UNIVERSIDADE DE BRASÍLIAFACULDADE DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTALSaneamento Ambiental

Professor: Oscar Cordeiro

Dimensionamento de Unidades de Estação de Tratamento de Água - ETA

Nome: Ésio Wilson Levino de Araújo Júnior – 11/0116054

1. Introdução

No presente trabalho encontra-se o projeto de uma Estação de Tratamento de

Água Convencional, ciclo completo, cuja vazão de projeto é 820 L/s. Adotou-se um

funcionamento contínuo, ou seja, de 24 horas por dia.

Os parâmetros adotados no dimensionamento desta estação seguem as

recomendações da NBR 12.216 da ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas-

e literaturas desta área do conhecimento.

2. Memorial descritivo

2.1.Unidades de mistura rápida e lenta

Nas unidades de mistura rápida das estações de tratamento de água são usados

diversos tipos de agitadores que concorrem para que a turbulência não seja uniforme em

todo o volume em que a energia é dissipada. Geralmente, nas unidades hidráulicas de

mistura rápida e de floculação, a energia dissipada é localizada e, portanto, diferente do

que ocorre nos reatores estáticos.

Nas estações de tratamento de água, a operação unitária de mistura é usada com

duas finalidades: mistura rápida, responsável pela mistura dos produtos químicos na

água para a ocorrência da coagulação; e mistura lenta, responsável pela agregação das

partículas desestabilizadas, com formação de flocos.

Do ponto de vista fenomenológico, para que as partículas sejam desestabilizadas,

deve ocorrer interação entre as partículas coloidais presentes na água bruta e os

produtos da hidrólise do coagulante. Microscopicamente, a etapa de desestabilização

para neutralização de carga requer que ocorram colisões entre as partículas coloidais e

os produtos da hidrólise do coagulante. Contrariamente ao mecanismo de neutralização

de carga, na coagulação por varredura a formação rápida de precipitados e a

subsequente floculação são mais importantes que o transporte para que aconteçam

interações entre partículas e os produtos da hidrólise durante a desestabilização.

De acordo com a NBR 12216 (1992), a mistura rápida é a operação destinada a

dispersar os produtos químicos na água a ser tratada, enquanto a floculação é requerida

para promover a agregação de partículas desestabilizadas na mistura rápida. Segundo

essa norma, as condições ideais em termos de gradiente de velocidade médio e tempo de

agitação na coagulação e floculação, e a concentração do coagulante a ser utilizado,

devem ser utilizado, devem ser determinadas, preferencialmente, em ensaios de

laboratórios. Na impossibilidade da realização desses ensaios, a norma sugere os

parâmetros usuais para projeto de unidades de mistura rápida e de floculação,

respectivamente, enfatizando-se ao projetista que dê certa flexibilidade à variação do

gradiente de velocidade, com respeito à rotação dos equipamentos de agitação – quando

usados.

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 2157s-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.

Para o dimensionamento da Calha Parshall considerou-se os mostrados na

Tabela 1, que correspondem aos valores padronizados de largura da garganta, bem

como de outras dimensões e as vazões máximas e mínimas possíveis em cada um. A

imagem 1 referencia cada dimensão apresentada na tabela.

Tabela 1 - Valores Padronizados de Calha Parshall, em cm.

wA B C D E F G K N

Q (l/s)Poleg. cm min. máx.

1" 2,5 36,3 35,6 9,3 16,8 22,9 7,6 20,3 1,9 2,9 - -3" 7,6 46,6 45,7 17,8 25,9 45,7 15,2 30,5 2,5 5,7 2,9 1946" 15,2 62 61 39,4 40,3 61 30,5 61 7,6 11,4 5,4 3979" 22,9 88 86,4 38 57,5 76,3 30,5 45,7 7,6 11,4 9 90211" 30,5 137,2 134,4 61 84,5 91,5 61 91,5 7,6 22,9 12,6 1644

1 1/2" 45,7 144,9 142 76,2102,

691,5 61 91,5 7,6 22,9 17,3 2503

2' 61 152,5 49,6 91,5120,

791,5 61 91,5 7,6 22,9 42,1 3372

3' 91,5 167,7 64,5 122157,

291,5 61 91,5 7,6 22,9 61,6 5135

4' 122 183 79,5 152,5193,

891,5 61 91,5 7,6 22,9 136,1 6921

5'152,

5198,3 194,1 183

230,3

91,5 61 91,5 7,6 22,9 167,8 8724

6' 183 213,5 209 213,5266,

791,5 61 91,5 7,6 22,9 262,4 10541

7'213,

5228,8 224 244 303 91,5 61 91,5 7,6 22,9 303,5 12370

(Fonte: Azevedo Nettoet al, 1998. Com adaptações)

