P3 Projeto II Sistemas de Tratamento de Água PUCRS - Decantação e Filtração

PUCRS ESCOLA POLITÉCNICA Avaliação P3 Projeto II Entrega 18112022 Disciplina Sistemas de Tratamento de Água Turma 030 Professor Renato Machado semestre 2022II Nome do Aluno Observações 1 O Trabalho poderá ser desenvolvido em grupos de até 2 alunos e devolvido em PDF para avaliação até a data estabelecida não serão aceitas entregas posteriores 2 O peso do Trabalho P2 conforme informado deverá corresponder a 02 G1 Decantação Horizontal e Filtração Rápida Descendente 11 Considerações Iniciais O Projeto II deve dar continuidade ao Projeto I Mistura Rápida e Floculação Hidráulica mantendo a Vazão Nominal da ETA 210 Ls conforme planilha de consumos progressivos apresentada no Projeto I e o arranjo das unidades apresentado na Figura 1 12 Decantação de Fluxo Horizontal Número de unidades 2 duas Profundidade útil Hu 380 m Taxa de Escoamento Superficial QA 32 m3m2dia Canal de alimentação de Seção Variável 13 Filtração Rápida de Fluxo Descendente Número total de unidades filtrantes 4quatro Taxa de filtração QA 180 m3m2dia Fundo Falso laje com crepinas Material Filtrante Areia e Antracito Tamanho efetivo da areia 045 mm Espessura da camada de areia 25 cm Camada torpedo com tamanho efetivo 08mm Espessura da camada torpedo 10 cm Tamanho efetivo do antracito 10 mm Espessura da camada de antracito 50 cm 14 Apresentação Final a Elaborar memória de cálculo detalhada das unidades previstas b Definir o volume do reservatório de lavagem dos filtros considerando para efeito de cálculo o comprimento da tubulação de lavagem de 52 m distância do reservatório até a entrada do filtro 1 e as conexões apresentadas no desenho c Elaborar planta GERAL e corte Longitudinal do Sistema de Tratamento Projetado d Apresentar planta e corte esquemático de uma unidade filtrante com o posicionamento das válvulas de entrada e saída decantada descarga lavagem e filtrada Figura 1 Arranjo Geral da Estação de Tratamento de Água Sistemas de Tratamento de Água PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RGS PUCRS ESCOLA POLITÉCNICA Prof Renato Machado AULA 13 FILTRAÇÃO Se tens que lidar com água consulte primeiro a experiência depois a razão Leonardo Da Vinci Filtração comprimento l largura b Canal expurgo 3 Água Filtrada Água Lavagem Canal Água Decantada Canal Água Decantada 3 Calhas Água de lavagem Nível Máximo Operacional Canal Água Decantada Canal Expurgo Laterais Múltiplo Leito Filtrante Leito Sustentação Filtração Entrada e Saída dos Filtros Filtração Lavagem dos Filtros via Reservatório Filtração Um Filtro em Operação e outro em Processo de Lavagem Filtração Lavagem de um Filtro Filtração Filtro em Operação Filtração Galeria de Comando dos Filtros Filtração Filtro e no conjunto os Decantadores Filtração FILTROS Aplicação Prática Dimensionar as unidades de Filtração para uma Estação de Tratamento de Água que irá tratar a vazão de 100 ls Dados Q 100 ls N de Filtros Adotados 4 unidades Taxa de Média de Filtração 140 m3m2dia 15 4 4 140 010086400 As Resolução a Dimensões Úteis de cada Filtro Área Superficial m2 Largura Função dos Decantadores B 340 m Filtração Comprimento Útil m L 4 53 40 3 15 4 Comprimento Total LTotal 453 025 070 548 m b Espessura das Camadas e altura da Caixa do Filtro Altura livre 030 m Altura dágua sobre o Meio Filtrante 21 m Altura do Meio Filtrante Camada de antracito 050 m Camada de areia 025 m Camada Suporte 020 m Laje de fundo 010 m Fundo Falso 055 m Altura Total da Caixa do Filtro leito duplo de areia e antracito H 030 210 050 025 020 010 055 400 m Filtração c Fundo dos Filtros Falso com Crepinas Para areia com Tamanho efetivo 040 mm e antracito com 10 mm vlav vlav 070 mmin 117 cms Qlav 340 453 00117 ms 0180 m3s 180 ls Tubulação de água de lavagem Adotarseá DN 300 m s v 2 55 0 30 1804 0 2 180360 ms 1 Perda de Carga na Canalização de Lavagem onde J Perda unitária mm Q Vazão de lavagem m3s C Coef de H Williams 130 Tubos de Ferro Fundido D Diâmetro da canalização 030 m Filtração Perda de Carga na canalização hp J L 00192 mm 50 m 096 m hp Perda de Carga na Canalização m L Comprimento de canalização 50 m arbitrário como exemplo J Perda unitária mm Perdas Localizadas conexões até os filtros m g K v hf 093 2 2 Coeficiente de Perda K Quant K Total Entrada Canalização 05 1 05 Curva de 90 04 1 04 Curva de 45 02 1 02 Registro aberto 03 2 06 Tê Passagem direto 06 1 06 Saída de Canalização 05 1 05 Somatório dos Coeficientes Σ 280 K K Total 