Mateus da Mota Salvador 58987 Fernanda Martins Guabiroba 61688 Mariko de Almeida Carneiro 61697

UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL CIV 440 – TRATAMENTO DE ÁGUA

DIMENSIONAMENTO DE ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ÁGUA COM VAZÃO MÉDIA

DE 180m3/s

Viçosa, 2010

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ÍNDICE

1. Introdução .......................................................................................2

2. Memorial Descritivo.........................................................................2

3. Memorial de Cálculo........................................................................7

3.1. Dimensionamento da Calha Parshall.........................................................7 3.2. Dimensionamento do canal do Parshall até o Floculador..........................8 3.3. Dimensionamento do Floculador................................................................8 3.4. Dimensionamento do Canal de distribuição de água floculada ao

decantador............................................................................................................10 3.5. Cálculo do gradiente da Cortina de Distribuição .....................................11 3.6. Dimensionamento do Decantador............................... ............................12 3.7. Dimensionamento dos Filtros...................................................................13 3.8. Lavagem dos Filtros.................................................................................14

4.Bibliografia.......................................................................................16 5. Anexo.............................................................................................17

5.1. Floculador em planta..................................................................17 5.2 Decanador em planta...................................................................18 5.3 Decantador em corte longitudinal.....................................................19

5.4 Decantador em corte transversal.......................................................20 5.5 Cortina de distribuição.................................................................21

5.6 Filtro em planta..........................................................................................22 5.7 Filtro em corte longitudinal............................................................23 5.8 ETA em planta...............................................................................24

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1. INTRODUÇÃO

Neste trabalho encontra-se o projeto de uma Estação de Tratamento de Água, (ETA) que funcionará com uma vazão média de 180m3/s. Adotando-se uma jornada de funcionamento da ETA de 24 horas por dia, a vazão de água tratada será 15.552m3/d. Considerando um consumo diário per capita de 200L, essa estação pode ser instalada num município com aproximadamente 78.000 habitantes.

O projeto aqui descrito requer uma área de instalação da ordem de 2.300m2, com topografia pouco acidentada, prevendo-se a expansão das unidades para possível aumento da vazão de projeto. O aumento da demanda pode ser dado por crescimento excessivo da população ou instalação de indústrias.

Devido à falta de informações adicionais sobre a localidade da ETA, não é possível fazer o dimensionamento das instalações de captação de água. No entanto, algumas observações devem ser pontuadas: o local de captação deve estar protegido de assoreamento para que não comprometa o funcionamento da bomba; deve haver grades para impedir a sucção de sólidos grosseiros; deve-se adotar uma altura de sucção que reduza a possibilidade de cavitação; a utilização de bombas afogadas deve ser pautada com cuidado para que, se houver risco de enchentes, não atinja a casa de bombas, interrompendo-se assim o fornecimento de água; instalação da ETA o mais próximo possível do curso d’água e do local de consumo; a localidade deve ser provida de energia elétrica.

Os parâmetros adotados no dimensionamento desta estação seguem recomendações da ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas –(NBR 12216) e literatura desta área do conhecimento.

2. MEMORIAL DESCRITIVO

A exigência do projeto é que se faça o tratamento de água por ciclo completo.

Como não foram disponibilizados dados referentes a ensaios de tratabilidade, as decisões foram tomadas visando menor custo e/ou máxima eficiência.

A disposição das unidades da ETA foi feita tentando-se otimizar o espaço utilizado, configurando-se conforme a planta anexa. A ETA projetada contém as seguintes unidades:

1. Uma calha Parshall: medidor de vazão e unidade de mistura rápida e coagulação;

2. Um floculador hidráulico: unidade de floculação com escoamento vertical através de chicanas, dividido em quatro setores com gradientes hidráulicos decrescentes;

3. Dois decantadores retangulares convencionais em paralelo: unidades de decantação contendo canais de distribuição da água floculada na sua entrada com quatro comportas em cada, uma cortina de distribuição de madeira, um sistema de calhas para a coleta da água decantada, fundo para depósito de lodo e um canal condutor de água decantada na saída;

4. Dois pares de filtros em paralelo: unidades de filtração rápida descendente com leito filtrante composto de areia com tamanho efetivo de 0,4mm e antracito com tamanho efetivo de 0,8mm;

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5. Um tanque de contato: unidade com chicanas para aplicação de cloro, flúor e corretor de pH caso se faça necessário. Concomitantemente, promove a altura manométrica necessária à operação hidráulica do filtro;

6. Um reservatório para água de lavagem: com 127m3 de capacidade, suficiente para a lavagem de dois filtros simultaneamente por 10 minutos.

