Capitulo 2 final by GEORGE DIAMANDIS

ELEARNI NG FOR THE OPERATORS OFWASTEWATER TREATMENT

Capi t ul o2

PRINCIPAISPROCESSOS DETRATAMENTO DEÁGUASRESIDUAIS

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Capítulo 2 – PRINCIPAIS PROCESSOS DE TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUAIS

Conteúdos 2.1. Introdução 2.1.1. Perspetiva global 2.1.2. Terminologia 2.2. Tratamento Preliminar 2.2.1. Gradagem 2.2.2. Medição do Caudal 2.2.2.1 Medidores de caudal magnéticos 2.2.2.2 Orifícios 2.2.2.3 Medidor de caudal de vazão 2.2.3 Equalização do Caudal 2.3. Tratamento Primário

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Capítulo 2 – PRINCIPAIS PROCESSOS DE TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUAIS

2.1 Introdução Sumário: Explicação sobre as fases de tratamento (primária, secundária, etc.), contribuição das definições normativas 2.1.1 Perspetiva global Todas as comunidades produzem resíduos líquidos e sólidos, assim como emissões de ar. Os resíduos líquidos – águas residuais – resultam essencialmente das águas de abastecimento da comunidade após terem sido utilizadas de inúmeras formas (ver Figura 2.1.1). Do ponto de vista da sua origem, as águas residuais podem ser definidas como uma combinação dos resíduos transportados por meio líquido, ou água, que são expelidos de habitações, instituições diversas e de estabelecimentos comerciais e industriais, com as águas pluviais, subterrâneas e de superfície.

Figura 2.1.1. Diagrama de uma infraestrutura de transporte de águas residuais De: Wastewater Engineering, Treatment and Reuse, Metcalf & Eddy,4th edition, 2003.

Quando águas residuais não tratadas se acumulam e se tornam séticas, a decomposição da matéria orgânica que esteja presente vai dar origem a condições desagradáveis, incluindo a formação de gases com mau cheiro. Além disso, as águas residuais não tratadas contêm inúmeros microrganismos patogénicos que habitam no trato intestinal dos seres-humanos. As águas residuais também contêm nutrientes que podem estimular o crescimento de plantas aquáticas e que podem ainda conter compostos tóxicos potencialmente mutagénicos ou

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carcinogénicos. Por estas razões, para que a saúde pública e ambiental sejam protegidas, é essencial a imediata e eficaz remoção das águas residuais dos seus pontos de origem, seguida de tratamento, reutilização ou dispersão no meio-ambiente. A engenharia das águas residuais é o ramo da engenharia ambiental que aplica os princípios básicos da ciência e da engenharia com o objetivo de encontrar soluções para os aspetos associados ao tratamento e reutilização das águas residuais. O propósito final da engenharia das águas residuais é a proteção da saúde pública de um modo proporcional às preocupações ambientais, económicas, sociais e políticas. Para proteger a saúde pública e o ambiente é necessário ter-se conhecimento sobre (1) os elementos das águas residuais objeto de preocupação, (2) sobre os impactos desses elementos quando as águas residuais são dispersas no meio-ambiente e (3) sobre a transformação e destino a longo prazo desses elementos nos processos de tratamento, (4) sobre os métodos de tratamento que podem ser utilizados para remover ou modificar os elementos presentes nas águas residuais e (5) sobre os métodos disponíveis para utilizar de forma benéfica, ou eliminar, os sólidos provenientes dos sistemas de tratamento. Com o objetivo de fornecer uma inicial sobre o campo da engenharia das águas residuais, definimos, em primeiro lugar, a terminologia comum, seguida de (1) uma discussão sobre os assuntos essenciais a abordar aquando do planeamento e conceção dos sistemas de gestão das águas residuais e (2) da apresentação das condições atuais e também de novas orientações da engenharia das águas residuais.

Objetivos do tratamento das águas residuais O tratamento das águas residuais é essencial pelas razões já apontadas. É ainda mais vital para: • Reduzir a quantidade de substâncias orgânicas biodegradáveis no meio-ambiente: substâncias orgânicas com carbono, nitrogénio, fósforo e enxofre precisam de ser transformadas, por oxidação, em gases que são posteriormente libertados ou mantidos em solução. • Reduzir a concentração de nutrientes no meio-ambiente: nutrientes como o nitrogénio e o fósforo das águas residuais no ambiente enriquecem os corpos de água ou tornam-nos eutróficos, proporcionando o crescimento de algas e de outras plantas aquáticas. Estas plantas esgotam o oxigénio dos corpos de água, impedindo assim a existência de vida aquática. • Eliminar agentes patogénicos: os organismos que provocam doenças nas plantas, animais e seres-humanos são denominados de agentes patogénicos. Também são conhecidos como microrganismos porque não são visíveis a olho nu. São exemplos de microrganismos as bactérias (por exemplo, a vibrio cholerae), os vírus (por exemplo, o enterovírus, os vírus das hepatites A e E), os fungos (por exemplo, o candida albicans), protozoários (por exemplo, os entamoeba histolytica, giardia lamblia) e os helmintos (por exemplo, schistosoma mansoni, ascaris lumbricoides). Estes microrganismos são

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expelidos em grandes quantidades pelas fezes de animais e humanos infetados (Awuah e Amankwaa-Kuffuor, 2002). • Reciclar e reutilizar a água: A água é um recurso escasso e esgotável, no entanto é frequentemente dado como um recurso garantido. Na última metade do século XX, a população aumentou o que provocou uma maior pressão na utilização dos já escassos recursos de água. A urbanização alterou também a natureza agrária de muitas regiões. O aumento da população implicou também o aumento da necessidade de se produzirem mais alimentos, nomeadamente agrícolas. A atividade agrícola é uma das maiores consumidoras de água, o que significa que o desenvolvimento económico tem exigido mais dos recursos hídricos disponíveis. A distribuição temporal e espacial dos recursos hídricos é também um dos maiores desafios no âmbito das águas subterrâneas, ou lençóis freáticos. (De: Wastewater Engineering, Treatment and Reuse, Metcalf & Eddy, 4th edition, 2003)

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2.1.2 Terminologia

Na literatura e nas normas governamentais, existe uma variedade de termos que são utilizados para referir os diversos elementos a considerar das águas residuais. A terminologia utilizada habitualmente para referir conceitos e termos chave no âmbito da gestão das águas residuais está resumida na Tabela 1-1. Em alguns casos, há alguma confusão e perceção errada na utilização dos termos “contaminadores”, “impurezas”, “poluentes” que são muitas vezes utilizados indiscriminadamente. Para evitar confusão, o termo “constituinte” é utilizado neste texto em vez desses termos, para referir um composto ou elemento individual, como o nitrogénio amoniacal. O termo “característica” é utilizado para referir um grupo de constituintes, como as características físicas ou biológicas. O termo “lodo” tem sido utilizado, desde há muitos anos, para referir os resíduos resultantes dos processos de tratamento das águas residuais. Em 1994, a Associação Nacional das Águas adotou a política de definir “bio sólidos” como um produto sólido, primariamente orgânico, resultante do processo de tratamento das águas residuais, que pode ser reciclado de modo benéfico. Nesta política, os “sólidos” são todos os resíduos resultantes dos processos de tratamento das águas residuais. Os sólidos que tenham sido tratados até atingirem o ponto de estarem aptos a serem utilizados de forma benéfica são referidos como “bio sólidos”. Neste texto, os termos “sólidos” e “bio sólidos” são utilizados extensivamente, mas o termo “lodo” continua a ser utilizado especificamente nas situações em que há referência a material sólido e a resíduos químicos não tratados. Tabela 2.1.1 Terminologia habitualmente utilizada no campo da engenharia das águas residuais.a Termo

Definição

Bio sólidos

Em primeiro lugar, é um produto das águas residuais, orgânico, semissólido, que permanece após a estabilização biológica ou química dos sólidos e que é passível de ser utilizado de forma benéfica.

Bio sólidos classe Ab

Bio sólidos onde os agentes patogénicos (incluindo vírus entéricos, bactérias patogénicas e variáveis da ova helmíntica) são reduzidos abaixo dos níveis de deteção atuais.

Bio sólidos classe Bb

Bio sólidos nos quais os agentes patogénicos estão reduzidos a níveis que não consistem ameaça para a saúde pública nem para o ambiente sob condições de utilização específicas. Os bio sólidos de classe B não podem ser vendidos nem vendidos em sacos ou outros contentores nem aplicados em relvados ou jardins domésticos.

Características residuais) Composição

(águas Classes gerais de constituintes das águas residuais como os físicos, químicos, biológicos e bioquímicos. A composição das águas residuais, incluindo os

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constituintes físicos, os químicos e os biológicos. Constituintesc

Componentes individuais, elementos ou entidades biológicas como aos sólidos em suspensão ou o nitrogénio amoniacal.

Contaminadores

Constituintes adicionados ao abastecimento de água através da utilização.

Desinfeção

Destruição dos microrganismos que provocam doenças através de meios físicos ou químicos.

Efluente

Líquido que é descarregado depois de processamento.

Fontes não-pontuais

Fontes de poluição de múltiplas origens numa área relativamente alargada.

Impurezas

Constituintes adicionados ao abastecimento de água através da utilização.

Nutriente

Elemento essencial para o crescimento de plantas e animais. Os nutrientes nas águas residuais, normalmente o nitrogénio e o fósforo, podem dar origem ao crescimento de plantas e algas em lagos e cursos de água.

Parâmetro

Fator mensurável como a temperatura, por exemplo.

Fontes pontuais

Cargas poluentes descarregadas numa localização específica através de tubos, de saídas de descarga e meios de transporte quer das estações de tratamento de águas residuais municipais, quer de outras instalações de tratamento de resíduos industriais.

Poluentes

Constituintes adicionados à rede de abastecimento de águas através da utilização.

Regeneração

Tratamento de águas residuais para reutilização subsequente ou ato de reutilizar águas residuais tratadas.

Reciclagem

A reutilização de águas residuais tratadas e de bio sólidos para fins benéficos.

Repurificação

Tratamento das águas residuais para que atinjam um nível adequado a diversas utilizações, incluindo a reutilização direta ou indireta como água potável.

Reutilização

Utilização benéfica de águas residuais regeneradas ou purificadas ou de bio sólidos estabilizados.

Lodo/Lama

Sólidos retirados das águas residuais durante o

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processo de tratamento. Os sólidos que sofrem processos de tratamento subsequente são denominados de bio sólidos. Sólidos

Material que é removido das águas residuais através de separação gravítica (através de clarificadores, espessantes e lagoas de estabilização); resíduo sólido resultante das operações de drenagem.

Adaptado, em parte, de Crites and Tchobanoglous (1998) U.S. EPA, 1999 c Para evitar confusão, o termo “constituintes” será utilizado neste texto em vez de “contaminadores”, “impurezas” e “poluentes”. b

Tabela 2.1.2. Níveis de tratamento das águas residuais.a Nível de Tratamento

Descrição

Preliminar

Remoção de constituintes das águas residuais como farrapos, paus e outros resíduos flutuantes, areia e gorduras que possam dar origem a problemas na manutenção ou no funcionamento das operações e processos de tratamento e nos sistemas auxiliares.

Primário

Remoção de uma porção dos sólidos e material orgânico em suspensão nas águas residuais.

Primário avançado

Remoção mais profunda de sólidos e material orgânico em suspensão nas águas residuais. Normalmente efetuado através da adição de químicos ou processos de filtragem.

Secundário

Remoção da matéria orgânica biodegradável (dissolvida ou em suspensão) e de sólidos em suspensão. A desinfeção também é tipicamente incluída na definição convencional de tratamento secundário.

Remoção de orgânicos biodegradáveis, sólidos suspensos e Secundário com remoção de nutrientes nutrientes (nitrogénio, fósforo ou ambos, nitrogénio e fósforo). Desinfeção

Destruição de microrganismos que provocam doenças através de meios físicos e químicos.

Terciário

Remoção de sólidos suspensos (após o tratamento secundário), normalmente através de filtração granular média ou de filtros microscreen. A desinfeção é também considerada habitualmente uma parte do tratamento terciário. A remoção

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de nutrientes é muitas vezes considerada nesta definição. Avançado

Remoção de materiais dissolvidos ou em suspensão que não foram removidos pelo tratamento biológico normal sempre que a água se destinar a ser reutilizada de diversas formas.

Adaptado, em parte, de Crites and Tchobanoglous (1998)

Figura 2.1.2. Unidade de operações e de processamentos numa estação de tratamento de águas residuais convencional.a a

Fonte: Wastewater Engineering, Treatment and Reuse, Metcalf & Eddy,4th edition, 2003

Que processos devem ser utilizados para se remover os poluentes das águas residuais?

Tabela 2.1.3. Unidade de operações e processamentos utilizada para remover os constituintes encontrados em águas residuais. Constituinte

Unidade de operação e processamentos

Sólidos suspensos

Triagem Remoção de areia Sedimentação e alta taxa de clarificação

Ver Cap.

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Alta taxa de clarificação Flutuação Precipitação química Filtragem de profundidade Filtragem de superfície Orgânicos biodegradáveis

Nutrientes Nitrogénio

Variações de crescimento aeróbio suspenso Variações de crescimento aeróbio aderente Variações de crescimento anaeróbio suspenso Variações de crescimento anaeróbio aderente Variações das lagoas Sistemas físico-químicos Oxidação química Oxidação avançada Filtragem por membranas Oxidação química (ponto de interrupção da clorinação) Variações do crescimento suspenso de nitrificação e desnitrificação Variações de nitrificação e desnitrificação de filme fixo Retirar do ar ambiente Trocas de iões

Fósforo

Tratamento químico Remoção biológica do fósforo

Nitrogénio e fósforo Patogénicos

Variações da remoção biológica de nutrientes

Sólidos coloidais e dissolvidos

Membranas Tratamento químico Adsorção de carvão Troca de iões

Compostos orgânicos voláteis

Retirar do ar ambiente Adsorção de carvão Oxidação avançada

Odores

Lavadores químicos Adsorção de carvão

Compostos de cloro Dióxido de cloro Ozono Radiação ultravioleta (UV)

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Biofiltros Filtros compostos

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PERGUNTAS 2.1A De onde vêm as bactérias das águas residuais que provocam doenças?

2.1B Qual é o termo que significa “causador de doença”?

2.1C Qual é o meio mais utilizado para desinfetar águas residuais tratadas?

2.1D Qual é o objetivo do tratamento preliminar?

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2.1E Em que consiste o tratamento primário?

2.1F Em que consiste o tratamento terciário?

2.1G Refira métodos ou processos utilizados para remover os sólidos suspensos das águas residuais.

2.1H Refira métodos ou processos utilizados para remover os orgânicos biodegradáveis das águas residuais.

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2.1I

O que significa a redução da concentração de nutrientes no ambiente?

2.1J Aponte métodos ou processos para remover o nitrogénio das águas residuais.

2.1K Refira métodos ou processos para remover o fósforo das águas residuais.

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RESPOSTAS SUGERIDAS

2.1A As bactérias que causam doenças vêm dos resíduos corporais de humanos infetados. 2.1B Patogénico é o termo utilizado para significar causador de doença. 2.1C Clorinação é o meio utilizado com mais frequência para desinfetar águas residuais tratadas. 2.1D O objetivo do tratamento preliminar é remover os constituintes das águas residuais, como farrapos, paus e outros resíduos flutuantes, areia e gorduras que possam dar origem a problemas de manutenção ou de funcionamento dos procedimentos e operações de tratamento. 2.1E O tratamento primário consiste na remoção das águas residuais de uma porção de sólidos e matéria orgânica suspensos. 2.1F O tratamento terciário consiste na remoção de sólidos residuais suspensos (remanescentes após o tratamento secundário), normalmente através de filtragem granular média ou de micro filtros. A desinfeção também é tipicamente considerada uma parte do tratamento terciário. A remoção de nutrientes é muitas vezes incluída nesta definição. 2.1G Triagem para remoção de areia, a sedimentação e clarificação a níveis elevados, flutuação, precipitação química, filtragem de profundidade e filtragem de superfície. 2.1H Variações de crescimento aeróbio suspenso, variações de crescimento aeróbio aderente, variações de crescimento anaeróbio suspenso, variações de crescimento anaeróbio aderente, variações das lagoas, sistemas físico-químicos, oxidação química, oxidação avançada, filtragem por membranas. 2.1I Nutrientes como o nitrogénio e o fósforo enriquecem os corpos de água ou tornam-nos eutróficos, favorecendo o crescimento de algas e de outras plantas aquáticas. Estas plantas consomem o oxigénio da água, impedindo a existência de vida aquática (fauna). 2.1J Oxidação química (ponto de interrupção da clorinação), variações do crescimento suspenso de nitrificação e desnitrificação, variações de nitrificação e desnitrificação de filme fixo, privação do ar ambiente, trocas de iões. 2.1K Dois métodos (essencialmente): Tratamento químico, remoção biológica do fósforo.

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2.2 Tratamento Preliminar Sumário: Gradagem, Manipulação de gradagens (deposição em aterro, adição de cal – procedimento que não é aplicado aos resíduos no tratamento preliminar –, combustão, desidratação – procedimento que não é aplicado aos resíduos no tratamento preliminar). Remoção de cascalho e manuseamento. Gorduras, óleos, separação e manuseamento. Medição do caudal/fluxo. Fluxo de equalização.

Figura 2.2.1. O tratamento primário em esquema.