Figure 1 - Corte em Planta e Longitudinal de uma Calha Parshall Convencional

2.2.Decantadores

Segundo a NBR 12.216, os decantadores são unidades destinadas à remoção por

particular presente na água pela ação da gravidade e podem ser convencionais, ou de

baixa taxa, e de elementos tubulares, ou de alta taxa. No presente trabalhos serão

dimensionados os dois tipos de decantadores. O dimensionamento do decantador deve

ser feito de forma cautelosa, além de seus gastos construtivos serem consideráveis, é

preciso garantir que os dispositivos de entrada e saída não prejudiquem a remoção dos

flocos.

Algumas observações pertinentes:

O gradiente de velocidade na entrada do decantador deve ser menor que o da saída do floculador;

As variações das seções devem simular uma distribuição homogênea das vazões nas comportas;

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.

Na ETA aqui descrita, a entrada da água floculada nas unidades de decantação se

dão através de um canal de dimensões h= 6m (profundidade) e b = 12m (largura). A

água emerge no decantador através de 4 comportas idênticas de área e o canal de

distribuição a essas comportas apresenta seções variáveis. A variação das seções tenta

simular uma distribuição homogênea das vazões nas comportas.

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 = 40 m3/m2.d, a área total

dos decantadores é 1771 m2. Como este valor de área é muito grande para uma única

unidade de decantação, ainda seguindo a norma, determinou-se o dimensionamento de

quatro decantadores idêntico. Adotando-se a profundidade H = 5m e a largura do

decantador B= 12m (caracterizando um canal de máxima eficiência), o comprimento

será L=37 m.

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 = 13% eI’ = 3,3% ao longo do comprimento do decantador

longitudinal.

2.3 Calha Parshall

Os passos e fórmulas para o dimensionamento da Calha Parshall são detalhados

abaixo:

1) Seleção da calha: segundo os valores tabelados, considerando as vazões

máximas e mínimas, são escolhidas as calhas que comportam a vazão de projeto.

2) Cálculo da altura da lamina líquida: a vazão de um vertedor Parshall, com

descarga livre, é dada pela seguinte equação:

, onde Ha(m) = altura do nível da água no ponto de

medição

W (m) = largura da garganta

3) Cálculo da largura na seção de medida:

4) Cálculo da velocidade na seção de medida:

, onde: Va = velocidade média do escoamento na

seção de medição da Lâmina (m/s)

5) Cálculo da energia total disponível:

, onde: Ea (m) = energia total disponível

g (m/s²) = aceleração da gravidade

6) Cálculo do ângulo fictício θ:

7) Cálculo da velocidade da água no início do ressalto:

, onde: V1(m/s) = velocidade média do escoamento no

inicio do ressalto

8) Cálculo da altura da água no inicio do ressalto:

, onde y1 (m/s) = altura da água no inicio do ressalto

9) Cálculo do número de Froude:

, onde :Fr = número de Froude

10) Cálculo da altura conjugada do ressalto:

, onde: y3 (m) = altura da lâmina durante o ressalto

11) Cálculo da profundidade no final do trecho divergente:

, onde: y2 = altura da lâmina no final do trecho divergente

12) Cálculo da velocidade (m/s) na saída do trecho divergente:

13) Cálculo da perda de carga no ressalto hidráulico:

14) Cálculo do tempo de detenção médio no trecho divergente

, onde Tmr(s) = tempo de detenção médio no trecho divergente15) Cálculo do gradiente de velocidade

, onde Gm ( ) = gradiente médio de velocidade

= peso específico da água (kg/m³) = 9980 para T = 20ºC

= viscosidade dinâmica (N.s/m²) = 0,001

As tabelas 2 e 3, apresentadas abaixo, foram criadas com o software Excel e

representam os resultados dos cálculos dos parâmetros hidráulicos, como demonstrado

acima na seção de dimensionamento. Como pedido no enunciado, os cálculos foram

feitos considerando a vazão (820 L/s) de projeto.

