1ª Aula SAA_2024 - Sistemas de Águas de Abastecimento PDF

Sistemas de Águas de Abastecimento e Águas Residuais (SAAAR) ano lectivo 2024/2025 Sistemas de Águas de Abastecimento 1ª parte...

Sistemas de Águas de Abastecimento e Águas Residuais (SAAAR) ano lectivo 2024/2025 Sistemas de Águas de Abastecimento 1ª parte Docentes: M. Gabriela Féria de Almeida (Gab.428) - [email protected] Apresentação, funcionamento e modo de avaliação da parte relativa aos Sistemas de Águas de Abastecimento  Conteúdo Programático da 1ª parte da U.C. Sistemas de Água de Abastecimento: - Caracterização de um sistema de abastecimento; - Origens de água; - Normas de qualidade da água (bruta e tratada); - Qualidade da água vs. sistemas de tratamento; - Equilíbrio calco-carbónico - Considerações gerais sobre sistemas de tratamento; - Operações e Processos Unitários utilizados em sistemas convencionais (pré- oxidação; coagulação/floculação; decantação convencional, e acelerada; filtração rápida e lenta; desinfeção). Pré-dimensionamento das principais operações o processos unitários. Metodologia de ensino: 1ª parte (SAA) As matérias (disponíveis na plataforma Moodle) são apresentadas nas aulas teórico práticas, com exposição de matéria e exemplos práticos de aplicação. Senha de inscrição: 2425saaar Nas aulas práticas, serão resolvidos exercícios de dimensionamento no âmbito das aulas TP. Os alunos serão organizados em grupos de 4 e a cada grupo será atribuído um conjunto de informação que permitirá pré-dimensionar as diferentes etapas de tratamento de um sistema de águas de abastecimento o qual será objecto de avaliação na última hora da aula P seguinte. Avaliação Participação na aula e trabalho apresentado pelos grupos – 25% 1º teste – 50 % 2º teste – 25 % Bibliografia (apenas algumas sugestões) -Brito,A.G; J.M.Oliveira; J.M. Peixoto 2014,Tratamento de água para consumo humano e uso industria, 2º edição, Publindústria. -Richter,C.A.; J.M. Azevedo Netto 1991, Tratamento de Água, Editora Edgard Blucher Ltda. São Paulo - SP - Brasil. - Gray, N. F. (2008). Drinking Water Quality: Problems and Solutions. Cambridge University Press - Parsons, S. A., & Jefferson, B. (2006). Introduction to potable water treatment processes. Blackwell publishing. - Spellman, Frank R. (2018) Water & Wastewater Infrastructure: Energy Efficiency and Sustainability, 1st Edition, CRC Press  Sistemas de Águas de Abastecimento Um pequeno resumo de algo fundamental que é preciso ter presente. Para uns apenas relembrar, para outros aprofundar.  SISTEMA DE ABASTECIMENTO Captação Sistema de Tratamento Reservatório Estação elevatória Rede de distribuição Adutora SISTEMA DE ABASTECIMENTO Captação Sistema de Tratamento Reservatório Estação elevatória Rede de distribuição Adutora  Captação Captações superficiais, exemplos: Estrutura flutuante, jangada Torre de captação Captações subterrâneas, exemplos: Captação subterrânea Segundo a ERSAR, em 2015 existiam 6016 captações subterrâneas e 267 captações superficiais Captação Sistema de Tratamento Reservatório Estação elevatória Rede de distribuição Adutora A1 - Filtração Desinfecção Qualidade da água Cl2 ClO2 Complexidade A3 + Pré-Oxidação Coagulação/ Decantação Filtração Pós-Ozonização Filtração/ Desinfecção Floculação Carvão activado O3 ClO2 O3 Cl2 ClO2 Segundo a ERSAR, em 2015 existiam 261 ETA Sistema de Tratamento - a complexidade depende das características