PROCESSOS DE TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS

1. PROCESSOS DE TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS Ana Cláudia Seixas

2. TRATAMENTO PRELIMINAR Gradeamento – Grades • Proteção dos dispositivos dos esgotos contra obstruções, tais como bombas, registros, tubulações, peças especiais, etc.; • Proteção dos equipamentos de tratamento, bem como do aspecto estético dos corpos receptores e fluxo; • Remoção parcial da carga poluidora, consequentemente maior eficiência nas etapas subseqüentes.

3. Espaçamento entre Barras É escolhido em função do tipo de material que se quer deter e dos equipamentos a proteger, sendo assim podemos classificá-las: - Grades Grosseiras: são instaladas à montante de bombas de grandes dimensões, turbinas, etc.; e quase sempre precedem grades comuns. - Grades Médias: com menor espaçamento entre barras (normalmente 2,5cm). São empregadas normalmente em estações de águas residuárias, na entrada das ETEs; - Grades Finas: são empregadas quando são bem determinadas as características do esgoto a tratar (empregadas para reduzir escumas em tanques de digestão, para proteção de filtros lentos e os equipamentos de dosagem, etc.). Apresentam problemas de limpeza e geralmente são mecanizadas.

4. Tipo e Espaçamento das Grades

5. Dimensões das Barras

6. Tipos de Grades Grades Simples: de limpeza manual (pequenas instalações). Geralmente são grosseiras, apresentando aberturas geralmente grandes, instaladas à montante de grades médias mecanizadas, bombas de grande capacidade, etc. Destinam-se a retirada de objetos de grandes dimensões (madeira, latas, etc.) que podem danificar aqueles equipamentos. Grades Mecanizadas: de limpeza mecânica, automática ou não (instalações maiores).

7. Inclinação das Barras De acordo com o tipo de limpeza manual ou mecanizada, as grades apresentam uma inclinação das barras já bastante definida. • Limpeza Manual (rastelo): 30º a 45º; • Limpeza Mecânica: 45º a 90º, (comum 60º). OBS: Existem também certas instalações que adotam grades instaladas verticalmente. No, entanto, as grades inclinadas têm apresentado melhor rendimento, uma vez que a inclinação evita que o material arrastado se desprenda com facilidade e retorne ao canal de chegada (afluente).

8. Remoção e Destino Material CETESB (1994) • Material retido no gradeamento deve ser removido tão rapidamente quanto possível e armazenado em depósitos próprios em condições de permitir as seguintes operações subseqüentes: drenagem parcial do líquido agregado ao material grosseiro; fácil transporte ou transbordo para depósitos maiores, apropriados para esta função; e cobertura com a finalidade de evitar a proliferação de vetores. • Tratamento de esgotos sanitários, normalmente o destino é a incineração ou aterro sanitário.

9. Remoção e Destino Material • Pequenas Instalações: material poderá ser enterrado com um recobrimento mínimo de 30 a 40 cm de terra para evitar maus odores e permitir a ação das bactérias. • Grandes Instalações com remoção mecanizada recomenda-se a incineração, digestão ou trituração. • Tratamento de Efluentes Líquidos Industriais: o destino do material retido dependerá da natureza do material, podendo ser encaminhado para compostagem ou biodigestão no caso de resíduos agroindustriais, etc.

10. Dimensionamento das Barras Deve-se escolher previamente o seu formato (mais comum retangular), dimensão, espaçamento e tipo de barra. Deve-se garantir a velocidade adequada através das barras • Velocidade mínima: 0,40 m/s • Velocidade máxima: 0,75 m/s Esses valores devem ser verificados para vazões mínima, média e máxima. Velocidades pequenas propiciam a deposição de areia no canal da grade, enquanto velocidades altas desfavorecem a retenção do material grosseiro (problemas de entupimento).

11. Cálculos S = área do canal até o nível d’água (seção de escoamento), em m2 ; Au = área útil (área entre as barras), em m2 ; a = espaçamento entre as barras, em m; t = espessura da barra; V = velocidade – canal aprox. (V = 0,7 a 1,0 m/s) usual 0,8 m/s; v = velocidade de escoamento (v = 0,4 a 0,75 m/s) usual 0,6 m/s; E = eficiência OBS: Relação B  3 e que H não seja maior que 0,5m (usualmente considera-se B = 5H ou B = 6H).

12. Cálculos Canal de Aproximação Área (canal aproximação) A = Q/V Largura Recomendada (canal aproximação) B  3 (usualmente considera-se B = 5H) A = B x H Seção de Escoamento: verificar dados de acordo com o tipo de grade em tabela (valores de a, t e E) Área útil Au = Qmáx /v

13. Cálculo Eficiência Cálculo para eficiência das grades de dimensões usuais. No entanto, com emprego da equação também podemos determinar a eficiência para várias situações. E = a/a+t

14. Cálculos Seção do canal S = Au / E S = Au / (a/ a+t) S = B x H (B  3, usualmente B = 6H) Área da barras Abarras = S – Au Número de barras (n) Número de barras (n) = B / a+t ou Área das Barras = A1 barra x n S – Au = t x H x n

15. Perda de Carga A perda de carga é a variação do nível da linha de energia entre dois pontos em um escoamento. Hf = 1,43 (V2 – v2 ) / 2g Hf = perda de carga, m; v = velocidade entre as barras, m/s; V = velocidade a montante da grade, m/s; g = aceleração da gravidade, 9,8 m/s2.

