Dimensionamento ETA

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Dimens Dimensio iona name men nto ETA ETA180 180L - Proje Projeto to de dimen imensiona sioname men nto de uma ETA ETA com com trata tratame ment nto o em... m...

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Mateus da Mota Salvador 58987 Fernanda Martins Guabiroba 61688 Mariko de Almeida Carneiro 61697 UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL CIV 440 – TRATAMENTO DE ÁGUA 1. I ntrodução 2 2. Memorial Desc ritiv o 2 3. Memorial de Cálculo 7 3.1. Dimens ionamento da Calha Pars hall 7 3.2. Dimensionamento do canal do Parshall até o Floculador8 3.3. Dimens ionamento do Floculador 8 dec antador 10 3.5. Cálculo do gradiente da Cortina de Distribuição1 3.6 .6.. Dimensi sio onamento do Deca can nta tad dor 12 3.7. Dimens ionamento dos Filtros 13 3.8. Lavagem dos Filtros 14 4.Bibliografia 16 5. Anexo 17 5.1. Floc ulador em planta 17 5.2 Decanador em planta 18 5.3 Deca can nta tad dor em co corrte longitu tud dinal 19 5.4 Decantador em co corrte tr tra ansve verrsa sall 20 5.5 Cortina de dis tribuiç ão 21 5.6 Filtro em planta 2 5.7 Filtro em c orte longitudinal 23

1. INTRODUÇÃO data:text/html data:text/html;charset= ;charset=utf-8,%3Cp%20class%3D%22pagination%2 utf-8,%3Cp%20class%3D%22pagination%22%20style%3D%22margin%3A%20-3px%200 2%20style%3D%22margin%3A%20-3px%200px%2015 px%2015px%3B%20 px%3B%20padd padding%3A%20 ing%3A%200p… 0p…

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Dimensionamento ETA180L - Projeto de dimensionamento de uma ETA com tratamento em...

Neste trabalho encontra-se o projeto de uma Estação de Tratamento de Água, (ETA) que funcionará com uma vazão média de 180m3/s. Adotando-se uma jornada de funcionamento da ETA de 24 horas por dia, a vazão de água tratada será 15.552m3/d. Considerando um consumo diário per capita de 200L, essa estação pode ser instalada num município com aproximadamente 78.0 habitantes. O projeto aqui descrito requer uma área de instalação da ordem de 2.300m2, com topografia pouco acidentada, prevendo-se a expansão das unidades para possível aumento da vazão de projeto. O aumento da demanda pode ser dado por crescimento excessivo da população ou instalação de indústrias. Devido à falta de informações adicionais sobre a localidade da ETA, não é possível fazer o dimensionamento das instalações de captação de água. No entanto, algumas observações devem ser pontuadas: o local de captação deve estar protegido de assoreamento para que não comprometa o funcionamento da bomba; deve haver grades para impedir a sucção de sólidos grosseiros; deve-se adotar uma altura de sucção que reduza a possibilidade de cavitação; a utilização de bombas afogadas deve ser pautada com cuidado para que, se houver risco de enchentes, não atinja a casa de bombas, interrompendo-se assim o fornecimento de água; instalação da ETA o mais próximo possível do curso d’água e do local de consumo; a localidade deve ser provida de energia elétrica. Os parâmetros adotados no dimensionamento desta estação seguem recomendações da ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas –(NBR 12216) e literatura desta área do conhecimento. 2. MEMORIAL DESCRITIVO A exigência do projeto é que se faça o tratamento de água por ciclo completo. decisões foram tomadas visando menor custo e/ou máxima eficiência Como não foram disponibilizados dados referentes a ensaios de tratabilidade, as A disposição das unidades da ETA foi feita tentando-se otimizar o espaço utilizado, configurando-se conforme a planta anexa. A ETA projetada contém as seguintes unidades: 1. Uma calha Parshall: medidor de vazão e unidade de mistura rápida e coagulação; 2. Um floculador hidráulico: unidade de floculação com escoamento vertical através de chicanas, dividido em quatro setores com gradientes hidráulicos decrescentes; 3. 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; 4. Dois pares de filtros em paralelo: unidades de filtração rápida descendente com leito filtrante composto de areia com tamanho efetivo de 0,4mm e antracito com tamanho efetivo de 0,8mm; 5. Um tanque de contato: unidade com chicanas para aplicação de cloro, flúor e corretor de pH caso se faça necessário. Concomitantemente, promove a altura manométrica necessária à operação hidráulica do filtro; 6. Um reservatório para água de lavagem: com 127m3 de capacidade, suficiente para a lavagem de dois filtros simultaneamente por 10 minutos.