A Calha Parshall foi escolhida de acordo com a vazão de projeto, admitindo-se uma flexibilidade para esse valor. Esse valor de vazão na calha escolhida proporcionou a ocorrência de ressalto hidráulico suficiente para se ter gradiente de velocidade necessário para mistura rápida. O valor obtido foi de 1986s-1, acima do recomendado para mecanismo de varredura (1000s-1). A aplicação do coagulante é feita na saída da garganta e a medição de vazão na seção à 2/3 do comprimento A, conforme a Figura 2. Pelas pequenas dimensões da Parshall, aconselha-se sua obtenção por fornecedores especializados, podendo ser de fibra de vidro.

Figura 2- Calha Parshall

A água coagulada é conduzida ao floculador por um canal de concreto liso, de dimensões 0,90m de largura e 0,70m de altura e 3,00m de comprimento. A largura foi expandida em relação à saída da calha Parshall com o objetivo de reduzir o gradiente hidráulico na entrada do floculador. O gradiente obtido ao final do canal foi de 67,5s-1, dentro da faixa recomendada de 70 a 10s-1. Com essas dimensões, o tempo máximo de percurso permitido de 1 minuto foi atendido.

O floculador foi dimensionado para um tempo de detenção hidráulica (TDH) igual a 20 minutos, tempo mínimo exigido por norma, no intuito de minimizar o volume, e conseqüentemente a área requerida. Trata-se de um floculador hidráulico de chicanas e escoamento vertical. Dividiu-se em quatro setores de mesmo comprimento e área, com 13, 11,10 e 9 chicanas de concreto liso respectivamente,

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com espaçamentos crescentes de 0,70m a 1,00m e com tamanho de passagens crescentes a cada setor, garantindo uma redução progressiva do gradiente hidráulico. Essa redução se faz necessária para que não se tenha a quebra dos flocos já formados. O tempo e a altura do floculador(4,00m) foram adotados pelos projetistas, sendo a largura e o comprimento dimensionados. Os espaçamentos e a largura também foram analisados a fim de garantir que a velocidade entre as chicanas não ultrapassasse a faixa de 0,10m/s e 0,30m/s. Essa preocupação constitui grande obstáculo no dimensionamento no sentido de limitar as possibilidades de configuração da unidade e diminuir a praticidade de construção. A questão da velocidade mínima desejada no floculador impediu que fosse projetado um sistema em paralelo com a água coagulada sendo dividida para dois floculadores e alimentando separadamente os dois decantadores. Com essas dimensões estabelecidas obtiveram-se os gradientes de 30,58s-1, 24,90 s-1, 20,78 s-1 e 17,68s-1. O fundo do floculador tem declividade de 1% para facilitar a limpeza da unidade visto que há deposição de flocos com o passar do tempo. Para facilitar ainda mais essa limpeza, as chicanas inferiores foram projetadas a partir de uma pequena altura do fundo, permitindo a limpeza de todas as câmaras por apenas um registro de saída. À jusante do floculador tem-se um canal livre de condução de água floculada que irá distribuir vazões idênticas aos canais de entrada das duas unidade de decantação. Suas dimensões serão: h = 1,2m (profundidade) e b = 1,35m (largura). A velocidade de escoamento neste canal será V = 0,11m/s, maior que a mínima permitida (0,10m/s) evitando depósito de flocos no fundo do canal. O gradiente de velocidade neste canal é G = 16,3s-1.