2.2.1 Gradagem (De: Wastewater Engineering, treatment and Reuse, Metcalf & Eddy, 4th edition, 2003) A primeira operação de uma unidade geralmente encontrada em ETARs é a gradagem. Uma grade é um dispositivo com aberturas, geralmente de dimensões uniformes, utilizado para reter os sólidos encontrados nas águas residuais afluentes na estação de tratamento, ou em sistemas de

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recolha de águas residuais combinadas, sujeitas a transbordo, especialmente de águas pluviais. O papel principal da gradagem é o de remover materiais grosseiros da corrente de escoamento que poderiam (1) danificar os subsequentes equipamentos do processo, (2) reduzir a fiabilidade dos processos de tratamento em geral e a eficácia, ou (3) contaminar vias hídricas. Os tamisadores são muitas vezes utilizados em vez de ou depois das grades, onde são necessárias remoções de sólidos de maiores dimensões, para (1) proteger o equipamento de processamento, ou (2) eliminar materiais que podem impedir a utilização benéfica das lamas. A aplicação dos dispositivos de deteção deve ter em conta todos os aspetos da gradagem, de remoção, transporte e eliminação. Essas considerações incluem (1) o grau de gradagem de remoção necessária, devido aos potenciais efeitos nos processamentos a jusante, (2) a saúde e segurança dos operadores, uma vez que os detritos resultantes da operação de gradagem podem conter organismos patogénicos e atrair insetos, (3) o potencial odor e (4) os requisitos para a manipulação, transporte e eliminação, ou seja, a remoção de compostos orgânicos (por lavagem) e a redução do conteúdo de água (por compressão), e ainda (5) as opções de eliminação. Assim, é necessária uma abordagem integrada que permita uma gestão efetiva da gradagem. Classificação dos equipamentos de gradagem Existem dois tipos gerais de equipamentos de gradagem que são utilizados no tratamento preliminar de águas residuais – as grades e os tamisadores. As grades têm aberturas amplas que variam entre 6 mm a 150 mm (0,25 a 6 polegadas); os tamisadores têm aberturas com menos de 6 mm (0,25 polegadas). As microtamisadores, cujas aberturas são inferiores a 50 µm, são principalmente utilizados na remoção dos sólidos finos de efluentes já tratados. O equipamento de gradagem pode ser constituído por barras paralelas, barras ou arames, gradeamento, grelha de arame, ou placas perfuradas. As aberturas podem ter qualquer formato, mas geralmente são ranhuras circulares ou retangulares. A grade composta por barras ou varetas paralelas é muitas vezes denominada de "barra de cremalheira" ou crivo grosseiro e é utilizada para a remoção de sólidos de maiores dimensões. Os tamisadores são equipamentos constituídos por placas (chapas) perfuradas, elementos de fio de cunha e malha de arame com aberturas mais pequenas. Os materiais retirados com estes dispositivos são conhecidos como gradados. Grades tipo cremalheira: No tratamento de águas residuais, as grades são utilizadas para proteger as bombas, válvulas, tubagens e outros acessórios, de possíveis estragos provocados por obstrução ou entupimento por farrapos ou objetos volumosos. As estações de tratamento de resíduos industriais podem ou não precisar deste tipo de grades, dependendo do tipo de resíduos que produzem. De acordo com o método utilizado para os limpar, as grades podem ser designadas como sendo de limpeza manual ou de limpeza mecânica. Grades de Limpeza Manual: As grades de limpeza manual são utilizadas com frequência para proteger as bombas em pequenas estações de bombeamento de águas residuais e, por vezes, são também utilizadas nas entradas de acesso das ETARs de pequena e média dimensão. Estas grades são frequentemente utilizadas para recolher os resíduos que se depositam nos canais de passagem de serviço durante os períodos de maior caudal, quando as grades que são limpas mecanicamente estão a ser reparadas, ou em caso de falha de energia. Normalmente, as grades de limpeza mecânica são utilizadas em vez de grades de limpeza manual, minimizando-se assim o trabalho manual necessário à limpeza das grades e reduzindo-se o risco de inundações devidas

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a entupimento. Deve existir uma placa de drenagem perfurada na parte superior da cremalheira, onde as bombas trasfegas podem ser armazenadas temporariamente para a drenagem. O canal da grade deve ser projetado de tal modo que seja possível evitar-se o acumular de cascalho e de outros materiais pesados antes e depois do ponto onde está instalada a grade. O piso do canal deve ser nivelado ou inclinado no sentido descendente através da grade, sem bolsos possam reter os sólidos. É desejável a existência de redes na base das paredes laterais. O canal deve ter, preferencialmente, uma abordagem direta, perpendicular ao crivo de barras, para facilitar a distribuição uniforme dos sólidos rastreados ao longo do caudal e na grade. Informações sobre a projeção recomendada para grades de limpeza manual e mecânica são apresentadas na Tabela 2.2.1.

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Tabela 2.2.1. Informações de cálculos habituais para grades de limpeza manual e mecânica. Sistema de Unidades dos E.U.A

Parâmetro

Unidade

Unidades do Sistema Internacional (SI) Método de limpeza Método de limpeza Manual Mecânica Unidade Manual Mecânica

Tamanho da barra Largura

0,2-0,6

5-15

Profundidade

1,0-1,5

25-38

Espaço livre entre as barras

1,0-2,0

0,6-3,0

25-50

15-75

Queda vertical

30-45

0-30

30-45

0-30

Máxima

ft/s

1,0-2,0

2,0-3,25

m/s

0,3-0,6

0,6-1,0

Mínima

ft/s

1,0-1,6

m/s

6-24

Velocidade de abordagem

Perdas permitidas

0,3-0,5 150

150-600

Grades de Limpeza Mecânica: A conceção de grades de limpeza mecânica tem vindo a evoluir ao longo dos anos, com o objetivo de contribuir para a redução dos problemas de funcionamento e de manutenção e para a melhoria da capacidade de remoção de detritos na fase da gradagem. Muitos dos modelos mais recentes incluem a utilização extensiva de materiais resistentes à corrosão, incluindo aço inoxidável e plásticos. As grades com barras de limpeza mecânica dividem-se em quatro tipos principais: (1) corrente, (2) ancinho alternativo, (3) catenária e (4) cinto contínuo. As barras de grades conduzidas por cabo foram amplamente utilizadas no passado, mas foram sendo substituídas em grande parte por outros tipos de grade, no que respeita à aplicação nas águas residuais. A Tabela 2.2.1 inclui informações relativas à conceção de barras de grades de limpeza mecânica. Exemplos dos diferentes tipos de grades com barras de limpeza mecânica são apresentados na Figura 2.2.2 e as vantagens e desvantagens de cada tipo estão incluídas na Tabela 2.2.2.

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Figura 2.2.2. Grades de limpeza mecânica mais comuns: (a) corrente de limpeza frontal, retorno dianteiro, (b) ancinho alternativo, (c) catenária e (d) correia contínua. (Adaptado de: Wastewater Engineering, treatment and Reuse, Metcalf & Eddy,4th edition, 2003.)

Grades de corrente: As correntes de limpeza mecânica podem ser divididas em categorias, de acordo com a área onde atuam – se limpam a partir da frente (a montante), ou a partir de trás (a jusante) – e de acordo com o movimento dos ancinhos – se regressam para o fundo da barra a partir da frente ou de trás. Cada tipo tem as suas vantagens e desvantagens, embora o modo geral de operacionalização seja semelhante. Em geral, as grades de limpeza frontal, de retorno de dianteira (ver Figura 2.2.2a), são mais eficientes em termos de retenção de sólidos capturados, mas são menos rugosas e mais sujeitas a entupimentos devido a sólidos recolhidos na base do ancinho. As grades de limpeza frontal, grades de retorno de dianteira, são raramente utilizadas nas estações que servem esgotos combinados, onde a existência de detritos de grandes dimensões podem entupir os ancinhos. Nas grades de limpeza frontal, grades de retorno dianteiro, os ancinhos de limpeza regressam à parte inferior da grade do lado jusante, passam

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debaixo da parte inferior da grade e limpam a barra à medida que o ancinho sobe. A possibilidade de encravamento é minimizada, mas é necessária uma placa de charneira (perfurada), que também pode estar sujeita a entupimentos, para vedar a bolsa debaixo da grade. Nas grades de limpeza traseira, as barras protegem o ancinho dos danos causados pelos escombros. No entanto, com uma grade de limpeza traseira é possível que os sólidos passem para jusante, principalmente quando os ancinhos de limpeza se desgastam. A barra de cremalheira de limpeza traseira, de retorno de gradados traseiros, é menos rugosa do que os outros tipos, porque a parte superior da cremalheira não tem suporte para permitir que os dentes do ancinho passem. A maior parte das grades utilizadas em cadeia partilham a desvantagem de as rodas dentadas submersas requererem a atenção frequente do operador e de serem de difícil manutenção. Outras desvantagens incluem o ajustamento e a reparação das cadeias pesadas, bem como a necessidade de escoar a água dos canais sempre que é necessária inspeção e reparação das partes submersas.

Grade com ancinho: A grade de barras com ancinho (ver Figura 2.2.2b) imita os movimentos de uma pessoa a varrer a grade. O ancinho move-se para a base da grade, engata nas barras e puxa os gradados para a parte superior da grade, onde são então removidos. A maioria das estruturas deste tipo de grades utiliza um mecanismo de roda dentada para o ancinho. Os motores de acionamento são do tipo elétrico submersíveis, ou hidráulicos. Uma grande vantagem é o facto de todas as partes que requerem manutenção estarem acima da linha de água, permitindo assim fazer-se o controle e a manutenção facilmente, sem ser necessário esvaziar o canal. Na grade de limpeza frontal, a característica de retorno dianteiro minimiza a saída dos sólidos. A grade utiliza apenas um ancinho, em vez dos múltiplos ancinhos utilizados noutros tipos de grades. Consequentemente, as grades de ancinho alternativo podem ter capacidade limitada no tratamento de gradados com cargas pesadas, especialmente em canais de profundidade onde é necessário um longo "alcance". A depuração de alta sobrecarga necessária para acomodar o mecanismo do ancinho pode, também, limitar a sua utilização em aplicações de reabilitação.

Grade de catenária: A grade de catenária é um tipo de grade de limpeza frontal, grade de corrente de retorno frontal, mas não tem rodas dentadas submersas. Na grade de catenária (ver Figura 2.2.2c.), o ancinho é pressionado contra a cremalheira pelo peso da cadeia. Se os objetos pesados ficarem presos nas barras, os ancinhos conseguem passar através deles, em vez de bloquearem. A grade, no entanto, tem uma “pegada” relativamente grande, exigindo, por isso, um maior espaço para a sua instalação.

Grade de correia contínua: A grade de correia contínua é um tipo relativamente recente que tem vindo a ser aplicado em gradados nos Estados Unidos. É uma correia contínua de gradagem, de autolimpeza, que remove os sólidos finos e os grossos (ver Figura 2.2.2d). Um grande número de elementos de gradado (ancinhos) estão associadas às correntes, o número de elementos de proteção depende da profundidade do canal da grade. Uma vez que as aberturas da grade podem variar entre 0,5 mm a 30 mm (0,02 a 1,18 polegadas), este tipo de grade pode ser

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utilizado tanto como um crivo fino quer como grosseiro. Ganchos salientes dos elementos da correia s찾o usados para capturar s처lidos de grandes dimens천es, como latas, paus e trapos. Esta grade n찾o tem roda dentada submersa.

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Tabela 2.2.2. Vantagens e desvantagens dos diferentes tipos de grades de barras Tipo de grade Grade de Corrente Limpeza frontal/retorno traseiro

Vantagens Limpeza de múltiplos elementos (ciclo de limpeza curto)

Desvantagens A unidade tem partes submersas que requerem o esvaziamento do canal aquando das operações de manutenção.

Utilizada para aplicações com Remoção de gradado menos eficiente, i.e., a condução dos grandes dimensões gradados residuais para o canal de águas residuais é menos eficaz Limpeza frontal/retorno frontal

Limpeza de múltiplos A unidade tem partes elementos (ciclo de limpeza submersas que requerem o esvaziamento do canal aquando curto) das operações de manutenção. Condução de gradados muito As partes submersas em movimento (correntes, carretos reduzida e eixos) estão sujeitas a acumulação de depósitos Objetos pesados podem conduzir à obstrução do ancinho

Limpeza traseira/ retorno traseiro

Limpeza de múltiplos A unidade tem partes elementos (ciclo de limpeza submersas que requerem o esvaziamento do canal aquando curto) das operações de manutenção. As partes submersas em Os dentes do ancinho, por movimento (correntes, carretos serem longos, estão sujeitos a e eixos) estão protegidas por partir mais facilmente uma barra de cremalheira Alguma suscetibilidade ao transporte de gradados

Com ancinho

Não tem partes submersas em movimento; a manutenção e as reparações podem ser feitas acima da linha de água Pode lidar com objetos de maiores dimensões (tijolos, pneus, etc) Gradado e descarga de gradados eficientes Custos de operacionalização e de manutenção relativamente baixos. Construção em aço inoxidável reduz a possibilidade de corrosão. Capacidade de fluxo elevada As rodas dentadas não estão

Catenária

Ocorrendo níveis elevados de água imprevisíveis no canal, o motor pode ficar submerso e, consequentemente, danificar-se Precisa de mais espaço do que outros tipos de grades Ciclo longo; a capacidade de gradado pode ser limitada A acumulação de cascalho em frente às barras pode impedir o movimento do ancinho. Custo relativamente elevado devido ao aço inoxidável.

Porque o seu funcionamento

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submersas; a maior parte da manutenção pode ser feita à superfície.

Não necessita de muito espaço para instalação Limpeza de múltiplos elementos (ciclo de limpeza curto) Pode lidar com objetos de grandes dimensões Corrente contínua

depende do peso das correntes para o encaixe dos ancinhos com as barras, as correntes são muito pesadas e difíceis de manusear. Devido ao anglo de inclinação da grade (45 a 75 graus), a grade tem uma “pegada” larga Pode haver desalinhamento e empenamento devido à obstrução dos ancinhos Pode existir emissão de odores devido à sua estrutura aberta

Pouca transição de gradados A maior parte da manutenção A inspeção ou substituição dos pode ser executada à elementos de gradado é uma superfície. operação dispendiosa e demorada Unidade difícil de obstruir.

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CAPITULO 2

Tabela 2.2.3 Descrição dos principais tipos de engenhos de gradagem utilizados no tratamento preliminar de águas residuais. Tipo de Superfície de gradagem equipamento Classificação Dimensão de gradagem da dimensão polegadas mma

Material da grade

Aplicação

Inclinada (fixa)

Média

0,01-0,1

0,252,5

Grade com fio de cunha em aço inoxidável

Tratamento primário

Tambor (rotativa)

Grosseira

0,1-0,2

2,5-5

Grade com fio de cunha em aço inoxidável

Tratamento preliminar

Média

0,01-0,1

0,252,5

Grade com fio de cunha em aço inoxidável

Tratamento primário

6-35 µ

Tecido da grelha em poliéster e aço inoxidável

Remoção de sólidos residuais secundários que estejam suspensos

Fina

Reciprocidade horizontal

Tangencial

Média

0,06-0,17

1,6-4

Barras de aço inoxidável

Esgoto de fluxo excedente/ águas pluviais combinados

Fina

0,0475

1200 µ

Malha de aço inoxidável

Esgoto combinados de transbordo

Tabela 2.2.4. Dados típicos na remoção de CBO e de SST com tamisadores (grelhas finas) utilizadas para substituir a sedimentação primária. Remoção percentual Tamanho das Tipo de grelha polegadas mm CBO SST Parabólica fixa 0,0625 1,6 5-20 5-30 Tambor rotativo 0,01 0,25 25-50 25-45 a A remoção efetiva obtida dependerá da natureza do sistema de recolha de águas residuais e da extensão (duração) do percurso das águas residuais.

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CAPITULO 2 25

Figura 2.2.3. Tamisadores comuns: (a) estรกtico, (b) de tambor e (c) de degraus. Em tamisadores de degraus, os gradados sรฃo movidos para a parte superior da grelha por meio de placas verticais mรณveis e fixas. (Adaptado de Wastewater Engineering, Treatment and Reuse, Metcalf & Eddy,4th edition, 2003).

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CAPITULO 2 26

Design das Grelhas para tamisadores Tamisadores. As aplicações dos tamisadores são muito diversas; podem ser utilizadas no tratamento preliminar (posterior às grades), no tratamento primário (como substituto dos clarificadores primários) e no tratamento de transbordo de águas residuais combinadas. Os tamisadores também podem ser usados para remover, dos efluentes primários, os sólidos que podem provocar problemas de entupimento nos filtros biológicos.

Tamisadores para Tratamento Preliminar e Primário. Os tamisadores utilizados no tratamento preliminar são do tipo (1) estáticas (fixas), (2) de tambor rotativo, ou (3) do tipo degrau. Tipicamente, as aberturas variam de 0,2 mm a 6 mm (0,01 a 0,25 polegadas). A Figura 2.2.3 ilustra alguns exemplos de tamisadores. A informação descritiva é apresentada na Tabela 2.2.3 e as informações adicionais são fornecidas abaixo. Em muitos casos, a aplicação de tamisadores está limitada às estações de tratamento onde a perda de carga através das grelhas não é um problema. Os tamisadores podem ser utilizados para substituir o tratamento primário em pequenas ETARs, com caudais de 0,13 m3/s (3 Mgal/d) de capacidade. A Tabela 2.2.4. apresenta as taxas habituais de remoção de CBO e de SST. Malha de aço inoxidável ou de barras especiais em forma de cunha são usadas como meio de gradagem. São tomadas as medidas necessárias para a remoção contínua dos sólidos recolhidos, suplementadas por pulverizações de água para manter o meio de gradagem limpo. As perdas de carga através das grelhas podem variar entre cerca de 0,8 m a 1,4 m (2,5 a 4,5 pés).

