de microrganismos (lodo ativado) que se desenvolveu. Parte desses

sólidos é retornado para a unidade de tratamento secundário e o excesso é conduzido ao reator

anaeróbio para digestão.

As formas de sedimentação: dependem, essencialmente, da natureza das partículas sólidas

presentes na suspensão e pode ser designada por:

1 - Sedimentação discreta: as partículas sólidas em processo de sedimentação mantêm-seisoladas das demais, ou seja, não ocorre aglomeração entre elas e desse modo cada partícula mantém

inalteradas as suas características físicas (forma, tamanho, densidade). Por exemplo, sedimentação

das partículas de areia na caixa de areia.

2 - Sedimentação floculenta: ocorre aglomeração das partículas acarretando alterações

consideráveis de suas características físicas e, conseqüentemente, das suas características desedimentabilidade. Por exemplo, sedimentação das partículas de natureza orgânica que ocorre no

decantador primário do processo de lodo ativado.

3 - Sedimentação zonal ou em massa: a sedimentação se dá na forma de um bloco. Aparece

quase que instantaneamente uma interface límpida sólido-líquido que vai baixando na bacia de

sedimentação como um todo. Por exemplo, sedimentação do lodo ativado no decantadorsecundário e a sedimentação de flocos de hidróxido de alumínio resultantes do processo de

coagulação-floculação (tratamento físico-químico) de despejos oleosos (emulsões).

3 - CAIXA DE AREIA – DESARENADORESTrata-se de sedimentação discreta, a qual apresenta a seguinte propriedade: A dimensão

física da partícula permanece inalterada durante o seu processo de sedimentação gravitacional, o que

significa dizer que a sua velocidade de sedimentação é constante.

A função do desarenador ou caixa de areia é, depois que o efluente passou pela grade, retirar dele os componentes minerais de rápida deposição. Caso contrário, a areia conduzida junto com a

água pode gerar depósitos indesejáveis dentro da instalação de tratamento, causar um elevadodesgaste nas bombas de lodo, pois ela é extraída na decantação primária junto com o lodo primário.




De forma empírica, foi estabelecido que com velocidades médias de circulação de 0,3 m/s, os

grãos de areia ficam retidos no fundo enquanto os sólidos menores e as substâncias especificamente

orgânicas, mais leves, ficam em suspensão e são transportadas para o escoamento junto com o fluxo.

Por isso, é necessário que os desarenadores sejam instalados de forma que, mesmo havendo um

acúmulo variável de efluente, este atravesse com uma velocidade horizontal de cerca de V1 = 0,3

m/s. Substâncias orgânicas são altamente indesejadas pois acarretam problemas odoríferos. Uma

ação corretiva somente pode ser conseguida se houver uma classificação de areia e componentesorgânicos.

Objetivo: Remoção de areia através de sedimentação, sem que haja remoção conjunta de

sólidos orgânicos.

3.1 - Características dos desarenadores3.1.1 - Características das partículas a serem removidas (“Areia”)

Diâmetro efetivo: 0,2 mm a 0,4 mm;

Massa Específica: 2.650 kg m-3

;

Velocidade de sedimentação: 2,0 cm s-1.

3.1.2 - Dispositivos de remoçãoManuais ou mecânicos (bandejas de aço removidas por talha e carretilha ou bombeamento).

3.1.3- Quantidade e destino do material retidoQuantidade: 30 a 40 L-1 /1000 m3 de esgoto.

Lavagem;

Aterro Sanitário.

3.1.4 - Operação da caixa de areiaLimpeza quando a areia ocupar metade da altura ou 2/3 de seu comprimento total.

3.1.5 - ControleQuantidade de material removido por m3 de esgoto;

Teor de umidade;

Teor de sólidos voláteis.

3.1.6 - Tipos de caixa de areiaTipo canal com velocidade constante controlada por Calha Parshall;

Secção quadrada em planta, com remoção mecanizada de lodo;

Caixa de areia aerada.

