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AERAÇÃO ÁGUA SEM O2 sabor desagradável presença de impurezas dissolvidas ÁGUA COM EXCESSO DE CO2 corrosiva OBJETIVO DA AERAÇÃO A aeração aumenta a interface entre água e ar, favorecendo a remoção de compostos oxidáveis, voláteis e gases AERAÇÃO PRINCÍPIO DA AERAÇÃO Aumento da pressão do aerador → maior Cs de O2 na água Aumento da temperatura → menor solubilidade de O2 na água Maior diferença entre Cs do gás e sua concentração real → maior a velocidade de transferência. LEI DE HENRY Cs = α.Pp Cs – concentração de saturação do gás no líquido α – coeficiente de absorção do líquido Pp – pressão parcial do gás (↑ Pp → ↑ concentração do gás no meio) AERAÇÃO LEI DE HENRY Após tempo T de aeração Ct = Cs – (Cs – C0).e -(β.T.A/V) Ct – concentração total após tempo T C0 – concentração inicial do gás no meio β – coeficiente de transferência → instabilidade da interface A – área da interface V – volume da fase contida na interface Melhor Aeração ↓ (Cs – C0) → deficiência inicial ↑ β ↑ T ↑ relação A/V AERAÇÃO REMOÇÃO DE Fe E Mn FERRO Comum em terrenos antigos e águas subterrâneas com baixo pH. Está relacionado à MO presente na água em estado coloidal. MANGANÊS Ocorre junto com Fe, todavia de maneira mais rara. INCONVENIENTES Dão cor, gosto, odor à água. Favorecem a formação de espuma, de ferrugem e ao crescimento de ferrobactérias. REMOÇÃO Oxidação química Aeração por poucos segundos AERADORES TABULEIRO OU BANDEJA CRITÉRIOS DE DIMENSIONAMENTO TAS = 300 - 1.000 m³/m².dia Espaçamento = 0,40 – 0,60 m N = 4 – 5 tabuleiros superpostos A = área de um tabuleiro Ø leito percolador = ½” – 2” (coque) E% = até 90% de CO2 AERADORES CASCATA CRITÉRIOS DE DIMENSIONAMENTO TAS = 800 - 1.000 m³/m².dia Espaçamento = 0,25 – 0,50 m N = 3 – 4 plataformas superpostas A = área da maior bandeja E% = 20 - 45% de CO2 Aplica-se a ETA’s com menor vazão AERADORES DIFUSORES AERADORES DIFUSORES AERADORES AERADORES MECÂNICOS TRATAMENTO QUÍMICO Objetivo: remover compostos indesejáveis, alterar pH... → atendimento aos padrões de potabilidade. Mecanismos Reagem entre si ou com a água Reagem com os compostos indesejáveis Alteram o pH São absorventes ou adsorventes Destroem microrganismos TRATAMENTO QUÍMICO Coagulação Sulfato de alumínio, Sulfato ferroso, Cloreto férrico, Sulfato férrico... Auxiliares Bentonita, Silicato de sódio, polieletrólitos, ... Ajuste de pH Cal hidratada, Carbonato de cálcio, Carbonato de sódio (soda ou barrilha), Hidróxido de sódio (soda cáustica), CO2, Ácido clorídrico, Ácido sulfúrico... Abrandamento Cal hidratada, Carbonato de sódio, Cloreto de sódio, CO2... TRATAMENTO QUÍMICO Oxidantes Cloro, Hipoclorito de cálcio ou de sódio, Bióxido de