Tabela 2 - Dimensionamento Hidráulico para Vazão de 820 L/s

wHa (m)

D' (m)

Va (m/s)

Ea (m)

cos(θ)

θ (rad)

V1 (m/s)

y1(m) Fr1 y3 (m)

y2(m) V2(m/s)

∆H Tmr G

0,229 1,38 0,46 1,29 1,58 -1,05 - - - - - - - - - -0,305 1,14 0,67 1,08 1,43 -0,91 2,72 3,76 0,7 1,4 1,12 0,97 1,39 0,252 0,36 2661,20,457 0,87 0,84 1,12 1,17 -0,83 2,55 3,64 0,5 1,7 0,93 0,78 1,38 0,170 0,36 2156,80,61 0,72 1,01 1,13 1,01 -0,77 2,44 3,53 0,4 1,8 0,81 0,66 1,36 0,139 0,37 1928,50,915 0,55 1,35 1,10 0,84 -0,68 2,31 3,36 0,3 2,1 0,66 0,51 1,33 0,119 0,39 1742,7

Di Bernado de Dantas (2005), ao tratarem do dimensionamento de um vertedor

Parshall para promoção de mistura rápida, fazem referencia à alguns critérios e

recomendações estabelecidos por estudos teóricos sobre ressalto hidráulico, tais como

os relacionados abaixo:

Velocidade de escoamento na saída da garganta ≥ 2 m/s

Perda total de energia ≥ 0,25 m

Gradiente livre na saída

Maior gradiente de velocidade médio

Fr deve estar compreendido entre 1,7 e 2,5 ou entre 4,5 e 9,0

Menor altura possível da lâmina líquida na garganta com vazões de medição

previstas

De maneira geral, não houve opção que atendesse a todos os critérios e

recomendações estabelecidos. Assim, para otimizar a seleção, alguns parâmetros de

eliminação foram estabelecidos:

Dado o pressuposto de que há outras opções que comportem cada vazão,

calhas que apresentaram ressalto oscilante (Fr entre 2,5 e 4,5), foram

descartadas;

Consideramos o uso de coagulantes metálicos hidrolisáveis. Assim, segundo

a NBR 12216/92 O gradiente de velocidade deve estar compreendido entre

700 ( ) e 1100 ( ).

Segundo esses critérios, para a Etapa 1 foi selecionada a Calha Parshall de 1,525

(m) e para a Etapa 2, a de 0,305 (m). Vale ressaltar que, como se deve fazer para todas

as unidades da ETA, as dimensões são abordadas também sob uma ótica construtiva.

Neste sentido, priorizamos as menores dimensões possíveis, desde que estas atendessem

aos critérios necessários.

2.4 Floculadores de Chicanas

As chicanas são dispositivos hidráulicos de floculação. São canais com chicanas

alternadas cuja energia necessária para o processo é advindo, basicamente, da perda de

carga nas seguidas voltas que a água sofre ao percorrê-lo.

Para dimensionamento de sistemas de floculação do tipo chicanas, devem ser

usados os seguintes parâmetros:

Na ausência de estudos, o tempo de floculação deve estar entre 20 e 30

min;

A velocidade de escoamento entre as chicanas deve estar compreendida

entre 0,07 e 0,30 m/s;

A velocidade de escoamento nas voltas deve ser da ordem de 2/3 da

velocidade entre as chicanas de cada trecho considerado;

O espaçamento entre as chicanas deve ser de, no mínimo, 0,6 m no

sistema de escoamento vertical, podendo ser menor no escoamento

horizontal, já que nesse sistema, a profundidade raramente excede 1,5 m;

Para atenuar efeitos de curtos-circuitos, deve ser previsto um

recobrimento mínimo entre as chicanas, principalmente no sistema de

escoamento vertical.

2.2.1. Chicanas Horizontais

Decidiu-se usar 2 floculadores em paralelo, com uma vazão (QF) de 410 L/s

passando em cada um. Adotou-se, por segurança, o tempo máximo de detenção (TF) da

norma, que é de 30 min. O número de câmeras deve estar entre 3 e 5, por a vazão não

ser tão alta será adotado 3 canais de floculação, o que resulta num tempo de detenção de

10 min em cada. Quanto ao gradiente de velocidade (G), escolheu-se 60, 36 e 16 s-1.

O volume de cada câmara é:

V c=QF . T F=410 L

s.10 min.

