Tratamento Convencional de Águas de Abastecimento - 4ª Aula PDF

TRATAMENTO CONVENCIONAL DE ÁGUAS DE ABASTECIMENTO Agente oxidante Alcalinizante Coagulante Polímero C...

TRATAMENTO CONVENCIONAL DE ÁGUAS DE ABASTECIMENTO Agente oxidante Alcalinizante Coagulante Polímero CAP Captação Coagulação Floculação Sedimentação Água tratada Correção de pH Desinfecção Filtração Alcalinizante desinfectante Agente Qual o objectivo da Filtração no Tratamento de água ? - Eliminar o teor de sólidos em suspensão presentes na água; Quais os tipos de Filtração? - Filtração por percolação num meio filtrante (Filtração em profundidade); - Filtração sobre suporte (Filtração recorrendo a processos de separação por membranas). Classificação dos filtros de acordo com: 1- taxa de filtração - filtros lentos (areia) Tf - 2,4 a 13 m3/m2/d (0,10 - 0,54 m3.m-2.h-1) - filtros rápidos areia Tf - 120 a 360 m3/m2/d ( 5 a 15 m3/m2/h) areia e antracite Tf - 240 a 480 m3/m2/d ( 10 a 20 m3/m2/h) 2 - a força motriz - filtros gravíticos (filtros abertos) A ETA de Tavira trata água superficial proveniente das albufeiras de Odeleite e Beliche e tem uma capacidade máxima de produção de 190 000 m3/dia, repartida por duas fases (quatro linhas de tratamento)- Foto dos Filtros - filtros de pressão (filtros fechados em compartimento de aço) Tf - 120 a 480 m3/m2/d ( 10 a 20 m3/m2/h) 3 - o sentido de escoamento - filtros de fluxo ascendente (pouco utilizados em tratamento de águas para abastecimento); - filtros de fluxo descendente. 4 - meio filtrante - camada simples (areia ou antracito); - camada dupla (areia e antracito). 5 - o controle hidráulico - taxa de filtração constante; n com variação de nível n sem variação de nível n taxa declinante. n com variação de nível n sem variação de nível 6 – localização no sistema de tratamento Crittenden, J. C., Trussell, R. R., Hand, D. W., Howe, K. J., & Tchobanoglous, G. (2012). MWH's water treatment: principles and design. John Wiley & Sons. Esquema tipo de um Filtro Rápido areia Caixa do filtro Caleiras de recolha de água de lavagem Meio filtrante antracito Camada de suporte Sistema de drenagem seixo Exemplo de um fundo de um filtro  A profundidade do leito de areia em filtros rápidos geralmente varia entre 0,50 m a 0,70 m. A camada de antracito é geralmente mais fina, com profundidades de 0,40 m a 0,50 m. Espessura típica do leito duplo: Para um leito de dupla camada, a profundidade total pode ser de 1,0 m a 1,2 m, com 0,40 m a 0,50 m de antracito e 0,50 m a 0,70 m de areia. PARÂMETROS BÁSICOS PARA CARACTERIZAR O MEIO FILTRANTE Coef. de uniformidade abertura do peneiro que deixa passar 60% Cu = abertura do peneiro que deixa passar 10% Diâmetro efectivo (def) def= abertura do peneiro ideal que deixa passar 10% Os Filtros rápidos de areia geralmente têm um coeficiente de uniformidade (CU) entre 1,3 e 1,7. CU≤1,5 indica que os grãos de areia têm tamanhos relativamente uniformes, o que é desejável em muitos sistemas de filtração porque proporciona uma melhor distribuição do fluxo e evita a rápida colmatação; CU>1,5 indica maior variação nos tamanhos dos grãos de areia, o que pode levar a um desempenho de filtração menos eficiente, mas pode ser vantajoso para aumentar a capacidade de retenção de partículas em certos casos.  