O decantador deve ser a unidade da ETA que promove a sedimentação dos flocos formados na unidade de floculação, portanto é necessário que seja dimensionado de forma cautelosa, assim como seus dispositivos de entrada e saída para que não prejudique a remoção dos flocos ou ocorra a quebra dos mesmos. Deve-se seguir as normas e recomendações da literatura para que a conciliação de vários parâmetros promovam uma sedimentação ótima dos flocos buscando melhores resultados de remoção de turbidez e patógenos. O gradiente de velocidade é uma característica do escoamento que deve ser respeitado na entrada do decantador, sendo sempre menor que o da saída do floculador e no máximo 20s-

1. Na ETA aqui descrita, a entrada da água floculada nas unidades de decantação se dão através de um canal de dimensões h= 1,3m (profundidade) e b = 0,8m (largura). A água emerge no decantador através de 4 comportas idênticas de área Ai=0,09m2

e o canal de distribuição a essas comportas apresenta seções variáveis de 0,96 a 0,3m2 . A variação das seções tenta simular uma distribuição homogênea das vazões nas comportas. O gradiente de velocidade disponível na entrada das unidades de decantação através das comportas é de 14s-1, respeitando a exigência de ser menor que na saída do floculador (17,68s-1).

O dimensionamento dos decantadores foi iniciado a partir do valor adotado para taxa de aplicação superficial (TAS) seguindo o recomendado pela NBR 12216 e respeitando o tempo de detenção hidráulica (TDH) mínimo de 2h, indicado por DI BERNARDO et al., 2005. Portanto, estabelecendo-se TAS = 35m3/m2.d, a área total dos decantadores é 444,4m2. Como este valor de área é muito grande para uma única unidade de decantação, ainda seguindo a norma, determinou-se o dimensionamento de dois decantadores idêntico. Adotando-se a profundidade H = 4m e a largura do decantador B= 8m (caracterizando um canal de máxima eficiência), o comprimento será L=28m (arredondando o valor encontrado para facilitar a execução da obras de construção). Definidas as dimensões dos

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decantadores, obtém-se as seguintes características de cada unidade: A=224m2 ; TAS = 34,7 m3/m2.d; TDH: 2,74h; Ve = 0,281 cm/s (velocidade de escoamento longitudinal); relação comprimento/largura = 3,5.

A cortina de distribuição, feita em madeira, será instalada em cada unidade a uma distância D = 1,0m da entrada. O dispositivo teve suas características determinadas em função da obtenção de gradiente de velocidade razoável para manter a integridade dos flocos, portanto foram definidas as seguintes características: 160 orifício de diâmetro do = 0,075m; velocidade de escoamento em cada orifício Vo = 0,127m/s; espaçamento médio entre os orifícios So = 0,45m. Para o cálculo do gradiente de velocidade foi necessária a determinação de alguns parâmetros como o número de Reynolds Re = 9500 e o alcance dos jatos Xo = 2,025m. A cortina de área A = 8m x 4m = 32m2 (seção transversal do decantador) terá seus 160 orifícios distribuídos em 20 colunas e 8 linhas. A distância média entre os orifícios será de 0,45m.

A água decantada é captada por 4 calhas coletoras de 5m de comprimento e 0,60m de largura e 2 calhas nas laterais com mesmo comprimento, mas largura de 0,30m. As calhas coletoras encontram-se instaladas na extremidade ao fim de cada decantador e possuem comprimento inferior a 20% do comprimento das unidades de decantação como se recomenda. Cada calha tem profundidade de 0,20m.

O descarte do lodo formado se dará por uma comporta localizada no fundo da seção de acumulação de lodo, na parte posterior da unidade de decantação. Além da altura útil de 4m, o decantador terá mais 1m de profundidade para escoamento do lodo, caracterizando um declive I = 14% (acima do recomendado I = 5%) transversal, assim como uma vala de acumulação do lodo com dimensões h = 1,0m e b = 0,8m, tendo também uma inclinação I’ = 4 % ao longo do comprimento do decantador longitudinal.

O projeto concebe filtros rápidos de fluxo descendentes com taxa de filtração igual a 360m3/m2.dia segundo a NBR 12216. Os filtros foram projetados para operarem à taxa de filtração constante e perda de carga variável devido à simplicidade, praticidade e qualidade satisfatória da água filtrada que esse tipo de operação oferece. A vazão total dos decantadores é distribuída igualmente entre os quatro filtros, sendo a vazão filtrada, portanto, igual a 0,045m3/s em cada filtro. Para essa vazão e a taxa de filtração adotada, tem-se que cada filtro ocupa uma área de 10,6m2, sendo suas dimensões 4,6m de comprimento por 2,3m de largura. Essas dimensões foram adotadas para que o filtro fosse um canal de máxima eficiência, reduzindo gastos na construção. O leito filtrante é composto por areia e antracito. A escolha da dupla camada se deu com o objetivo de se alcançar maior eficiência na filtração uma vez que o antracito possui granulometria maior e densidade menor, retendo as impurezas maiores na parte superior do leito filtrante, aumentando a carreira de filtração. As características do leito filtrante encontram-se na tabela 1.