60 s1min

=246 m ³

Esse volume possui as grandezas de largura (B), profundidade (H) e

comprimento (L). Uma das dimensões deve ser arbitrada, escolheu-se por arbitrar uma

largura de 5 m. Assim, as outras dimensões são:

V C=H . B. L=¿ L . H=V C

B=246

5=¿ L. H=49,2 m ²

Essa dimensão equivale à área lateral de cada floculador. Ainda não se sabe quais

são as dimensões H e L, porém tem-se o produto das duas. Assim, pode-se calcular o

número de canais entre chicanas através da fórmula:

n=0,045.3√(H . L .G

Q )2

. t

Como, em sistemas de escoamento horizontal, dificilmente a profundidade

excede 1,5 m (Di Bernando e Dantas, 2005), estipulou-se essa profundidade (H) como

sendo de 2,5 m. Logo, o comprimento (L) será de 19,7 m. Encontrado o número de

canais, pode-se achar o espaçamento entra as chicanas (e), a velocidade no canal (v1), a

velocidade nas passagens (v2) e a largura das passagens (l). As fórmulas usadas estão a

seguir e os resultados na Tabela:

e= Ln+1

v1= QH . e

v2=23

. v1

l=1,5. e

Tabela: Gradiente de velocidade, número de chicanas, espaçamento entre as

chicanas, largura das passagens, velocidade no canal e velocidade nas passagens.

Canal G (s-1) N e (m) l (m) v1 (m/s) v2 (m/s)

1 60 36 0,53 0,79 0,31 0,21

2 36 26 0,74 1,1 0,22 0,15

3 16 15 1,23 1,85 0,13 0,09

No escoamento horizontal, o espaçamento entre as chicanas pode ser menor que

0,6 m (Di Bernando e Dantas, 2005), perante a isso, considerou-se satisfatório o

espaçamento mínimo de 0,53 m. A velocidade ao longo dos canais (v1), segundo a

norma, deve estar entre 0,1 e 0,3 m/s, o que foi respeitado.

Para impor a turbulência necessária, a largura das passagens (l) deve sobrepor a

anterior em, pelo menos, 0,5 m. Como aqui a largura da chicana é de 5 m, a tolerância

máxima para a abertura é de 2,75 m, o que também foi respeitado.

Deve-se obter agora a extensão média percorrida pela água nos canais (Lp), a

perda de carga nas voltas (ΔHvoltas ) e o gradiente de velocidade médio (Gm ) para cada

canal, a partir das fórmulas abaixo.

Lp=60. v1.T F

ΔH voltas=N . v 1²+( N−1 ) . v 2²

2.g

Gm=√ g . ΔHν .T F

Nas fórmulas acima, adotou-se a aceleração da gravidade (g) como 9,8m/s2e a

viscosidade cinemática da água (ν) como 1,01 x 10-6 m²/s. Os resultados estão

mostrados na Tabela.

Canal LP (m) ΔH voltas (m)

Gm (s-1)

1 186 0,25 642 135 0,09 393 80 0,02 18

A descarga será feita com diâmetro de 150mm, pois esse é o mínimo

especificado pela norma. Como a declividade de fundo deve ser de 1%.

3. Decantadores

a) Dimensionamento do Decantador de escoamento horizontal do tipo convencional

O primeiro passo no dimensionamento dos decantadores é estabelecer o número de decantadores que serão usados na ETA. A norma estabelece que estações de tratamento de água com capacidade superior a 10.000m³/dia devem constar de pelo menos duas unidades iguais. Assim, pela vazão de projeto ser 70848 m³/dia e por questões de flexibilidade, serão utilizadas quatro unidades de decantação.

Em seguida, determina-se a taxa de aplicação dos decantadores, que é determinada em função da velocidade de sedimentação das partículas que devem ser removidas, segundo a relação:

QA

=f . Vs(1)

Onde:

Q= vazão que passa pela unidade, em m³/s

A = área superficial útil da zona de decantação, em m²;

f = fator de área, adimensional;

Quando a realização dos ensaios não é possível, a taxa de aplicação superficial pode ser estimada de acordo com a vazão nos seguintes intervalos:

Q < 1000 m³/d – TAS = 25 m³/ m².dia 1000 m³/d < Q < 10.000 m³/d – TAS = 35 m³/m².dia Q > 10.000 m³/dia – TAS = 40 m³/m².dia

Como a vazão deste projeto se enquadra no último intervalo, a TAS utilizada será de 40 m³/m².dia. Este valor garante o tempo de detenção hidráulica (TDH) mínimo de 2 horas, como é recomendado por Di Bernardo.

Não sendo possível proceder ensaios para se determinar as velocidades de sedimentação, a norma determina as velocidades de sedimentação segundo intervalos da taxa de aplicação superficial

3.1.Cálculo das dimensões do canal de distribuição da água floculada ao decantador

Para os seguintes cálculos foi considerada a ligação entre o floculador de chicana horizontal e o decantador horizontal tipo convencional.