3.1.7 - Caixa de areia tipo canal com velocidade constante controlada por Calha ParshallVelocidade de 0,30 m s-1;

Velocidade inferior a 0,15 m s-1; depósito de matéria orgânica na caixa;

Velocidade superior a 0,4 m s-1; araste da areia retida no fundo da caixa de areia.

3.2 - Caixa de areia prismática retangular por gravidade

3.2.1 - Depende _ velocidade de sedimentação das partículas: 0,2 mm, V = 0,02 m s-1;

_ velocidade crítica do fluxo: 0,3 m s-1

;

3.2.2 - Dimensionamento (partículas 0,2 mm, V = 0,02 m s-1

) _ Considere a Figura 1, onde




I – Comprimento e altura da caixa de areia

V1

V2

h

L Figura 1. Deslocamento de uma partícula na caixa de

areia.

V1Lt1

=

V2ht2

=

com V1 = 0,30 m s-1

(velocidade do fluxo)

Como t1 = t2

V1.h = V2.L (V2 = 0,02 m s-1)

Assim

L = 15 h

Como segurança L = 22,5 a 25 h (50%)

II – Largura da caixa de areiaAtravés:

Q = vazão (m3 s-1);h = altura (m);

V1 = velocidade do fluxo (m s-1

);

b = largura do canal para a seção retangular S;

Q = S. V1 = b. h . V1

b =Q

V1 . h

3.2.3 - Taxa de escoamento superficial

Denomina-se taxa de escoamento superficial a relação entre a vazão de esgotosafluente (Q) e a área em planta da caixa (A). Na prática varia entre 600 e 1300 m3 m-2 d-1

3.3.3 - Controle de velocidadeUm dos maiores problemas do projeto é manter a velocidade desejada com a variação da

vazão do afluente;Para controle, projeta-se normalmente uma seção de controle, no final da caixa de areia,

controlando a altura da lâmina de água de acordo com a vazão:

Vertedores proporcionais;

Calhas tipo Parshall;

Calhas tipo Palmer Bowlus

3.3.4 - Vertedores proporcionais (NBR 13403)a) Tipo Sutro: vertedor pouco usado, apresenta grande perda da carga hidráulica; e fácil

retenção de material grosseiro

b) Vertedores Triangulares: medir a profundidade e largura do canal, dimensões (Tabelas 1

e 2, Figura 2).

Para o cálculo de vazão, emprega-se a fórmula de Thompson:

Q = 1,4.h5/2 onde h (m) e Q (m3 s-1)

Tabela 1. Dimensões para construção de vertedor triangular (cm).




Normais Mínimash J L P A h J L P A

5 20 40 50 30 5 8 16 12,5 7,510 20 40 50 30 10 13 26 25,0 15,0

15 20 40 50 30 15 18 36 37,5 22,5

20 20 40 50 30 20 20 40 50,0 30,0

Tabela 2. Altura x Vazão para um vertedor triangular (fórmula de Thompson x 3600).

Altura

h (cm)

Q

(m3 h-1)

Altura

h (cm)

Q

(m3 h-1)

Altura

h (cm)

Q

(m3 h-1)

Altura

h (cm)

Q

(m3 h-1)

0,5 0,01 8,0 9,12 15,5 47,67 23,0 127,80

1,0 0,05 8,5 10,62 16,0 51,61 23,5 134,93

1,5 0,14 9,0 12,25 16,5 55,74 24,0 142,22

2,0 0,29 9,5 14,02 17,0 60,06 24,5 143,74

2,5 0,50 10,0 15,94 17,5 64,57 25,0 157,503,0 0,79 10,5 18,01 18,0 69,28 25,5 165,49

