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PROJECTO DE INSTALAÇÕES DE TRATAMENTO 1

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E ARQUITECTURA

MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA DO AMBIENTE

PROJECTO DE INSTALAÇÕES DE TRATAMENTO

Aulas práticas

FILIPA FERREIRA


AULA 1

• Apresentação.


AULA 2 – TRATAMENTO DE ÁGUAS

• Distribuição de temas para monografia.

• Realização de problemas (1 e 2).

• 1º Exercício Prático: classificação da água bruta e das

necessidades de tratamento.


APRESENTAÇÃO DO TRABALHO DE TRATAMENTO DE ÁGUA

Princípios fundamentais:

1º EX. PRÁTICO: Caracterização da qualidade de uma água na origem

2º EX. PRÁTICO: Definição do esquema de tratamento

3º EX. PRÁTICO: Concepção e pré-dimensionamento da ETA

Qualidade (adequada!)

Quantidade (suficiente)

Cobertura (nível de serviço)

Continuidade (sem falhas, 24h/dia)

Custo (adequado)

Controlo operacional (assegurar

funcionamento correcto )


CONCEITOS GERAIS: DUREZA E ALCALINIDADE DA ÁGUA

Agressividade das Águas

Pode ser relacionada com tendência para a corrosão dos materiais com

que são postas em contacto

A Importância do pH das Águas

Usualmente, o pH da água não apresenta perigo para a saúde pública

(contacto directo ou ingestão)

Alguns exemplos de valores pH: estômago até ~1

CocaCola 2,2

sumo de laranja 4

Influência a corrosão dos materiais metálicos, nomeadamente o Ferro:



Oxidação do ferro:

o pH baixo favorece a corrosão (as reacções de corrosão envolvem

H+ (ou OH–) )

222

2

2

Fe(OH) 2 OH 2 O Fe(s) 2

ou H Fe 2H Fe(s)

pH 4,5 corrosão rápida

pH neutro ou levemente alcalino corrosão lenta

Em indústrias (alimentação de água de caldeiras), são utilizados fosfatos

para protecção anticorrosão.

(o teor em ferro numa água potável deve ser < 0.3 mg/l para evitar sabor e

problemas estéticos)


Dureza da Água (hardness)

Resulta da presença de catiões divalentes na água sendo os maisimportantes o Ca2+ e o Mg+.

Incidência em doenças cardiovasculares (Ca2+ e Mg+) e efeitos laxativos([Mg+])

Inclui a Dureza total (soma das concentrações de cálcio e magnésio).

Pode ser expressa em:mg de CaCO3/LGraus franceses (ºF)

Classificação de águas atendendo à dureza:

Águas macias para dureza total<100 mg de CaCO3/L

Águas duras para dureza total >120 mg de CaCO3/L.

1°F= 10mg CaCO3/L




Alcalinidade da Água (alkalinity)

Medida total das substâncias presentes numa água capazes de neutralizar

ácidos.

Devida sobretudo ao carbonato e bicabornato, e secundariamente aos

iões hidróxido, silicato, borato, fosfatos e amónia.

Inclui a Dureza total

DUREZA ELEVADA:

formação de produtos insolúveis com o sabão (problemas lavagem

industrial)

precipitação cálcio (na maior parte CaCO3): a formação de uma película

de recobrimento no interior da tubagem evita a corrosão e consegue-se

controlando dureza e pH



EQUILÍBRIO CALCO-CARBÓNICO

Pode ser descrito pelo conjunto das reacções seguintes:

H2O = H+ + OH-

CO2 + H2O = H2CO3

H2CO3 = H+ + HCO3-

HCO3- = H+ + CO3

2-

CO32- + Ca2+ = CaCO3

CO32- + Mg2+ = MgCO3

Águas Incrustantes - mostram tendência para depositar carbonato de cálcio. ( rugosidade da tubagem com capacidade de transporte; facilita desenvolvimento de biofilmes)

Águas Agressivas - mostram tendência para dissolver CaCO3.(dissolve CaCO3 que existe nas tubagens de betão)

Será interessante conseguir uma situação de “equilíbrio”!

hidrogenocarbonato

ou bicarbonato

carbonato

carbonato de cálcio



Método de Hallopeau e Dubin

Diagrama tridimensional que permite

aferir a agressividade da água em

função do:

pH

Ca2+ (dureza)

concentração de carbonato

(alcalinidade).



Índices de Saturação de CaCO3

Índice de Langelier:

IL = pH – pHS (idealmente -0,5<IL<0,5)

(diferença entre o pH da água e o pH correspondente à saturação de CaCO3 dessa

água)

águas incrustantes SI>0

águas agressivas SI<0

Para cada tipo de água, existe uma concentração de CO2 de “equilíbrio”:

• para concentrações de CO2 inferiores o CaCO3 precipita (águasincrustantes);

• águas agressivas para concentrações de CO2 superiores



A correcção da agressividade da água pode ser feita através da adição de:

• Ca(OH)2 ou hidróxido de cálcio (“cal apagada”) – obtida, por reacçãocom água, da “cal viva” (CaO).

• Permite fazer acerto de pH, estabelecendo um sistema tampão compH próximo da neutralidade.

• Como as solubilidades de CaCO3 e de Mg(OH)2 em água são baixas,também vai permitir o controlo da dureza das água tratadas


RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS

Problema 1

Se a concentração em cálcio e magnésio duma água for, respectivamente,

30 mg/L e 10 mg/L, determine a sua dureza em mg/L CaCO3 e ºF.

Consider a water with the following concentrations: calcium – 30 mg/l;

magnesium – 10 mg/l. Determine the hardness in mg/l CaCO3 and ºF.



Conceito de miliequivalente (meq)

Miliequivalente por litro (meq/L) é calculado dividindo o peso moleculardo constituinte em mg/L pela sua valência.