Tem-se que velocidade de saída do floculador (v) = 0,13 m/s

Pela Equação da continuidade:

A=Qv=0,82 m ². s−1

0,13 m /s=6,31 m ²

Adotando-se uma profundidade (h) = 2 m

L (largura do canal) = A/h = 6,3/2 = 3,2 m

3.1.1. Calculo da perda de carga total (ht) no canal, considerando apenas as forças de atrito:

hr= v2

2 g=0,13 ²

19,61=0,000 862245 m

3.1.2. Cálculo do gradiente médio de velocidade no canal:

Gm= y . EnμTm

=¿

3.1.3. Cálculo do canal de distribuição de água floculada em cada unidade com vazão Q = 205 L/s

Segundo as recomendações de Di Bernadoet al, 2005, adotou-se a velocidade média de passagem da água nas comportas (Vm) = 0,25 m/s. Adotou-se quatro (4) comportas.

A vazão em cada comporta é dava por:

Qi=Q4

=0 , 2054

=0,05125 m ³/ s

Logo a área de cada comporta (Ai) será:

Ai= QiVm

=0,051250,25

=0 ,205 m ²

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

G=354∗V m2 .( fRh )

12

Adotando f = 0,02 e Rh= AP

=0 ,2054∗0,3

=0,33 para cada comporta

G=354∗0,252 .( 0,020 ,33 )

12=5,42 s−1

3.2.Dimensionamento do decantador

Considerando os seguintes dados:

Funcionamento continuo, ou seja, de 24 h/d;

Q = 0,82 m³/s;

TAS = 40 m³/m².dia = 46,3x10−3m³/m².s;

É possível calcular a área total dos decantadores, que será:

Adect= 0 , 82

46,3 x 10−3=1771 m2

E a área de cada um deles é dada por:

Adeci=17714

=443 m ²

Adotando-se uma profundidade (H) = 5 m e largura (B) = 12m;

O comprimento (L) será: Adeci

B=443

5=37 m

Logo: Adecli = 443 m²

TDH = Vol./Q = 3 horas

TAS = 40 m³/m².d = 0,0462 cm/s (Vso)

A velocidade de escoamento horizontal (Ve) = Q/A = 0,205/443 = 0,0137 m/s

Está de acordo com a norma, que recomenda Ve<18.Vso.

3.3.Cálculo do gradiente da cortina de distribuição

Área lateral do decantador (A) = 60 m²;

Adotando-se 10 orifícios por m²;

Número de orificios No = 600 orifícios;

Adotando-se 110mm como diâmetro de cada orifício;

Distancia entre os orifícios (So) = ( ANorificios

)1 /2

=( 60600

)1/2

=0 , 316 m;

Vazão por orifícios (Qo) = (0,205

ls)

480=0,0003417 L/ s

;

Área de cara orifício (Ao) = π.D²/4 = 0,0095m²

Velocidade da água através de cada orifício (Vo) = Q

No∗Ao=0 , 14 m ² /s

Gradiente:

¿( doSo )∗(π .

V o3

8.C d2 . Xo )12=( 0,0075 m

0,44 )∗(π .0,1663

8.1,009 .10−6 .0,612 )12=19,4 s−1

Distancia da cortina à entrada do decantador:

Segundo a relação D > 1,5Ha/A

onde A (área da cortina) = 60m ;

a(área total do orifício) = 600*(0,0095) = 5,7m;

H (profundidade do decantador) = 5m;

D ≥1,5∗5

60=0,13 m

3.4.Cálculo das calhas coletoras

Pela norma, a vazão máxima permitida na calha é q = 1,8 L/s.m

Adotando-se q = 1,8L/s.m, tem-se:

Comprimento linear da calha (Lc) = Q/q = 0,205/1,8 = 114 m;

Divide-se em 3 calhas de 9,5 m de comprimento cada. Resultando no total de 12 calhas distribuídas em 4 decantadores.

Profundidade das calhas coletoras:

Segundo a relação:

q=1,3. B . H 1,5

Onde, q = vazão por calha = Q/3 = 0,068 m³/s B = largura da calha = 0,3m (adotado) H = profundidade da calha

Solucionando a equação, H = 4,2m.

3.5.Cálculo da inclinação da zona de descarte

Inclinação da secção transversal (l)% = (1m / 12m).100 = 8,33%

Inclinação da seção longitudinal (l’)% = (1m / 60m).100 = 2%

Foi adotada na norma NBR12216 uma velocidade do raspador de 30 cm/min.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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.