3,5 1,16 11,0 20,23 18,5 74,19 26,0 173,73

4,0 1,61 11,5 22,60 19,0 79,31 26,5 183,20

4,5 2,17 12,0 25,14 19,5 84,63 27,0 190,91

5,0 2,82 12,5 27,84 20,0 90,16 27,5 199,88

5,5 3,58 13,0 30,71 20,5 95,90 28,0 209,09

6,0 4,44 13,5 33,75 21,0 101,85 28,5 218,556,5 5,43 14,0 36,96 21,5 108,03 29,0 228,26

7,0 6,53 14,5 40,35 22,0 114,42 29,5 238,227,5 7,76 15,0 43,92 22,5 121,03 30,0 248,45

A L

hJ

P

A

Figura 2. Vertedor triangular

c) Vertedor retangular: podem ser vertedores com ou sem contração.

Para vertedores sem contração (Figura 3), a vazão é calculada pela fórmula de Francis

Q = 1,838 L h3/2, sendo a vazão Q em (m3 s-1), L e h em (m).




L Figura 3. Vertedor retangular sem contração

Para vertedores com contração (Figura 4), a vazão é calculada pela fórmula de Francis para

um L corrigido

Q = 1,838 [L – 2h/10] h3/2, sendo a vazão Q em (m3 s-1), L e h em (m).A

J

P

h

L

A

Figura 4. Vertedor retangular com contração

Para a construção dos vertedores retangulares, as dimensões são dadas na Tabela 3 e 4.

Tabela 3. Dimensões para construção de vertedor retangular (cm).

L 150 100 60 30

NOR MAIS

h J P A P A P A P A5 30 75 112,5 75 75 75 45 75 22,5

10 30 75 112,5 75 75 75 45 75 22,5

15 30 75 112,5 75 75 75 45 75 22,520 30 75 112,5 75 75 75 45 75 22,5

25 30 75 112,5 75 75 75 45 75 22,5

30 30 75 112,5 75 75 75 45 75 22,5

MÍNIMA

S

5 30 12,5 112,5 12,5 75 12,5 45 12,5 22,5

10 30 25,0 112,5 25,0 75 25,0 45 25,0 22,5

15 30 37,5 112,5 37,5 75 37,5 45 37,5 22,5

20 30 50,0 112,5 50,0 75 50,0 45 50,0 22,5

25 30 62,5 112,5 62,5 75 62,5 45 62,5 22,5

30 30 75,0 112,5 75,0 75 75,0 45 75,0 22,5




Tabela 4. Altura x Vazão para um vertedor retangular sem e com contração (fórmula de Francis x

3600).

Contração h(cm)

Q (m h- )L = 1 m L = 0,8 m L = 0,6 m L = 0,3 m

Sem Contração 1 6,62 5,29 3,97 1,99

2 18,72 14,97 11,23 5,61

3 34,39 27,51 20,63 10,32... ... ... ... ...

28 980,54 784,43 588,32 294,16

29 1033,53 826,83 620,12 310,06

30 1087,45 869,96 652,47 320,23

Com contração 1 6,60 5,28 3,96 1,97

2 18,64 14,90 11,15 5,54

3 34,18 27,30 20,42 10,11

... ... ... ... ...

28 925,46 729,39 533,32 239,21

29 973,41 766,74 560,07 250,07

30 1022,02 804,57 587,12 260,94

d) Controle por calha Parshall: é possível manter a velocidade de fluxo constante na

câmara de sedimentação de areia, instalada a montante, desde que a seção da caixa seja corretamente

dimensionada. Este processo apresenta vantagens como autolimpeza, perda de carga desprezível,

excelente medidor de vazão. As dimensões da calha variam de acordo com a vazão. A variável a ser

calculada seria a “garganta” da calha (W) e a altura hidráulica (h). As demais dimensões podem ser

obtidas através de tabelas (Tabelas 5 e 6, Figura 5).

Q = W h3/2 ou h = (Q/W)2/3 Para uma caixa de areia de seção retangular, com largura b, mesma altura h e velocidade de

escoamento V, as seguintes relações se aplicam:Q = (b.h) V e V = (W2/3.b)Q1/3

Figura 5. Esquema para o dimensionamento da calha Parshall.