cloro, Ozônio... Controle e Remoção de Odor e Sabor Carvão ativado, Bióxido de cloro, Cloro, Ozônio, Bentonita ... Desinfecção Cloro e compostos, Ozônio... Remoção do Excesso de Cloro Carvão ativado, Bissulfito de sódio, Bióxido de Enxofre... Fluoretação Fluosilicato de Sódio, Fluoreto de sódio, Fluoreto de cálcio... TRATAMENTO QUÍMICO SÓLIDOS → relaciona-se com os contaminantes Características Físicas: classificação por tamanho (SS, SC e SD) Características Químicas: frações fixa e volátil → digestão biológica COAGULAÇÃO PROPRIEDADES DOS COLÓIDES Classificação Hidrófilos – afinidade com a água Hidrófobos – fase dispersa insolúvel em água Tamanho das Partículas Elevada superfície específica → ↑ probabilidade de reações superficiais Adsorção Superficial ↑área superficial→ ↑adsorção seletiva de íons → estabilidade eletrostática Movimento Browniano choque entre moléculas de água e colóides → constante movimento Propriedades Eletrocinéticas pH entre 5-10 → saldo de carga negativo + ↑área superficial = estabilidade COAGULAÇÃO PROPRIEDADES DOS COLÓIDES Dupla Camada Teoria de Gouy e Stern → interação entre campos eletrostáticos → Repulsão Camada compacta: colóide envolvido por íons de sinal contrário sob forte atração. Camada difusa: equilíbrio eletrostático pela ocorrência de íons de diferentes cargas. Potencial Zeta Medida do potencial eletrostático no Plano de Cisalhamento → magnitude das forças repulsivas. Forças de Van der Walls Força de atração entre moléculas neutras = 1/(distância)2 COAGULAÇÃO Modelo da Dupla Capa Elétrica COAGULAÇÃO COAGULAÇÃO Água Bruta - ETA Guaraú Variação do Potencial Zeta com o pH -50 -40 -30 -20 -10 0 10 3 4 5 6 7 8 9 10 pH Po ten cia l Ze ta ( mV ) MECANISMOS DA COAGULAÇÃO Compressão da Camada Difusa ↑ densidade de cargas na camada difusa → ↓ da sua espessura (↓Pot Zeta) ↑ forças de Van der Walls, favorecendo a floculação. Neutralização de Cargas Adição de sais com valências superiores e de carga oposta ao colóide. Dosagem de coagulante → concentração SS, área superficial do colóide e pH Precipitação por Varredura Sais de Fe ou Al + hidróxidos presentes no meio = precipitados insolúveis de alto peso molecular e de carga positiva → efeito aglutinador Formação de Pontes Polímeros - redução de cargas e entrelaçamento das partículas. As pontes químicas permitem adsorção das partículas nas cadeias dos polímeros. COAGULAÇÃO Desestabilização das partículas por ações físicas e químicas de curta duração, com o objetivo de remover turbidez (SS e SC). HIDRÓLISE Adição de sais de Al ou Fe → água + íons metálicos → forte ligação com oxigênio da água → liberação de H+ → diminuição do pH do meio EFICIÊNCIA DA COAGULAÇÃO ↑ velocidade de sedimentação das partículas; ↑ qualidade da água