1 eq = Pmolecular (g) / valência

Transformar os teores dos constituintes de uma água de ppm (mg/L)para meq/L tem as seguintes vantagens :

• Permite conferir a exatidão da análise, através do balanço iónico(o peso total de catiões deve igualar o total de aniões, ambos em meq/L).

• Permite saber que sais formam os iões detectados na análise

O nº de equivalentes/mole de uma base é igual ao nº de moles de H+ que pode reagir com uma mole da base

Ex: CaCO3 decompõem-se em CO32-+Ca2+ logo pode reagir com 2 moles de H+



Problema 2

No processo de redução de dureza duma água e de correcção do equilíbrio

calco-carbónico por precipitação, é usada cal viva sendo a reacção traduzida

na seguinte equação química:

When using lime to reduce the hardness of water the following reaction

occurs:

CaO + Ca(HCO3)2 = 2 CaCO3 (prec.) + H2O

Determine a dosagem de cal, com um grau de pureza de 90% em CaO,

necessária para reduzir a dureza de 20 ºF para 5 ºF, admitindo que a

concentração em magnésio é desprezável.

Determine de lime dosage necessary to reduce the hardness from 20ºF to

5ºF, admitting a purity level of 90% and that the magnesium concentration is

neglectable.


DIVERSOS

Notas diversas:

Turbidez: 1 NTU = 0,13 mg/l SiO2

No enunciado do Trabalho 1, admitir que a dureza e a alcalinidade sãoexpressas em mg HCO-

3/L


AULA 3

• Realização do problema 3.

• Conclusão do 1º Ex. Prático: equilíbrio calco-carbónico.



Problema 3

Pretende-se adicionar cal a uma água agressiva para correcção do

equilíbrio calco-carbónico, o que deverá aumentar a sua alcalinidade de 60

mg/L para 100 mg/L, expressa em HCO-3.

Calcule para uma produção de 100 m3/h de água:

a) a quantidade de cal a adicionar na forma de cal viva, admitindo-se

75% de grau de pureza no produto comercial;

b) a quantidade de cal a adicionar na forma de cal apagada com 90%

de grau de pureza e o caudal de suspensão de cal a 2% a dosear;

c) a quantidade de carbonato de cálcio e o caudal de solução a 4% a

dosear.



Método de Hallopeau e Dubin

• Obter a alcalinidade da água expressa em mg CaCO3/LnoTrabalho 1, a dureza e a alcalinidade são expressas em mg HCO-

3/L

• Traçar o ponto S = (Alcsat amostra, pH sat amostra) no gráfico.

• Traçar uma paralela à recta de saturação passando pelo ponto S(corresponde à recta de saturação da amostra)

• Traçar o ponto = (Alcamostra, pHamostra) no gráfico.

• Deslocar a curva de neutralização utilizada para o ponto ,mantendo o eixo dos xx.

• Para o ponto de intercepção entre a curva de neutralização e a rectade saturação da amostra, ler em abcissa a alcalinidade de saturação(Alc G)

• A quantidade de CaCO3 (ou CaO) a adicionar para obter o equilíbriocalco-carbónico é dada por:

Alcamostra - Alc G



ÁGUA INCRUSTANTE

EM EQUILÍBRIOÁGUA AGRESSIVA

S

Alc G


AULA 4

• 2º Ex. Prático: Definição de operações e processos

unitários. Diagrama linear.


CONCEITOS GERAIS: OUTROS PARÂMETROS

Outros parâmetros

Nitratos:

• deve-se sobretudo às escorrências superficiais

• valor limite de 45 mg/L meta-hemoglobina infantil (bebés azuis)

(VMA=3 mg/L, segundo OMS )

• praticamente não removidos em sistemas convencionais

Azoto amoniacal:

• indicador de m.o. em decomposição

• removido biologicamente dando origem a nitritos e nitratos

(muitas vezes recorre-se ao CAG, que serve de suporte ao desenvolvimento

biológico, sobretudo quando precedido de ozonização)

• também pode ser oxidado pelo cloro (efic. 100%)



Manganésio (ou manganês):

• Conc. de 0,2 a 0,4 mg/L gosto desagradável e desenvolvimento de

organismos em sistemas de distribuição

• Removido por oxidação química (passa a Mn+4, precipitando)

(nec. tresidência 2h, a mont. filtração)

Ferro:

• Facilmente oxidado a Fe+3 e precipitado (tx. oxidação varia c pH água).

Fluoretos:

• prevenção contra a cárie numa dose correcta, pois 250 - 400 mg é

tóxico e 4 - 5 gr fatal



Turvação (turbidity):

• Propriedade óptica de amostras que provoca a dispersão e adsorção

da luz não permitindo a sua transmissão.

• Permite avaliar o teor de partículas em suspensão na água

• Pode a eficiência da desinfecção (turvação deve ser < 1 NTU!)

• Removida na clarificação(se turvação < 15 a 20 mg/L filtração directa, dispensando decantação)

Cor:

• Indicador da presença de compostos orgânicos.

• Devido a subst. orgânicas, plâncton, escorrências de solo, metais

pesados, efluentes industriais…

• Indesejável esteticamente

• Não apresenta risco para saúde pública



SST:

• Maior potencial de formação de organoclorados percursores estão

associados a material particulado (de que são indicadores a turbidez

e os SST)

• Removida na clarificação (efic. 100%)

(a filtração, por si só, só assegura 10 a 95% remoção)

Compostos

• orgânicos: - ácidos húmicos e fúlvicos;

- reflectem a humificação de terrenos, que tem origem nos

processos de degradação de animais/plantas.

• sintéticos: pesticidas, contaminantes industriais, trihalometanos…



Indicadores de m.o.