Tamisadores de fio de cunha estáticas. Os tamisadores de fio de cunha estáticos (ver Figura 2.2.3a) têm habitualmente aberturas de 0,2 mm a 1,2 mm (0,01 a 0,06 polegadas) e são adequados para caudais de cerca de 400 a 1200 L/m2×min (10 a 30 gal/ft2×min) da área da grelha. Os intervalos de perda de carga variam entre 1,2 m e 2 m (4 a 7 ft). O fio de cunha consiste em pequenas barras de aço em forma de cunha, aço inoxidável com a parte plana da cunha de frente para o caudal. É necessária uma área razoável para a sua instalação e as grelhas devem ser limpas entre uma a duas vezes por dia, com água quente de alta pressão, vapor ou com um desengordurador para que os acumulados de gordura sejam removidos. Os tamisadores de fio de cunha estáticos são geralmente adequados para estações de tratamento pequenas e para instalações industriais. Tamisadores de Tambor. Para o tamisador tipo tambor (ver Fig. 2.2.3b.), o meio de gradagem ou drenagem é montado sobre um cilindro que gira num canal de escoamento. A sua construção varia, principalmente de acordo com a direção que o caudal tem através do meio de gradagem. As águas residuais fluem, quer em direção a uma das extremidades do tambor, para fora através da grelha, recolhendo os sólidos na superfície interior, quer em direção à parte superior da unidade, passando para o interior, recolhendo os sólidos no exterior. As grelhas que recolhem os sólidos a partir do interior são adequadas para níveis de fluxo de 0,03 a 0,8 m3/s (0,7 a 19 Mgal/d) por grelha, enquanto as grelhas que recolhem os sólidos a partir do exterior são adequadas para caudais inferiores a 0,13 m3/s (3 Mgal/d) (Laughlin & Roming, Peneiras de tambor 1993). Os

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CAPITULO 2

tamisadores de tambor estão disponíveis em vários tamanhos, de 0,9 m a 2 m (3 a 6,6 pés) de diâmetro e de 1,2 m a 4 m (4 a 13,3 pés) de comprimento. Tamisadores de degrau. Os tamisadores de degrau são amplamente utilizados na Europa. A sua estrutura consiste em dois conjuntos de placas verticais finas em forma de degrau, uma fixa e uma móvel (ver Figura 2.2.3c.). As placas de degrau fixas e móveis vão alternando ao longo de toda a largura de um canal aberto e em conjunto formam uma grelha de face única. As placas móveis vão rodando com um movimento vertical. Através deste movimento, os sólidos capturados sobre a face do tamisador são automaticamente levantados para o patamar seguinte e, assim, eventualmente transportados para o topo do tamisador, onde são descarregados para um depósito de recolha. O padrão circular das placas móveis proporciona a autolimpeza de cada degrau. As aberturas entre as placas das grelhas variam normalmente entre 3 mm e 6 mm (0,12 e 0,24 polegadas), no entanto, também existem grelhas com aberturas de apenas 1 mm (0,04 polegadas). Os sólidos que ficam presos na grelha podem também funcionar como "elemento filtrante", melhorando o desempenho da remoção de sólidos. Para além da gradagem de águas residuais, os tamisadores de degrau podem ser utilizados na remoção de sólidos a partir de material séptico, lodo primário, ou de bio sólidos digeridos. Microtamisadores (usados principalmente em efluentes primários e secundários e em efluentes de tanques de estabilização). No pré-tratamento de águas residuais podem ser utilizados para filtros de leitos percoladores (tratamento preliminar e primário em simultâneo, o que equivale a um pré-tratamento da fossa séptica). Em efluentes em bruto, podem remover até 90% dos sólidos em suspensão e mais de 50% do total dos CBO5!!! A micro gradagem envolve baixa velocidade (até 4 rot/min), grelhas de lavagem contínua, de tambores giratórios que operam sob condições de variação de gravidade (ver Figura 2.2.4). Os tecidos de filtragem têm aberturas de 10 a 35 mm e são ajustados à periferia do tambor. O efluente entra na extremidade aberta do cilindro e flui para fora através pano de gradagem do tambor giratório. Os sólidos recolhidos passam pela retrolavagem feita com jatos de alta pressão para uma calha situada no interior do tambor, no ponto mais alto do cilindro. (Os filtros de superfície de tecido podem ser usados no tratamento avançado de águas residuais.) As principais aplicações dos microtamisadores são a remoção de sólidos suspensos de efluentes primários, secundários e oriundos de tanques de estabilização. A percentagem habitual de sólidos suspensos removidos com os microtamisadores varia entre 10 a 80 por cento, com uma média de 55 por cento. Alguns dos problemas relacionados com os microtamisadores incluem a remoção incompleta de sólidos e a ineficácia em lidar com sólidos flutuantes. A redução da velocidade de rotação do tambor e a lavagem menos frequente da grelha propiciam um aumento da eficiência de remoção, mas reduzem a capacidade de remoção. Para ser funcional, a decisão sobre a estrutura de uma microtamisadores envolve (1) a caracterização dos sólidos suspensos no que diz respeito à concentração e ao grau de floculação, (2) a seleção de parâmetros de conceção que assegurem não só a capacidade suficiente para satisfazer cargas hidráulicas máximas com sólidos de características críticas, mas também o cumprimento dos requisitos de desempenho expectável durante o período de cargas hidráulicas e de sólidos, e (3) a garantia de retrolavagem e de limpeza das instalações para que a capacidade da grelha seja mantida. Informações sobre a estrutura aconselhável das microtamisadores são apresentadas na Tabela 2.2.5. Devido ao desempenho variável das

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CAPITULO 2

microtamisadores, recomenda-se a análise dos estudos-piloto de estações de tratamento, especialmente se se pretender utilizar as unidades para remover sólidos de efluentes de tanques de estabilização que podem conter quantidades significativas de algas.

(b) (a) Figura 2.2.4. Tamisadores utilizados no tratamento de águas residuais, como substituto do tratamento primário: (a) tipo disco com tecido de aço inoxidável e (b) tipo tambor com a grelha de fio de cunha. O tamanho das aberturas em ambas as grelhas é de 250mm.

Tabela 2.2.5. Informações de design típicas para microtamisadores utilizadas nas grelhas de efluente secundário estável a

Item Dimensão da grelha

Valor Tipo Sistema de Sistema Unidades Internacional dos E.U.A de Unidades (SI)

Observações

20-35 µm

Existem tecidos de grelha em aço inoxidável ou poliéster desde 15 a 60 µm

75-150 gal/ft2 min

3-6 m3/m2 min

Baseado na área de tambor submergida

Perda de carga através da grelha

3-6 in

75-150 mm

Deve ser criada uma alternativa/desvio quando as perdas de carga excedem os 200 mm (8 in)

Submersão do tambor

70-75% de peso; 60-70% de área

Variável dependendo da configuração da grelha

Capacidade de carga hidráulica média

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Diâmetro do tambor

8-16 ft

2,5-5 m

Velocidade do tambor

15 ft/min a 3 em perdas de carga

4,5 m/min a 75 mm em perdas de carga

Requisitos 2% de de rendimento a retrolavagem 50 lbF/in2; 5% de rendimento a 15 lbF/in2

2% de rendimento a 350 kPa; 5% de rendimento a 100 kPa

A velocidade de rotação máxima está limitada a 45 m/min (1 50 ft/min)

Adaptado em parte de Tchobanoglous, 1988.

Tamisadores de Tambor Rotativo. O caudal de águas residuais flui para e através da extremidade aberta do cesto de gradagem inclinado, com as matérias flutuantes a serem retidas pelo cesto de gradagem. Vedar a superfície da grelha gera um efeito de filtragem adicional, de modo a que os materiais em suspensão, menores do que a barra de perfuração, ou do que o cesto de filtro, possam ser retidos. O cesto começa a girar assim que um certo nível de água a montante é ultrapassado devido à vedação do gradado de superfície. O tamisador de tambor de rotação levanta os gradados e deixa-os cair na calha central. A remoção de gradados é apoiada por uma escova raspadeira e uma barra de pulverização. Um parafuso transportador na calha gira e transporta os gradados através de um tubo inclinado. O parafuso transporta, drena e compacta os gradados, sem perturbações de odor, e descarregaos no recipiente do cliente, ou numa unidade de transporte subsequente. O tamisador de Tambor Rotativo/ Grelha de Placa Perfurada RPPS é inteiramente de aço inoxidável e é tratada com ácido num banho decapante. Estes tamisadores são instalados diretamente em canais, ou são fornecidos como unidades de tanque-montado, com uma inclinação de 35°. Com o afastamento de barra comum disponível (0,5 a 6 mm) ou a perfuração da placa (1 a 6 mm) e o diâmetro do cilindro (até 3000 mm) podem trabalhar em diversos caudais.

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Figura 2.2.5. Tamisador de tambor rotativo

Figura 2.2.6. Dispositivo típico usado para compactar gradados.

Características e Quantidades dos Gradados Os gradados são o material retido nas cremalheiras de barras e grelhas. Quanto menor for a abertura da grelha, maior será a quantidade de gradados recolhidos. Enquanto não existe uma definição precisa de material gradado, nem um método reconhecido de medição de quantidades de gradados, os gradados apresentam algumas propriedades comuns. Gradados Retidos em Grades. Gradados de maiores dimensões, recolhidos em grades de cerca de 12 mm (0,5 polegadas), ou com espaçamentos maiores, compostos por detritos como pedras, galhos, pedaços de madeira, folhas, papeis, raízes de árvores, plásticos e panos. Também pode

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CAPITULO 2

ser recolhida matéria orgânica. A acumulação de óleo e de gordura pode ser um problema grave, em especial nos climas frios. A quantidade e as características dos gradados recolhidos para eliminação variam, dependendo do tipo de crivo de barras, do tamanho da abertura da barra, do tipo de sistema de esgotos e da localização geográfica. Na Tabela 2.2.6 são apresentados dados relativos às características e quantidades de gradados grosseiros expectáveis em ETARs servidas por esgotos gravíticos convencionais. Os sistemas de recolha combinados de águas pluviais e sanitárias podem produzir volumes de gradados várias vezes maiores do que as quantidades produzidas por sistemas separados. As quantidades de gradados também podem variar amplamente, desde grandes quantidades durante a "primeira descarga" a fluxos reduzidos, à medida que as chuvas persistem. As quantidades de gradados removidos de fluxos combinados de esgoto podem variar entre 3,5 a 84 L/1000 m3 de fluxo (0,5 a 11,3 ft3/Mgal) (WEF, 1998b).

Tabela 2.2.6 Informações típicas sobre as características e quantidades de gradados removidos das águas residuais com grades a Espaço de abertura Conteúdo da Peso entre as mistura, específico, barras, % kg/m3 mm

Volume dos gradados ft3/Mgal

L/1000 m3

Média

Tipo

Média

Tipo

12,5

60-90

700-1100

5-10

37-74

50-80

600-1000

2-5

15-37

37,5

50-80

600-1000

1-2

1,5

7-15

50-80

600-1000

0,5-1,5

0,8

4-11

Nota: mm x 0,3973 = in Kg/m3 x 8,3492 0 lb/1000 gal a

Adaptado de Wastewater Engineering, treatment and Reuse, Metcalf & Eddy,4th editon, 2003.

Tabela 2.2.7 Informações típicas sobre as características e quantidades de gradados removidos das águas residuais com barras finas e tamisadores de tambor rotativo.

Operação

Dimensão Conteúdo da Peso das aberturas, mistura, específico, % kg/m3 mm

Volume dos gradados ft3/Mgal

L/1000 m3

Média

Tipo

Média

Tipo

Grelhas de barras finas

12,5

80-90

900-1100

6-15

44-110

Tambores rotativosa

6,25

80-80

900-1100

4-8

30-60

Após a gradagem grossa

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Nota: mm x 0,3973 = in Kg/m3 x 8,3492 0 lb/1000 gal Gradados retidos em tamisadores. Gradados finos consistem em materiais que são retidos em grelhas com aberturas de menos de 6 mm (0,25 polegadas). Os materiais retidos em tamisadores incluem pequenos trapos, papel, materiais plásticos de diversos tipos, lâminas de barbear, areia, resíduos de alimentos não decompostos, fezes, etc.. Comparado com o dos gradados grossos, o peso específico dos gradados finos é um pouco menor e o teor de humidade é ligeiramente mais elevado (ver Tabela 2.2.7). Uma vez que os gradados contêm matéria perecível, incluindo material fecal, devem ser manuseados e descartados de forma apropriada. Os gradados finos contêm gordura substancial e escuma, o que requer cuidados semelhantes, especialmente se se pretende evitar os odores.

Manipulação, Processamento e Eliminação de Gradados. Em instalações de grades de limpeza mecânica, os gradados são descarregados da unidade de gradagem diretamente para um Moinho de martelos de gradados, um ejetor pneumático, ou um contentor para eliminação, ou para um transportador e, daí, para um compactador de gradados ou um depósito de recolha. Os transportadores de correia e ejetores pneumáticos geralmente são o principal meio de transporte mecânico de gradados. Os transportadores de correia têm como vantagem a simplicidade de funcionamento, a baixa manutenção, a ausência de entupimento e o facto de serem de baixo custo. Como os transportadores de correia emitem odores, podem ter de estar equipados com tampas. Os ejetores pneumáticos são menos odoríferos e, normalmente, necessitam de menos espaço, no entanto, são mais suscetíveis a entupimento se estiverem presentes objetos de grandes dimensões nos gradados. Os compactadores de gradados podem ser usados para desidratar e reduzir o volume dos gradados (ver Figura 2.2.6). Tais dispositivos, incluindo o macaco hidráulico e os compactadores de parafuso, recebem os gradados diretamente das grades de barras e são capazes de os transportar compactados para uma calha de receção. Os compactadores podem reduzir o teor de água dos gradados até 50% e o volume até 75%. Tal como acontece com os ejetores pneumáticos, os objetos de maiores dimensões podem causar interferência, mas os controles automáticos podem antecipar os encravamentos, reverter automaticamente o mecanismo e acionar os alarmes e desligar os equipamentos. Algumas das formas de eliminação dos gradados incluem: (1) remoção por transporte para áreas de eliminação (aterro sanitário), incluindo eliminação conjunta com resíduos sólidos municipais, (2) a eliminação por enterro no local da estação de tratamento (pequenas instalações apenas), (3) a incineração, isoladamente ou em combinação com lodo e areia (apenas grandes instalações), e (4) a descarga para trituradores ou desintegradores, onde são moídos e devolvidos às águas residuais. O primeiro método de eliminação é o mais utilizado. Em alguns estados, é obrigatório estabilizar a cal dos gradados, para controlar a existência de organismos patogénicos antes da sua eliminação em aterros sanitários. A trituração dos gradados e a sua devolução ao caudal de águas residuais partilha muitas das desvantagens já referidas em relação à trituração, como é discutido na secção seguinte.

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CAPITULO 2

Redução de Sólidos Grosseiros Como alternativa às grades ou tamisadores, podem ser utilizados trituradores e desintegradores para intercetar os sólidos maiores e triturá-los ou desfazê-los no canal da grade. São utilizados trituradores de alta velocidade em conjunto com grades de limpeza mecânica para triturar e destruir os resíduos retirados das águas residuais. Os sólidos são cortados em pedaços pequenos e uniformes, devolvidos à corrente e posteriormente eliminados pelas operações e processos de tratamento a jusante. Trituradores, desintegradores e moinhos de martelos podem, teoreticamente, evitar as desagradáveis tarefas de manuseamento e descarregamento dos resíduos das triagens. A utilização de trituradores e de desintegradores é particularmente vantajosa numa estação de bombagem, para proteger as bombas de possíveis entupimentos provocados por farrapos ou objetos de grandes dimensões e para eliminar a necessidade de manuseamento e descarregamento dos resíduos. São particularmente úteis em áreas de climas frios, onde os gradados podem congelar devido às baixas temperaturas. Existe uma grande divergência de perspetivas, em relação à adequabilidade da utilização de equipamentos que trituram e destroem os gradados em ETARs. Uma fação defende que os sólidos brutos, uma vez retirados das águas residuais, não devem ser devolvidos ao curso de águas, independentemente da sua forma. Outra fação é da opinião que, estando cortados (ou triturados), os sólidos são tratados mais facilmente nos processos a jusante. Os sólidos triturados são muitas vezes a origem de problemas a jusante, particularmente no caso de farrapos e sacos de plástico porque estes materiais tendem a formar fios tipo corda. Estes fios podem trazer inúmeros problemas, como entupir os impulsionadores de bombagem, tubagens de esgoto e permutadores de aquecimento, e acumularem-se nos difusores de ar nos mecanismos de clarificação. Os plásticos, assim como outros materiais que não são biodegradáveis, podem também ser nefastos para a qualidade dos biosólidos que se destinam a ser reutilizados. As abordagens à utilização de trituradores, desintegradores e moinhos de martelos aplicam-se a muitas situações da instalação. Exemplos incluem estações onde um canal extra tenha sido fornecido para a duplicação de unidade, ou em estações de bombagem de afluente muito profundo onde a remoção de gradados possa ser demasiado difícil ou dispendiosa.

Trituradores Os trituradores são utilizados mais habitualmente em ETARs de pequenas dimensões, com menos do que 0,2 m3/s (5 Mgal/d). Os trituradores são instalados no canal de gradagem do curso das águas residuais e desfazem o material em partes de 6 a 20 mm (0,25 a 0,77 polegadas), sem remover os sólidos desfeitos do percurso. Um triturador comum utiliza uma grelha estacionária horizontal, côncava em relação à direção do caudal (ver Figura 2.2.7). Um braço rotativo ou oscilante com dentes cortantes entrelaça o gradado. Os dentes de corte e as barras de cisalhamento cortam o material. As pequenas partículas passam através da grelha para o canal a jusante. Os trituradores podem conduzir ao entrelaçamento de materiais, nomeadamente de tecidos, o que pode danificar o equipamento de tratamento a jusante. Devido aos problemas de operacionalização e de manutenção dos trituradores, as instalações mais recentes utilizam um tipo de equipamento de gradagem ou desintegrador como o que é descrito de seguida.

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Figura 2.2.7. Triturador comum utilizado para desfazer e reduzir o tamanho de sólidos.