Crittenden, J. C., Trussell, R. R., Hand, D. W., Howe, K. J., & Tchobanoglous, G. (2012). MWH's water treatment: principles and design. John Wiley & Sons. A granulometria da areia varia entre 0,5 a 1,2 mm, e a do antracito entre 1,0 a 1,8 mm.  1 Não é lavado mas sim limpo. Logo, não tem caleiras de recolha de água proveniente da lavagem do meio filtrante Áreas de implantação muito superiores. Porquê? Exemplo de uma instalação piloto para controle da pressão na coluna de Filtração Pressure profile Atmospheric pressure v>0 Hydrostatic pressure at the hc bottom of the filter Head Start of loss due clogging to clogging (Hc) process clean bed headloss (Ho) A pressão no interior do filtro é inferior à pressão atmosférica. O filtro entra em depressão (vácuo)  Diferença de altura (ΔH): Também chamada de perda de carga, é a diferença entre as pressões hidráulicas na entrada e na saída do filtro. Num filtro, essa perda de carga aumenta à medida que o meio filtrante vai retendo as partículas até atingir o máximo admitido (perda de carga máxima para colmatação Hcolm). Geralmente, a perda de carga máxima admissível é de cerca de 1,5 a 2,0 metros. Após atingir este valor o filtro rápido sai de serviço e vai entrar em lavagem. Hcolm Crittenden, J. C., Trussell, R. R., Hand, D. W., Howe, K. J., & Tchobanoglous, G. (2012). MWH's water treatment: principles and design. John Wiley & Sons. -Qualidade da água filtrada Controle dos filtros d=0.9 mm d=0.7 mm d=08 mm d –diâmetro médio das partículas do meio filtrante, mm Tq>Tr Tq,Tr > 1dia 0.7 mm - Perda de carga máxima admitida 0.8 mm 0.9 mm d=0.7 mm d=0.8 mm d=0.9 mm Tq (h) Tr (h) d=0,7mm 55 34 d=0,8mm 30 52 d=0,9mm 10 76 Ho To -Qualidade da água filtrada Controle dos filtros d=0.9 mm d=0.7 mm d=08 mm Tq>Tr Tq,Tr > 1dia 0.7 mm - Perda de carga máxima admitida 0.8 mm 0.9 mm d=0.7 mm d=0.8 mm d=0.9 mm Tq (h) Tr (h) d=0,7mm 55 34 d=0,8mm 30 52 d=0,9mm 10 76 Ho To Bases de dimensionamento de um sistema de Filtração nº de filtros n = 12 Q , onde Q, m 3 / s n >= 3 , normalmente opta-se por nº par Área de filtros (A) Q A= Tf Área unitária (a) A a= , onde i = nº de filtros que entram em lavagem n−i Relação comprimento (L) / largura (B) L 2n = B n +1  H suporte ao estudo PERDA DE CARGA INICIAL A perda de carga de um filtro limpo (perda de carga inicial), pode ser calculada através da equação de Carman – Kozeny e de Rose,uma vez que o regime de escoamento é de fluxo laminar. Equação de Carman – Kozeny e de Rose Considerando o processo de filtração semelhante ao escoamento de um fluido através de um feixe de pequenos tubos verticais, a perda de carga devida ao atrito pode ser calculada através da equação de Poiseuille: ho = K Lυ v D 2g i Vi – velocidade média de escoamento de líquido no tubo, m.s-1 L – comprimento dos tubos, m D – diâmetro do tubo, m g – aceleração da gravidade, m.s-2 υ - viscosidade cinemática, m2.s K – coeficiente de atrito A 2 ho = K Lυ (1− 3ε ) v ( s ) 2 16g ε Vs f f = K/16 , constante experimental e adimensional, que se considera em geral igual a 5  suporte ao estudo Casos particulares Grãos esféricos de diâmetro uniforme Quando o meio filtrante é composto de partículas esféricas, de diâmetro uniforme, D, verifica-se que πd3 b= a = πd2 6 pelo que 6 ho = fLυ (1− 3ε ) v ( ) 2 Vs b d 2 = = g ε d As a 6 Grãos não esféricos mas de diâmetro uniforme Quando o meio filtrante é uniforme mas as partículas não são esféricas, é necessário introduzir um coeficiente de esfericidade Ø Vs b d 6 ho = fLυ (1− 3ε ) v ( ) 2 = =φ 2 As a 6 g ε φd d – diâmetro geométrico médio, com 1 1 ho = 180Lυ (1− 3ε ) v 2 si,sj – abertura de dois g ε peneiros, entre os quais φ2 d2 fica retida a amostra Coeficiente de esfericidade Ø suporte ao estudo De acordo com Geyer e Fair Material Ø Esferas 1,0 Areia quase esférica 0,95 Areia arredondada 0,85 Areia angular 0,75 