AREIA ANTRACITO

ESPESSURA 0,25m 0,45m

TAMANHO EFETIVO 0,4mm 0,8mm

DIÂMETRO MENOR 0,50mm 0,71mm

DIÂMETRO MAIOR 1,68mm 2,83mm

COEFICIENTE DE ESFERICIDADE

0,78 0,70

POROSIDADE 0,43 0,46

Tabela 1 – Características do leito filtrante

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A camada suporte é composta de material de cinco faixas granulométricas crescentes de cima para baixo. As faixas granulométricas estão especificadas na tabela 2. O coeficiente de esfericidade do material é 0,94 e a porosidade da camada é 0,39. Cada subcamada possui 10cm de espessura.

Subcamada Faixa granulométrica(mm)

1a 1,68 – 3,36

2 a 3,36 – 6,35

3 a 6,35 – 12,7

4 a 12,7 – 25,4

Enchimento 25,4 – 50,8

Tabela 2 – Camada suporte. Faixas granulométricas O fundo falso é constituído por 15 vigas californianas de 15cm de largura,

dispostas lado a lado no filtro. Cada viga possui 31 pares de orifícios de ½’’. O tamanho dos orifícios é a metade do diâmetro máximo da subcamada mais grossa da camada suporte, como sugerido na literatura para evitar a passagem de grãos do leito filtrante através do fundo falso. As vigas californianas foram escolhidas em detrimento dos fundos patenteados pela sua facilidade de construção e menor custo. As perdas de cargas laminares e turbulentas na filtração e na lavagem foram calculadas. A construção do vertedor de entrada do filtro forneceu uma carga máxima admitida pelo filtro de 2 metros. A lavagem dos filtros será feita por retro-lavagem por gravidade. A água de lavagem será introduzida com velocidade ascensional de 0,6m/min, como recomendado, por 10 minutos e coletada por uma calha disposta a 50cm do leito e com declividade > 1%. Essa calha foi projetada obedecendo-se a recomendação de estar disposta a, pelo menos, 10cm acima do nível do leito filtrante expandido. A calha coletora é usada também como vertedor da água decantada para que esta não seja introduzida bruscamente no filtro.

O reservatório de água para lavagem de filtro possui volume total de 127m3 de água, o suficiente para lavagem de 2 filtros simultaneamente por 10 minutos. Uma bomba específica garante o abastecimento desse reservatório com água tratada.

Tendo-se uma vazão de água filtrada igual a 0,180m³/s e adotando-se um tempo de contato de 30 minutos, visando garantir uma inativação efetiva, pôde-se obter o volume: T = 30min = 1800s = 0,0208d Q = 0,180m³/s = 15552m³/d V = Q x T = 0,0208 x 15552 = 323,48m³

A altura adotada para o tanque foi de 1m, e a relação comprimento/largura é igual a 20, o que torna-o mais próximo de um reator de fluxo em pistão. Assim o tanque teria 4m de largura e 81m de comprimento, mas com a implantação de chicanas foi possível reduzir a maior dimensão. Adotou-se chicanas de modo que o comprimento de 81m foi dividido em 4 canais de 20,5m. Além disso, o tanque foi dimensionado proporcionando o ajuste do nível mínimo no filtro.

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3. MEMORIAL DE CÁLCULO 3.1. DIMENSIONAMENTO DA CALHA PARSHALL Dimensões (mm) da Parshall escolhida para a vazão de projeto Q = 0,180 m3/s W A B C D E F G’ K N 229 ( 9") 880 864 380 575 610 305 457 76 114

Cálculo da lâmina d’água na seção de medição: Q = K * Ho

n 0,180 = 0,535 *Ho

1,530 Ho = 0,491 m (altura da lâmina na seção convergente)

Calculando-se velocidade Va na seção de medição, D’ = 2/3(D-W) + W = 2/3(0,575 – 0,229) + 0,229 = 0,460m Q = Va*D’*Ha >> 0,0180 = Va*0,460*0,491 >> Va = 0,80m/s pode-se obter a Energia Hidráulica Ea disponível na seção de medição: Ea = Ha + Va²/2g + N = 0,491 + 0,802/19,82 + 0,114 = 0,637m