Para uma caixa de areia retangular (largura b) controlada por uma calha Parshall (W), as

velocidades máximas e mínimas variam de acordo com a razão:

Vmáx

Vmín

=Qmáx

Qmín

[ ]1/3

E dificilmente a velocidade desejada será mantida próxima de

valores constantes. Pode-se ajustar a seção da caixa de areia de

modo que a velocidade se mantenha em torno dos valoresdesejados (Demonstração de Camp)




Tabela 5. Dimensões padrão de vertedores Parshall.

W A B C D E F G K N L / S

(pol) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) Qmín Qmáx

3 7,6 46,6 45,7 17,8 25,9 61,0 15,2 30,5 2,5 5,7 0,85 53,8

6 15,2 62,1 61,0 39,4 32,1 61,0 30,5 61 7,6 11,4 1,42 110,4

9 22,9 88,0 86,4 38,0 57,5 76,3 30,5 45,7 7,6 11,4 2,55 251,9

12 30,5 137,2 134,4 61,0 84,5 91,5 61,0 91,5 7,6 22,9 3,11 455,618 45,7 144,9 142,0 76,2 102,6 91,5 61,0 91,5 7,6 22,9 4,25 696,2

24 61,0 152,5 149,6 91,5 120,7 91,5 61,0 91,5 7,6 22,9 11,89 936,7

Tabela 6. Altura x Vazão para um vertedor tipo Parshall (fórmula x 1000 – L s-1)

h(cm)

W (cm)7,5 15 22,5 30 45 60 90 120

1 0,15 0,30 0,45 0,60 0,90 - - -

2 0,42 0,85 1,27 1,70 2,55 - - -

3 0,78 1,56 2,34 3,12 4,68 - - -

... ... ... ... ... ... ... ... ...68 84,11 168,22 252,33 336,45 504,67 672,89 1009,34 1345,78

69 58,97 171,95 257,92 343,89 515,84 687,79 1031,68 1375,58

70 87,85 175,70 263,55 351,40 527,10 702,79 1054,19 1405,59

3.4 - Tipos de desarenadores3.4.1 - Desarenador longitudinal

O desarenador longitudinal (Figura 6) é um tanque de sedimentação longo e chato e a água

circula horizontalmente através dele. Nesse tanque, segregam-se areia e materiais inorgânicos com

um diâmetro de 0,2 até 0,1 mm. Segundo experimentos de Kalbskopf (Imhoff, 1979), o grau de

segregação da areia depende do carregamento superficial:100% de segregação para grãos de areia com Ø 0,2 mm: qA = 17 m/h

90% de segregação para grãos de areia com Ø 0,2 mm: qA = 25 m/h

Para o perfeito funcionamento de um desarenador longitudinal, existem mais dois parâmetros

determinantes, que são o carregamento superficial e a velocidade de circulação. O carregamento

superficial máximo é fixado pelas dimensões do desarenador. Quantidades irregulares no fluxo dealimentação são um problema, pois provocam velocidades variáveis de circulação.

Assim, consegue-se uma circulação constante através do desarenador promovendo avariação da largura do desarenador de acordo com o nível de água de modo que sempre se tenha F=

Q/v. Seções transversais trapezoidais resolvem razoavelmente o problema quando não há fluxomuito irregular.

Figura 6. Desarenador longitudinal.

Uma outra maneira de obter umacirculação uniforme quando entram

quantidades irregulares de efluente consiste em

dispor várias calhas paralelamente que vão

entrando em uso gradualmente à medida que

aumenta a quantidade de efluente. Também

chapas obstrutivas e tubos de Venturi podem

regular a velocidade de circulação.

Em desarenadores longitudinais com

mais de 30 m de comprimento, também

acontece a segregação de partículas orgânicas

suspensas.3.4.2 - Desarenador circular




No desarenador circular (Figura 7), o efluente entra tangencialmente em um tanque circular

afunilado. A saída localiza-se do mesmo lado da alimentação para que o efluente consiga completar

ao máximo toda uma volta circular.