da água bruta - a dimensão/capacidade depende de vários factores ETA da asseiceira NECESSIDADES DE CONSUMO População a servir Capitação - L.hab-1.d-1 CAPACIDADE DA ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ÁGUA (ETA) População a servir Capitação - L.hab-1.d-1 (Se possível avaliar o histórico de consumos, para se estimar o consumo máximo diário em relação ao caudal médio ( se não se conseguir pode admitir-se 1,1 a 1,2)) Período de funcionamento da ETA Pontas de consumo (sazonais). As diárias são geridas pelos reservatórios a jusante da ETA. Perdas de água “na ETA” , adução, reservatórios e sistema de distribuição QUAIS AS PERDAS DE ÁGUA QUE EXISTEM NOS SISTEMAS DE ABASTECIMENTO? Perdas reais (rupturas e Consumo interno na própria extravasamento de reservatórios, ETA (< 5 % da água captada) condutas e ramais) Consumo autorizado Consumos ilícitos não facturado Erros de medição Fluxograma das principais influências num sistema de abastecimento (fonte: Controlo ativo de perdas de água, EPAL Technical Editions) SISTEMA DE ABASTECIMENTO Captação Sistema de Tratamento Reservatório Estação elevatória Rede de distribuição Adutora  Reservatórios de distribuição de água Principais finalidades: regularizar o caudal; segurança no abastecimento; reserva de água para incêndio regularizar as pressões. Segundo a ERSAR, em 2015 existiam 8732 reservatórios com uma capacidade total de 5 070 452 m3, o que traduz uma capacidade média de armazenamenro de 1,35 dias. SISTEMA DE ABASTECIMENTO Captação Sistema de Tratamento Reservatório Estação elevatória Rede de distribuição Adutora Segundo a ERSAR, em 2015 existiam 2 313 EE, para elevar a água até ao consumidor final Estação elevatória REDE DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA É a parte do sistema de abastecimento formada por tubagens e orgãos acessórios, destinados a colocar água tratada à disposição dos consumidores, de forma contínua, em quantidade, qualidade e pressão adequadas. Tipos de rede Segundo a ERSAR, em 2015 existiam cerca de 108 757 Km de condutas de água Gestão dos sistemas de abastecimento: Entidades Gestoras em Alta - Responsáveis pela Captação até ao ponto de entrega da água tratada Entidades Gestoras em Baixa - Responsáveis pelo sistema de distribuição até à ligação à entidade consumidora Exemplo de um sistema de abastecimento........ver ficheiro no moodle Normas de qualidade da água Água para produção de água para consumo humano - Decreto-Lei nº 236/98 Tipologia A1, A2 ou A3. (slide seguinte) Água para consumo humano - Decreto-Lei nº 152/17 = Decreto-Lei nº 306/07 na sua actual redação.  Alguns EXEMPLOS DE ESQUEMAS DE TRATAMENTO CONVENCIONAL DE ACORDO COM AS CARACTERÍSTICAS DA ÁGUA BRUTA SUPERFICIAL A1 - Tratamento físico e desinfecção Filtração Desinfecção Cl2 ClO2 A2 - Tratamento físico e químico e desinfecção Coagulação Filtração Desinfecção Cl2 ClO2 Coagulação/ Filtração Desinfecção Floculação Cl2 ClO2 Coagulação/ Decantação Filtração Desinfecção Floculação Cl2 ClO2 Coagulação/ Pré-Oxidação Floculação Decantação Filtração Desinfecção Ar Cl2 O3 ClO2 Cl2 ClO2 A3 - Tratamento físico e químico , de afinação e desinfecção Pré-Oxidação Coagulação/ Decantação Filtração Filtração/ Desinfecção Floculação Carvão activado O3 ClO2 Cl2 ClO2 Coagulação/ Filtração/ Pré-Oxidação Decantação Filtração Pós-Ozonização Desinfecção Floculação Carvão activado O3 ClO2 O3 Cl2 ClO2 Alguns