Calculando-se o ângulo fictício, Cosφ = -gQ/W(0,67gEa)1,5 = -9,81*0,180/0,229(0,67*9,81*0,637)1,5

φ = 154,181 obtém-se a velocidade média V1 no início do ressalto: V1 = 2cos(φ/3).(2gEa/3)1/2 = 2,546 m/s

Altura da lâmina d’água no início do ressalto: Y1 = Ea – V1

2/2g = 0,637 – 2,5462/(2*9,8) = 0,306m

Pode-se calcular o número de Freud para certificação da ocorrência do ressalto hidráulico (regime supercrítico Fr > 1) Fr = V1/(gY1)

1/2 = 2,546/(9,8*0,306)1/2 = 1,470 (Ressalto ondulado)

Altura de lâmina no final do ressalto (admitindo fundo do canal horizontal): Y3 = Y1/2[(1 + 8Fr2)1/2 – 1] = 0,306/2[(1 + 8x1,4702)1/2 – 1] = 0,501m

Altura de lâmina no final do ressalto considerando o trecho divergente ascendente: Y2 = Y3 – N + K = 0,501 – 0,114 + 0,076 = 0,463m Velocidade 0,180 m3/s na saída do trecho divergente:

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V2 = Q/ Y2C = 0,180/(0,463x0,380) = 1,023 m/s

Perda de Carga En = Há +N – Y3 = 0,491 + 0,114 – 0,501 = 0,104m Tempo médio detenção trecho divergente: Tm = G / (V1+ V2) / 2 = 0,457/(2,546 + 1,023)/2 = 0,256s Gm = (γEn/µTm)1/2 = (9782,65*0,104/1,008.10-3*0,256)1/2 = 1.985,6s-1

γ – Peso específico da água µ - viscosidade absoluta da água

3.2. DIMENSIONAMENTO DO CANAL DO PARSHALL ATÉ O FLOCULADOR Obtenção de nova velocidade V2 que forneça gradiente dentro da faixa permitida para entrada no floculador. Para esta circunstância as dimensões do canal serão: Y2 = 0,50m (altura da lâmina d’água no final do ressalto) H’ = 0,70m (profundidade), B = 0,90m (largura) e L = 30m (comprimento) Pela equação da continuidade: A1V1=A2V2 0,180 m3/s = Y2*B*V2 = 0,50*0,90* V2 >> V2 = 0,40m/s Obtém-se um tempo t de permanência no canal inferior ao limite máximo permitido: t = Vol./Q = Y2*B*L/Q = 0,501*0,90*3,00/0,180 m3/s = 7,5s O gradiente de saída no canal e entrada no floculador pode ser finalmente calculado por: J (perda de carga unitária) = (Qn/A*Rh

2/3)2 = 2.10-4 m n = 0,013 (concreto liso)

G = (γνJ/µ)1/2 = 67,5 s-1 v - viscosidade cinemática da água (1,008 x 10-6 m2/s)

A declividade do canal será: HF/L = J * L/L = J = 0,0004m/m = 0,04%

3.3. DIMENSIONAMENTO DO FLOCULADOR

Adotado: tempo de floculação T = 20min Portanto, Vol. = Q*T = 0,180 m3/s * 20min * 60s/min = 216 m3

Adotando-se a profundidade do floculador H = 4m, A área total será Vol./H = 216 m3 / 4m = 54m2 . Finalmente, o floculador terá 4 setores de mesma área A’= 54m2/4 = 13,5m2. Estabelecendo-se B = 1,5m, L = A’/B = 13,5m2 / 1,5m = 9m. Os espaçamentos (e) entre chicanas foram pré-estabelecidos, seguindo a exigência de espaçamentos

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superiores a 0,6m. Foram escolhido 0,7m, 0,8m, 0,9m e 1,0m de espaçamentos do primeiro para o quarto setor. Cálculo do número de chicanas(nc): nc = L / e

Tempo de detenção hidráulica médio TDHm = 5min (20min/4). Cálculo das velocidade longitudinais Ve1: A área entre cada chicana, a = B*e e = espaçamento entre as chicanas De acordo com a equação da continuidade, Ve1= Q/a As velocidades nas passagens Ve2 foram estabelecidas como 2/3 das Ve1 Calculo do gradiente hidráulico: Sendo hf a perda de carga obtida pela soma da perda de carga nas voltas (hp1) e por atrito ao longo do escoamento (hp2), dadas por: hp1 = (nc * Ve1