tratada; ↑ carreira dos filtros; ↓ custo/m³ de água tratada; ↑ remoção MO natural (MON) sob ↑doses e ↓pH → ↓ risco de THMs COAGULAÇÃO COAGULANTES E FLOCULANTES Sulfato de Alumínio – Al2(SO4)3 Muito difundido por formar bons flocos e apresentar menor custo. Al2O3 < 8% (líquido) e faixa de pH adequada para aplicação entre 5,0 e 8,0. Policloreto de Alumínio - PAC Polímeros inorgânicos que apresentam elevada velocidade de coagulação, maior teor de Al2O3 (entre 10 e 25%) e atuam numa ampla faixa de pH. Cloreto Férrico – FeCl3 Devido reações do íon férrico com o meio, a coagulação ocorre por neutralização e por varredura, com ↓ do pH. Tem como vantagem a ampla faixa de pH (5,0 e 11,0) para aplicação. PRODUTOS QUÍMICOS COAGULANTES E FLOCULANTES Polieletrólitos Polímeros orgânicos naturais ou sintéticos com longa cadeia molecular e elevado número de cargas. Seu emprego reduz consumo do coagulante primário e de alcalinizante, geram flocos compactos (↓ volume de lodo com fácil desidratação) e mais resistentes à ruptura. Podem apresentar contaminantes orgânicos em sua composição (acrilamida, precursores de THM, etc.) Tanino Polímero catiônico orgânico de baixo peso molecular, capaz de precipitar proteínas. Utilizado também como coagulante primário. A faixa de pH para bom desempenho está entre 4,5 e 8,0. PRODUTOS QUÍMICOS Produtos Utilizados na Coagulação / Floculação Produto Químico Fornecedor Características* Cloreto Férrico Cataguases Densidade (g/cm³): 1,44 0.02 Teor mínimo de FeCl3: 38% Teor máximo de insolúveis: 0,5% Panfloc TE Pan Americana S.A. Densidade (g/cm³): 1,3 – 1,4 Teor de Al2O3: 16% - 18,5% % cloreto (% m/m): 18,0 mínimo Panfloc TE 6500 Pan Americana S.A. Densidade (g/cm³): 1,24 – 1,33 Teor de Al2O3: 10% - 11% Teor de Sólidos (g/L): 437 - 492 Panfloc TE Hiperplus Pan Americana S.A. Densidade (g/cm³): 1,3 – 1,4 Teor de Al2O3: 22% % Cloreto (% m/m): 8,0 – 9,5 Panfloc P 1009 Pan Americana S.A. Densidade (g/cm³): 1,23 – 1,27 Teor de Al2O3: 8,3% - 10,2% % Cloreto (% m/m): 19,0 – 23,0 Tanfloc Tanac S.A. Polímero orgânico catiônico de baixo peso molecular, fornecido na forma líquida PRODUTOS QUÍMICOS PRODUTOS QUÍMICOS Nome Al2O3 ou Fe (%) Dosagem Usual (mg/L) Massa Específica (kg/m³) Disponibilidade Sulfato de Alumínio 8,3 – 17,1 10 - 60 600 – 1.400 Sólido e Líquido Cloreto Férrico 12 - 14 5 - 40 1.425 Líquido (39 – 45%) Sulfato Férrico 5 - 40 1.530 – 1.600 Sólido e Líquido (17%) Cloreto de Polialumínio 6 – 10,5 < 10 900 Sólido Fonte: Libânio (2005) Produto Sólido: ↓ custo com transporte, solução preparada na ETA. Produto Líquido: ↓ custo de manutenção, ↑ organização, ↓ operadores. ARMAZENAMENTO ARMAZENAMENTO Tanque de Preparo Proteção Tanque de armazenamento de coagulante Mureta