Desintegradores Os desintegradores são trituradores de baixa velocidade, constituídos habitualmente por dois conjuntos de equipamentos de contra-rotação com lâminas (ver Figura 2.2.8a). Este equipamento é montado na vertical no canal do caudal das águas residuais. As lâminas ou dentes na montagem rotativa têm pouca tolerância, o que faz com que cortem eficientemente o material que passa através da unidade. A ação de cortar reduz a probabilidade de sacos de plástico ou de farrapos passaram para jusante e afetarem o equipamento. Os desintegradores podem ser utilizados em instalações de tubagens para desfazer sólidos, particularmente antes de chegarem às bombas de águas residuais e de lodos, ou em canais de ETARs de pequenas dimensões. Os tamanhos para aplicação em canalizações variam normalmente entre os 100 e os 400 mm (4 a 6 polegadas) de diâmetro. Outro tipo de desintegrador aplicado em canais é uma grelha que se movimenta, ligada, que permite que as águas residuais passem por ela enquanto os resíduos divergentes são conduzidos para uma trituradora localizada numa das extremidades do canal (ver Figura 2.2.8b). Estão disponíveis tamanhos padrão deste tipo de equipamento para utilização em canais de grandes dimensões, que variam entre os 750 mm e os 1800 mm (30 a 72 polegadas), e com profundidades de 750 mm a 2500 mm (30 a 100 polegadas). As perdas à entrada são menores do que as que ocorrem em unidades com sistemas de lâminas em contra-rotação, como a mostrada na Figura 2.2.8a.

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Figura 2.2.8. Desintegradores mais comuns: (a) esquema de um canal de um triturador/desintegrador de velocidade lenta; (b) perspetiva de um desintegrador montado num canal aberto; (c) esquema de um desintegrador ligado a uma grelha.

Moinhos de martelos Os moinhos de martelos de alta velocidade, recebem os materiais das grades de barras. Os materiais são pulverizados por uma montagem rotativa de alta velocidade que corta os materiais que passam pela unidade. As lâminas forçam os gradados a passar por uma grade estacionária ou deflector que envolve a montagem rotativa. Água de lavagem é usualmente utilizada para manter a unidade limpa e para ajudar a transportar os materiais de volta ao curso de águas residuais. O ponto de descarga do moinho de martelos pode estar localizado a montante ou a jusante da grade de barras.

Considerações sobre a estrutura Os dispositivos de trituração e de desintegração podem ser precedidos por desarenadores para prolongar a vida do equipamento e reduzir a utilização das superfícies de corte. As trituradoras devem ser construídas com uma passagem para que seja utilizada uma grade de barras manual no caso de a quantidade de caudal exceder a capacidade da trituradora, ou em caso de falha de energia ou falha mecânica. Portas de travão e condições para escoar o canal devem também ser consideradas para facilitar a manutenção do equipamento. As perdas de carga à entrada através de uma trituradora variam normalmente entre 0,1 m e 0,3 m (4 a 12 polegadas) e podem aproximar-se dos 0,9 m (3 ft), em unidades de grandes dimensões com níveis de caudal máximo.

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Nos casos em que o triturador ou desintegrador se encontra antes do desarenador, os dentes de corte estão sujeitos a grande desgaste e necessitam de ser afiados ou substituídos com frequência. As unidades onde os mecanismos de corte se encontram antes das grades de gradagem devem ter armadilhas para pedras no canal a montante do triturador para recolher matérias que possam vir a danificar as lâminas de corte. Uma vez que estas unidades são um todo, não é necessário um projeto específico. Devem ser consultadas as tabelas com informações sobre a data de construção e classificações destas unidades para se certificar sobre recomendações relativas às dimensões adequadas do canal, capacidade do equipamento, perdas, submersão a jusante e a montante e também sobre os requisitos a nível de consumo de energia. Normalmente, a classificação do produtor baseia-se em águas limpas, por isso, deve diminuir-se em aproximadamente 80 por cento o valor referido, para considerar o entupimento parcial da grade.

2.2.2 Medição do Caudal (*) O controlo e monitorização de caudais e níveis na indústria do tratamento das águas residuais envolvem a medição da água, das lamas biológicas, dos aditivos sólidos e líquidos e do fluxo dos reagentes. Esta secção apresenta métodos de deteção de caudais seguida de um resumo sobre técnicas de deteção de nível relacionadas com as águas residuais. (*) informação retirada de: Environmental Engineer’s handbook, Ch7 Wastewater Treatment, Liu&Liptak, CRC, USA 1999

Sensores de Caudais para a Indústria das Águas Residuais As aplicações para deteção de caudais na indústria das águas residuais incluem a medição de grandes caudais, em tubos parcialmente cheios, com descarregadores, calhas ou sensores ultrasónicos. Quando a água flui em tubos regulares, os medidores de caudal magnéticos, os tubos venturi e os tubos pitot são normalmente os sensores. Em canalizações mais pequenas, são utilizadas placas perfuradas, medidores de caudal vortex, ou medidores de caudal de áreas variáveis. Para lamas, podem ser utilizados medidores de caudal ultra-sónicos tipo droppler e magnéticos (equipados com produtos de limpeza de elétrodos), detetores de cone em V e segmentado tipo cunha. Os aditivos em gás, líquido ou sólido podem ser carregados por medidores de caudal de Coriolis (gases ou líquidos), por bombas de medição, turbinas ou medidores de deslocação positiva (líquidos), medidores de caudal de área variável (gases ou líquidos) ou por alimentadores gravimétricos (sólidos) A Tabela 2.2.8 resume as características e capacidades dos medidores de caudal. As secções que se seguem apresentam um breve resumo das características e capacidades dos medidores de caudal utilizados na indústria de tratamento das águas residuais.

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Mais informação… Tabela 2.2.8. Orientações para os Sensores de Caudal

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2.2.2.1 Medidores de caudal magnéticos Cálculo da Pressão Variável de acordo com a dimensão do cano/tubo. Para uma unidade com 4 polegadas (100 mm), a pressão máxima é de 285 psig (20 bars); existem unidades especiais com capacidades de pressão até 2500 psig (172 bars).

Cálculo da Temperatura Até 250°F (120°C) com revestimento interior de Teflon; até 360°F (180°C) com revestimento interior de cerâmica.

Materiais de Construção Revestimentos interiores: cerâmica, fibra de vidro, neoprene, poliuretano, borracha, Teflon; Eletrodos: platina, Alloy 20, Hastelloy C, aço inoxidável, tântalo, titânio, carboneto de tungsténio, Monel, niquel e cermet de platina-alumínio

Tipo de Caudal Detetado Fluxo volumétrico de líquidos condutores, incluindo lamas e materiais abrasivos ou corrosivos.

Condutividade Mínima Exigida A maioria dos projetos exige 1 a 5 mS/cm. Alguns tipos probatórios precisam de mais. Construções especiais podem operar a 0,05 ou 0,1 mS/cm. Limites de Caudal De 0,01 até 100 000 gpm (0,04 até 378 000 litros por minuto (L/m)).

Limites de Tamanho De 0,1 a 96 polegadas (2.5 mm a 2.4 m) de diâmetro.

Limites de Velocidade 0–0,3 a 0–30 ft/s (0–0,1 a 0–10 m/s).

Erro (Imprecisão) 61% do caudal real com unidades de corrente direta pulsada (dc) com um alcance até 10:1 se a velocidade do caudal exceder os 0,5 ft/s (0,15 m/s); 61% a 62% a escala total com impulso de corrente alternativa (ac).

Custo

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As sondas são mais económicas, custam cerca de 1500€. Uma unidade com tubos de 1 polegada (25 mm) com revestimento cerâmico pode custar menos do que 2000 €. Uma de wafer metálico de 1 polegada (25 mm) pode ter um custo inferior a 3000€. Um metro de flange de 8 polegadas (200 mm) , com revestimento interior de Teflon e eletrodos de aço inoxidável, com saída de 4 a 20 mA dc, anel de submersão e calibrador custa cerca de 8000 €. Um medidor com sonda de varrimento utilizado num canal de caudal a céu aberto custa cerca de 10 000 €. Os medidores de caudal magnéticos utilizam a Lei de Faraday de indução eletromagnética para medir o caudal. De acordo com a Lei de Faraday, quando um condutor se move através de um campo magnético de determinada força, é produzido um nível de voltagem no condutor que depende da velocidade relativa entre o condutor e o campo magnético. Este conceito é utilizado nos geradores elétricos. Faraday previu a aplicação prática do princípio na medição de caudal porque muitos líquidos são condutores elétricos. Na verdade, ele tentou mesmo medir a velocidade do caudal do Rio Tamisa utilizando este princípio. Falhou apenas porque os instrumentos que utilizou não eram adequados. No entanto, 150 anos mais tarde, o princípio foi aplicado com sucesso nos medidores de caudal magnéticos.

Conceção e Aplicações\ Os medidores de caudal magnéticos estão disponíveis em construções convencionais (Figura 2.2.9), de revestimento cerâmico (Figura 2.2.9a) e em sondas (Figura 2.2.9b). A maior parte dos líquidos e lamas são condutores elétricos, mensuráveis com medidores de caudal eletromagnéticos. Se a condutividade é igual a 20 mS por cm, ou maior, podem ser utilizados quase todos os medidores de caudal magnéticos convencionais. Existem estruturas especiais para medir caudais de líquidos com condutividades limites tão baixas como 0,1 mS.

Figura 2.2.9. Medidor de caudal magnético de revestimento cerâmico (à esquerda) e medidor de caudal magnético tipo sonda (à direita).

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Os medidores de caudal magnéticos não são afetados por viscosidades ou consistência dos fluidos (referindo fluidos Newtonianos e não-Newtonianos respetivamente). As mudanças no perfil do caudal devido a alterações nos números Reynolds ou nas canalizações a montante não afetam o desempenho dos medidores de caudal magnéticos. A voltagem gerada resulta da soma das voltagens incrementadas ao longo de toda a área entre os elétrodos, o que permite a medição da velocidade média do fluido. No entanto, o medidor deve ser instalado com cinco diâmetros de tubo em linha reta antes e três diâmetros de tubo em linha reta depois do medidor. Os medidores de caudal magnéticos são bidirecionais. Os fabricantes oferecem conversores com sinais de saída quer para ambas as direções de caudal, direta e inversa. O medidor de caudal magnético tem de estar completamente cheio para assumir uma medição rigorosa. Se o tubo estiver apenas parcialmente cheio, a voltagem do elétrodo, que é proporcional à velocidade do fluido, é ainda multiplicada pela área total da secção, o que se traduzirá numa leitura superior à real. De modo semelhante, se o líquido contiver gases, o medidor vai considerálos como líquido, resultando também numa leitura errada. Os elétrodos do medidor têm de estar em contacto elétrico com o fluido a ser medido e devem ser instalados num plano horizontal. Nas aplicações em que ocorram formações de depósitos nas paredes do equipamento, recomenda-se a sua limpeza periodicamente. Os medidores especiais para medir o caudal dos esgotos são concebidos para prevenir a formação de camadas de detritos e carbonização de lodos nos elétrodos. Utilizam autoaquecimento para elevar a temperatura do corpo de medição, prevenindo assim a acumulação de lodos e gorduras.

Vantagens Os medidores magnéticos de caudal têm as seguintes vantagens: 1. O medidor magnético de caudal não tem obstruções ou partes móveis. A perda de pressão do medidor de caudal não é maior do que a equivalente ao mesmo comprimento de tubo. Os custos de bombeamento são assim minimizados. 2. A necessidade de energia elétrica pode ser baixa, especialmente com os tipos de DC pulsada. É comum que as necessidades de energia elétrica não sejam superiores a 15 ou 20W. 3. Os medidores são adequados para a maioria dos ácidos, bases, águas e soluções aquosas porque os materiais de revestimento não só são bons isolantes elétricos, mas são também resistentes à corrosão. É necessária apenas uma pequena quantidade de metal do elétrodo; aço inoxidável, liga de 20, Hastelloys, níquel, Monel, titânio, tântalo, carboneto de tungstênio e mesmo de platina estão todos disponíveis. 4. Os medidores são amplamente utilizados para serviços com lodos não apenas porque não são obstruíveis, mas também porque alguns dos revestimentos, tais como poliuretano, neopreno e borracha, são resistentes à erosão ou abrasão. 5. Os medidores são capazes de lidar com níveis extremamente baixos de fluxos. O seu tamanho mínimo é inferior a 3,175 milímetros de diâmetro interno. Os medidores são também adequados para altas taxas de fluxo de volume com tamanhos tão grandes como 10 pés (3,04 m).

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6. Os medidores podem ser utilizados como medidores bidirecionais.

Limitações Os medidores magnéticos de caudal têm algumas limitações específicas na sua aplicação: 1. Os medidores trabalham apenas com fluidos condutores. Substâncias puras, hidrocarbonatos e gases não podem ser medidos. A maioria dos ácidos, bases, água e soluções aquosas podem ser medidas. 2. Os medidores convencionais são relativamente pesados, especialmente os de maiores dimensões. As unidades de cerâmica e tipo sonda são mais leves. 3. Ter cuidado na instalação elétrica é essencial. 4. O preço dos medidores de caudal magnéticos pode variar entre moderado e muito caro. 5. Verificar periodicamente o nível zero nos medidores de caudal magnéticos tipo AC requer válvulas de bloqueio em ambos os lados para permitir que o caudal fique a zero e o medidor esteja cheio. Unidades DC de ciclo não têm este requisito.

2.2.2.2 Orifícios Calcular a Pressão Para placas, limitadas apenas pela leitura do aparelho; transmissor integrante do orifício a 1500 psig (10,3 MPa). Calcular a Temperatura Função do sistema de leitura associado quando a unidade de temperatura diferencial tem obrigatoriamente de funcionar a temperaturas elevadas. Para o transmissor integrante do orifício, a temperatura padrão varia entre 220 e 250o F (229 a 121o C). Tamanhos O tamanho máximo é o estipulado pelo tamanho do tubo. Fluidos Líquidos, vapores e gases Limites de caudal De poucos cc/min., utilizando transmissores de orifício integrados, até ao caudal máximo, limitado apenas pela dimensão das tubagens. Materiais de Construção Não existe qualquer limitação no tipo de matéria das placas. As partes húmidas do transmissor de orifício integrado podem ser de aço, aço inoxidável, monel, níquel e hastelloy. Imprecisão

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O orifício da placa, caso o diâmetro do furo seja corretamente calculado e preparado, pode ser rigorosamente 60,25 a 60,5% do caudal real. Quando é utilizada uma célula de pressão diferencial convencional para detetar o diferencial do orifício, acrescenta 60,1 a 60,3% da totalidade da escala de erro. A contribuição de erro das células de pressão diferencial (D/P cells) inteligentes é apenas de 0,1% da abrangência real. Células de pressão diferencial (D/P cells) inteligentes Imprecisão em 60,1%, alcance de 40:1, algoritmo integrado e derivativo (PID) proporcional embutido. Alcance Se o alcance pode ser definido como o intervalo de caudal no qual o erro da medição não excede os 61% do fluxo real, então, o alcance das instalações de orifícios convencionais é de 3:1. Quando os transmissores inteligentes com capacidade de comutação automática entre alcances altos e baixos são utilizados, o alcance pode aproximar-se a 10:1 e 2000 €. O custo dos transmissores de células de pressão diferencial varia entre 900 € e 2000 €, dependendo do tipo e nível de inteligência. Custo Uma placa custa apenas entre 50 € a 300 €, dependendo do tamanho e dos materiais. O custo dos encaixes para orifícios de flanges em aço, de 2 a 12 polegadas (50 a 300 mm), varia entre 200 € e 1000 €. O dos medidores de caudal de flange da mesma dimensão varia entre 400 € e 3000 €. O custo dos transmissores de orifícios eletrónicos ou pneumáticos integrais é de cerca de 1500 €. A placa de orifícios, quando instalada numa tubagem, provoca o aumento da velocidade do caudal e correspondente descida em pressão. O padrão do caudal revela uma descida efetiva nas secções cruzadas para além da placa de orifícios, com uma velocidade máxima e uma pressão mínima no ponto de contração da tubagem (vena contracta) (ver Figura 2.2.10). Este ponto pode ter entre 0,35 a 0,85 de diâmetro de tubo, localizando-se a jusante da placa de orifícios, dependendo do rácio de b e do número Reynolds. Este padrão de caudal e o limite bem definido da placa de orifícios que o produz são importantes (ver Figura 2.2.10). O limite afiado, bem definido, permite um contacto linear entre a placa e o caudal real, com atrito de arrasto entre o metal e o caudal neste limite. Quaisquer cortes, rebarbas ou arredondamentos nestes limites podem dar origem a grandes erros na medição.

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Figura 2.2.10 Perfil de pressão através de uma placa de orifícios e diferentes métodos de deteção da queda de pressão.

Figura 2.2.11 Dispositivos para medição do caudal.

Quando a pressão diferencial é medida num ponto próximo da placa de orifício, os efeitos do atrito entre o fluído e a parede do tubo a montante e a jusante do orifício são minimizados para que a rugosidade do tubo tenha um efeito mínimo. A viscosidade do fluido, como reflete o número

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Reynolds, tem uma influência considerável, particularmente em números Reynolds baixos. Uma vez que a formação da vena contracta é um efeito inerte, uma descida na média da inércia em relação às forças de atrito (descida no número Reynolds), e a correspondente alteração no perfil do fluxo, resulta numa menor constrição do fluxo na vena contracta e num aumento do coeficiente do fluxo. De um modo geral, os limites afiados da placa de orifícios não devem ser utilizados em tubagens com números Reynolds inferiores a dez mil. O número Reynold mínimo recomendado varia entre os dez mil e os quinze mil para tubos com diâmetro de 2 polegadas (50 mm) a 4 polegadas (102 mm) para médias b até 0,5 e de vinte mil a quarenta e cinto mil para médias b mais elevadas. O requisito do número Reynolds aumenta de acordo com o tamanho do tubo e a média b pode variar até 200 mil para tubos de 14 polegadas (355 mm) ou mais largos. O máximo que os números Reynolds podem atingir será de 106 para tubos de 4 polegadas (102 mm) e 107 para tamanhos maiores.

Aplicações nas águas residuais Se a água estiver suja, com sólidos ou lodos, as tampas de pressão têm de estar protegidas com água limpa ou através de vedantes químicos e as placas de orifícios devem ser do tipo de orifícios segmentados ou assimétricos (ver Figura 2.2.13). Orifícios anelares ou medidores em V também são aplicáveis a serviços com lixos. Uma vez que a recuperação da pressão dos orifícios é baixa, não é recomendado que sejam utilizados para medir caudais de grandes dimensões.