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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 1986s-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.

Figura 2- Calha Parshall A água coagulada é conduzida ao floculador por um canal de concreto liso, de dimensões 0,90m de largura e 0,70m de altura e 3,00m de comprimento. A largura foi expandida em relação à saída da calha Parshall com o objetivo de reduzir o gradiente hidráulico na entrada do floculador. O gradiente obtido ao final do canal foi de 67,5s-1, dentro da faixa recomendada de 70 a 10s-1. Com essas dimensões, o tempo máximo de percurso permitido de 1 minuto foi atendido. O floculador foi dimensionado para um tempo de detenção hidráulica (TDH) igual a 20 minutos, tempo mínimo exigido por norma, no intuito de minimizar o volume, e conseqüentemente a área requerida. Trata-se de um floculador hidráulico de chicanas e escoamento vertical. Dividiu-se em quatro setores de mesmo comprimento e área, com 13, 1,10 e 9 chicanas de concreto liso respectivamente, com espaçamentos crescentes de 0,70m a 1,00m e com tamanho de passagens crescentes a cada setor, garantindo uma redução progressiva do gradiente hidráulico. Essa redução se faz necessária para que não se tenha a quebra dos flocos já formados. O tempo e a altura do floculador(4,00m) foram adotados pelos projetistas, sendo a largura e o comprimento dimensionados. Os espaçamentos e a largura também foram analisados a fim de garantir que a velocidade entre as chicanas não ultrapassasse a faixa de 0,10m/s e 0,30m/s. Essa preocupação constitui grande obstáculo no dimensionamento no sentido de limitar as possibilidades de configuração da unidade e diminuir a praticidade de construção. A questão da velocidade mínima desejada no floculador impediu que fosse projetado um sistema em paralelo com a água coagulada sendo dividida para dois floculadores e alimentando separadamente os dois decantadores. Com essas dimensões estabelecidas obtiveram-se os gradientes de 30,58s-1, 24,90 s-1, 20,78 s-1 e 17,68s-1. O fundo do floculador tem declividade de 1% para facilitar a limpeza da unidade visto que há deposição de flocos com o passar do tempo. Para facilitar ainda mais essa limpeza, as chicanas inferiores foram projetadas a partir de uma pequena altura do fundo, permitindo a limpeza de todas as câmaras por apenas um registro de saída.