para proteção Recipientes para armazenamento ARMAZENAMENTO Postura correta de carregar peso Postura incorreta de carregar peso Identificação e empilhamento dos produtos ARMAZENAMENTO DOSAGEM Liberação controlada de produto → teor de pureza e concentração requerida DOSAGEM A SECO Gravimétrico: Mede peso por unidade de tempo → boa precisão Volumétrico: Mede volume por unidade de tempo → sofre interferência da granulometria. Estrutura mais robusta, recomendada para produtos com índice de vazios constante. DOSAGEM VIA ÚMIDA Medidor de Vazão: Dosagem constante do produto (dosador de nível constante, rotâmetro) Medidor Volumétrico: Dosagem intermitente (bombas dosadoras) DOSADORES CILINDRO GIRATÓRIO DE EIXO HORIZONTAL DISCO GIRATÓRIO DE EIXO VERTICAL MOTOR SILO RASPADOR MÓVEL DISCO POLIAS RASPADOR MÓVEL POSICIONADOR SAÍDA DO PRODUTO DOSADO DISCO SAÍDA DO PRODUTO DOSADO VISTA LATERAL VISTA FRONTAL SAÍDA CILINDRO CAMADA DO PRODUTO SOBRE O CILINDRO AJUSTADOR DA LARGURA DA CAMADA SILO Volumétricos a Seco DOSADORES DOSADORES MOTOR HÉLICE (PARAFUSO) MEDIDOR DO PRODUTO DOSADO VÁLVULA AJUSTADORA DA QUANTIDADE DE MATERIAL PLATAFORMA DE PESAGEM SILO MOTOR COMANDADO PELA BALANÇA ABRE OU FECHA A VÁLVULA COMANDO DO MOTOR A) FECHA A VÁLVULA B) ABRE A VÁLVULA CORREIA BALANÇA CONTRAPESO COM POSIÇÃO JUSTÁVEL Volumétricos a Seco Gravimétrico a Seco DOSADORES ROTÂMETRO BOMBA PERISTÁLTICA Medidor de Vazão Medidor Volumétrico DOSADORES DOSADORES COAGULAÇÃO – CRITÉRIOS DE DIMENSIONAMENTO Gradiente de Velocidade - G Representa a energia introduzida no meio para a adequada mistura e contato entre produto químico e colóide. [s-1] Recomendações Adicionar de produto químico em unidades de mistura rápida Determinar da melhor relação G.T em laboratório G=700 a 1.000 s-1 e T < 5 s (mistura hidráulica) e T < 2 s (mecânica) T h T h V hQ fff .3162 . . . .. .V P G MISTURA RÁPIDA MECÂNICA HIDRÁULICA MISTURA RÁPIDA MECANIZADA 53... DnKP T V P G . Agitadores Mecanizados Tipo de rotor Valor de KT Hélice propulsora marítima (3 hélices) 0,87 Turbina (seis palhetas retas) 5,75 Turbina (seis palhetas curvas) 4,80 Turbina com quatro palhetas inclinadas a 450 1,27 Turbina com quatro palhetas inclinadas a 320 1,0 a 1,2 Turbina com seis palhetas inclinadas a 450 1,63 µ - viscosidade dinâmica (100 x 10 -6 kg.s/m²) KT - coeficiente de potência n - rotação (rpm) ρ - massa específica (kg/m³) D - diâmetro do rotor (m) P - Potência dissipada (W) MISTURA RÁPIDA MECANIZADA 53... DnKP T Tipo de rotor Valor de KT 5 – 5,5 1,5 – 2 MISTURA RÁPIDA MECANIZADA 53... DnKP T Tipo de rotor Valor de KT 0,5 – 0,8 0,3 – 0,4 1,2 – 1,3 MISTURA RÁPIDA MECANIZADA MISTURA RÁPIDA MECANIZADA ETA RIO GRANDE/SABESP MISTURA RÁPIDA MECANIZADA ETA RIO GRANDE/SABESP