Tubos Pitot Tipos A. Porta standard, singular B. Abertura múltipla na média C. Área média para condutas Aplicações Líquidos, gases e vapor Pressão de funcionamento Unidades permanentes de carbono ou de aço inoxidável podem operar até 1400 psig (97 bars) a temperaturas de 100°F (38°C) ou 800 psig (55 bars) a temperaturas aproximadamente de 700°F (371°C). A média da pressão de uma unidade retrátil é função da válvula de isolamento. Temperatura de Funcionamento Até 750°F (399°C) em construções de aço e 850°F (454°C) em construções de aço inoxidável quando instaladas permanentemente Limites de caudal Geralmente em tubos de 2 polegadas (50 mm) ou mais largos; sem limite máximo Materiais de Construção Bronze, aço e aço inoxidável Número Reynolds Mínimo

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Varia entre 20 000 e 50 000 Alcance O mesmo das placas de orifícios Requisitos para um percurso linear A jusante da válvula ou com dois cotovelos em planos diferentes, tubos de 25 a 30 de diâmetro a montante e 5 a jusante; se forem disponibilizadas vias de estreitamento, o diâmetro dos tubos deve ser de 10 a montante e de 5 a jusante. Imprecisão Para unidades industriais padrão: 0,5 a 5% da escala total. Pilot Venturis de deslocamento total, que obedeçam às condições de laboratório exigidas pelo Gabinete Nacional de Normalização, podem dar até 0,5% de erro em relação ao caudal real. Pitot Venturis industriais têm de ser calibradas individualmente para se obter 1% da média de desempenho. A imprecisão de tubos pitot com múltiplas aberturas calibradas individualmente é de 2% da média quando os números Reynolds são superiores a 50 mil. A área média das condutas abrange cerca de 0,5 a 2% do alcance. O erro das células de pressão diferencial (D/P cells) é adicional aos erros mencionados.

Figura 2.2.12 Diagrama esquemático de um dispositivo industrial (tubo Pitot) para detetar pressões estáticas e dinâmicas num fluido de caudal.

Custos

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Um tubo Pitot médio de diâmetro 1 em aço inoxidável custa 750 € se for fixo e 1400 € se for retrátil. O custo geralmente duplica se o tubo Pitot for calibrado. As unidades Hastelloy para aplicações de chaminés podem custar 2000 € ou mais. Um indicador local de tubo Pitot custa 400 €; um transmissor de células de pressão diferencial adaptado para aplicações de tubos Pitot com saída de 4 a 20 mA dc custa cerca de 1000 €. Embora os sensores Pitot sejam de baixa precisão e detetores de baixo alcance, são utilizados na medição de caudais no tratamento de águas residuais. Os tubos de Pitot devem ser utilizados quando a medição não é crítica, quando a água está razoavelmente limpa e sempre que seja necessária a utilização de um processo de medição de baixo custo. Estes sensores podem ser inseridos no tubo sem desligar a instalação e também podem ser removidos para limpeza periódica, durante a utilização do tubo.

Medidores de Caudal de Cunha Segmentares Aplicações Limpeza, líquidos viscosos, ou lodos e fluidos com sólidos Tamanhos Tubos de diâmetro de 1 a 12 polegadas (de 25,4 a 305 mm) Configuração Para tamanhos mais pequenos (1 e 1,5 polegadas), a cunha pode ser integral; para tubos mais largos, são utilizadas cunhas de vedação remotas com elementos calibrados. Altura da Abertura da Cunha De 0,2 a 0,5 do diâmetro interno do tubo Quedas de pressão 25 a 200 em H2O (6,2 a 49,8 kPa) Materiais de construção Carbono ou elemento de aço inoxidável; selo em aço inoxidável ou Hastelloy C; estão disponíveis materiais de cunha especiais, como carboneto de tungsténio. Cálculo da Pressão 300 a 1500 psig (20,7-103 bars) com vedações remotas Cálculo da Temperatura 240 a 700° F (240 a 370° C), mas também são utilizados em processos de temperaturas elevadas, até 850° F (454° C) Imprecisão Os elementos são calibrados individualmente, a contribuição do erro de células de pressão diferencial para a imprecisão da medição total é de 0,25% da escala total. O erro ao longo de um intervalo de fluxo 3:1 não é geralmente mais do que 3% do fluxo efetivo.

Custo

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Um elemento de aço inoxidável de 3 polegadas (75 mm), calibrado com dois tees químicos de aço inoxidável e um transmissor eletrónico de células de pressão diferencial equipado com selos remotos custa cerca de $3500. O elemento segmentar do fluxo de cunha proporciona uma abertura de fluxo semelhante à de um orifício segmentar, mas a obstrução do caudal é menos abrupta (mais gradual) e a sua entrada inclinada faz com que o desenho seja semelhante ao da família do tubo de caudal. É utilizado principalmente em suspensões. A principal vantagem é a sua capacidade de funcionamento com números de Reynolds baixos. Embora a relação entre a raiz quadrada do fluxo e a queda de pressão em orifícios afiados, tubos Venturi, ou tubos de caudal exija um número Reynolds acima de 10 mil, os medidores de caudal de cunha segmentares exigem um número Reynolds de apenas 500 ou 1000. Por esta razão, o medidor de caudal de cunha segmentar pode medir os caudais com baixas velocidades de fluxo e quando os fluidos em processo são viscosos. Nesse sentido, é semelhante ao cónico ou aos orifícios de orla quadrante. Para tubos de dimensões inferiores a 2 polegadas (50 mm), o elemento de fluxo de cunha segmentar é feito por um corte em V no tubo e uma cunha sólida soldada com precisão no local (ver Figura 2.2.13) em dimensões superiores a 2 polegadas, a cunha é fabricada a partir de duas placas planas soldadas entre si antes da inserção no carretel. Os serviços de limpeza podem ser efetuados através das tampas de pressão normais, colocadas equidistantes a partir da cunha (ver Figura 2.2.13), enquanto nas aplicações em que os fluidos do processo contem sólidos em suspensão, são adicionados químicos a montante e a jusante do elemento de cunha do caudal. O elemento de vedação química é descarregado pelo tubo, eliminando bolsas e fazendo a autolimpeza da montagem. Os vedantes são feitos de materiais resistentes à corrosão e também são adequados para serviços a alta temperatura. Alguns utilizadores relataram aplicações em processos de 3000 psig (210 bar), a temperaturas de 850° F (454° C).

Figura 2.2.13 O medidor de caudal de cunha segmentar projetado para o serviço de fluido limpo.

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2.2.2.3 Medidor de Caudal de Vazão Uma variedade de medidores de caudal de área variável é o medidor de caudal de vazão (ver Figura 2.2.14). Os recursos e as características destes instrumentos são resumidos de seguida.

Figura 2.2.14 Regulador de fluxo de vazão composto por um medidor de rotação com tubo de vidro, uma válvula de agulha de entrada e por um regulador de pressão diferencial. (Reproduzido de Krone America Inc.)

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Figura 2.2.15. Medidores de caudal de área variável. A área aberta ao caudal é alterada pelo próprio fluxo num medidor de área variável. Quer a gravidade quer a ação de impulsionamento podem ser utilizadas para restabelecer a flutuação ou ventoinha quando o fluxo baixa.

2.2.3 Equalização do Caudal As variações do caudal do afluente de águas residuais e as características das estações de tratamento de águas residuais foram discutidas no Capítulo 1.3. A equalização do caudal é um método utilizado para superar os problemas operacionais causados por variações de caudal, para melhorar o desempenho dos processos a jusante e para reduzir a dimensão e custo das instalações de tratamento a jusante. Descrição/Aplicação A equalização do caudal é simplesmente o amortecer das variações de caudal para atingir um caudal constante ou quase constante, podendo ser aplicada numa série de situações diferentes, dependendo das características do sistema de recolha. As principais aplicações são para a equalização de (1) fluxos de clima seco para reduzir os caudais de pico e de cargas, (2) de caudais climas húmidos em sistemas de recolha sanitária que tenham entradas e infiltrações, ou (3) de sistemas combinados de águas pluviais e sanitárias. A aplicação da equalização do fluxo no tratamento de águas residuais é ilustrada nos dois diagramas de caudal apresentados na Figura 2.2.16. Na disposição em linha (Figura 2.2.16a), todo o fluxo passa através da bacia de equalização. Esta estratégia pode ser utilizada para conseguir uma quantidade considerável de concentração do constituinte de atenuação do caudal. No esquema off-line (Figura 2.2.16b), apenas o fluxo acima de um limite pré-determinado é desviado para a bacia de equalização. Embora os requisitos de bombeamento sejam minimizados

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nesta configuração, a quantidade de concentração do constituinte atenuante é consideravelmente reduzida. A equalização off-line é utilizada, por vezes, para capturar a "primeira descarga" de sistemas de recolha combinados.

Figura 2.2.16. Diagrama típico do caudal numa estação de tratamento de águas residuais incorporando a equalização de fluxo: (a) a equalização in-line e (b) equalização off-line. A equalização do fluxo pode ser aplicada após a eliminação de areia, após a sedimentação primária e após o tratamento secundária onde é utilizado o tratamento avançado.

Os principais benefícios associados à aplicação da equalização de caudais são: (1) a melhoria do tratamento biológico, uma vez que as cargas de choque podem ser eliminadas ou, pelo menos, minimizadas, conduzindo assim à diluição de substâncias inibidoras e à estabilização do pH, (2) a qualidade do efluente e o desempenho do processo de espessamento nos tanques secundários de sedimentação que se segue ao tratamento biológico são melhorados através da melhoria da consistência da carga de sólidos, (3) as exigências da área de superfície de filtração dos efluentes são reduzidas, o desempenho do filtro é melhorado e tornam-se possíveis os ciclos de filtro de retrolavagem mais uniformes com cargas hidráulicas inferiores; e, (4) no tratamento químico, a atenuação das cargas em massa contribui para a melhoria do controle da alimentação química e da fiabilidade do processo. Além de melhorar o desempenho da maioria das operações e processos de tratamento, a equalização de caudal é uma opção atraente para melhorar o desempenho de estações de tratamento que estejam sobrecarregadas. As desvantagens da equalização do fluxo incluem: (1) a necessidade de espaços relativamente amplos, (2) a necessidade de cobrir as instalações de equalização para controlar os odores, caso se encontrem próximas de áreas residenciais, (3) a necessidade de operacionalização e manutenção adicionais e (4) o aumento dos custos capitais.

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Mais informação… Considerações sobre a configuração/projeto A configuração das instalações de equalização de caudal está relacionada com as seguintes questões: 1. No fluxograma, onde devem ser localizadas as instalações de equalização do processo de tratamento? 2. Que tipo de fluxograma de equalização deve ser utilizado, in-line ou off-line? 3. Qual é o volume necessário para a bacia? 4. Que características devem ser incorporadas no projeto? 5. Como é possível controlar a deposição de sólidos e os potenciais odores?

Localização de Instalações de Equalização. A melhor localização para as instalações de equalização deve ser determinada de acordo com cada sistema. Uma vez que a localização ideal vai variar de acordo com as características do sistema de recolha e das águas residuais a serem tratadas, de acordo com os requisitos do terreno e sua disponibilidade e de acordo com o tipo de tratamento necessário, devem ser efetuados estudos pormenorizados para vários locais ao longo de todo o sistema. Sempre que as instalações de equalização sejam consideradas em localizações adjacente a estações de tratamento de águas residuais, é necessário avaliar a forma como podem ser integradas no fluxograma do processo de tratamento. Em alguns casos, pode ser indicado proceder à equalização após o tratamento primário e antes do tratamento biológico. A equalização depois do tratamento primário resulta na redução dos problemas com depósitos de sólidos e acumulação de escuma. Se os sistemas de equalização de caudal tiverem lugar antes dos sistemas biológicos e de sedimentação primária, o projeto deve ser concebido de forma a proporcionar uma mistura suficiente para que se evitem a deposição de sólidos e as variações de concentração, e deve haver arejamento suficiente para que problemas de odor sejam evitados. Requisitos de volume para a Bacia de Equalização. O volume necessário para a compensação de caudais é determinado utilizando um diagrama de fluxo de volume cumulativo em que o volume de entrada cumulativa é traçada em relação à hora do dia. O caudal médio diário, também traçado no mesmo diagrama, é a linha reta traçada desde a origem até o ponto terminal do diagrama. Na prática, o volume da equalização da bacia será maior do que o determinado teoricamente para considerar os seguintes fatores: 1. O funcionamento contínuo do equipamento de mistura e de arejamento não permite uma queda total, embora possam ser construídas as estruturas especiais. 2. Deve ser disponibilizado volume suficiente que permita acondicionar os cursos de água reciclados expectáveis das estações de tratamento, no caso de esses fluxos serem devolvidos à bacia de equalização (uma prática que não é recomendada a menos que a bacia esteja coberta por causa do potencial para criar odores).

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3. Devem ser consideradas algumas medidas no caso de mudanças imprevistas no fluxo diurno. Embora não possa ser fornecido nenhum valor fixo, o volume adicional irá variar entre 10 a 20% do valor teórico, dependendo das condições específicas.

Mais informações em: Wastewater Engineering, treatment and Reuse, Metcalf & Eddy,4th edition, 2003, pp. 333-344.

2.3. Tratamento Primário 2.3.1 Introdução A finalidade do tratamento primário (sedimentação primária ou clarificação primária) é remover sólidos orgânicos sedimentáveis e flutuantes. Normalmente, cada unidade de clarificação primária pode remover 90 a 95% de sólidos sedimentáveis, 40 a 60% de sólidos totais suspensos e 25 a 35% da carência bioquímica de oxigénio (CBO5). Nota: As expectativas de desempenho para dispositivos de decantação utilizados noutras áreas de operação da estação de tratamento são normalmente expressas como desempenho geral da unidade, em vez de serem assumidas como desempenho específico da unidade de decantação. A sedimentação pode ser utilizada em toda a estação de tratamento para remover sólidos sedimentáveis e flutuantes. É utilizada nos tratamentos primário, secundário e nos processos de tratamento de águas residuais avançados. Este capítulo centra-se no tratamento primário, ou clarificação primária, que atinge a sedimentação primária através da utilização de grandes bacias sob condições quiescentes relativas. Nestas bacias, raspadores mecânicos recolhem os sólidos primários assentes para um funil, a partir do qual são posteriormente bombeados para uma área de processamento de lodos. Óleo, gorduras e outros materiais flutuantes (escuma) são retirados da superfície. O efluente é descarregado através de descarregadores numa calha de coleta.

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Figura 2.3.1a Estação de tratamento de águas residuais comum, com decantação primária típica (sedimentação) e reciclagem de bio sólidos.

2.3.1.1 Descrição do Processo Na sedimentação primária, as águas residuais entram num tanque de decantação ou bacia. A velocidade é reduzida para cerca de 0,3 m/minuto ou 1 pé por minuto (fpm). Os sólidos mais pesados do que a água depositam-se no fundo, enquanto os sólidos mais leves do que a água flutuam até à superfície. Os sólidos sedimentados são removidos como lodos/lodos e os sólidos flutuantes são removidos como escuma. As águas residuais saem do tanque de sedimentação através de uma barragem de efluentes e são transportadas para a etapa seguinte do processo de tratamento. O tempo de retenção, a temperatura, o design do tanque e o estado do equipamento controlam a eficiência do processo.

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Figura 2.3.1b Estação de tratamento de águas residuais típica (folha de caudal) com decantação primária (sedimentação) e/ou flutuação.

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Visão global do Tratamento Primário

O tratamento primário reduz a carga orgânica no processo de tratamento a jusante, através da remoção de uma grande quantidade de materiais sedimentáveis, suspensos e flutuantes. O tratamento primário reduz a velocidade das águas residuais através de um clarificador em aproximadamente 0,3 m/min (ou 1 a 2 pés por minuto), para que a sedimentação e flutuação possam ter lugar. Ao retardar o caudal, aumenta-se o nível de remoção de sólidos suspensos nas águas residuais. Os tanques de sedimentação primária removem a gordura e escuma flutuantes, removem também os sólidos de lodo sedimentados e recolhem-nos para serem bombeados para eliminação ou tratamento posterior. Os clarificadores podem ser retangulares ou circulares. Nos clarificadores retangulares, as águas residuais fluem de um lado para o outro e o lodo assente é movido para um funil numa extremidade quer através de movimentos definidos em cadeias paralelas ou por um raspador de fundo individual definido numa ponte itinerante. O material flutuante (principalmente gorduras e óleo) é recolhido por um separador de superfície. Nos tanques circulares, as águas residuais geralmente entram no centro do tanque e fluem para o exterior. Os lodos sedimentados são empurrados para um funil no centro da parte inferior do tanque e um separador de superfície remove o material flutuante. Os fatores que afetam o desempenho do clarificador primário são: • A taxa do fluxo através do clarificador • As características das águas residuais (força, temperatura, quantidade e tipo de resíduos industriais e densidade, tamanho e forma das partículas) • Desempenho dos processos de pré-tratamento • Natureza e quantidade de quaisquer resíduos reciclados para o clarificador primário

2.3.1.2 Cálculos da operação do clarificador Os fatores chave no funcionamento do clarificador primário incluem os seguintes conceitos: Tempo de Retenção (h) = Volume (m3) ? 24 h/dia Caudal (m3/d) Taxa de carga da superfície (m3 /m2) = . Q (m3 / d) . Área da superfície (m2)

(2.3.1)

(2.3.2)

Taxa de carga dos sólidos (kg/ dia/ m2) = Sólidos no Clarificador (kg/dia) (2.3.3) Área da superfície 2 (m ) Taxa de descarga do descarregador (m3/m linear) = =. Q (m3 / d) . (2.3.4)

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Extensão

descarregador (m linear)

2.3.2 Tipos de Tanques de Sedimentação (adaptado de Spellman's Standard Handbook for Wastewater Operators, 2nd edition, Frank R. Spellman, 2011, USA) Os equipamentos de sedimentação incluem tanques sépticos, cisternas de dois andares (tanques Imhoff) e tanques simples de decantação ou clarificadores. Estes três dispositivos podem ser utilizados para o tratamento primário, enquanto os tanques simples de sedimentação são normalmente usados para os processos de tratamento de águas residuais secundários ou avançados.