EXEMPLOS DE ESQUEMAS DE TRATAMENTO CONVENCIONAL DE ACORDO COM AS CARACTERÍSTICAS DA ÁGUA BRUTA SUBTERRÂNEA (a qualidade das águas subterrâneas deverá ser superior a A1, segundo o Decreto - Lei) Desinfecção Cl2 Pré-Oxidação Filtração Desinfecção Ar KMnO4 Cl2 Cl2 ClO2 (regresso ao slide anterior)  nº 152/17 EQUILíBRIO CALCO-CARBÓNICO DE UMA ÁGUA ESTABILIZAÇÃO QUÍMICA H2 O H2 O H2 O ? CaCO3 ∆ tempo CaCO3 ? Decreto-Lei 152/2017, relativamente ao anterior diploma legal, o Decreto-Lei nº 306/2007, 1 — O presente decreto-lei entrou em vigor a 1 de janeiro de 2018. 2 — O n. 8 do artigo 8.o do Decreto-Lei n.o 306/2007, de 27 de agosto, com a redação dada pelo presente decreto-lei, entra em vigor a 1 de janeiro de 2019 Artigo 8.o [...] a) [...]; b) [...]; c) Não seja agressiva nem incrustante ao longo do sis- tema de abastecimento, devendo tomar as medidas para dar cumprimento ao disposto no presente decreto-lei. 3 — As entidades gestoras devem estabelecer um programa de controlo da qualidade da água destinada ao consumo humano que dê cumprimento aos parâmetros e às frequências fixadas nos anexos I e II ao presente decreto-lei, que dele fazem parte integrante, baseando- -se numa avaliação do risco, conforme previsto no ar- tigo 14.o-A e no anexo II ao presente decreto-lei. 4 — Em função da avaliação do risco, as entidades gestoras devem garantir a realização, de forma casuística,.................... Estabilização Química - processo de ajuste do pH, da concentração de Cálcio e da alcalinidade, por forma a atingir-se o equilíbrio de saturação do carbonato de cálcio (CaCO3). equilibrante O bicarbonato é instável e, normalmente só se mantem assim dissolvido graças ao CO2 equilibrante. aumenta diminui Equilíbrio calco-carbónico de uma água De entre os elementos principais de uma água (geralmente em teores da ordem dos mg.L-1): § Elementos fundamentais - cujas concentrações não são entre si, independentes - H+,OH- , CO2 livre (CO2+H2CO3), HCO3-, CO32-, Ca2+ H2CO3* § Elementos característicos - cujas concentrações não estão, entre si, ligadas por qualquer reacção - Mg2+, Na+, K+, Cl-, SO42-, NO3- ………….. el. característicos Considerando, para garantir a neutralidade eléctrica logo Os elementos fundamentais estão ainda ligados por um certo número de equilíbrios termodinâmicos: § dissociação do ácido carbónico e do hidrogenocarbonato (bicarbonato) § dissociação da água § solubilidade do CaCO3 A combinação das equações de dissociação do ácido carbónico e do hidrogenocarbonato com o C total, por exemplo, em função de [H+]. Curvas de distribuição das formas carbonatadas em função do pH [H2CO3], [HCO-3] , [CO2-3] poder tampão da água é máximo Águas agressivas, incrustantes e em equilibrio Ø águas em equilíbrio Considerando as equações de dissociação do ácido carbónico e do hidrogenocarbonato, podemos escrever a equação do produto de solubilidade da seguinte forma: se T aumenta, a água torna-se incrustante se T diminui, a água torna-se agressiva Ø águas agressiva difícil avaliar.......... ?  