16. Dimensionamento Grades Uma estação de tratamento recebe em média 500 m3/h de água residuária, com uma vazão máxima de 900 m3/h e uma vazão mínima de 200 m3/h. Pretende-se dimensionar um sistema de grades verticais para remoção de sólidos grosseiros, utilizando barras com 10 mm de espessura (t) e igualmente espassadas de 20 mm (a). Assuma para o nível médio da água no canal (h) uma altura de 0,5 m.

17. Resolução Considerando a vazão média água residuária (500 m3/h = 0,1389 m3/s) e uma velocidade média de passagem da água através da grade de 0,6 m/s, será necessário instalar uma grade com uma área útil de 0,232 m2.

18. Resolução Nas condições indicadas no enunciado (t = 10 mm e a = 20 mm), a eficiência da grade (ε) será de 0,667 o que corresponde a uma superfície total da grade de 0,347 m2.

19. Resolução Para grades colocadas em posição vertical (α = 90°), e considerando uma altura de água no canal (h) de 0,5 m, a largura do canal (L) deverá ser 0,694 m.

20. Resolução Nesta largura é possível instalar 23,8 barras, ou seja, efetivamente deverão ser colocadas 24 barras (número inteiro). A instalação de 24 barras faz com que a largura do canal seja na realidade de 0,7 m, o que corresponde a uma superfície da grade de 0,35 m2 (S = 0,7 × 0,5).

21. Resolução A velocidade média de passagem da água através da grade será então de 0,595 m/s (como esperado um valor muito idêntico ao considerado inicialmente).

22. Resumo Parâmetros Dimensionamento

23. Velocidades entre 0,3 e 0,9 m/s

24. Exercícios • Uma estação de tratamento recebe em média 400 m3/h de água residual, com uma vazão máxima de 700 m3/h e uma vazão mínima de 100 m3/h. Dimensione um sistema de grades verticais para remoção de sólidos grosseiros, utilizando barras de 8 mm de espessura igualmente espaçadas de 15 mm, colocadas em uma posição vertical de 90o . Assuma para o nível médio da água no canal uma altura de 0,5 m.

25. TRATAMENTO PRELIMINAR Desarenadores - Caixas de Areia • Reter substâncias inertes, como areias e sólidos minerais sedimentáveis, originárias de águas residuárias. Via de regra com diâmetro igual ou superior a 0,20 mm e peso específico de 2,65 g/cm3. • Evitar abrasão nos equipamentos e tubulações (bombas, válvulas, etc.); • Eliminar ou reduzir a possibilidade de obstruções em tubulações e demais unidades subseqüentes do sistema; e facilitar o transporte do líquido.

26. Dimensionamento • Para caixas tipo Canal – fluxo horizontal (mais comum) Velocidade de escoamento São dimensionadas de modo que se tenha velocidade nos canais no intervalo de 0,15 a 0,40m/s, sendo recomendado o valor de 0,30m/s, e deve-se manter uma variação de +/- 20%. Velocidades inferiores a 0,15m/s provocam deposição excessiva de partículas orgânicas, e velocidades superiores a 0,40 m/s propiciam a saída de areia nociva.

27. Velocidade de Sedimentação • A Tabela apresenta valores velocidade de sedimentação em função do tamanho das partículas, para grãos de areia de peso específico de 2,65 g/cm3 a 20°C, em água tranqüila.

28. Princípio de Funcionamento O esgoto, ao deslocar-se horizontalmente na caixa de areia, deve estar possuído da velocidade de 0,30 m/s, enquanto as partículas de areia com 0,2mm de diâmetro e de 2,65 g/cm3 de peso específico devem encontrar condições para depositar-se no fundo. Como no esgoto em repouso a 20°C as partículas de areia com tamanho de 0,2mm decantam com velocidade aproximada de 2,0 cm/s. Para que todas as partículas de 0,2mm se depositem, basta que a partícula situada em condição mais desfavorável possa depositar-se.A situação mais desfavorável é a da partícula que se encontra na superfície líquida e na extremidade de montante da caixa de areia. O tempo que a partícula de 0,2mm leva para atingir o fundo da caixa e o que ela leva para percorrer toda a extensão da caixa de areia é igual. Em decorrência, para uma caixa de areia de altura útil H, o seu comprimento é definido segundo a proporção L / H = V / v .

29. Comprimento • L = comprimento de caixa, m. • H = altura de lâmina d’água, m • V = velocidade de escoamento horizontal (0,15 a 0,40), usual 0,30m/s • v = 2cm/s = 0,02m/s (velocidade de sedimentação da partícula desejada).