2.3.2. 1 Fossas Sépticas As fossas sépticas são tanques pré-fabricados que servem tanto como poços combinados de sedimentação e de escumação, como digestores anaeróbicos não aquecidos e não misturados. As fossas sépticas propiciam tempos de decantação longos (6 a 8 horas ou mais), mas não separam os sólidos em decomposição do caudal de águas residuais. Quando o poço fica cheio, os sólidos são descarregadas com o caudal. Este processo adequa-se a instalações pequenas (por exemplo, escolas, hotéis, casas), mas, devido aos longos tempos de retenção e falta de controlo, não é adequado a aplicações de maiores dimensões.

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Figura 2.3.2. Configurações de fossas sépticas. A. Fossa séptica típica de uma unidade habitacional. B. Fossa séptica de grandes dimensões, típica de uma instituição, com sifão doseador. Para grandes dimensões, a distribuição uniforme é obtida através da inundação periódica da área seguida por secagens periódicas. São utilizados poços de dosagem para inundar estas áreas; recolhem os esgotos e, posteriormente, os sifões automáticos ou bombas transportam os resíduos para o campo. (Adaptado de Environmental Engineer’s handbook, Ch7 Wastewater Treatment, Liu&Liptak, CRC, USA 1999)

A capacidade mínima efetiva do poço deve ser a seguinte: a) para fluxos até 1500 gpd(galões por dia), capacidade do fluxo de esgoto diário; b) para fluxos superiores a 1500 gpd, o volume V, em litros pode ser calculado a partir da seguinte equação: V = 1,125 + 0,75 X Q (2.3.5) em que: Q = Fluxo de esgoto diário (valor máximo)

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2.3.2.2 Poço de dois andares (Imhoff) O poço de dois andares ou tanque Imhoff é semelhante a uma fossa séptica no que respeita à remoção de sólidos sedimentáveis e à digestão anaeróbica de materiais sólidos. A diferença reside no facto de o poço de dois andares ser constituído por um compartimento de sedimentação, onde ocorre o processo de sedimentação, por um compartimento inferior, onde tem lugar a digestão de sólidos sedimentados, e por saídas de ventilação de gás. Os sólidos removidos das águas residuais através da sedimentação passam do compartimento de sedimentação para o compartimento de digestão através de uma abertura na parte inferior do compartimento de sedimentação. A conceção desta abertura previne que os sólidos voltem para o compartimento de sedimentação. Os sólidos decompõem-se anaerobiamente na secção de digestão. Os gases produzidos como resultado da decomposição dos sólidos são libertados através das saídas de ventilação de gás que existem em todos os lados do compartimento de sedimentação.

Figura 2.3.3 Configuração do Tanque Imhoff. (Adaptado de Environmental Engineer’s handbook,Ch7 Wastewater Treatment, Liu&Liptak, CRC, USA 1999)

DESIGN DO TANQUE IMHOFF A carga de superfície da zona de sedimentação deverá ser de 600 gpd por ft2 com tempos de retenção de 1 a 2 horas e velocidades inferior a 0,75 polegadas por segundo. A profundidade da zona efetiva de sedimentação deve ser de cerca de 7 pés e o seu comprimento pode ser 25 a 50 pés. A ventilação do gás e a área de escuma devem constituir 20% da área de superfície total.

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CAPITULO 2

Profundidades totais médias devem ser cerca de 30 pés (ver Figura 2.3.3). As fossas sépticas são apropriadas apenas para instalações isoladas com baixos fluxos de resíduos, onde o solo pode ser usado como área de absorção. Deve evitar-se a sua utilização, exceto quando não há uma alternativa disponível e as condições do local são favoráveis. O funcionamento dos tanques Imhoff não é complexo. São menos eficientes do que bacias de sedimentação e tanques de digestão de lodo por aquecimento. Os novos métodos de tratamento oferecem alternativas mais eficientes do que os tanques Imhoff, mas em unidades de tratamento pequenas, eles proporcionam uma separação de sólidos de forma eficiente, sem equipamento mecânico ou elétrico. -R.

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2.3.2.3 Tanques de Sedimentação Simples (Clarificadores) O tanque de sedimentação normal ou clarificador otimiza o processo de sedimentação. O lodo é removido do tanque para ser processado noutras unidades de tratamento a jusante. O fluxo entra no tanque, é retardado e distribuído uniformemente ao longo da largura e da profundidade da unidade, passa através da unidade, e sai pelo dique do efluente. O tempo de retenção dentro do tanque de decantação primário é de 1 a 3 horas (2 horas em média). A remoção de lodo é normalmente realizada numa base contínua ou intermitente. A remoção contínua requer processos de tratamento de lodos adicionais para remover o excesso de água resultante da remoção das lodos que contenham menos do que 2 a 3% de sólidos. A remoção intermitente de lodos requer que o lodo seja bombeado a partir do tanque com frequência suficiente para se evitarem grandes aglomerações de sólidos à superfície, mas raramente o suficiente para se obter 4 a 8% de sólidos no lodo que é extraído. A escuma deve ser removida a partir da superfície do tanque de sedimentação frequentemente. Este é normalmente um processo mecânico, mas pode exigir um arranque manual. O sistema deverá ser operado com frequência suficiente para evitar o acumular excessivo de escuma e o seu transbordar, mas não tão frequente ao ponto de causar sobrecarga hidráulica no sistema de remoção. Os tanques de decantação requerem limpeza e manutenção. Os defletores que impedem sólidos flutuantes (escuma) de sair do tanque, calhas de escuma; coletores de escuma; calhas de efluentes e descarregadores de efluentes necessitam de limpeza frequente para evitar o forte crescimento biológico e a acumulação de sólidos. Os equipamentos mecânicos devem ser lubrificados e mantidos de acordo com as especificações do fabricante ou de acordo com os procedimentos constantes no manual de operacionalização e manutenção da estação de tratamento (O & M). A amostra dos processos de controlo e de teste é utilizada para avaliar o desempenho do processo de sedimentação. Sólidos sedimentáveis, oxigénio dissolvido, pH, temperatura, massa de sólidos em suspensão e CBO5, bem como sólidos de lodos e matérias voláteis, os testes são realizados rotineiramente.

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Figura 2.3.4 Tanque de sedimentação primária retangular típico: (a) planta (b) secção. (adaptado de Wastewater Engineering, Treatment and Reuse, Metcalf & Eddy,4th edition, 2003)

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Tabela 2.3.1 Informações habituais para o design de tanques de sedimentação primária (adaptado de Wastewater Engineering, treatment and Reuse, Metcalf & Eddy, 4th edition, 2003 Sistema de Unidades dos E.U.A Item

Unidade

Capacidade

Tipo

Sistema Internacional de Unidades (SI) Unidade

Capacidade

Tipo

Tanques de sedimentação primária seguidos de tratamento secundário Tempo de retenção Capacidade de escoamento do caudal Caudal médio

1.5 – 2.5

2.0

1.5 – 2.5

2.0

gal/ft2.d

800-1200

1000

30-50

gal/ft2.d

2000-3000

2500

m3/ m2.d

80-120

100

m3/ m.d

125-500

250

2.0

1.5-2.5

2.0

m/ m2.d

Caudal em hora de ponta gal/ft.d

10 000-40 000

20 000

Fixação primária com retorno de resíduo de lodo ativado Tempo de detenção

Capacidade de escoamento do caudal Caudal médio

gal/ft2.d

600-800

700

m3/ m2.d

24-32

Caudal em hora de ponta

gal/ft2.d

1200-1700

1 500

m3/ m2.d

48-70

gal/ft.d

10 000-40 000

20 000

m3/ m.d

125-500

250

Carga do descarregador

Tabela 2.3.2 Dados dimensionais típicos para tanques de sedimentação retangulares e circulares utilizados no tratamento primário de águas residuais. Sistema de Unidades dos E.U.A Item

Sistema Internacional de Unidades (SI)

Unidade

Capacidade

Tipo

Unidade

Capacidade

Tipo

Profundidade

10-16

3.49

4.3

Comprimento

50-300

80-130

15-90

24-40

Larguraa

10-80

16-32

3-24

4.9-9.8

ft/ min

2.4

m /min

0.6-1.2

0.9

Retangular:

Velocidade de trajeto Circular:

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Profundidade

10-16

3-4.9

4.3

Diâmetro

10-200

40-150

3-60

12-45

in /ft

3/4-2/ft

1.0/ft

mm/ mm

1/16-1/6

1/12

r/ min

0.02-0.05

0.03

r/ min

0.02-0-05

0.03

Inclinação inferior (do fundo) Velocidade de trajeto a

Se as larguras dos tanques limpos mecanicamente forem maiores do que 6 m (20 ft), podem ser utilizadas múltiplas baías com equipamento de limpeza individual, permitindo assim larguras de tanques até 24 m (80 ft) ou mais. (Adaptado de Wastewater Engineering, treatment and Reuse, Metcalf & Eddy,4th edition, 2003)

2.3.3 Observações do Operador Antes de identificar um problema de tratamento primário e proceder ao esforço necessário à resolução de problemas, o operador deve estar ciente do que constitui o funcionamento "normal" (o sistema está a funcionar consoante o design ou há um problema?). Existem vários itens importantes no funcionamento normal que podem ter um forte impacto no desempenho. As secções seguintes debatem os parâmetros operacionais importantes e as observações "normais".

2.3.3.1 Clarificação Primária: Funcionamento Normal Mais uma vez, como mencionado anteriormente, na clarificação primária, as águas residuais entram num tanque de sedimentação ou bacia. A velocidade é reduzida para cerca de 1 cm por minuto. Os sólidos que são mais pesados do que a água depositam-se no fundo, enquanto os sólidos mais leves do que a água flutuam até à superfície. Os sólidos sedimentados são removidos como lodos e os sólidos flutuantes são removidos como escuma. As águas residuais deixam o tanque de sedimentação através de uma barragem de efluentes e são transportadas para a etapa seguinte no processo de tratamento. O tempo de retenção, a temperatura, o design do tanque, e o estado do equipamento controlam a eficiência do processo.

2.3.3.2 Parâmetros Operacionais Para a Clarificação Primária Fluxo de distribuição - A distribuição normal de fluxo é indicada pelo caudal de cada unidade em serviço sendo igual e uniforme. Não há nenhuma indicação relativa a curto-circuito. A taxa de superfície de carga está dentro das especificações de design. Condições dos descarregadores - Os descarregadores são nivelados; o fluxo no descarregador é uniforme, a taxa de transbordamento do descarregador está dentro das especificações de design. Remoção de escuma- A superfície fica livre de acumulações de lodos e a remoção de escuma não funciona continuamente.

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Remoção de lodos- sem grandes aglomerações de lodo a aparecer à superfície, o sistema opera conforme definido, o nível de bombeamento é controlado para evitar a acumulação ou formação de cone, permitindo que a profundidade da manta de lodo permaneça dentro dos níveis desejados. Desempenho-A unidade está a remover os níveis expectáveis de CBO5, sólidos suspensos totais e sólidos sedimentáveis. Manutenção do equipamento – O equipamento mecânico é mantido em concordância com calendários planeados, para que esteja pronto a ser utilizado sempre que necessário. Para auxiliar o operador na avaliação da operação de tratamento primário, existem vários processos de teste de controle que podem ser utilizados. Estes testes incluem o seguinte: pH (6,5 a 9,0) Oxigénio dissolvido (<1,0 mg / L) Temperatura (varia de acordo com o clima e estação do ano) Sólidos sedimentáveis (afluente, de 5 a 15 mL / L; efluente, de 0,3 a 5 mL / L) CBO5 (influente, 150 a 400 mg / L; efluente, 50-150 mg / L) Percentagem de sólidos (4 a 8%) Percentagem de Matéria volátil (40 a 70%) Metais pesados (quantos necessários) Jartest (quantos necessário)

Nota: A frequência de testes deve ser determinada com base na variabilidade do processo do afluente e efluente e dos recursos disponíveis. Todos esses testes devem ser realizados periodicamente para fornecer informações de referência para a avaliação de desempenho. 2.3.3.3 Cálculos do processo de controlo Tal como acontece em muitos outros processos nas estações de tratamento de águas residuais, os cálculos do processo de controlo auxiliam na determinação do desempenho do processo de sedimentação. Cálculos do processo de controlo são utilizados no processo de sedimentação para determinar: • • • • • •

A remoção percentual O tempo de retenção hidráulica A carga hidráulica superficial (taxa de sedimentação de superfície) A Taxa de descarga do reservatório (taxa de carga do reservatório) O bombeamento de lodos A percentagem de sólidos totais (% ST)

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CAPITULO 2

Nas secções seguintes, vamos ver alguns desses cálculos de processos de controlo e exemplos de problemas.

Nota: Os cálculos apresentados nas secções seguintes permitem determinar valores para cada função desempenhada. Tenha em mente que um clarificador primário utilizado de forma otimizada deve ter valores dentro de um intervalo expectável. Remoção percentual Os intervalos de espera de remoção percentual para um clarificador primário destinam-se a: Sólidos sedimentáveis 90-95% 40-60% de sólidos em suspensão CBO5 25-35%

Tempo de retenção O propósito principal da sedimentação primária é remover sólidos sedimentáveis. Isto é realizado reduzindo o fluxo para cerca de 0,3 m/min (1 fpm). A esta velocidade, o fluxo permanece no tanque primário de 1,5h a 2,5h. O período de tempo que a água permanece no reservatório chama-se tempo de retenção hidráulica.

Carga hidráulica superficial (taxa de sedimentação de superfície) e Taxa de descarga do reservatório (taxa de carga do reservatório) (m /d) . Taxa de superfície de carga (m/d)Área =Fluxo do Tanque de Sedimentação (m2) 3

(2.3.6)

Problema: Um tanque de sedimentação tem 40m de diâmetro e o fluxo para a unidade é de 16000 m3/d. Qual é a carga hidráulica superficial (taxa de sedimentação de superfície) em (m3/m2/d) m/d? Solução: 16.000 m3/d Carga hidráulica superficial =-----------------------------------50,96 m / d (m3 / m2 / d) 0,785 × 20 m x 20 m Problema: Um clarificador circular tem um diâmetro de 1 m. Se o fluxo de efluente primário é de 8,000 m3/d, qual é a Taxa de descarga de superfície em gpd/ft2? Solução: 8.000 m3 / d Carga hidráulica superficial = -----------------------------------=159,24 m / d (m3 / m2 / d) 0,785 × 8 m × 8 m

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Taxa de descarga de reservatório Taxa de descarga de reservatório (taxa de carga do reservatório) é a quantidade de água que sai do tanque de sedimentação por pé linear do descarregador. O resultado deste cálculo pode ser comparado com o design. Normalmente, as taxas de transbordo de 120-240 m2/d (m3 / d / m) ou de 10.000 a 20.000 gpd / pés são utilizados na conceção de um tanque de sedimentação.

Exemplo Problema: O decantador circular tem 30 m de diâmetro e possui um dique ao longo de sua circunferência. A taxa de fluxo do efluente é de 12,000 m3 / d. Qual é a Taxa de descarga do reservatório em litros por dia, por metro de descarregador? Solução: 12.000 m3 / d Taxa de descarga de descarregador (m3/d/m =--------------------------------------= 127,4 m2 / d (m3 / m / d) 3,14 x 30 m Bombeamento de lodos A determinação do bombeamento de lodos (a quantidade de sólidos e de sólidos voláteis removidos do tanque de sedimentação) fornece a informação necessária para o controlo preciso do processo de sedimentação. Sólidos (kg / dia) = taxa de bombeamento × tempo de bombeamento × 1000 kg/m3 × %Sólidos (2.3.7) Matéria Volátil (kg / dia) = Taxa de bombeamento × tempo de bombeamento × % Sólidos × % de matéria volátil (2.3.7)

Exemplo Problema: A bomba de lodos opera 20 minutos por hora. A bomba fornece 5 m3/h de lodos. Testes de laboratório mostram que os lodos são 5,2% de sólidos e 66% de matéria volátil. Quantos kg de matéria volátil são transferidos do tanque de sedimentação para o de digestão? Solução: Tempo de bombagem = 20 min / h, taxa de bombagem = 5 m3 / h Percentagem de sólidos = 5,2%, Percentagem de matéria volátil = 66% Matéria volátil = 5 m3 / h × 1000 L/m3 x (20/60) h × 24 h / dia × 0,052 × 0,66 = 1371,7 kg / dia

Percentagem de Sólidos Totais (% ST) Exemplo

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Problema: Uma amostra de lodo de um tanque de sedimentação é testada para avaliar a quantidade de sólidos. A amostra e o prato pesam 74,69 g. O prato sozinho pesa 21,2 g. Após a secagem, o prato com sólidos secos pesa 22,3g. Qual é a percentagem de sólidos totais (% ST) da amostra? Solução: Sólidos secos + prato = 22,3 g Peso de sólidos secos g = 22,3 - 21,2 g = 1,1 g Amostra + prato = 74,69 g O peso da amostra = 74,69 g - 1,2 g = 53,49 g (1,1 g) / (53,49 g) × 100% =% 2

Carência Bioquímica de Oxigénio (CBO) e remoção de Sólidos Suspensos (SS) (kg/dia) Para calcular o peso da CBO ou sólidos em suspensão removidos em cada dia, é necessário saber os mg/L de CBO ou SS removidos, assim como o fluxo da estação de tratamento. Para isso, pode utilizar-se a seguinte equação: SS removidos (kg / dia) = SS (mg / L) x Q m3 / d

(2.3.7)

Problema: Se 120 mg / L de sólidos em suspensão forem removidos por um clarificador primário, quantos kg/dia de sólidos em suspensão são removidos quando o fluxo é de 23000 m3 /d? Suponha que mg/L = g/m3 Solução: SS Removidos = 120 mg/L × 23000 m3/d x 0,001 kg / g = 2760 kg / dia

Exemplo Problema: O fluxo para um clarificador secundário é de 6000 m3 / d. Se a concentração de CQO no afluente é de 200 mg/L e a concentração de CQO no efluente é de 70 mg/L, quantos quilos de CQO são removidos diariamente? Solução: CQO removido = 200 mg / L - 70 mg / L = 130 mg / L, após o cálculo de mg / L de CBO removido, calcular kg / dia de CQO removido: CQO Removido = 130 g/m3 × 6000 m3/d x 0,001 kg / g = 780 kg / dia

Efluente de tanques de sedimentação Após a triagem, remoção de areias e sedimentação nas bacias de sedimentação, os detritos volumosos, a areia e muitos outros materiais sedimentáveis foram removidos do caudal de resíduos. O que resta é referido como efluente primário. Geralmente turvo e frequentemente de cor cinza, o efluente primário ainda contém grandes quantidades de alimentos e outros produtos

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CAPITULO 2

químicos dissolvidos (nutrientes). Estes nutrientes são tratados no passo seguinte do processo de tratamento (tratamento secundário), apresentado no próximo capítulo.