Areia quartzítica (arestas afiladas) 0,65 Pó de carvão 0,65 \as partículas esféricas introduzem uma menor perda de carga Grãos não esféricos de diâmetro não uniforme 1- leito não estratificado (exemplo: filtros lentos) As 6 x 1 x = ∑ i pois =∑ i Vs φ di d di com xi – fracção (em masssa) das partículas retidas entre dois peneiros consecutivos di – diâmetro geométrico médio das malhas de esses dois peneiros 2 1 ⎛ xi ⎞ ho = 180Lυ (1− 3ε ) v 2 g ε ⎜∑ ⎟ φ 2 ⎝ di ⎠  suporte ao estudo 2- leito estratificado (exemplo: filtros rápidos) A perda de carga total é a soma das perdas de carga em cada camada (formada por partículas uniformes, isto é, retidas entre dois peneiros consecutivos) i ho = ∑ hoi i =1 Após lavagem, os leitos dos filtros rápidos estratificam, com as partículas de menor diâmetro em cima e as de maior diâmetro em baixo. A porosidade é maior nos filtros rápidos do que nos filtros lentos. Considerando que a porosidade não varia nas diversas camadas, em cada uma delas verifica-se que: Li = xi L As 6 1 Sendo Li a espessura de cada camada e = Vs φ d i 5L υ A 2 h = i (1− 3ε ) v ( s ) 2 oi g ε V s ⎡ 61 ⎤ ho = 5υ v (1− 3ε ) ∑⎢Lxi ( 2 2 ) g ε φd ⎥ ⎣ i ⎦ ⎡x ⎤ ho = 180υ v (1− 3ε ) L 12 ∑ ⎢ i2 ⎥ 2 g ε φ ⎢d ⎣ i ⎦ suporte ao estudo Equação de Ergun No sistema de drenagem do filtro e na tubagem de saída de água filtrada o fluxo é frequentemente turbulento e a perda de carga é proporcional ao quadrado da velocidade de filtração (m3/m2.h). Como se verifica pelo Quadro seguinte, a perda de carga disponível para acumulação de sólidos decresce rapidamente com o aumento da velocidade de filtração. Para a gama de velocidades de lavagem com fluxo ascendente, verifica-se que o regime é de transição, pelo que a equação mais adequada para para calcular a perda de carga na lavagem de um filtro rápido é a Equação de Ergun, adaptada ao caso de um leito estratificado de partículas de forma diferente da esférica, expressa por: υ L (1− ε )2 1 n x i 1− ε 2 1 n 1 ho = 150 g ε3 v ∑ φ i =1 d i2 + 1,75 ε3 v ∑ φ i =1 d i  suporte ao estudo LAVAGEM DOS FILTROS Le Velocidade minima de fluidisação (vmf ) L 1,0 Equação de LEVA 1 d2 εmf 3 v mf = g(ρs − ρl ) H 180 µ (1 − εmf ) vmf v= Q d 60% - diâmetro do peneiro que deixa passar 60% A ρ - massa específica da água, Kg.m-3 ρs - massa específica da areia, Kg.m-3 µ - viscosidade dinâmica, N.s.m-2 vmf - velocidade minima de fluidisação, m.s-1 suporte ao estudo Expansão do Leito Hmáx=f(vmf) Le 1 − ε = H=f(v) L 1 − εe Le − L E(%) = 100 ε εe Le L v L v1 ε −ε E(%) = 100 e 1 − εe Sistema de lavagem: Água 1º Ar, 2º Água 1º Ar + Água, 2º Água  suporte ao estudo LAVAGEM DE MEIOS FILTRANTES Lavagem exclusivamente com água Q água ascensional Tempo de lavagem: 8 a 15 minutos Expansão do material filtrante: 20% a 30% Tempo Lavagem com água e sistema de lavagem superficial Q Tempo de lavagem com água em contra- corrente: 8 a 15 minutos água ascensional Lavagem superficial somente: 1min a 2 min água superficial Expansão do material filtrante: 20% a 30% Tempo 1,5 l/s/m a 3,0 l/s/m2 2 suporte ao estudo Lavagem com ar unicamente seguido de água Tempo de lavagem com ar: 2 a 3 minutos Q ar Tempo de lavagem com água em contra- corrente: 8 a 15 minutos água ascensional Expansão do material filtrante: 20% a 30% Tempo 10 l/s/m2 a 20 l/s/m2 Lavagem com ar e água simultâneamente ar Vazão água ascencional Tempo de lavagem com ar e água simultaneamente: 2 a 4 minutos Tempo de lavagem com água em contra- corrente: 8 a 15 minutos Expansão do material filtrante: 20% a 30% 4 l/s/m2 a 8 l/s/m2 Tempo  suporte ao estudo