• COT: avaliar o teor de m.o. presente na água;

bom indicador de poluição

(a absorvância (UV), q pode ser continuamente monitorizada, é uma

alternativa da COT, sendo a correlação entre os 2 parametros >90%)

• CBO5: traduz o teor em m.o. facilmente biodegradável

• CQO: traduz o teor em m.o. e inorgânica passível de ser oxidada por

um oxidante forte (permanganato de potássio)

Cheiro e sabor:

• Devido a compostos naturais ou sintéticos

• Removido eficazmente por adsorção em CAG ou CAP

(proc. que incluem pré-oxidação e adsorção em CA asseguram efic. 100%)



Oxidabilidade:

• Traduz o teor de compostos orgânicos e inorgânicos passíveis de

oxidação

• Efic. de remoção de 80 a 95%

• Indicativo da nec. de pré-oxidação

(para valores > 7mg/L, usar ozono para evitar a formação de trihalometanos)

Caracterização biológica:

• Bactérias, vírus, protozoários, algas

• Coliformes totais - Inclui todas as bactérias aeróbicas, facultativas,

que não formam esporos...

• Coliformes fecais - são um sub-grupo dos coliformes totais e

evidenciam mais fortemente a presença de

contaminação fecal; inclui Escherichia coli



Enxofre:

• efeito laxativo para concentrações superiores a 100 mg/L

• o valor limite imposto pelas normas é devido ao sabor provocado

• sulfatos são corrosivos para estruturas betão e tubagens

(muito lenta em conc.<350 mg/L mas rápida para conc.>1 000 mg/L)

• remoção não assegurada por sistemas convencionais recorrer a

permuta iónica ou osmose inversa

Quando se usa sulfato de alumínio como agente coagulante, a

água tratada sofre um acréscimo de sulfatos de 20 a 50 mg/L

Cloretos:

• remoção não assegurada por sistemas convencionais recorrer a

osmose inversa ou mecanismos electrolíticos, ou diluir com água com

reduzido teor em cloretos



Toxinas:

• Removidas por adsorção em CA (remoção 80%)

(a pré-ozonização com tempo de contacto superior a 5 min pode ser suficiente

para destruir as toxinas para valores não detectáveis)

Hidrocarbonetos:

• Removidos por adsorção em CA (remoção até 90%)


OPERAÇÕES (OU) E PROCESSOS UNITÁRIOS (PU) - SÍNTESE

OU e PU utilizados em sistemas de tratamento de água (Qasim et al., 2000)

CLARIFICAÇÃO



OU e PU adequados à remoção de contaminantes (Qasim et al., 2000)



SST

Microrgânismos

clarificação (G+H+I+J)

m.o. dissolvida (F+G+H+I+J)

Compostos orgânicos N

Estabelecer residual

oxidante

P (cloragem) Última operação quando a água jánão apresenta m.o.; o residual de cloro deve ser 0,2 mg/L

durante 4 h

Ajustar equilíbrio

Calco-carbónico

K


EXEMPLO DE PROCESSO DE TRATAMENTO


EXEMPLO DE DIAGRAMA LINEAR


AULA 5

• Critérios de dimensionamento: pré-oxidação, correcção

do equilíbrio calco-cabónico, câmaras de mistura rápida.

• Armazenamento de reagentes.

• 3º Ex. Prático.


CRITÉRIOS DE DIMENSIONAMENTO

Aspectos gerais

Dados de base:

• HP 20 anos (idealmente 15 anos)

• Qdim=Qméd.diário (nesse caso, é necessário reservatórios)

ou Qpta (Qmmc ou Qdmc)

• Nos primeiros anos, funciona a caudal fixo ou tempo fixo

• Construção faseada!

Se ETA incluir clarificação e

desinfecção deve optar-se

por caudal fixo



Incluir:

• Gradagem

• Medição de caudal

• By-pass - a cada órgão

- à coagulação/floculação

- aos decantadores (filtração directa)

- aos filtros

• Nº de linhas de tratamento 1, mesmo no Ano 0, para proceder a

operações de limpeza e manutenção

• Para cada órgão, referir condições de funcionamento ao longo do

horizonte de projecto!


Pré-oxidação (ozonização)

• a biodegradação dos compostos orgânicos

• não conduz nec. à oxidação total da m.o.

Há diversos tipos de câmaras de contacto. Ex.:



Taxa de ozono (doses típicas)

1 a 3 mg/L ou, se função do TOC:

Tempo de contacto (Retention time): TRH=V/Qdim

3 minutos é suficiente

10 a 15 min se existir muita m.o.

TOC

(mg/l)

O3

(g/m3)

<5 1,5

5-10 3



Dimensionamento da cisterna

L=comprimento; W=largura; D=profundidade

L:W 2:1

D 3 a 4m

Armazenamento de reagentes

assegurar reserva para 15 dias

Oxygen storage: 1kg O3 is produced with 2,5 kg O2

O2 density – 1,14 kg/l

Tanks available – 100, 120, 140, 160, 200, 250 l (1 m diameter)



Correcção do equilíbrio calco-carbónico


Adição de reagentes:

Reagent: hydrated lime (cal apagada) – Ca(OH)2

amount to add Hallopeau et Dubin graphic

90% purity

dose = C

mas…

É necessário definir a carga efectiva de Ca(OH)2 a adicionar à água a tratar, atendendo

ao consumo de alcalinidade pelo sulfato de Al (M) adicionado na mistura rápida

Dose efectiva = D = C + M/0.75

Correction of hydrated lime dosage due to sulfate aluminium

1g Al2(SO4)3 eliminates 0,2 g of alcalinity in CaCO3

75% of hydrated lime is added in the rapid mixing chamber

25% is saved for later, after pH measuring



Caudal de suspensão a dosear:

Add as a solution with 2% concentration in weight

Define the flow of the solution to be added

Hydrated lime solution preparation

Two deposits

Each deposit with a supply capacity of 24 h

Cubic shape

Pumps: 1+1

Armazenamento de reagentes

Bags with 25 kg capacity

Manter adição constante no tempo

2 kg/100 L



Admitindo que se adiciona cal hidratada numa câmara de mistura

rápida a montante da destinada à adição de sulfato de alumínio:

• Fixar o nº de câmaras ( 2)

• TRH = 5 a 10 min calc. V e definir dimensões das cubas (cúbicas),

com bordo livre de 0,5 m

• G entre 600 e 1000 s-1 calc. Potência instalada: P=V.m.G2

m = 1,57E-3 Ns/m2

• Definir condições de funcionamento

(ano 0 e ano 20, com nº de unidades em funcionamento variável)

V

PG

m

G - velocity gradient (s-1)

P – Power input (W)

m – dinamic viscosity ( N.s/m2)

V – volume (m3)varia com a

temp. da água


Mistura rápida/coagulação


Contact chamber for aluminium sulfate addition

Retention time: 1 min (TRH = 10 a 60 s)

Processo de cálculo:

• Fixar o nº de câmaras ( 2)

• TRH calc. V e definir dimensões das cubas (cúbicas), com bordo

livre de 0,5 m

• G entre 600 e 1000 s-1 calc. Potência instalada: P=V.m.G2


• Ver exemplo livro AWWA: 3 câmaras de dim. iguais

(TRH total =41s (1s+30s+30s))



Agente coagulante: sulfato de alumínio Al2(SO4)3

Define dose – jar tests!

usually 15 to 40 mg/L

2 to 8 mg/L (Casey, 1997)

Determine consumption

Add as a solution with 8% concentration in weight


Aluminium sulfate solution preparation

Two deposits


Cubic shape

Pumps: 1+1

idealmente o pH da água deve ser de 5,5 a 7,5!



Storage of reagents

15 days reserve

Bags with 50 kg – LxWxH = 0,8x0,5x0,2

Bags with 25 kg – LxHxH =0,5x0,4x0,2

Pile no more than 5 bags

Definir kg de reagente a armazenar, nº de sacos, nº de pilhas e área

ocupada (a localizar no edifício de reagentes)


AULA 6

• Critérios de dimensionamento: floculação, sedimentação

e filtração.

• 3º Ex. Prático (cont.).


Floculação


Flocculation compartments

Retention time: TRH total = 10 to 40 min (usually 20 min, at 20ºC)

Direct filtration TRH = 15 to 20 min

Conventional floculation TRH = 18 to 25 min (or >!)


• Fixar o nº de compartimentos em série ( 3)

• TRH calc. V e definir dimensões das cubas (cúbicas), com bordo

livre de 0,5 m

• G calc. Potência instalada: P=V.m.G2

Evitar curtos-circuitos hidráulicos e definir

zonas distintas com inputs de energia

Direct filtration G = 20 to 75 s-1

Conventional floculation G = 10 to 60 s-1

Para turvação <

15 a 20 mg/L



• O valor de G deve ser progressivamente decrescente ao longo dos

diversos compartimentos em série, para evitar a destruição dos flocos)


• Ver exemplo livro AWWA: 4 compartimentos por linha de tratamento

Notas:

É comum adicionar polimeros aniónicos ou catiónicos como adjuvante da

floculação em concentrações inferiores a 1 mg/L.


Sedimentação


Sedimentation tank design criteria

Retention time: TRH = 1,5 to 2 h

Hydraulic surface load (carga hidráulica): 1 to 2 m3/(m2.h)

Ch=Qdim/Área

Minimum side slope: 60º

Height of the upper part: hup = 1 to 1,5 m

Pipe that feeds the tank: vmax=1 m/s

V prismático = h/3.(a22+a1

2+(a22.a1

2)0.5)

Set a2 to 1 m

a1

a2

h

hup

planta quadrada




• Fixar o nº de decantadores ( 3; idealmente 4)

• calc. Qdim por unidade

• Para cada unidade:

− TRH calc. V

− Ch definir a1

− hup calc. Vup Vprismático = V – Vup

− a2 (usualmente = 1m) definir h

• Definir diâmetro do tubo que provem de montante, dado Qdim e vmáx


Filtração


Eficiência deve-se a fenómenos de adsorção, floculação e sedimentação

O nível de água sobre o filtro é mantido constante

Órgão regulador: cria uma perda de carga importante quando o filtro

está lavado, que decresce com a colmatação do leito

sistema de medida do nível de água no filtro

sistema de comando e regulação

válvula de borboleta (actuando à saída da água filtrada)

Entrada de um filtro em lavagem: quando o nível de água no filtro

começar a subir, estando a válvula de borboleta na sua abertura máxima

(sequência entre saturação e

regeneração do leito filtrante)



(1) Laje de betão com orifícios que drenam o fundo do meio filtrante

(2) Reservatório de água para reutilização

(3) Reservatório de água para lavagem dos filtros

(4) Meio filtrante

(5) Camada de suporte

(6) Caleira para recolha de água de lavagem



Filtration beds design:

• Hydraulic load (txfilt): 5-10 m3/(m2.h) for rapid filtration

1-2 m3/(m2.h) for slow filtration

• Water depth – 1,0 m

• Length:width – 2:1

• Even number of filters (N 4)

Então:

• Fixar taxa de filtração

• Determinar nº de filtros e fixar nº filtros em lavagem (n = 1)

• Fixar dimensões de cada filtro (Cu e Lu)

• Admitir bordo livre = 0,3 a 0,5 m

• Fixar altura de água sobre o filtro =1,4 a 1,8 m

Atotal = Q/txfilt

Au = Atotal /(N-n)



Filtration media design:

• Sand height = h = 0,6 to 0,8 m

• efectivo = 0,4 a 0,6 mm

• Coeficiente uniformidade < 1,6

Então:

• Calcular quantidade areia necessária:

• Fixar a expansão admitida no leito filtrante = 25 a 40%

• Calcular hexpansão

(= altura de água sobre o filtro.expansão)

A ter em conta para a colocação da caleira de recolha de água de lavagem

Areiatotal = N.h.Au



Camada de suporte:

• Seixos de granito

• Altura da camada de suporte = h’ = 0,25 m

• efectivo = 4 a 8 mm

Então:

• Calcular quantidade de seixos necessária: Seixostotal = N.h’.Au



Fundo falso:

• Altura do fundo = hf = máx(0,5; 0,25+tubagem para lavagem dos filtros)

• Incluir bocais (que servem de drenos)

Espaçamento = 0,20 m

Quantidade = 25 bocais/m2

DH bocal 0,75 m

Perda de carga no filtro:

• Maximum head loss 2,5 m

• Considerar DH = 0,10 m no descarregador a mont. dos filtros, que

divide o caudal para cada filtro

• Outras singularidades:

K = 1 na entrada de reservatórios

0,5 na saída de res. para tubagens

DH filtro=hágua sobre o filtro +½ hmeio filtrante + DHbocal

DH = K.V2/2g



Lavagem dos filtros:

• Efectuada em contracorrente e a caudal constante

1º com ar comprimido para promover a agitação entre as partículas

2º com água bombada

• Água de lavagem - recolhida em calhas especialmente concebidas

para o efeito e localizadas atendendo à expansão do meio filtrante

durante a lavagem, com uma folga de 0.15 m.

• Water wash rate (txlav água): 20 m3/(m2.h)

• Air wash rate (txlav ar): 60 m3/(m2.h )

Design:



• Total wash duration = 10 to 20 min (1 wash/day, each filter individualy)

• Water pression = 10 mca

• Air pressure = 4 mca (2,5 to 7 mca)

Então:

• Fixar taxa de lavagem com água Qu= txlav água . Au

• Fixar tempo de lavagem com água

• Calcular tubagem para a lavagem filtros

(Q=V.A admitir 0,7<v<1.5 m/s)

Water wash duration = 6 to 7 min

Air wash duration = 2 to 3 min



• Fixar taxa de lavagem com ar

• Fixar tempo de lavagem com ar

• Determinar a potência da bomba de água

• Calcular Qar = txlav.ar x Au

• Determinar a potência do compressor de ar

P=.Q.DH / P – potência(W)

- 9800 N/m3

Q (m3/s)

DH (m)

0.8 (-)

Par=Págua x 3,5


AULA 7

• Continuação da aula anterior.


AULA 8

• Critérios de dimensionamento: reservatórios, desinfecção,

linha de tratamento de lamas.

• Concepção de ETA (áreas necessárias).

• 2º Ex. Prático (conclusão).



Reservatórios

Água tratada para lavagem dos filtros

• Volume necessário para a lavagem durante o tempo definido

• h 2.5 m definir C e L(pode ficar sobre os filtros, tirando partido das suas dimensões)

Água proveniente da lavagem dos filtros

• para bombar esta água para montante da mistura rápida, lentamente,

para não reduzir a qualidade final da água tratada.

• 2 ou mais reservatórios com h 2.5 a 3 m

VR1=Qun.nec. (m3/min) x tlav (min)

Vtotal = VR1 x 4



Água tratada

• Para fazer face às características da rede de distribuição a jusante(nomeadamente no que se refere aos factores de ponta)

• Usual ter reserva para 8 ou 10 horas



Desinfecção

(1) Cisterna para desinfecção final

(2) Bombas doseadoras (clorómetros) n 2

(3) Armazenamento de reagentes

(4) Cubas de preparação da solução

(5) Edifício de desinfecção, equipado com exaustor e material de 1ºs socorros


Disinfection design criteria:

• Chlorine dosage: 1 to 5 g/m3

(valor inferior se existir pré-oxidação com ozono, usualmente 1 a 2 g/m3)

• Contact chamber: Retention time: 20 to 30 min

Cubic shape

Reagente desinfectante: hipoclorito de sódio (lixívia = bleach) NaClO

Add as a solution with 8% concentration in volume

Commercial concentration = 120 g Cl /L


Storage of reagents

1 month reserve




Solution preparation

Two deposits


Cubic shape

Pumps: 1+1

Então:

• Dado Qdim, fixar TRH

• Calcular volume da cisterna e definir as suas dimensões

• Fixar a dose de cloro e calcular a quantidade de cloro necessária

• Calcular a quantidade de solução comercial a adicionar (L/h)

• Determinar a quantidade de solução a 8% a dosear

QuantCl = dose x Qdim



Tratamento de lamas

Sludge production

• [SST] initial +

• + 0,26 g/g Aluminium sulfate added

• Sludge concentration = 2%

estimate daily sludge production (m3/d)

Sludge thickening (espessador gravítico)

• Solids load = 12 to 40 kg SST/h/m2

• Teor de humidade das lamas espessadas = 5 a 9%

• Índice de captura = 95%

• Planta circular; h 2,5 m

Cs = Lprod (kg/h) / Aesp (m2)



Então:

• Calcular Aesp e definir geometria

• Calcular TRH(deve ser <18 a 24h para não haver decomposição anaeróbica das lamas)

• Calcular quantidade de lamas espessadas

• Calcular o caudal de lamas espessadas(este caudal segue para desidratação mecânica, nomeadamente por filtragem

em sacos-filtro)

• Calcular o caudal de drenados(a conduzir para o reservatório Água proveniente da lavagem dos filtros)

Lesp = Lprod x Icaptura

Qdren = Qlamas a espessar - Qlamas espessadas



Edifícios e generalidades

Edifício de exploração

Sala de comando e sala de reuniões

Laboratório

WC

Cozinha, sala de refeições, vestiário…

Edifício de armazenamento e preparação de reagentes

Edifício de armazenamento de cloro

Compartimento fechado com acesso pelo exterior equipado com exaustor

e material de primeiros socorros

Edifício de produção de ozono

Compartimento próprio acessível pelo exterior e pelo edif. de exploração.