A velocidade de alimentação deve compreender cerca de 0,75 m/s e não pode ultrapassar

1,00 m/s. A velocidade na seção transversal de escoamento não pode exceder 0,80 m/s.

núcleo deurbulência

correntetransversal

Figura 7. Desarenador circular conforme Geiger. O tempo de permanência do efluente no desarenador deve ser de 30 até 45 segundos e

quando de alimentação máxima, no mínimo, 25 segundos.

3.4.3 - Desarenador aerado Nos tipos de desarenador descritos até agora, é difícil manter uma corrente com velocidade

constante independentemente da alimentação do efluente. Com a construção do desarenador aerado

(Figura 8), essa dificuldade pode ser amplamente sanada. _ tempo de detenção hidráulica;

_ vazão do ar;

_ geometria do tanque; _ difusores; _ a aeração faz a circulação da água (redemoinho) não depende da vazão;

_ quantidade de ar para cada metro de comprimento do tanque: 0,27 m3 min-1 (mínimo), 0,50

m3

min-1

(máxima) e 0,45 m3

min-1

(média).

redemoinho

sedimentoaeração

redemoinho

calha coletora de areia

zona de sedimentação

Figura 8. Segregação de areia a partir da corrente giratória no desarenador aerado.3.4.4 – Hidrociclone




Os hidrociclones (Figura 9) são separadores centrífugos que, além da desarenação, também

são empregados para espessar os efluentes industriais e lodos (Hosang et al., 1993).

Nos hidrociclones, ao contrário das centrífugas, a circulação do líquido não é obtida pelo

acionamento de um tambor rotante, mas sim, pela alimentação tangencial do efluente sob pressão.

Com isso, o efluente é submetido a um movimento de rotação que gera uma aceleração centrífuga

cerca de 10 a 20 vezes maior do que a aceleração da gravidade. Dessa forma, consegue-se, num

espaço muito menor, uma segregação de sólidos comparável a tanques de sedimentação ouseparadores laminares.

entradatangencial

vórtex

saída superior (sobrenadante)

saída inferior (pulverização)

pulverizador Apex

Figura 9. Apresentação esquemática de um hidrociclone.

3.5 – Perturbações na operaçãoAlgumas evidências de falhas na operação de remoção de areia são: o aparecimento de

excesso de matéria orgânica no material removido, que pode ser causado, pela variação na

velocidade do canal e pelo tempo de retenção muito longo; este pode ser prevenido com a instalação

de um sistema de aeração. Outra evidência é o arraste de areia no efluente, causado pela velocidadedo esgoto, ser maior do que a do projeto, ou por haver demora na limpeza das caixas de areia. Isto

pode ser prevenido, com o uso de duas caixas em paralelo e pela limpeza com maior freqüência.

3.6 – Avaliação do desempenhoAvalia-se:

a) A quantidade de matéria sólida removida por unidade de volume de esgoto tratado, atravésdo registro do volume removido quando a caixa é limpa.

VA

VE Q.T

VA=

VA = volume de areia removido;VE = volume do efluente tratado;

Q = vazão média do efluente;

T = período do tratamento.O valor médio da relação VA/VE é 2 a 4 m3 de areia/100000 m3 de esgoto tratado. Valores

superiores a 15/100000 indica infiltrações na rede de esgoto e valores abaixo de 1/100000 indica

falhas no processos de tratamento.

b) A percentagem de sólidos voláteis presentes na matéria removida pode ser determinada:

SV

STx 100

SV = sólido voláteis existente na areia;

ST = sólidos totais existentes na amostra retirada da

caixa de areia.

O valor de SV, é tolerável o valor limite de 30%, valores superiores indica problemas de projetos (vazão muito baixa);

c) O teor de umidade: em condições normais o teor de umidade está compreendido entre 20-30%.

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