2 + (nc – 1)*Ve22 ) / 2g

nc : número de chicanas igualmente espaçadas hp2 = (Ve1* n)2 Lt / Rh

4/3

n: coeficiente de manning (0,013) Lt: comprimento total percorrido pela água (Ve1 * TDH) Estabelecendo-se hf = hp1 + hp2, determina-se o gradiente hidráulico em cada setor: Gm = (γhf/µTm)1/2 1o Setor : G = 30,6s-1 13 chicanas, igualmente espaçadas em e = 0,7m Ve1= 0,17m/s e Ve2= 0,11 m/s hp1 = 0,027m; hp2 = 0,00172m; hf =0,029m 2o Setor: G = 24,9s-1

11 chicanas, igualmente espaçadas em e = 0,8m Ve1= 0,15m/s e Ve2= 0,10 m/s hp1 = 0,018m; hp2= 0,00103m; hf = 0,019m 3o Setor: G = 20,8s-1

10 chicanas, igualmente espaçadas em e = 0,8m Ve1= 0,15m/s e Ve2= 0,10 m/s hp1= 0,013m; hp2= 0,000652m; hf= 0,13m 4o Setor: G = 17,7s-1

9 chicanas, igualmente espaçadas em e = 1,0m Ve1= 0,12m/s e Ve2= 0,08 m/s hp1 = 0,009m; hp2= 0,000436m; hf = 0,10m

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3.4. DIMENSIONAMENTO DO CANAL DE DISTRIBUIÇÃO DA ÁGUA FLOCULADA AO DECANTADOR

Cálculo das dimensões do canal de distribuição da água floculada com vazão Q = 0,180m3/s: Tem-se velocidade de saída do floculador V = 0,11m/s Pela equação da continuidade: A = Q/V = 0,180m3/s / 0,11m/s = 1,64m2

Adotando-se pronfundidade h = 1,2m: L (largura do canal) = A/h = 1,64m2 / 1,2m = 1,37m ≈ 1,35m

Cálculo da perda de carga total hf no canal: Perda de carga por atrito hf = V

2/2g = 0,112/19,62 = 0,00062m

Cálculo do gradiente médio de velocidade do canal: Gm = (γEn/µTm)1/2 = (9782,65*0,00062m /1,008.10-3*22,7)1/2 = 16,3s-1

Cálculo do canal de distribuição de água floculada em cada unidade com vazão Q = 0,09m3/s:

Velocidade média de passagem nas comportas adotada como Vm = 0,25 m/s, dentro

da faixa recomendada em Di Bernardo et al., 2005 20 a 40m/s (para não quebrar os flocos formados).

Adotaram-se 4 comportas, cada uma com vazão Qi = Q/4 = 0,09 m3.s-1 / 4 = 0,0225

m3/s.

Logo, a área Ai de cada comporta será:

Ai = Qi / Vm = 0,0225 m3.s-1 / 0,25 m.s-1 = 0,09 m2 Dimensões à montante da seção de cada comporta no canal de entrada adotadas:

Largura(m) Profundidade(m)

Área (m²)

À montante da 1ª comporta: 0,8 1,2 0,96 À montante da 2ª comporta: 0,7 1 0,7 À montante da 3ª comporta: 0,6 0,8 0,48 À montante da 4ª comporta: 0,5 0,6 0,3

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Cálculo do gradiente de velocidade médio na entrada do decantador através das comportas:

G = 354*Vm

2(f/Rh)1/2

Adotando-se f = 0,03 Rh = A/P = Ai/4*B = 0,09m2 / 4*0,3m = 0,075m (para cada comporta) G = 354*0,251,5(0,03/4*0,075m)1/2

G = 14,0s-1 (menor que o valor máximo 20s-1) Utiliza-se a variação da área da seção transversal do canal para uniformizar a

distribuição de vazão em cada comporta de entrada do decantador. 3.5. CÁLCULO DO GRADIENTE DA CORTINA DE DISTRIBUIÇÃO

Área lateral do decantador (A) = 32m² 5 orifícios por m² Número de orifícios No = 160 Diamêtro de cada orifício do = 0,075m So = (A/Norificios)