Nota: Dois dos nutrientes mais importantes que não foram removidos são o fósforo e o amoníaco. Apesar de se pretender remover estes dois nutrientes do caudal de resíduos, não queremos removê-los por completo. No tratamento secundário (tratamento biológico), os microrganismos carbonosos precisam do fósforo e do amoníaco.

Mais informação… Desempenho do Tanque de Sedimentação A eficiência das bacias de sedimentação no que diz respeito à remoção de CBO e de SST é reduzida (1) nas correntes estagnadas formadas pela inércia do caudal de entrada, (2) nas células formadas nos tanques a céu aberto por indução da circulação do vento, (3) nas correntes de convecção térmicas, (4) na água fria ou quente, provocando a formação de correntes de densidade que se movimentam ao longo do fundo da bacia, aquecendo a água que sobe, fluindo na parte superior do tanque e (5) na estratificação térmica em climas quentes e áridos (Fair e Geyer, 1954). Os fatores que afetam o desempenho são debatidos em seguida. CBO e remoção de SST. Os dados característicos do desempenho para a remoção de CQO e SST em tanques de sedimentação primária, como a função do tempo de retenção e de concentração de constituintes, estão apresentados na Figura 2.3.9. As curvas demonstradas na Figura 2.3.9 advêm de observações do desempenho real de tanques de sedimentação. As relações curvilíneas na figura podem ser modeladas como hipérboles retangulares, utilizando a seguinte relação (Crites e Tchobanoglous, 1998).

onde R = eficiência de remoção esperada t = tempo T nominal de detenção a, b = constantes empíricas

(2.3.8)

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SST,

Percentagem de remoção

SST, CBO,

CBO,

Tempo de retenção. h

Figura 2.3.9. 5-46. Remoção típica de CBO e de SST em tanques de sedimentação primária (Greeley, 1938).

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CAPITULO 2

Os valores normais para as constantes empíricas da Equação (2.3.8) a 20°C são os seguintes: Item a b CQO 0,018-,020 SST ,0075-,014

Um facto que é frequentemente esquecido no desempenho do tanque de sedimentação é a alteração das características das águas residuais, que ocorre durante o processo de sedimentação. Os sólidos suspensos, maiores e que se bio degradam mais lentamente, assentam em primeiro lugar, deixando uma fração volátil em suspensão que permanece no tanque primário de efluente. O uso rigoroso das curvas de remoção, como indicado na Figura 2.3.9, não regista a transformação real das características das águas residuais. Sempre que possível, no âmbito das águas residuais domésticas, devem caracterizar-se o afluente e efluente do tanque primário para determinar o nível de concentração e a composição dos constituintes. Tal caracterização é importante na determinação da carga orgânica que necessita de ser tratada pelas unidades de tratamento biológico que se seguem.

Curto-circuito e Estabilidade Hidráulica. Numa bacia de sedimentação ideal (ver Figura 2.3.10a), um determinado bloco de entrada de água deve permanecer na bacia durante o tempo total de retenção. Infelizmente, na prática as bacias de sedimentação raramente são ideais, o que faz com que os curtos-circuitos sejam frequentes, por uma ou mais das razões citadas acima. Para determinar se existe um curto-circuito e em que medida devem realizar-se rastreios. Devem ser desenvolvidas curvas de concentração de tempo para análise. Se nos diversos testes, as curvas de concentração de tempo forem semelhantes, então a bacia é estável. Se as curvas de tempo de concentração não forem repetíveis, a bacia é instável e o desempenho da bacia poderá não ser correto (Fair e Geyer, 1954). O método de distribuição do fluxo do afluente, tal como referido acima, também irá afetar os curto-circuitos.

Efeitos da temperatura. Nas bacias de sedimentação os efeitos da temperatura podem ser significativos. Tem sido demonstrado que uma diferença de 1o Celsius de temperatura entre as águas residuais de entrada e as águas residuais já existentes no tanque de sedimentação conduz à formação de uma corrente de densidade (ver Figuras 2.3.10b e c). O impacto dos efeitos da temperatura no desempenho dependerá do material a ser removido e das suas características.

Efeitos do vento. O vento que sopra no topo das bacias de sedimentação a céu aberto pode fazer com que células de circulação se formem (ver figura 2.3.10 d). Quando se formam células de circulação, a capacidade volumétrica efetiva da bacia é reduzida. Tal como com os efeitos da temperatura, o impacto do volume reduzido no desempenho dependerá do material a ser removido e das suas características.

Considerações sobre design

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CAPITULO 2

Se todos os sólidos das águas residuais fossem partículas discretas e uniformes ao nível do tamanho, da densidade, da gravidade específica e da forma, a eficiência da remoção destes sólidos seria dependente da área da superfície do tanque e do tempo de retenção. Desde que as velocidades horizontais fossem mantidas abaixo da velocidade de lavagem, a profundidade do tanque teria pouca influência no processo. No entanto, os sólidos da maioria das águas residuais não são tão regulares, mas de natureza heterogénea, e as condições em que se encontram vão desde a dispersão total à completa floculação. Os parâmetros de design para a sedimentação são considerados abaixo. As Tabelas 2.3.1 e 2.3.2 apresentam os dados habituais do design de tanques de sedimentação. Detalhes adicionais sobre a análise e conceção de tanques de sedimentação podem ser encontrados na WPCF, 1985. Tempo de Retenção. O grosso dos sólidos finamente divididos que atingem a sedimentação primária estão floculados de modo incompleto, mas são suscetíveis à floculação. A floculação é auxiliada pelo movimento de redemoinho do fluido no interior dos tanques e prossegue através da coalescência das partículas finas, a uma taxa dependente da sua concentração e da capacidade natural das partículas se fundirem em caso de colisão. Geralmente, a coalescência de uma suspensão de sólidos torna-se mais completa com o decorrer do tempo, deste modo, o tempo de retenção é um fator a ter em consideração na conceção dos tanques de sedimentação. A mecânica de floculação é tal, no entanto, que à medida que o tempo de sedimentação aumenta, a coalescência das partículas remanescentes diminui.

Figura 2.3.10 5-47. Padrões de fluxo típicos observados em tanques de sedimentação retangulares: (a) fluxo ideal, (b) efeito da densidade de fluxo ou da estratificação térmica (a água no tanque é mais quente do que o afluente), (c) efeito de estratificação térmica (a água no tanque é mais fria do que o afluente ) e (d) formação de célula de circulação impelidas pelo vento (Crites and Tchobanoglous, 1998.).

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Normalmente, os tanques de sedimentação primária são projetados para fornecer 1.5 a 2.5 h de retenção com base na taxa média de fluxo das águas residuais. Os tanques que proporcionam curtos períodos de retenção (0.5 a 1 h), com menor remoção de sólidos em suspensão, são por vezes utilizados em tratamentos preliminares, anteriores às unidades de tratamento biológico. Nos climas frios, o aumento da viscosidade da água a temperaturas mais baixas retarda a sedimentação de partículas nos clarificadores e reduz o desempenho em águas residuais com temperaturas inferiores a 20°C (68° F). Uma curva que mostra o aumento do tempo de retenção necessário para igualar o tempo de retenção a 20°C é apresentada na Figura 2.3.11 (WPCF, 1985). Para águas residuais com uma temperatura de 10°C, por exemplo, o período de retenção é 1,38 vezes superior ao que é necessário a 20°C para se atingir a mesma eficácia. Por isso, em climas frios, os fatores de segurança devem ser tidos em conta na conceção do clarificador para garantir um desempenho adequado.

Carga hidráulica superficial. Os tanques de sedimentação são normalmente concebidos com base numa carga hidráulica superficial (normalmente denominada de "Taxa de descarga"), expressa em metros cúbicos por metro quadrado de área de superfície, por dia, m3/m2_d (litros por metro quadrado de área de superfície por dia, litros / ft2_d).

Multiplicador do tempo de depósito (fixação)

Temperatura, oF

Multiplicador

Temperatura, oC

Figura 2.3.11. Curva do aumento do tempo de retenção necessário em temperaturas mais baixas para se atingir o mesmo desempenho de sedimentação conseguido a 20°C. A seleção de uma taxa de carga apropriada depende do tipo de suspensão a ser separada. Os valores típicos para variadas suspensões são apresentados na Tabela 2.3.1. Os projetos para estações de tratamento municipais também devem atender à aprovação de agências reguladoras estatais, muitas das quais adotaram padrões de Carga hidráulica superficial que devem ser seguidas. Quando a área do reservatório tenha sido estabelecida, o período de retenção no tanque é regulado em função da profundidade da água. As taxas de transbordo no uso corrente resultam em períodos nominais de 2,0 a 2,5 h, com base na média do fluxo do projeto. O efeito da carga hidráulica superficial e tempo de retenção na remoção de sólidos suspensos varia amplamente, dependendo da natureza das águas residuais, da proporção de sólidos

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sedimentáveis, da concentração de sólidos, bem como de outros fatores. Deve sublinhar-se que as taxas de transbordo devem ser definidas suficientemente baixas para garantir um desempenho satisfatório durante os momentos de pico de fluxo, que podem variar de mais de 3 vezes o fluxo médio em estações de tratamento pequenas para duas vezes o fluxo médio em estações de tratamento de grande porte. Taxas de descarga do Descarregador. Em geral, as taxas de carga do descarregador não têm um efeito muito significativo sobre a eficácia da decantação primária e não deve ser considerado aquando da revisão da adequação do design do clarificador. Para fins de informação geral, as taxas de carga de descarregador típicas são apresentados na Tabela 2.3.1.

EXEMPLO 5-10 Projeto de uma Bacia de Sedimentação Primária O fluxo médio de uma estação de tratamento de águas residuais municipal pequena é de 20.000 m3/d. O mais alto pico de vazão diário observado foi de 50.000 m3/d. Desenhe clarificadores primários retangulares, com uma largura de canal de 6m (20 ft). Utilize dois clarificadores no mínimo. Calcule a velocidade de lavagem, para determinar se o material sedimentado será suspenso novamente. Estime a remoção de CBO e de SST no fluxo médio e no pico de fluxo. Utilize uma taxa de fluxo excedente de 40m3/m2/d, considerando um fluxo médio (ver Tabela 2.3.1) e uma profundidade de água lateral de 4 m (13,1 pés). Solução 1. Calcule a área de superfície desejada. Para as condições de fluxo médio, a área requerida é:

2. Determine o comprimento do tanque.

No entanto, por uma questão de conveniência, as dimensões da superfície serão arredondadas para 6 m por 42 m.

3. Calcule o tempo de retenção e a Taxa de descarga a um fluxo médio. Usando a profundidade das águas laterais assumida de 4m, Volume do tanque

Capacidade de caudal

Tempo de retenção

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4. Determine o tempo de retenção e Taxa de descarga no pico de fluxo. Capacidade de caudal

Tempo de retenção

5. Calcule a velocidade de lavagem abaixo, utilizando os seguintes valores:

Onde VH = velocidade horizontal que irá produzir apenas formas erosivas, LT –1 (m/s) k = constante que depende do tipo de material a ser lavado (sem unidade de medida) Constante de Coesão k= 0,05 Gravidade específica s = 1,25 Aceleração devida à gravidade g = 9,81 m/s2 Diâmetro das partículas d = 100 µ m = 100 x10-6 m Darcy-Weisbach fator de atrito f = 0,025

6. Compare a velocidade de lavagem calculada no passo anterior ao pico de velocidade horizontal (o fluxo de pico dividido pela área de secção transversal através das passagens de fluxo). O pico de fluxo de velocidade horizontal através do tanque de purificação é:

O valor de velocidade horizontal, mesmo no fluxo de pico, é substancialmente menor do que a velocidade de lavagem. Portanto, os materiais sedimentados não devem voltar a ser suspensos.

7. Use eq. (5-45) e os coeficientes de acompanhamento para estimar as taxas de remoção de CBO e SST num fluxo médio e de pico. a. No fluxo médio:

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Remoção da CBO

Remoção dos SST

b. No pico de fluxo: Remoção da CBO

Remoção dos SST

CLARIFICAÇÃO DE ALTO NÍVEL A clarificação de alto nível faz uso do tratamento físico/químico e utiliza a floculação especial e os sistemas de sedimentação para alcançar uma rápida sedimentação. Os elementos essenciais para a clarificação de alto nível são o assentar otimizado de partículas e a utilização de uma placa inclinada ou de tubos de assentamento. As vantagens da clarificação de alto nível são: (1) as unidades são compactas e, assim, a necessidade de espaço é reduzida, (2) os tempos de arranque são rápidos (normalmente menos de 30 min) para atingir o máximo de eficácia, e (3) produz-se um efluente altamente clarificado. A floculação otimizada de partículas e as aplicações da clarificação de alto nível são discutidas nesta secção.

Floculação otimizada de partículas A floculação otimizada de partículas tem sido utilizada na Europa há mais de 15 anos, mas só há relativamente pouco tempo foi introduzida nos Estados Unidos. Na sua forma mais básica, a floculação otimizada de partículas envolve a adição de um agente inerte (normalmente areia de sílica ou lodos reciclados quimicamente condicionados) e um polímero para uma suspensão floculada e parcialmente coagulada. O polímero parece revestir as partículas de inertes e forma a "cola" que liga o floco químico às partículas de inerte. Após o contacto com o inerte, a mistura é suavemente mexida num tanque de maturação que permite que as partículas de flocos cresçam. As partículas crescem à medida que as partículas maiores e de sedimentação mais rápida dominam e colidem com partículas de sedimentação mais lenta. O gradiente de velocidade G para a floculação é importante, porque um gradiente elevado vai provocar um colapso nas partículas de flocos, enquanto uma mistura insuficiente irá inibir a formação de flocos. Os gradientes de velocidade de sedimentação de partículas otimizadas das águas residuais variam geralmente entre 200 a 400 s-1.

Análise da Floculação de Partículas de Inertes e de Sedimentação

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A velocidade da sedimentação das partículas de inerte é aumentada quando comparada com uma partícula de floco sem inerte, (1) pelo aumento da densidade das partículas, (2) pela diminuição do coeficiente de arrasto e o aumento do número Reynolds e (3) pela diminuição do fator forma através da formação de partículas esféricas mais densas. As partículas de floco de inerte parecem ser mais do que as partículas esféricas de flocos simples. Com efeito, as partículas floculantes de inerte assentam a uma velocidade mais próxima da de uma partícula discreta do que da de partículas floculantes com fatores de forma muito elevadas.

Tabela 2.3.3. Resumo das características dos processos de clarificação de alto nível Processo

Características

Floculação e clarificação de inerte com micro-areia

• A micro-areia fornece núcleos para a formação do floco • O floco é denso e assenta rapidamente • A clarificação lamela, quando utilizada, fornece uma velocidade de fixação (depósito) alta num tanque de pequeno volume

Adição química, floculação de etapas múltiplos e clarificação lamela

• A floculação em três etapas realça a formação do floco • A clarificação lamela fornece uma velocidade de fixação (depósito) alta num tanque de pequeno volume

Floculação em três etapas com lodo reciclado quimicamente acondicionado, seguida de clarificação lamela

• Os sólidos de lamas assentes (em depósito) são reciclados para acelerar a formação do floco • Forma-se um floco denso que assenta rapidamente • A clarificação lamela fornece uma velocidade de fixação (depósito) alta num tanque de pequeno volume

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Tabela 2.3.4. Intervalos de taxas de transbordo e remoções de CBO e SST de processos de clarificação de alto nível em tratamentos de fluxos de clima húmido Parâmetro / Processo

Capacidades de fluxo corrente Baixa, m3 / m2.d (gal/ ft2.min) Média, m3 / m2.d (gal/ ft2.min) Alta, m3 / m2.d (gal/ ft2.min) Remoções de CBO, % A velocidades de corrente de fluxo baixas A velocidades de corrente de fluxo médias A velocidades de corrente de fluxo altas Remoções de SST, % A velocidades de corrente de fluxo baixas A velocidades de corrente de fluxo médias A velocidades de corrente de fluxo altas

Floculação Clarificação de inerte com placa de lamela

Lodo denso

1200-2900 (20-50) 1800-3500 (30-60) 2300-4100 (40-70)

880 (15) 1200 (20) 1800 (30)

2300 (40) 2900 (50) 3500 (60)

35-50 40-60 30-60

45-55 35-40 35-40

25-35 40-50 50-60

70-90 40-80 30-80

60-70 65-75 40-50

80-90 70-80 70-80

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Figura 2.3.12 Processos de clarificação de alto nível: (a) floculação de inerte, (b) clarificação de lamela e (c) lodo denso.

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FLOTAÇÃO A flotação é uma operação unitária utilizada para separar partículas sólidas ou líquidas de uma fase líquida. A separação é realizada através da introdução de bolhas de gás fino (geralmente ar) na fase líquida. As bolhas agarram-se à matéria das partículas e a força de flutuação das partículas combinadas com as bolhas de gás é suficiente para fazer com que a partícula suba à superfície. As partículas que têm uma densidade mais elevada do que o líquido podem, assim, ser obrigadas a subir. A subida de partículas com menor densidade do que o líquido pode também ser facilitada com este processo (por exemplo, suspensão de óleo em água). Em tratamento de águas residuais, a flotação é utilizada principalmente para remover matéria em suspensão e concentrar bio sólidos. A vantagem principal da flotação em relação à sedimentação é o facto de as partículas muito pequenas ou mais leves que assentam lentamente poderem ser removidas de forma mais completa e num tempo mais curto. Assim que as partículas tenham subido à superfície, podem ser recolhidas por uma operação de escumação.