logo, recorre-se ao CO2 equilibrante ou ao pH de saturação Índice de saturação (IS) = pH real - pHs , ou (i. de Langeler) IS = 0 IS < 0 , tendência para dissolver CaCO3 (agressiva) IS > 0 , tendência de deposição de CaCO3 (incrustante) Índice de estabilidade ou de Ryznar = 2pHs - pHreal Indice de Ryznar Tendência da água 3,0 a 5,0 Muito incrustante 5,0 a 6,0 Fracamente incrustante 6,0 a 7,0 Fraca incrustação ou corrosão 7,0 a 7,5 Corrosiva 7,5 a 9,0 Fortemente corrosiva Ø águas incrustante são sobressaturada em CaCO3. Podem ser obtidas artificialmente durante tratamento por: - perda de CO2; - aumento da temperatura; - aumento do pH; - dissolução de um carbonato ou de um sal de cálcio. CORRECÇÃO DE UMA ÁGUA AGRESSIVA - neutralização de uma parte do CO2 livre (eliminação do CO2 agressivo) -  LEITOS PERCOLADORES DE BRITA CALCÁRIA - Parâmetros de cálculo - sem arejamento 1 a 2h Tempo de prévio contacto com arejamento 10 a 15 min prévio Perda de carga desprezável (2 a 3 cm) Altura do leito de brita < 1,5m Diâmetro médio da brita 1 cm % de vazios 50 onde: V - volume de brita, m3 t - tempo de contacto Q - caudal, m3.h-1 n - % de vazios /100 A - área, m2 h - altura do leito de brita, m Quais são os elementos fundamentais que contribuem para a alcalinidade? § Elementos fundamentais - cujas concentrações não são entre si, independentes - H+,OH-, CO2 livre (CO2+H2CO3), HCO3-, CO32-, Ca2+ ?  Quais são os elementos fundamentais que contribuem para a acidez ? § Elementos fundamentais - cujas concentrações não são entre si, independentes - H+,OH-, CO2 livre (CO2+H2CO3), HCO3-, CO32-, Ca2+ ? VARIAÇÃO DA ALCALINIDADE, ACIDEZ E TOTAL DE ESPÉCIES CARBONATADAS ASSOCIADA COM A ADIÇÃO DE DETERMINADOS REAGENTES e - equivalente/L ou, quando todos os reagentes e espécies, carbonatadas ou não, estão expressas nas mesmas unidades (mg CaCO3.L-1)  mol ) mol) mol ) mol ) CONDIÇÕES PARA UM BOM CONDICIONAMENTO DA ÁGUA 1 - O potencial de precipitação deverá ser 4 mg – 10 mg CaCO3.L-1, sendo de referir que segundo o Dec-Lei nº 152/17: ”…Não seja agressiva nem incrustante ao longo do sistema de abastecimento, devendo tomar as medidas para dar cumprimento ao disposto no presente decreto-lei” 2 - Quer a alcalinidade quer a concentração de cálcio deverá ser superior a 40 mg CaCO3.L-1 Alc 3- − >5 Cl + SO42− 4- 6,8 < pH < 7,3 (condição não necessária) AMACIAMENTO carbonatada CT = alcalinidade + acidez dureza cálcica 2 não carbonatada carbonatada dureza magnesiana não carbonatada Classificação das águas quanto à dureza: águas muito duras > 300 mg.L-1 em CaCO3 águas duras - 150 a 300 mg.L-1 em CaCO3 águas moderadamente duras - 75 a 150 mg.L-1 em CaCO3 águas macias < 75 mg.L-1 em CaCO3 1 meq 50 mg.L-1 em CaCO3 5º F  REACÇÕES ENVOLVIDAS NO AMACIAMENTO POR Ca(OH)2 E Na2CO3 1−Ca2+ + 2HCO− +Ca(OH)  2CaCO ↓ +2H O 3 2 3 2 2−Mg 2+ + 2HCO− + 2Ca(OH)  2CaCO ↓ +Mg(OH) ↓ +2H O 3 2 3 2 2 3 −Ca2+ +SO2− + Na CO  CaCO ↓ +2Na+ +SO2− 4 2 3 3 4 4 −Mg 2+ +SO2− +Ca(OH) + Na CO  CaCO ↓ +Mg(OH) ↓ +2Na+ +SO2− 4 2 2 3 3 2 4 5 − H CO + 2Ca(OH)  2CaCO ↓ +2H O (CO2 livre) 2 3 2 3 2 NOTA: se na reacção 4 não se juntasse Na2CO3 por cada equivalente de dureza magnesiana não carbonatada removida haveria a adição de 1 equivalente de dureza cálcica não carbonatada. REACÇÕES ENVOLVIDAS NO AMACIAMENTO POR NaOH 6 − H CO + NaOH  Na CO + 2H O 2 3 2 3 2 7 −Ca2+ + HCO− + 2NaOH  CaCO ↓ +Na CO + 2H O 3 3 2 3 2 8 − Mg 2+ + 2HCO− + 4NaOH  Mg(OH) ↓ +2Na CO + 2H O 3 2 2 3 2 9 − Mg 2+ +SO2− + 2NaOH  Mg(OH) ↓ +Na SO 4 2 2 4 RECARBONATAÇÃO Após o processo de amaciamento a água fica normalmente com um pH 10 ou mesmo superior. Será necessário proceder à redução do pH e estabilização, através da recarbonatação. Neste processo adiciona-se CO2 em quantidade suficiente para baixar o pH a valores na gama 8,4 a 8,6.