1/2 = (32m2/160)1/2 = 0,45m

Vazão por orifício: Qo = 90L.s-1 / 160 = 0,5625L.s-1

Área de cada orifício Ao = πD2/4 = π0,0752/4 = 0,00442m2 Velocidade através de cada orifício Vo = Q/No*Ao = 0,127 m/s

Cálculo do número de Reynolds (Re);

Re = V*d/ν = (0,127m/s*0,075m)/(1,008x10-6) = 9450 v - viscosidade cinemática da água (1,008 x 10-6 m2/s) Através do gráfico elaborado por Di Bernardo et al., 1980, que relaciona Re versus Xo/So, tem-se que Xo/So = 4,5. Xo = So*4,5 = 0,45*4,5 = 2,025 m

Cálculo do gradiente:

G = (do/So)*(πVo3/8vCd

2Xo)1/2 =

(0,075m/0,45m)*(π*0,1273m3.s-3/8*1,008x10-6m2.s-1*0,612*2,025)1/2

G = 5,4s-1

Cd = coeficiente de descarga, adotado como 0,61 G menor que o máximo permitido de 20s-1.

Cálculo da distância da cortina de distribuição à entrada do decantador:

D > 1,5Ha/A A: área da cortina a: área total dos orifícios H: profundidade útil do decantador

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D > 1,5*4*0,707m2/32m2 = 0,13m Distância adotada D = 1,0m para redução de zonas mortas.

3.6. DIMENSIONAMENTO DO DECANTADOR

Dados:

Q = 0,180m3 /s = 15,552m3 /d (funcionando 24h/d)

Adotou-se: TAS (Taxa de aplicação superficial) = 35m3/m2.d = 4,05 x 10-435m3/m2.s Portanto: Afloc. = 0,180m3.s-1 / 4,05 x 10-4 = 35m3/m2.s = 444,34m2

Devido ao alto valor encontrado para área do decantador, serão necessárias duas unidades iguais de decantação. Então a área de cada decantador será: afloc. = 444,34 m2/2 = 222,2 m2

Com objetivo de reduzir os custos com material, serão utilizadas dimensões para um canal de máxima eficiência. Adotando-se H (profundidade) = 4m, então B (largura) = 8m. Logo, o comprimento L será: afloc./B = 222,2 m2/ 8m = 27,78 m. Aproximando-se o valor de L para 28m, tem-se os parâmetros definitivos: afloc. = 224m2 TDH = 2,74 h TAS = 34,7 m3/m2.d = 0,04018cm/s (Vso) Ve = 0,09 m3.s-1/224m2 = 0,281 cm/s Em acordo com a recomendação: Ve < 18 Vso 0,281 cm/s < 18*0,04018cm/s = 0,723 cm/s As calhar coletoras foram dispostas no final do decantador com comprimento menor que o máximo recomendado de 20% do comprimento do decantador.

Cálculo das calhas coletoras:

Vazão máxima por calha determinada pela NBR 12216: q=1,80L/s.m Adotando-se: q = 1,7L/s.m Tem-se: Comprimento linear de calha = Q/q = 90L.s-1 / 1,7L/s.m = 53m Estabeleceu-se: 4 calhas com 5m de comprimento e 0,60m de largura e 2 Meias calhas em cada lateral com 5m de comprimento e 0,30m de largura. Comprimento das calhas = 5m < 20% x 28m = 5,6m.

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Calculo da profundidade das calhas coletoras: q = 1,3.B.H1,5 q = vazão recolhida por calha = Q/5 = 0,09m3.s-1/5 = 0,018 m3.s-1

B = largura de cada calha = 0,6m H = profundidade de cada calha 0,018 m3.s-1 = 1,3*0,6m*H1,5

H = 0,08m ≈ 0,10m

Profundidade adotada h = 0,20m considerando que o nível de água deve ser 10cm abaixo da superfície.