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À jusante do floculador tem-se um canal livre de condução de água floculada que irá distribuir vazões idênticas aos canais de entrada das duas unidade de decantação. Suas dimensões serão: h = 1,2m (profundidade) e b = 1,35m (largura). A velocidade de escoamento neste canal será V = 0,11m/s, maior que a mínima permitida (0,10m/s) evitando depósito de flocos no fundo do canal. O gradiente de velocidade neste canal é G = 16,3s-1. O decantador deve ser a unidade da ETA que promove a sedimentação dos flocos formados na unidade de floculação, portanto é necessário que seja dimensionado de forma cautelosa, assim como seus dispositivos de entrada e saída para que não prejudique a remoção dos flocos ou ocorra a quebra dos mesmos. Deve-se seguir as normas e recomendações da literatura para que a conciliação de vários parâmetros promovam uma sedimentação ótima dos flocos buscando melhores resultados de remoção de turbidez e patógenos. O gradiente de velocidade é uma característica do escoamento que deve ser respeitado na entrada do decantador, sendo sempre menor que o da saída do floculador e no máximo 20s- 1. Na ETA aqui descrita, a entrada da água floculada nas unidades de decantação se dão através de um canal de dimensões h= 1,3m (profundidade) e b = 0,8m (largura). A água emerge no decantador através de 4 comportas idênticas de área Ai=0,09m2 e o canal de distribuição a essas comportas apresenta seções variáveis de 0,96 a 0,3m2 . A variação das seções tenta simular uma distribuição homogênea das vazões nas comportas. O gradiente de velocidade disponível na entrada das unidades de decantação através das comportas é de 14s-1, respeitando a exigência de ser menor que na saída do floculador (17,68s-1). 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 = 35m3/m2.d, a área total dos decantadores é 4,4m2. Como este valor de área é muito grande para uma única unidade de decantação, ainda seguindo a norma, determinou-se o dimensionamento de dois decantadores idêntico. Adotando-se a profundidade H = 4m e a largura do decantador B= 8m (caracterizando um canal de máxima eficiência), o comprimento será L=28m (arredondando o valor encontrado para facilitar a execução da obras de construção). Definidas as dimensões dos decantadores, obtém-se as seguintes características de cada unidade: A=224m2 ; TAS = 34,7 m3/m2.d; TDH: 2,74h; Ve = 0,281 cm/s (velocidade de escoamento longitudinal); relação comprimento/largura = 3,5. A cortina de distribuição, feita em madeira, será instalada em cada unidade a uma distância D = 1,0m da entrada. O dispositivo teve suas características determinadas em função da obtenção de gradiente de velocidade razoável para manter a integridade dos flocos, portanto foram definidas as seguintes características: 160 orifício de diâmetro do = 0,075m; velocidade de escoamento em cada orifício Vo = 0,127m/s; espaçamento médio entre os orifícios So = 0,45m. Para o cálculo do gradiente de velocidade foi necessária a determinação de alguns parâmetros como o número de Reynolds Re = 9500 e o alcance dos jatos Xo = 2,025m. A cortina de área A = 8m x 4m = 32m2 (seção transversal do decantador) terá seus 160 orifícios distribuídos em 20 colunas e 8 linhas. A distância média entre os orifícios será de 0,45m. A água decantada é captada por 4 calhas coletoras de 5m de comprimento e 0,60m de largura e 2 calhas nas laterais com mesmo comprimento, mas largura de 0,30m. As calhas coletoras encontram-se instaladas na extremidade ao fim de cada decantador e possuem comprimento inferior a 20% do comprimento das unidades de decantação como se recomenda. Cada calha tem profundidade de 0,20m. 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 data:text/html;charset=utf-8,%3Cp%20class%3D%22pagination%22%20style%3D%22margin%3A%20-3px%200px%2015px%3B%20padding%3A%200p…

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para escoamento do lodo, caracterizando um declive I = 14% (acima do recomendado I = 5%) transversal, assim como uma vala de acumulação do lodo com dimensões h = 1,0m e b = 0,8m, tendo também uma inclinação I’ = 4 % ao longo do comprimento do decantador longitudinal. O projeto concebe filtros rápidos de fluxo descendentes com taxa de filtração igual a 360m3/m2.dia segundo a NBR 12216. Os filtros foram projetados para operarem à taxa de filtração constante e perda de carga variável devido à simplicidade, praticidade e qualidade satisfatória da água filtrada que esse tipo de operação oferece. A vazão total dos decantadores é distribuída igualmente entre os quatro filtros, sendo a vazão filtrada, portanto, igual a 0,045m3/s em cada filtro. Para essa vazão e a taxa de filtração adotada, tem-se que cada filtro ocupa uma área de 10,6m2, sendo suas dimensões 4,6m de comprimento por 2,3m de largura. Essas dimensões foram adotadas para que o filtro fosse um canal de máxima eficiência, reduzindo gastos na construção. O leito filtrante é composto por areia e antracito. A escolha da dupla camada se deu com o objetivo de se alcançar maior eficiência na filtração uma vez que o antracito possui granulometria maior e densidade menor, retendo as impurezas maiores na parte superior do leito filtrante, aumentando a carreira de filtração. As características do leito filtrante encontram-se na tabela 1. ESPESSURA 0,25m 0,45m TAMANHO EFETIVO 0,4mm 0,8mm DIÂMETRO MENOR 0,50mm 0,71mm DIÂMETRO MAIOR 1,68mm 2,83mm

POROSIDADE 0,43 0,46 Tabela 1 – Características do leito filtrante A camada suporte é composta de material de cinco faixas granulométricas crescentes de cima para baixo. As faixas granulométricas estão especificadas na tabela 2. O coeficiente de esfericidade do material é 0,94 e a porosidade da camada é 0,39. Cada subcamada possui 10cm de espessura.