MISTURA RÁPIDA MECANIZADA MISTURA RÁPIDA RELAÇÕES DE PARLATORE B – largura da hélice (em planta) b – altura da hélice (em corte) L – Largura da unidade (em planta) D – diâmetro da Turbina H – Altura do NA (em corte) h – afastamento de fundo (em corte) D L D H b h B Relações do Reator e Turbina segundo Parlatore: 2,7 ≤ L/D ≤ 3,3 2,7 ≤ H/D ≤ 3,9 0,75 ≤ h/D ≤ 1,3 B = D/4 b = D/5 Planta Corte M E D IÇ Ã O D E V A Z Ã O Largura da garganta (W) Régua para medir vazão Seção estrangulada Seção convergente Seção divergente MISTURA RÁPIDA CALHA PARSHALL M E D IÇ Ã O D E V A Z Ã O MISTURA RÁPIDA CALHA PARSHALL M E D IÇ Ã O D E V A Z Ã O W (pol) W (cm) A B C D E F G K N X Y Vazão com Escoamento Livre (L/s) 1'' 2,5 36,3 35,6 9,3 16,8 22,9 7,6 20,3 1,9 2,9 - - 0,3 - 5,0 3'' 7,6 46,6 45,7 17,8 25,9 45,7 15,2 30,5 2,5 5,7 2,5 3,8 0,8 - 53,8 6'' 15,2 61,0 61,0 39,4 40,3 61,0 30,5 61,0 7,6 11,4 5,1 7,6 1,4 - 110,4 9'' 22,9 88,0 86,4 38,0 57,5 76,3 30,5 45,7 7,6 11,4 5,1 7,6 2,5 - 252,0 1' 30,5 137,2 134,4 61,0 84,5 91,5 61,0 91,5 7,6 22,9 5,1 7,6 3,1 - 455,9 1 1/2' 45,7 144,9 142,0 76,2 102,6 91,5 61,0 91,5 7,6 22,9 5,1 7,6 4,2 - 696,6 2' 61,0 152,5 149,6 91,5 120,7 91,5 61,0 91,5 7,6 22,9 5,1 7,6 11,9 - 937,3 3' 91,5 167,7 164,5 122,0 157,2 91,5 61,0 91,5 7,6 22,9 5,1 7,6 17,3 - 1427,2 4' 122,0 183,0 179,5 152,5 193,8 91,5 61,0 91,5 7,6 22,9 5,1 7,6 36,8 - 1922,7 5' 152,5 198,3 194,1 183,0 230,3 91,5 61,0 91,5 7,6 22,9 5,1 7,6 45,3 - 2423,9 6' 183,0 213,5 209,0 213,5 266,7 91,5 61,0 91,5 7,6 22,9 5,1 7,6 73,6 - 2930,8 7' 213,5 228,8 224,0 244,0 303,0 91,5 61,0 91,5 7,6 22,9 5,1 7,6 85,0 - 3437,7 8' 244,0 244,0 239,2 274,5 349,0 91,5 61,0 91,5 7,6 22,9 5,1 7,6 99,1 - 3950,2 10' 305,0 274,5 427,0 366,0 475,9 122,0 91,5 183,0 15,3 34,3 - - 200,0 - 5660,0 MISTURA RÁPIDA CALHA PARSHALL M E D IÇ Ã O D E V A Z Ã O Q = k.Hn (m³/s) W k n 3" 0,176 1,547 6" 0,381 1,580 9” 0,535 1,530 1' 0,690 1,522 1½' 1,054 1,538 2' 1,426 1,550 3’ 2,182 1,556 4’ 2,935 1,578 5’ 3,728 1,587 MISTURA RÁPIDA CALHA PARSHALL M E D IÇ Ã O D E V A Z Ã O Q (L/s) para Valores da largura da garganta (W) do medidor Parshall H (cm) 3” (7,62cm) 6” (15,24cm) 9” (22,86cm) 1’ (30,5 cm) 1½’ (45,75 cm) 2’ (61cm) 3’ (91,5 cm) 4’ (122 cm) 3 0,8 1,4 2,5 3,1 4,2 – – – 4 1,2 2,3 4,0 4,6 6,9 – – – 5 1,5 3,2 5,5 7,0 10,0 13,8 20 – 6 2,3 4,5 7,3 9,9 14,4 18,7 17 35 7 2,9 5,7 9,1 12,5 17,8 23,2 34 45 8 3,5 7,1 11,1 14,5 21,6 28,0 42 55 9 4,3 8,5 13,5 17,7 26,0 34,2 50 66 10 5,0 10,3 15,8 20,9 30,8 40,6 60 78 11 5,8 11,6 18,1 23,8 35,4 46,5 69 90 12 6,7 13,4 20,4 27,4 40,5 53,5 79 105 13 7,5 15,2 23,8 31,0 45,6 60,3 93 119 14 8,5 17,3 26,6 34,8 51,5 68,0 101 133 15 9,4 19,1 29,2 38,4 57,0 75,5 112 149 16 10,8 21,1 32,4 42,5 63,0 83,5 124 165 17 11,4 