Cálculo da inclinação da zona de descarte: Seção transversal I = 1m / (8m – 0,8m) = 14 % Seção longitudinal I’ = 1m / 28m = 4% 3.7. DIMENSIONAMENTO DOS FILTROS

Quatro filtros descendentes de camada dupla areia + antracito. Características descritas na Tabela 1. Taxa de filtração = 360m3/m2 dia Área total dos filtros At= [0,180m3/s * 86400s dia-1] / 360m3m-2dia-1= 43,20m2

Área de cada filtro A = 43,20 m2 / 4 = 10,8 m2

Vazão tratada por cada filtro Q’ = 0,180m3s-1 / 4 = 0,045m3s-1

Para um canal de máxima eficiência, as medidas dos filtros são: B = 2,30m e L = 4,60m Velocidade de aproximação (Va) = Q’ / A = 4,2x10-3

Fundo falso com vigas californianas de 15cm de largura e orifícios de ½’’. Número de vigas por filtro = 2,3m / 0,15m = 15 vigas com 31 pares de furos/viga

Perda de carga no leito filtrante: hf = Va * E / ko

E: espessura da camada ko: coeficiente de Darcy-Weisbach ko = [(180v/gCe

2)*(1-Po)/Po3 Σ(Xi/Di)]

-1

v: viscosidade cinemática Ce: coeficiente de esfericidade Po: Porosidade filtro limpo Xi: fração, em peso, do material filtrante retido entre duas peneiras consecutivas. Di: tamanho médio das malhas de duas peneiras consecutivas. hf na areia

Perdas de carga laminares Perda de carga na areia: Ko = 0,0069

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hf = 0,15m Perda de carga no antracito: Ko = 0,0182 hf = 0,25m Perda de carga na camada suporte: ko= 0,189 hf = Et * Va / ko = 0,009m Et : espessura total da camada suporte = 0,40m Perdas de carga turbulentas: Perda de carga nas vigas californianas (nos orifícios): hfo= (Qorifício / Cd*Aorificio)

2 * 1/ 2g = 0,0180m Cd = 0,65 (coeficiente de descarga) Perda de carga em peças especiais:

Peças K

Entrada normal 0,50

Saída de canalização 1,00

Registro de gaveta aberto 0,20

Tê de passagem direta 0,60

Tabela 2- Perdas de carga localizadas, coeficiente K. hfp = Σ(K/2g) * (4*Q’/ π*D2)2 = 0,24m hfp+ hfo= 0,018 + 0,24= 0,26m Portanto, o nível mínimo de água nos filtros é de 0,26m acima do nível do tanque de contato. 3.8. LAVAGEM DOS FILTROS Velocidade da água ascensional de lavagem (Vlavagem) = 0,6m/min Velocidade mínima para ocorrer fluidificação

(Vmf)= 1,2845*10-6 * d601,82 [γH2O(γs – γH2O)]0,94 / μH2O

0,88

= peso específico da água; d = diâmetro da peneira que deixa passar 60% dos grãos do leito filtrante;

s = peso específico da partícula constituinte do leito filtrante; H2O

= viscosidade absoluta da água. Vmf= 0,00122m/s (Areia) Vmf=0,00182m/s (Antracito) Vlavagem > Vmf - ocorre fluidificação

Porosidade da areia expandida: εareia= 0,54 Porosidade do antracito expandido: εantracito= 0,57 Perda de carga no leito expandido: hf = Lareia(1- εo)(ρareia- ρH2O) / ρH2O + Lantracito(1- εo)(ρantracito- ρH2O) / ρH2O

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hf1= 0,23 + 0,19 = 0,42m Perda de carga nas tubulações de lavagem:

Peças K

Entrada normal 0,50

Saída de canalização 1,00

Registro de gaveta aberto 0,20

2 Tê saída de lado 1,30

Tabela 3 - Perdas de carga localizadas, coeficiente K. hf2 = Σ(K/2g) * (4*Q’/ π*D2)2 = 2,48m Perda de carga total na lavagem: hf1+ hf2 = 2,90m O nível mínimo do reservatório de água de lavagem estará a 2,90m acima do nível da calha coletora do filtro.

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4. Bibliografia

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR-12216 - Projeto de estação de tratamento de água para abastecimento público; procedimento. Rio de Janeiro, 1989. 17p.

DI BERNARDO, L.; DANTAS, A.D. Métodos e técnicas de tratamento de água. São Carlos: Rima, 2005. 1566 p.

LIBÂNIO, M. Fundamentos de qualidade e tratamento de água. Campinas: Átomo, 2005. 444p.

VIANNA, M.R. Hidráulica Aplicada às Estações de Tratamento de Água. Belo Horizonte;

Imprimatur, 1997. 576p.