Plant layout drawing

• Outside walls - 30 cm thick

• Inside walls - 20 cm thick

Chambers and tanks

• Walls: 30 cm thick

• Bottom: 40 to 50 cm thick

• Border: >40 cm heigth


AULA 9

• Visita de estudo à ETAR de Beirolas.


AULA 10

• Dúvidas.


AULA 11 – TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUAIS

• Características qualitativas e quantitativas das águas

residuais.

• Etapas e tipos de tratamento (operações e processos

unitários).

• Tratamento biológico: princípios.

• Descrição dos processos de lamas activadas e suas

variantes. Principais critérios de dimensionamento.


TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUAIS

CARACTERÍSTICAS QUALITATIVAS



Principal constituents of concern in wastewater treatment

METCALF & EDDY / WASTEWATER ENGINEERING - TREATMENT AND REUSE



Typical composition of untreated domestic wastewater



CARACTERÍSTICAS QUANTITATIVAS



ETAPAS DE TRATAMENTO



TIPOS DE TRATAMENTO



DECRETO-LEI Nº 236/98, DE 1 DE AGOSTO



Important factors that must be considered when evaluating

and selecting unit operations and processes



TRATAMENTO DE AFINAÇÃO (TERCIÁRIO)



Fundamentals of biological treatment



Descrição dos processos de lamas activadas e suas

variantes


AULA 12

• Dimensionamento de sistemas de lamas activadas.


Admitem-se os seguintes pressupostos:

(a) a concentração dos SSV do afluente ao reactor é desprezável;

(b) a razão MLVSS/MLSS = 0,80;

(c) a concentração de sólidos na recirculação é de 10 000 mg/L;

(d) a concentração de sólidos no reactor é de MLVSS = 3 500 mg/L;

(e) a idade das lamas, θc = 10 dias;

(f) o efluente contém 22 mg/L de sólidos biológicos, dos quais 65% são biodegradáveis;

(g) CBO5 = 0,68 x CBOu;

(h) as águas residuais têm as concentrações adequadas de azoto e fósforo para o crescimento

biológico;

(i) os parâmetros cinéticos do crescimento biológico, Y = 0,50 e kd = 0,06 d-1.

A – DADOS DE BASE

Caudal =0,25 m3/s CBOa = 250 mg/L

T = 20 ºC CBOe = 20 mg/L

DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA DE LAMAS ACTIVADAS

Dimensionamento de um sistema de lamas activadas

(mistura completa)


Simbologia:


CBOa - CBO5 afluente ao sistema (S0), mg/L

CBOe - CBO5 efluente ao sistema, mg/L

E - Eficiência do sistema com base no CBO5 solúvel, %

Eglobal - Eficiência global do sistema, %

kd - Coeficiente de decaimento endógeno, dia-1

MLSS - Sólidos suspensos no reactor, mg/L

MLVSS - Sólidos suspensos voláteis no reactor, mg/L

Px - Quantidade de lamas produzidas diariamente, kg SSV/d

Q - Caudal afluente ao sistema, m3/dia

Qe - Caudal do efluente tratado, m3/dia

Qw - Caudal de lamas em excesso, m3/dia

S - CBO5 afluente não tratado, mg/L

SS - Sólidos suspensos, mg/L

SSV - Sólidos suspensos voláteis, mg/L

- Tempo de retenção hidráulico no reactor, dia

c - Idade das lamas (tempo médio de retenção das células, SSV, no reactor), dia

VR - Volume do reactor, m3

X - Concentração de SSV no reactor R, mg/L

Xe - Concentração de SSV no efluente, mg/L

Y - Coeficiente de crescimento de células, g células produzidas por g de matéria orgânica

removida

YReal - Coeficiente de crescimento de células real num sistema com recirculação


Typical design parameters for commonly used activated sludge process



1 - Cálculo do CBO5 solúvel no efluente

CBO5 efluente = CBO5 afluente não tratado + CBO5 dos SS do efluente

a) CBO5 dos SS do efluente

a.1) parte biodegradável dos sólidos biológicos do efluente

0,65 x 22 mg/L = 14,3 mg/L

a.2) CBOu da parte biodegradável dos sólidos biológicos do efluente

0,65 x 22 mg célula/L x 1,42 mg O2 consumido/mg célula oxidada = 20,3 mg/L

a.3) CBO5 dos SS efluente = 20,3 mg/L x 0,68 = 13,8 mg/L

b) CBO5 afluente não tratado (S)

B – DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA

CBOe = S + CBO5 dos SS efluente

20 mg/L = S + 13,8 mg/L

S = 6,2 mg/L



2 - Cálculo da eficiência

100 x S

S - S = E

o

o

a) com base no CBO5 solúvel

100 x 250

6,2 - 250 = E 97,5% =

100 x 250

20 - 250 = Eglobal 92% =

b) a eficiência global do sistema



3 - Cálculo do volume do reactor

a) substituindo θ em X, e resolvendo a equação para VR

b) a eficiência global do sistema

Q

V = θ

)θ k + (1 θ

S) - S(Y θ = X

R

cd

oc

)θ k + (1 X

S) - S( Y Q θ = V

cd

ocR

d) 10 x d 0,06 + (1 mg/L) 500 (3

mg/L] 6,2) - 0,50[(250 x s/dia) 400 86 x (0,25 x (10d) = V 1-R

3m 700 4



4 - Quantidade de lamas produzidas em excesso por dia

a) Cálculo do Yreal

b) Quantidade de lamas produzidas

10) x 0,06 + (1

0,5 =

θ k + 1

Y = Y

cd

real removido CBO células/g g 0,31 =

10 x S)- S( Q Y = P-3

oRealx

10 x )m(g/ 6,2) - (250 x s/d) 400 86 x (0,25 x removido) CBO células/kg kg (0,31 = -33