Controle hidráulico dos filtros (sistema de operação dos filtros) 1- taxa de filtração constante: com variação de nível sem variação de nível 2- taxa declinante: com variação de nível sem variação de nível suporte ao estudo  suporte ao estudo (associado a nível constante) (associado a nível constante e nível variável) suporte ao estudo suporte ao estudo  suporte ao estudo Nos filtros deste tipo o nível da água na caixa de filtro vai aumentando com o tempo, desde um nível A até um nível B. A perda de carga para um dado filtro é evidenciado pelo nível da água na caixa do filtro. Quando a água alcança o nível máximo (perda de carga limitante) torna-se necessário lavar o filtro. Quando um filtro é retirado de serviço para lavagem ou reentra ao serviço após lavagem, o nível da água sobe ou desce gradualmente nos filtros em funcionamento, até que se obtenha uma perda de carga suficiente para permitir operar com taxa superior. Assim as variações de velocidade são realizadas lenta e suavemente, sem variações abruptas associadas com equipamento de regulação, não tendo por isso efeitos negativos na qualidade final do efluente. INCONVENIENTE DO SISTEMA: a caixa destes filtros tem mais cerca de 1,5 a 1,8 m de profundidade, o que implica o uso de alturas (cabeça)de água de 2,0 a 2,7 m sobre o leito filtrante. FILTROS COM VELOCIDADE DE FILTRAÇÃO DECLINANTE suporte ao estudo A operação com velocidade declinante variável é semelhante à de afluente igualmente distribuido. Tem todas as vantagens do anterior e algumas mais, sem o seu inconveniente. Pode ser adotado com pequenos custos em estações existentes cujos controladores de caudal estejam desregulados ou causem problemas difíceis de manutenção. As diferenças principais são a localização e tipo de sistema de alimentação da água clarificada e a necessidade de dispor de menor perda de carga. A entrada do afluente é feita ligeiramente abaixo do nível das caleiras de saída de água de lavagem. Se o nível da água no filtro estivesse mais abaixo do que o nível das caleiras o filtro funcionaria como de afluente igualmente distribuido. Quando o nível está acima do das caleiras funciona então como um filtro de velocidade declinante variável. Em geral, a perda de carga através do meio filtrante, sistema de drenagem e tubagem é de cerca de 0,9 a 1,2 m, o que garante aquela condição.  suporte ao estudo À medida que o leito filtrante se vai obstruindo a velocidade de filtração vai naturalmente diminuindo, obtendo-se um efluente de melhor qualidade do que no processo de operação de taxa constante. A alimentação de água decantada à bateria de filtros é feita com tubagem ou um canal comum de dimensões apreciáveis e cada filtro dispõe de uma válvula ou comporta de dimensão relativamente grande, pelo que a água pode chegar em cada instante a qualquer filtro com um minimo de perda de carga e o nível de água em frente de cada filtro é praticamente o mesmo ao longo do tempo em todos os filtros em funcionamento. A condição básica do funcionamento com velocidade declinante variável é que todos os filtros actuem conjuntamente como vasos comunicantes: o que está limpo trabalha com a velocidade máxima e o que está sujo com a velocidade mínima. O fluxo que entra e sai da bateria é constante, mas cada filtro trabalha a uma velocidade que depende do seu grau de limpeza. À medida que a filtração progride o fluxo através da unidade mais suja diminui mais rapidamente, e o caudal que deixa de filtrar é automaticamente redistribuido, de forma proporcional, pelos filtros mais limpos. Na