Descrição A prática atual de flotação aplicada ao tratamento de águas residuais limita-se ao uso de ar como agente de flotação. Bolhas de ar são adicionados ou levadas a formar-se por (1) injeção de ar, enquanto o líquido está sob pressão, seguido pela libertação da pressão (flutuação de ar dissolvido), e (2) arejamento à pressão atmosférica (flutuação de ar disperso). Nestes sistemas, o grau de remoção pode ser otimizado pela utilização de variados aditivos químicos. No tratamento das águas residuais municipais, a flotação de ar dissolvido é frequentemente utilizada, especialmente para espessamento de resíduos bio sólidos. Flotação de Ar Dissolvido. Nos sistemas de flotação de ar dissolvido (FAD), o ar é dissolvido nas águas residuais sob uma pressão de várias atmosferas, seguido pela libertação da pressão para o nível atmosférico (ver Figura 5-53). Em sistemas de baixa pressão, todo o fluxo pode ser pressurizado por meio de uma bomba a 275 a 350 kPa (40 a 50 lb/in2 calibre) com ar comprimido adicionado na sucção da bomba (ver a Figura 5-53a). Todo o fluxo é mantido num tanque de retenção sob pressão durante alguns minutos para dar tempo ao para se dissolver. Em seguida, é admitido através de uma válvula redutora de pressão para o tanque de flutuação em que o ar sai da solução em bolhas muito finas.

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Figura 2.3.13. Esquema de sistemas de flotação de ar dissolvido: (a) sem reciclagem, no qual todo o fluxo passa através do tanque de pressurização, e (b) com reciclagem onde apenas o fluxo de reciclagem é pressurizado. O fluxo pressurizado é misturado com o efluente antes de ser libertado para dentro do tanque de flotação. Nas unidades de maiores dimensões, uma porção do efluente FAD (15 a 120 por cento) é reciclado, pressurizado e semi-saturado com ar (Figura 2.3.13b). O fluxo reciclado é misturado com a corrente principal não pressurizada apenas antes da admissão para o tanque de flutuação, resultando assim na saída do ar da solução em contacto com a matéria particulada na entrada para o tanque. Os tipos de unidades de pressão têm sido utilizados principalmente no tratamento de resíduos industriais e na concentração de sólidos.

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Mais informação…

EXEMPLO: Espessamento da Flotação da Solução Mista de Lodo Ativado Desenhe um espessante de flotação sem e com reciclagem pressurizada para espessar os sólidos em soluções mistas de lodo ativado de 0,3 a cerca de 4 por cento. Suponha que se aplicam as seguintes condições: 1. Ótima relação A/S = 0,008 ml/mg 2. Temperatura = 20°C 3. Solubilidade do ar = 18,7 mL/L 4. Pressão do Sistema de Reciclagem = 275 kPa 5. Fração de saturação = 0,5 6. Carga hidráulica superficial = 8 L/m2_min 7. Fluxo de Lodo = 400 m3/d Solução: (sem Reciclar)

Calcule a pressão requerida utilizando a Eq. (5-47)

Determine a área de superfície requerida

Verifica a capacidade de carga de sólidos

Solução: (com Reciclagem) Determine pressão das atmosferas

Determine a velocidade de reciclagem requerida utilizando a Eq. (5-48)

Determine a área de superfície requerida

Comentário: Em alternativa, o caudal de reciclagem poderia ter sido definido e a pressão determinada. Num projeto real, podem ser avaliados os custos associados à bombagem de

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reciclagem, aos sistemas de pressurização e construção de reservatórios, para se encontrar a combinação mais económica.

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PERGUNTAS 2.3A Qual é a principal diferença entre o lodo de clarificadores primários e o de secundários?

2.3B Qual é a principal diferença entre o efluente de clarificadores primários e o de secundários?

2.3C Enumere os itens importantes a verificar antes do arranque de um clarificador circular.

2.3D Quais são as precauções de segurança a ter durante o arranque de um clarificador?

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2.3E O que acontece quando as movimentações num clarificador retangular não são em linha reta ao longo do tanque?

2.3F Descreva uma boa estratégia operacional para um clarificador.

2.3 G Que tipos de condições anormais podem afetar o desempenho de um clarificador?

2.3H Que medidas podem ser tomadas para melhorar a qualidade do efluente quando a infiltração excessiva do fluxo de tempestade é um problema frequente?

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2.3I Qual é a eficiência de um clarificador primário na remoção de sólidos em suspensão se a concentração de afluente for de 300 mg/L e a concentração do efluente de 120 mg/L?

2.3J Liste os exames laboratoriais básicos utilizados para determinar a eficiência do clarificador.

2.3K Em que dois pontos devem ser coletadas as amostras para medir a eficiência do clarificador?

2.3L Qual é a percentagem aproximada de sólidos sedimentáveis que se espera que o clarificador remova?

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2.3M Qual é a eficiência de remoção de sólidos em suspensão de um clarificador primário se a concentração afluente for de 300 mg/L e a concentração do efluente de 120 mg/L?

2.3N Com que frequência se deve remover o lodo de um clarificador?

2.3O Como se pode determinar o momento em que se deve parar de bombear lodo?

2.3P Como se pode prevenir que o material flutuante (escuma) passe para o efluente do clarificador?

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2.3Q O que é o "curto-circuito" num clarificador?

2.3R Por que razão é que um "curto-circuito" é indesejável?

2.3S Como se pode corrigir "curto-circuito"?

2.3T Um clarificador circular tem um diâmetro de 80 metros e uma profundidade média de 10 pés. O fluxo de águas residuais é de 4,0 MGD e da concentração de sólidos suspensos é de 190 mg/L. Calcule o seguinte: 1. Tempo de retenção, em horas 2. Taxa de descarga, em gpd/ft

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3. Carga hidráulica superficial, em gpd/m²

2.3U Um clarificador circular tem um diâmetro de 80 metros e uma profundidade média de 10 pés. O clarificador trata 4,0 MGD do influxo da estação de tratamento mais 1,2 MGD do fluxo de recirculação. A solução mista da concentração de sólidos suspensos é 2.700 mg/L. Calcule a carga de sólidos em quilos/dia/metros quadrados

2.3V Quais são os itens de segurança que devem ser tidos em conta aquando da revisão dos planos e especificações para clarificadores?

2.3W Conduziria o processo de flotação ANTES ou DEPOIS da sedimentação primária?

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2.3X Faça uma breve descrição de: 1. Coloides 2. Emulsão

2.3Y Porque razão é usado o processo de flotação em algumas estações de tratamento de águas residuais?

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RESPOSTAS SUGERIDAS

2.3A A diferença principal entre os lodos de clarificadores primários e os de secundários é o facto de o lodo primário ser normalmente mais denso do que o lodo secundário. Outras diferenças consistem no facto de o lodo primário ser séptico, odorífero, instável e de necessitar de digestão. 2.3B A diferença principal entre os efluentes de clarificadores primários e os de secundários é o facto de o efluente de um clarificador secundário ser normalmente mais claro do que o efluente primário. 2.3C Itens importantes a verificar antes de ligar um clarificador circular: 1. As portas de controlo para a operação 2. O tanque clarificador de areia e de detritos 3. O mecanismo coletor da unidade de lubrificação, o nível de óleo, o alinhamento da unidade e a montagem completa 4. Juntas, engrenagens, rodas dentadas da corrente de transmissão e motor de acionamento para instalação adequada e rotação 5. As lâminas de limpeza dos arados do coletor, verificar se existe uma distância adequada entre o chão e o tanque 6. Todos os outros itens mecânicos abaixo da linha de água necessários a uma instalação e operação adequadas 7. As fossas do tanque ou funis e as linhas de retorno para verificar se existem detritos e obstruções 8. A estrutura de um modo geral para identificar corrosões, fissuras ou outras indicações de falhas estruturais 2.3D Precauções de segurança que devem ser tomadas durante o arranque de um clarificador: 1. Usar um guindaste ou um capacete quando descer no tanque para proteção contra a queda de objetos. 2. Manter as mãos afastadas dos equipamentos móveis. 3. Ao trabalhar no equipamento, certificar-se de marcar e de utilizar um dispositivo de bloqueio no disjuntor principal e nos portões de controlo dos efluentes para evitar que o equipamento seja acionado indevidamente, o que pode provocar danos no equipamento e em quem o está a operacionalizar. 3E Quando os movimentos num clarificador retangular não são em linha reta ao longo do tanque, os lodos vão empilhar-se tendencialmente na parte de trás, ou as movimentações param, provocando graves estragos no processo de movimentações. 2.3F A melhor estratégia operacional para um clarificador é desenvolver e implementar um bom programa de manutenção preventiva, para monitorizar de perto as condições operacionais e para responder a quaisquer resultados do laboratório que indiciem problemas. 2.3 G Condições anormais que poderiam afetar a performance de qualquer clarificador: 1. Resíduos tóxicos industriais de derrames ou lixeiras 2. Caudais de águas pluviais e sobrecargas hidráulicas 3. Problemas putrefativos no sistema de coleta

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2.3H Passos que poderiam ser dados para melhorar a qualidade do efluente quando a infiltração excessiva do fluxo de tempestade é um problema frequente: selagem dos esgotos sanitários ou a utilização de uma bacia de equalização de fluxo. 2.3J Os testes laboratoriais básicos usados para determinar a eficiência do clarificador são: oxigénio dissolvido (OD), sólidos sedimentáveis, temperatura, pH, CBO, sólidos em suspensão, cloro residual (se necessário) e bactérias do grupo coliformes (se necessário). 2.3K Para medir a eficiência do clarificador, recolhe-se uma amostra do afluente e outra do efluente do clarificador. 2.3L O clarificador deve ser capaz de remover 95 a 99 por cento dos sólidos sedimentáveis. 2.3M Qual é a eficiência de remoção de sólidos em suspensão de um clarificador primário, se a concentração do afluente for de 300 mg / L e a concentração do efluente é de 120 mg / L? Calcule a eficiência da remoção de sólidos em suspensão. Conhecido Desconhecido SS afluente, mg / L = 300 mg / L Eficácia, % SS efluente, mg / L = 120 mg / L Eficácia, % = (Entrada-Saída) / (In) x (100%) = = (300 mg/L-120 mg / L) / 300 mg / L = = (0,60) (100%) = 60% de remoção de sólidos em suspensão 2.3N Remover lodo de um clarificador com frequência suficiente para evitar condições sépticas ou a gasificação do lodo. O intervalo adequado depende de diversas condições e pode variar de 30 minutos a oito horas, podendo ir até 24 horas em alguns casos. A experiência vai ditar a frequência adequada de remoção. 2.3O Deve parar-se o bombeamento de lodos quando estes se tornam finos. Deteta-se a espessura fina dos lodos pelo som da bomba de lodos, pelas diferenças na pressão de bombeamento de lodos que calibra as leituras, bem como pela densidade dos lodos, pela observação visual de uma pequena quantidade (1 litro ou menos) e através de um visor de vidro na linha de lodos enquanto estão a ser bombeados. 2.3P O material flutuante (escuma) pode ser afastado do clarificador de efluente através dos seguintes métodos: Para recolher a escuma, é geralmente existe um deflector no tanque. Os clarificadores primários têm muitas vezes uma área de coleta de escuma, onde a escuma é retirada por algum método mecânico, normalmente um braço de escumação ou uma roda propulsora. Se não estiverem disponíveis meios mecânicos, podem ser utilizadas ferramentas manuais, tais como uma concha deslizante ligada a um cabo de vassoura. 2.3Q Os curto-circuitos ocorrem num clarificador quando o fluxo não é uniforme em todo o tanque. Nesta situação, a água flui demasiadamente rápido numa ou mais secções do clarificador para que haja tempo suficiente para que a sedimentação tenha lugar. 2.3R O curto-circuito é de evitar, porque quando a velocidade é demasiado elevada, as partículas não têm tempo para assentar. Nos casos em que a velocidade é muito baixa, podem desenvolver-se condições sépticas indesejáveis. 2.3S Pode corrigir-se o curto-circuito através da instalação de placas de descarregador, deflectores, aberturas de portas e com uma projeção adequada do canal de entrada.

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2.3T Um clarificador circular tem um diâmetro aproximado de 24 metros e uma profundidade média de 3 metros. O fluxo de águas residuais é de 4,0 Mgd e a concentração de sólidos suspensos é de 190 mg/L. Calcule o seguinte: 1. Tempo de retenção, em horas 2. Taxa de descarga, em gpd/metros 3. Taxa de superfície de carga, em gpd/m² Conhecido Diâmetro, pés = 80 pés Profundidade, pés = 10 pés Fluxo, Mgd = 4,0 Mgd Concentração de SS, mg / L = 190 mg/L

Desconhecido Tempo de retenção, em horas Taxa de descarga, em gpd / ft Taxa de superfície de carga, gpd / m² 1. Calcular o volume do tanque em metros cúbicos. Volume do Tanque, metros cúbicos = (π / 4) χ (Diâmetro, ft) 2 Profundidade χ, pés = (0,785) (80 ft) 2 χ 10 pés Χ = 0,785 6,400 10 χ = 0,785 χ 64.000 = 50.240 cu ft

2. Converter o volume do tanque de pés cúbicos em litros. Volume do tanque, gal = 50.240 pés cúbicos χ 7,5 gal / cu ft Gal = 376880

3. Estimar o tempo de retenção em horas. Retenção =

Volume do Tanque , gal χ 24 horas / dia ---------------------------------------------------------------------Tempo, h = 376.800 gal χ 24 horas / dia ----------------------------------------------------------------------4.000.000 litros / dia = 0.376800 χ 6 = 2,2608 = 2,3 hr

Fluxo ltr, /dia

4. Estimar a Taxa de descarga do descarregador em litros por dia por metro de comprimento do descarregador. Taxa de descarga do descarregador, gpd / ft = (Fluxo, gpd / Comprimento do descarregador, pés) = (4.000.000 (gpd / (3,14 pé x80)) = 15.923 gpd / pé de descarregador

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5. Calcular a área de superfície em metros quadrados. 2

Área de superfície, sq (π / 4) (Diâmetro) m = (0,785) (80 ft) 2 = 0,785 χ 6400 = 5024 m²

6. Estimar a carga hidráulica superficial em litros por dia por metro quadrado de área de superfície. Superfície de Carga (gpd / m²) = (Fluxo, gpd / Taxa, área de superfície, sq ft) = 4.000.000 gpd / 5024 m² = 800 gpd / m² (cerca de ) NOTA: A concentração de sólidos em suspensão de 190 mg/L não era necessária para resolver este problema. Deve tentar-se determinar a informação para resolver problemas e eliminar os dados irrelevantes.

2.3U Um clarificador circular tem um diâmetro de 80 pés (aproximadamente 24 metros) e uma profundidade média de 10 pés (3 metros). O clarificador trata 4,0 MGD do influxo da estação de tratamento mais 1,2 MGD do fluxo de recirculação. A concentração líquida mista de sólidos suspensos é de2.700 mg/L. Calcular a carga de sólidos em quilos/dia/metros quadrados Conhecido

Desconhecido Carga de sólidos, Ibs/dia/metros quadrados

1. Diâmetro, pés = 80 pés 2. Profundidade, pés = 10 pés 3. Influxo da estação de tratamento, MGD = 4,0 MGD 4. = 1,2 MGD 5. Fluxo de retorno de lodos, MGD 6. MLSS, mg / L = 2700 mg / L 7. Área de superfície, m² = 5.024 pés quadrados (do Problema 5.6D) 1. Calcular os sólidos aplicados em quilos por dia. Sólidos Aplicada, lbs / dia = fluxo total, MGD χ MLSS, mg / L χ £ 8,34 / galão = (4,0 + 1,2 MGD MGD) χ 2700 mg / L χ £ 8,34 / gal = 117.094 £ / dia 2. Estimar a carga de sólidos em quilos de sólidos por dia por metro quadrado de área de superfície Carga de sólidos, kgs / dia / m² = Sólidos Aplicados, kgs / dia / área de superfície, m² = 117.094kgs / dia / 5024 sq ft = = 23,3 quilos / dia / m² 2.3V Os itens de segurança que devem ser considerados aquando da revisão dos planos e especificações para clarificadores incluem: 1. O acesso adequado por degraus, escadas, rampas, passarelas e pontes. Certificar-se que os gradeamentos do clarificador correspondem aos requisitos estatais e da OSHA.

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2. A existência de passarelas e pontes com placas de piso ou grades firmes e seguras, equipadas com rodapés e superfícies antiderrapantes. 3. Iluminação adequada. 4. A existência de grelhas de segurança na entrada das calhas, canais e tubagens que transportem o fluxo de efluente do clarificador para outra conduta, canal, ou estrutura. 5. Existência de um acesso seguro, num clarificador circular, às plataformas giratórias, às entradas ajustáveis de defletores e válvulas de controlo de retorno de lodos. 6. A colocação de proteções adequadas sobre discos de correntes, correias e outras peças móveis. 7. A colocação de ganchos de segurança, postes ou boias em locais estratégicos, perto de cada bacia para resgatar alguém da bacia caso seja necessário. 8. Não permitir que tubagens ou condutas passem por cima de passarelas ou pontes. 9. Calibragem adequada das unidades de acionamento, motores e outros equipamentos para seja possível o acesso livre a todas as áreas. 2.3W O processo de flotação deve ser colocado após a sedimentação primária. 2.3 X Coloides – sólidos muito pequenos, finamente divididos (partículas que não se dissolvem) e que permanecem dispersos num líquido durante muito tempo devido ao seu tamanho reduzido e carga elétrica. Emulsão – uma mistura líquida de duas ou mais substâncias líquidas que normalmente não se dissolvem uma na outra, mas que permanecem como um líquido em suspensão um no outro. 2.3Y O processo de flotação é usado para remover coloides e emulsões.

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REFERÊNCIA E LEITURA RECOMENDADA Metcalf & Eddy. (1991). Wastewater Engineering: Treatment, Disposal, Reuses, 3rd ed. New York: McGraw-Hill