SSV/d kg 632 1 =



c) Cálculo do aumento da massa total de MLSS

d) Quantidade de lamas em excesso

SS/d kg 040 2 = 0,8

632 1 = (SS) Px

400) 86 x /sm 0,25 x mg/ (22 - SS/d kg 040 2 = 33

SS/d kg 565 1 475 - 040 2 =


efluente no SS - MLSS de Aumento = excesso em Lamas


e) Caudal de lamas em excesso, admitindo que a purga é feita a partir do reactor

X Q + X Q

X V = θ

eew

Rc

0,8) x mg/ 22 x 400 86 x /sm (0,25 + mg/ 500 3 x Q

mg/ 500 3 x m 700 4 = d 10

333

w

33

160 380 + Q 500 3

000 450 16 = 10

w

/dm 361 = 000 35

600 801 3 - 000 450 16 = Q 3

w



f) Razão de recirculação

X )Q + (Q + X Q = X Q + X Q RwRRo

X )Q + (Q = X Q RRR

500 3 x )Q + 600 (21 = Q 0,8 x 000 10RR

/dm 800 16 = Q 3R

Admitindo-se que:

Xo = 0 mg/L

Qw é desprezável face ao Q ( 1,6%)

% 78 = Q

Q R



5 - Cálculo do tempo de retenção hidráulico

h 5,2 = 600 21

700 4 =

Q

V = θ R

/dCBO kg 744 7 = 0,68

mg/ 6,2) - (250 /dm 600 21 =

0,68

)S - (S Q u

33o

/dO kg 426 5 = SSV/d kg 632 1 x 1,42 - /dCBO kg 744 7 = /dO kg 2μ2

6 - Cálculo das necessidades de oxigénio

a) quantidade de CBOu removido no processo

b) quantidade de oxigénio



7 - Cálculo da potência dos arejadores

8 - Verificações

kW 150 = /kW.hO kg 1,5 x h/d 24

/dO kg 426 5 = totalpotência

2

2

/kW.hO kg 2,2 a 0,9 O de ciatransferên 22

m W/25 > m W/32 = m 700 4

W000 150 33

3

d 0,33 = mg/L) 500 (3 x d) (0,22

mg/L 250 =

X θ

S =

M

F 1-o

Potência agitação:

Relação F/M:


.d)m/CBO kg 1,92 - (0,8 1,15 = m 700 4

10 x /dm 600 21 x mg/ 250 =

V

Q S =

.dm

CBO kg3

53

-333

R

o

3

5Carga volúmica:


Typical aeration tank dimensions for mechanical surface aerators


Typical values of alpha factors for low-speed surface aerators

and selected wastewater types


Typical design information for secondary clarifiers for the activated sludge process




Lamas activadas na variante de arejamento prolongado (METCALF)

Parâmetro Unidade Gama de valores

Aceitáveis Adoptados

IL (Idade das lamas) =c dia 10 a 30 23

Carga mássica global (C/M ou F/M) kg CBO5/kg SSV/dia 0.05-0.30

Carga volúmica (C/V ou F/V) kg CBO5/m3/dia 0.08 -0.48

Matéria total em suspensão = [MLSS] g/l 3 a 6 3.0

TRH (=V/Q) h 8-36

Qr/Q - 0.75-1.50

MLVSS/MLSS - 0.6 a 0.8 0.8

Matéria volátil em suspensão =[MLVSS] g/l 2.4

Concentração de lamas na recirculação % <1% 0.8%

Concentração de SST final mg/l 35

Percentagem de SSt biodegradáveis, no efluente % 65%

Consumo O2/quantidade de células oxidadas mg O2/mg cél.oxid. 1.42

Coeficientes

Lamas em excesso - a =Y kg MVS/kg CBO rem 0.4-0.8 0.60

Lamas em excesso - b =Kd d-1 .025-.075 0.05

Factor de conversão de CBO5 a CBOL kg/kg 0.68

Factor de segurança no arejamento - 1.4

Factor de ponta (no arejamento) - 2.0

Concentraçãode OD fornecida pelo equipamento mg/l - 2.0

Potência mínima para manter sólidos em suspensão W/m320 a 40 25

Eficiências de remoção CBO5 % 75-95

Critérios de dimensionamento



Dimensionamento das características geométricasGrandeza Unidade Valor

Caudal afluente (Qmédio - Ano 20) m3/dia 1878

Concentração de CBO5 afluente (Ano 20) kg/dia 820

mg/l 437

Concentração de CBO5 final mg/l 25.0

Mat. biodegradável dos SST presentes no efluente mg/l 22.8

CBOL dos SST presentes no efluente mg/l 32.3

CBO5 dos SST presentes no efluente mg/l 22.0

CBO5 solúvel que escapa ao tratamento (S) mg/l 3.0

Eficiência (baseada na CBO5 solúvel) % 99%

Eficiência total de remoção CBO5 % 94%

Volume m3 2179

Número de valas de oxidação - 2

Profundidade da vala de oxidação m 3.00

Área necessária por vala m2363.1

Largura da vala de oxidação m 5.65

Comprimento total da vala de oxidação m 33.30

Comprimento interior da vala de oxidação m 22.00

Relação comprimento/largura (x/1) - 5.9

Volume total obtido m32093

Yobs - 0.28

Aumento da quantidade de MLVSS (Px) kg/dia 227.4

Aumento da quantidade de MVSS kg/dia 284.2

Quantidade de lamas em excesso kg/dia 231.6

Caudal a purgar (lamas em excesso) m3/dia 30.88

Qr/Q - 0.47

TRH - verificação h 27

F/M - verificação kg CBO5/kg SSV/dia 0.16

F/V - verificação kg CBO5/m3/dia 0.39

Necessidades de oxigénio - Qmédio kg O2/h 104.2

Volume unitário m3 1047

Potência de arejamento necessária por vala kW 52.1

Número de arejadores mecânicos por vala - 2

Potência de cada arejador mecânico kW 26

Potência de arejamento necessária

O calculo só é válido para tanques de

arejamento!!! (não para valas de

oxidação - ver Rotor)