redistribuição o nível de água sobe para proporcionar uma pressão adicional necessária para os filtros mais limpos filtrarem o fluxo recebido em acréscimo. O mais limpo dos filtros receberá na redistribuição o maior acréscimo de fluxo. Quando o nível da água sobe vai contrariar a diminução de velocidade de filtração através dos filtros mais sujos, pelo que essa velocidade diminui menos rapidamente do que seria de esperar. suporte ao estudo suporte ao estudo suporte ao estudo Qual o objectivo da sedimentação/decantação/clarificação? - Reduzir o teor de sólidos em suspensão presentes na água, com características passíveis de serem removidos por gravidade (sedimentação). -Reduzir o teor de sólidos (carga sólida) após coagulação/floculação (clarificação). TRATAMENTO CONVENCIONAL DE ÁGUAS DE ABASTECIMENTO Agente oxidante Alcalinizante Coagulante Polímero CAP Captação Coagulação Floculação Sedimentação Água tratada Correção de pH Desinfecção Filtração Alcalinizante desinfectante Agente Como são classificados os Clarificadores? 1- Clarificadores/Decantadores convencionais. (ver vídeo slide 5) 2- Clarificadores/Decantadores acelerados, munidos de módulos. (ver vídeo slide 5) 3- Flotadores por ar dissolvido (FAD). (ver vídeo slide 9) 4- Clarificador de manto de lamas. No mesmo órgão incluem duas etapas: - floculação de clarificação (ver vídeo slide 10) https://youtu.be/PPYXKHxDDsk?si=5hVxKlAA2YcooVaC https://youtu.be/YQ2kIXaRNWE  Decantador circular – Fluxo vertical Caleira de recolha de água clarificada Tubagem de entrada de água Cortina distribuidora Tubagem de água clarificada 1 – entrada de água 2 – sistema doseador de reagentes 3 – zona de mistura rápida (coagulação) 4 - zona de mistura lenta (floculação) 5 – entrada de água no decantador 6 – modulos lamelares 7 – tubagem perfurada de recolha de água clarificada 8 – saída de água clarificada 9 – sistema de extração de lamas 10- drenagem das lamas  https://youtu.be/2E5c8j0whgE?si=dMRR_63nWCA34Who https://youtu.be/3AeUrXzT09Y?si=GuexE0hlwHkjeH3I  Esquema tipo de um Clarificador de manto de lamas válvula automática de entrada de ar bomba de vácuo água clarificada entrada de água lamas lamas modulos lamelares (opcional)* Figura 3.1 - Esquema tipo de um decantador Pulsator (*Super Pulsator) Para suspensões concentradas, ϕ é elevado pelo que a velocidade de floculação será também elevada. Se as partículas forem obrigadas a atravessar uma suspensão muito densa verificar-se-à uma aglomeração quase instantânea. O tempo de retenção é pois muito curto. Este princípio é utilizado nos clarificadores de contacto de sólidos ou de leito de lamas, em que estas estão fluidizadas pelo fluxo ascendente de água a tratar. Os clarificadores de manto de lamas combinam a floculação e a decantação numa única unidade. SEDIMENTAÇÃO- conceitos teóricos Processo de separação sólido-líquido que tem como força propulsora a acção da gravidade. TIPOS DE SEDIMENTAÇÃO - Sedimentação de Partículas discretas (Tipo 1) - Sedimentação Floculenta (Tipo 2) - Sedimentação Retardada (Tipo 3) - Sedimentação por Compressão (Tipo 4)  Re < 1, fluxo laminar vs LEI DE STOKES Sedimentação floculenta vs vs (dimensionamento) Flocos formados por hidróxidos de alumínio v s / Fs 2 - 4,5 s/ polímero floculante Flocos formados por hidróxidos c/ polímero v s / Fs 3 - 5,5 floculante Flocos formados por hidróxidos de alumínio mediante o uso de policloretos de alumínio v s / Fs 2-4 como coagulante v s / Fs Flocos formados por hidróxido de ferro 2-6 !! ! ! "#$%&!#'&($%&)' = "#("%&'() *+ ,+-.)%/ç%) 234567 89 :9;