23,2 35,6 46,8 69,0 92,0 137 182 18 12,4 25,2 38,8 51,0 75,4 100,0 148 198 19 13,5 27,7 42,3 55,2 82,2 109,0 163 216 20 14,6 30,0 45,7 59,8 89,0 118,0 177 235 25 20,6 42,5 64,2 83,8 125,0 167,0 248 331 MISTURA RÁPIDA CALHA PARSHALL MISTURA RÁPIDA CALHA PARSHALL RECOMENDAÇÕES Velocidade na garganta > 2,0 m/s H0 montante > 0,25 m H2 jusante < 0,7 H0 (W > 9”) H2 jusante < 0,6 H0 (W < 9”) Para W < 1’ (Arboleda apud Vianna): G = 1000. (Q0,7) / (W1,2) Q (m³/s) e W (m) Fonte: Vianna, 1997 (p. 189) e Libânio, 2005 (p. 174) ETA CARAGUATATUBA MISTURA RÁPIDA CALHA PARSHALL ETA CAMPOS DO JORDÃO MISTURA RÁPIDA CALHA PARSHALL ETA GUARAÚ (SABESP) MISTURA RÁPIDA VANTAGENS Obtenção de dados de projeto mais próximos das condições operacionais reais. Otimização de sistemas existentes operando sob novas condições. Metodologia do Ensaio JAR TEST: Mistura Rápida (rotação de máxima durante TMR): adição de coagulante em t = 0’ e de floculante t = TMR; Mistura Lenta (rotação média, durante TML); Decantação (duração Tsedimentação). ENSAIO DE BANCADA TESTE DE JARRO ENSAIOS DE BANCADA Parâmetros avaliados: pH e Turbidez Metodologia do Ensaio: Mistura Rápida (rotação de 120 rpm, durante 1 minuto): adição de coagulante em t = 0’ e de floculante t = 1’; Mistura Lenta (rotação de 40 rpm, durante 12 minutos); Decantação (duração de 20 minutos). Dosagem, G.T mistura rápida, G.T floculação → ÓTIMOS ENSAIO DE BANCADA TESTE DE JARRO ENSAIO DE BANCADA TESTE DE JARRO 1) Escolha de Produto Químico e Otimização de Dosagem Dosagens diferentes em cada frasco GMR, TMR, GML, TML e Tsed iguais para todos os frascos 2) Otimização da Mistura Rápida Melhor relação GMR.TMR Mesma dosagem em todos os frascos TMR diferentes → adição do coagulante em diferentes instantes GMR fixo no teste → repete-se o teste para diferentes GMR 3) Otimização da Floculação Melhor relação GML.TML (número de Camp) Dosagem, GMR e TMR fixos para todos os frascos TML diferentes → suspensão das paletas dos agitadores GML fixo no teste → repete-se o teste para diferentes GML ENSAIO DE BANCADA TESTE DE JARRO ENSAIO DE BANCADA TESTE DE JARRO ENSAIO DE BANCADA TESTE DE JARRO Turbidez e E% ETAPA 1 – ENSAIOS DE BANCADA 0 20 40 60 80 100 120 140 Bruto Decantado TE (35ppm) TE 6500 (56ppm) Hiperplus (25ppm) Tanf loc (12ppm) FeCl3 (70ppm) NTU (20') E% ENSAIO DE BANCADA TESTE DE JARRO ENSAIO DE BANCADA TESTE DE JARRO Variação de pH 6,8 6,85 6,9 6,95 7 7,05 7,1 7,15 7,2 Decantado TE (35ppm) TE 6500 (56ppm) Hiperplus (25ppm) Tanfloc (12ppm) FeCl3 (70ppm) Bruto A variação de pH foi mais expressiva quando utilizados o FeCl3 e o Panfloc TE. DIAGRAMA DE COAGULAÇÃO DIAGRAMA DE COAGULAÇÃO DIAGRAMA DE COAGULAÇÃO DIAGRAMA DE COAGULAÇÃO COAGULAÇÃO COAGULAÇÃO COAGULAÇÃO COAGULAÇÃO