Decantadores Secundários (METCALF)

Critérios de dimensionamento

Parâmetro Unidade Gama de valores

Aceitáveis Adoptados

Carga hidráulica - Caudal médio m3/m2/dia 8.1-16.3 15.5

Carga hidráulica - Caudal de ponta m3/m2/dia 24.4-32.6

Carga de sólidos - Caudal médio kg/m2/h 1.0-4.9

Carga de sólidos - Caudal de ponta kg/m2/h 6.8

Profundidade líquida m 3.7-6.1 2.30

TRH - Caudal médio h 4.0

TRH - Caudal de ponta h 1.5



Dimensionamento

Grandeza Unidade Valor

Caudal afluente (Qmédio - Ano 20) m3/dia 1878

Caudal afluente (Qponta - Ano 20) m3/dia 3578

Número de decantadores - 2

Área (cálculo) m2121.2

Diâmetro interno (aproximado) m 8.78

Diâmetro interno m 8.80

Área útil unitária (real) m260.8

Volume útil unitário - parte cilindrica m3139.9

TRH (Qmédio - Ano 20) h 3.6

TRH (Qponta - Ano 20) h 1.9

Carga hidráulica (Qponta - Ano 20) m3/m2/dia 29.4

Taxas de recirculação (a Qmédio) % Qmédio 47%

SVI - 40 a 150

Carga de sólidos (Qmédio - Ano 20) kg/m2/h 2.8

Carga de sólidos (Qponta - Ano 20) kg/m2/h 4.6

Estrutura afluente

Diâmetro da tubagem (cálculo) m 0.21

Diâmetro da tubagem (adoptado) m 0.20

Velocidade Ano 0 (Qmédio) m/s 0.60

Grandeza Unidade Valor

Estrutura de saída

Descarregador

Diâmetro do descarregador m 8.70

Comprimento do descarregador m 27.33

Nº de descarregadores em V desc/ml 5

Nº total (desc. em V) - cálculo - 137

Nº total (desc. em V) - real - 134

Caudal por desc. em V - Qmédio m3/s 1.6E-04

Caudal por desc. em V - Qponta m3/s 3.1E-04

Altura lâmina líquida (por desc.) m

Qmédio - Ano 40 0.026

Qponta - Ano 40 0.034

Taxa de descarga m3/m/dia

Qmédio - Ano 40 69

Qponta - Ano 40 131

Canal de recolha do efluente (Canal Colector)

Largura do canal m 0.40

Comprimento de meio canal m 13.67

Caudal afluente (Qponta - Ano 40) m3/dia 3708

Caudal máximo afluente a cada DS (Qponta) m3/dia 1854

Caudal proveniente do descarregador m3/s/ml 0.002

Altura de água no canal (ponto baixo) m 0.07

Quantidade de movimento (ponto baixo) N 25.98

Altura de água no canal (ponto alto) m 0.12

Altura total do canal (paredes) m 0.30



Condições de funcionamento (Qr/Q de cálculo)

Ano Nº de Qafluente Área Carga Qr Sólidos Carga de TRH Ch no

dispon. hidráulica afluentes sólidos descarr.

linhas [ - ] [m3/h] [m2] [m3/m2/dia] [%] [kg/dia] [kg/m2/h] [h] [m3/m/h]

Verão

2003 1 Qmédio 72.9 60.8 28.78 47% 7722 5.3 2.1 2.67

1 Qponta 108.0 60.8 42.62 47% 11435 7.8 1.4 3.95

2 Qmédio 72.9 121.6 14.39 47% 7722 2.6 4.1 1.33

2 Qponta 108.0 121.6 21.31 47% 11435 3.9 2.8 1.98

2023 1 Qmédio 78.3 60.8 30.88 47% 8285 5.7 1.9 2.86

1 Qponta 120.5 60.8 47.54 47% 12756 8.7 1.3 4.41

2 Qmédio 78.3 121.6 15.44 47% 8285 2.8 3.9 1.43

2 Qponta 120.5 121.6 23.77 47% 12756 4.4 2.5 2.20

2043 1 Qmédio 80.1 60.8 31.60 47% 8478 5.8 1.9 2.93

1 Qponta 124.7 60.8 49.21 47% 13205 9.0 1.2 4.56

2 Qmédio 80.1 121.6 15.80 47% 8478 2.9 3.8 1.46

2 Qponta 124.7 121.6 24.61 47% 13205 4.5 2.4 2.28

Inverno

2003 1 Qmédio 67.7 60.8 26.71 47% 7166 4.9 2.2 2.48

1 Qponta 133.0 60.8 52.50 47% 14087 9.7 1.1 4.87

2 Qmédio 67.7 121.6 13.35 47% 7166 2.5 4.5 1.24

2 Qponta 133.0 121.6 26.25 47% 14087 4.8 2.3 2.43


AULA 13

• Apresentação de monografias pelos alunos.

departamento de engenharia civil e …departamento de engenharia civil e arquitectura ... aula 2...

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