O fundo falso é constituído por 15 vigas californianas de 15cm de largura, dispostas lado a lado no filtro. Cada viga possui 31 pares de orifícios de ½’’. O tamanho dos orifícios é a metade do diâmetro máximo da subcamada mais grossa da camada suporte, como sugerido na literatura para evitar a passagem de grãos do leito filtrante através do fundo falso. As vigas californianas foram escolhidas em detrimento dos fundos patenteados pela sua facilidade de construção e menor custo. As perdas de cargas laminares e turbulentas na filtração e na lavagem foram calculadas. A construção do vertedor de entrada do filtro forneceu uma carga máxima admitida pelo filtro de 2 metros. A lavagem dos filtros será feita por retrolavagem por gravidade. A água de lavagem será introduzida com velocidade ascensional de 0,6m/min, como recomendado, por 10 minutos e coletada por uma calha disposta a 50cm do leito e com declividade > 1%. Essa calha foi projetada obedecendo-se a recomendação de estar disposta a, pelo menos, 10cm acima do nível do leito filtrante expandido. A calha coletora é usada também como vertedor da água decantada para que esta não seja introduzida bruscamente no filtro. O reservatório de água para lavagem de filtro possui volume total de 127m3 de água, o suficiente para lavagem de 2 filtros simultaneamente por 10 minutos. Uma bomba específica garante o abastecimento desse reservatório com água tratada.


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T = 30min = 1800s = 0,0208d Tendo-se uma vazão de água filtrada igual a 0,180m³/s e adotando-se um tempo de contato de 30 minutos, visando garantir uma inativação efetiva, pôde-se obter o volume: Q = 0,180m³/s = 15552m³/d V = Q x T = 0,0208 x 15552 = 323,48m³ A altura adotada para o tanque foi de 1m, e a relação comprimento/largura é igual a 20, o que torna-o mais próximo de um reator de fluxo em pistão. Assim o tanque teria 4m de largura e 81m de comprimento, mas com a implantação de chicanas foi possível reduzir a maior dimensão. Adotou-se chicanas de modo que o comprimento de 81m foi dividido em 4 canais de 20,5m. Além disso, o tanque foi dimensionado proporcionando o ajuste do nível mínimo no filtro. 3. MEMORIAL DE CÁLCULO W A B C D E F G’ K N 229 ( 9")880 864 380 575 610 305 457 76 114 3.1. DIMENSIONAMENTO DA CALHA PARSHALL Dimensões (m) da Parshall escolhida para a vazão de projeto Q = 0,180 m3/s Cálculo da lâmina d’água na seção de medição: Q = K * Hon Ho = 0,491 m (altura da lâmina na seção convergente) Calculando-se velocidade Va na seção de medição,

pode-se obter a Energia Hidráulica Ea disponível na seção de medição:

obtém-se a velocidade média V1 no início do ressalto:

Pode-se calcular o número de Freud para certificação da ocorrência do ressalto hidráulico (regime supercrítico Fr > 1) Altura de lâmina no final do ressalto (admitindo fundo do canal horizontal):


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µ - viscosidade absoluta da água 3.2. DIMENSIONAMENTO DO CANAL DO PARSHALL ATÉ O FLOCULADOR Obtenção de nova velocidade V2 que forneça gradiente dentro da faixa permitida para entrada no floculador. Para esta circunstância as dimensões do canal serão: Y2 = 0,50m (altura da lâmina d’água no final do ressalto) H’ = 0,70m (profundidade), B = 0,90m (largura) e L = 30m (comprimento)

Obtém-se um tempo t de permanência no canal inferior ao limite máximo permitido: t = Vol./Q = Y2*B*L/Q = 0,501*0,90*3,0/0,180 m3/s = 7,5s O gradiente de saída no canal e entrada no floculador pode ser finalmente calculado por: J (perda de carga unitária) = (Qn/A*Rh 2/3)2 = 2.10-4 m n = 0,013 (concreto liso) (Parte 1 de 3)

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