30. Pela igualdade de triângulos: L / H = V / v ou L = V / v x H Para valores usuais V = 0,30 m/s e v = 0,02 m/s L = V / v x H L = 0,30 / 0,02 x H L = 15 x H Dando-se um acréscimo de 66% (Para compensar efeitos de turbulência) L = 25 x H

31. Largura da caixa (b) • Calculada em função da lâmina de água (H) e de forma a garantir a velocidade desejada (0,30 m/s), aplicando a equação da continuidade (Q = S x V) se a seção da caixa for retangular S = B x H. • Adotar B 3 H (adotar B = 4 a 5H) • Para projeto: Hprojeto x 4 (coeficiente de segurança)

32. Taxa de Aplicação É a relação entre a vazão dos esgotos (Q) e a área da planta da caixa de areia (A) e é fisicamente igual a velocidade de sedimentação da partícula de determinado tamanho. Recomenda–se uma taxa de aplicação na faixa de 600 a 1200 m3/m2.dia. Caso a taxa fique fora do intervalo permissível, recomenda-se variar o valor da velocidade.

33. Controle de velocidade Umas das principais dificuldades no projeto e na operação das caixas de areias esta em conseguir manter a velocidade desejada com a variação da vazão (Q). Para se contornar esta dificuldade usa-se projetar uma seção de controle, a jusante da caixa de areia, que faça com que a altura da lamina d água varie de acordo com a vazão, mantendo assim aproximadamente constante a velocidade do fluxo na câmara de sedimentação. As seções de controle normalmente utilizadas são: os vertedores proporcionais – tipo Sutro, calhas tipo Parshall e calhas tipo Palmer Bowlus.

34. Arranjo Típico Caixa de Areia.

35. Dimensionamentos Cálculo do comprimento mínimo da caixa de areia. Uma partícula que se encontra no Ponto 1 deverá atingir o Ponto 2 decorrido t segundos. Portanto, decorridos t segundos, podemos afirmar que: t = H / V - tempo de deslocamento na vertical - (I) t = L / V1 - tempo de deslocamento na horizontal - (II) (I) = (II)  L / V1 = H / V  H = L . V / V1 - (III)

36. Dimensionamentos S = B.H. Q = V.S Q = V.B.H B.H = Q/V Eq. (IV) S = B.H adotam-se valores convenientes para B e H. Adotar um coeficiente em torno de 1,5 .

37. Caixa de Areia

38. Exemplo de aplicação Dimensionar a caixa de areia de uma tomada d’água com uma vazão máxima de 0,5 m3/s. Estima-se uma quantidade de sólidos em suspensão de 0,1 L por m3 de água e se deseja que a caixa de retenção de areia tenha uma autonomia mínima de três dias. Adotar um coeficiente de segurança s=1,4. • Resolução: Dimensionamento do canal de aproximação com V = 0,6 m/s. Q = V . S S = Q / V S = (0,5 . 1,4) / 0,6 S = 1,17 Para B = 1,5mH = 0,78m

39. Dimensionamento da caixa de areia Dimensionamento do comprimento “L” da caixa de areia. Pela equação (III): H = L . V / V1 0,78 = L . 0,02 / 0,3 L = 11,67 Adotado: L = 12,0m

40. Dimensionamento do canal da Caixa de Areia. Pela equação (IV): B.H = Q/V B.H = 0,5 / 0,3 B.H = 1,67 Como H = 0,78m  B = 1,67 / 0,78 B = 2,14m Adotado: B = 2,20m O valor de BL, borda livre, pode ser adotado entre (0,10 e 0,25m).

41. Dimensionamento da Caixa de Retenção de Areia. Cálculo do volume de retenção diário de areia. Sólidos em suspensão: Ss = 0,1 L / m3 Ss = 0,0001 m3/m3 VRD = Ss . Vol. diário VRD = 0,0001 . 0,5 . 86400 VRD = 4,3 m3/dia

42. Volume Caixa de Retenção de Areia. O volume da caixa de retenção de areia deverá, conforme enunciado, ter a autonomia de no mínimo 3 dias. VCR = 4,3 . 3 = 12,9 m3 VCR = B . L . C C = VCR. s / B . L C = 12,9 . 1,4 / 2,2 . 12,0 C = 0,68m Adotado: C = 0,70m

43. Exercícios Propostos 1)Dimensionar a caixa de areia de uma tomada d’água com uma vazão máxima de 200 litros/s. Estima-se uma quantidade de sólidos em suspensão e 0,075 L por m3 de água e se deseja que a caixa de retenção de areia tenha uma autonomia mínima de uma semana. Adotar um coeficiente de segurança s=1,5. 2) Dimensionar a caixa de areia de uma tomada d’água com uma vazão máxima de 0,3 m3/s. Estima-se uma quantidade de sólidos em suspensão de 0,005 L por m3 de água e se deseja que a caixa de retenção de areia tenha uma autonomia mínima de uma semana. Adotar um coeficiente de segurança s=1,4.