280 e v 255 ms Filtração Perda de Carga Total na tubulação de lavagem hp total 096 093 189 m 2 Perda de Carga no Meio Filtrante Características do Meio Filtrante Parâmetro Areia Antracito Tam Efetivo mm 04 10 Coef de Uniformidade 15 16 Porosidade εo 040 045 Massa Específica kgm3 2640 1500 Espessura da camada m 025 050 o l hp s 1 Onde ρs massa específica do material filtrante kgm3 ρ massa específica da água kgm3 εo porosidade l espessura da camada filtrante m Filtração m hpareia 0 25 0 40 0 25 1 1000 1000 2650 Perda de carga na areia Perda de carga no antracito m hpantracito 014 0 45 0 50 1 1000 1000 1500 3 Perda de Carga nas Crepinas Diâmetro das crepinas 34 Quantidade de crepinas 24m2 x 1540 m2filtro 370 un Vazão por crepina 180 ls 370 crepinas 049 ls 177 m3hora Perda de carga nas crepinas gráfico do fabricante 080 m 4 Perda de Carga Total para o Sistema de Lavagem dos Filtros hp lavagem 189025014005080 313 m Perda de carga na camada suporte hp vlav H3 070 mmin 020 m 3 005 m H espessura da camada suporte m Filtração Desnível do Reservatório de lavagem definido pela perda de carga Filtração e Calhas de água de Lavagem Qcalha 13bH32 Qlav 180 ls Adotandose 2 calhasfiltro Qcalha 1802 90 ls Adotandose H 035 m resulta b 033 m badotado 035 m d Canalizações FrenteFiltro Qfiltro 1004 25 ls Qlav 180 ls Tubulação Diâmetro Velocidade ms Vazãofiltro ls Lavagem DN 300 255 180 Filtrada DN 200 080 25 Decantada DN 300 035 25 Descarga DN 400 143 180 Filtração Entrada e Saída dos Filtros Filtração Perda de carga nas Crepinas mca x Vazão m3hora Sistemas de Tratamento de Água PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RGS PUCRS ESCOLA POLITÉCNICA Prof Renato Machado AULA 12 FILTRAÇÃO Se tens que lidar com água consulte primeiro a experiência depois a razão Leonardo Da Vinci Filtração 1 Importância da Filtração No tratamento de águas temos dois processos para a purificação FILTRAÇÃO e a CLORAÇÃO Sabese que existem microrganismos que são muito resistentes à cloração ameba histolítica cercarie da equistosomoseetc e que a desinfecção não é 100 eficiente e nem ocorre instantaneamente 2 Eficiência A capacidade de purificação dos FILTROS é extraordinária Adotandose a turbidez como índice teremos como exemplo Água bruta 200 uT Água Decantada 5 uT Água Filtrada 05 uT uT Unidade de turbidez Cabe ressaltar que a Portaria 8882021 MS estabelece como limite máximo de turbidez na saída da ETA 05 uT 3 Fenômenos Ocorrem fenômenos diversos ao mesmo tempo durante a FILTRAÇÃO químicos físicos e biológicos Filtração 4 Mecanismos Os flocos são encaminhados pela água e ficam retidos entre os grãos do meio filtrante e na superfície dos mesmos formando um depósito Outras substâncias também ficam retidas aumentando a PERDA DE CARGA Quando esta atingir um determinado valor lavamse os filtros 5 Materiais Filtrantes AREIA ANTRACITO GRANADA PEDRA POME 6 Requisitos dos Materiais Filtrantes Durabilidade Facilidade de obtenção Inalterabilidade Baixo custo Forma adequada Dureza Peso específico satisfatório Filtração Tipos de Filtros Camada simples Dupla camada Tripla camada Areia ou Antracito Antracito Areia Antracito Areia Granada Filtração Vantagens dos Filtros de Dupla Camada Carreira de Filtração mais longa entre lavagens Consome menos água de lavagem Produz água de melhor qualidade turbidez mais baixa 8 Granulometria dos Materiais Filtrantes Devemos nos preocupar com o Tamanho e a Distribuição dos tamanhos dos grãos São dois os parâmetros TAMANHO EFETIVO COEFICIENTE DE UNIFORMIDADE 7 Filtros de Múltiplas Camadas Antracito Densidade 140 Areia Densidade 265 Granada Densidade 480 A água entra suja e a medida que vai encontrando as camadas inferiores torna se mais limpa Todo o filtro de 2 camadas é uma ótima solução A terceira camada é um refinamento Filtração 9 Problemas da Filtração A superfície deve ser regular sem crateras ou despregamento do meio filtrante As crateras são devido a má lavagem O despregamento devese a perda de carga excessiva Outros problemas estão relacionados a formação de bolas de lodo e a presença de bolhas de ar 10 Filtros Rápidos de Gravidade Fluxograma do Processo Filtração 11 Taxa de Filtração Um dos elementos fundamentais no projeto e operação de filtros é a denominada taxa de filtração dada pela expressão TF Q A Onde TF taxa de filtração em m3m2dia Q vazão filtrada em m³dia A área da superfície filtrante em m² De acordo com a NBR12216 o valor máximo dessa taxa deve ser determinado através de ensaios realizados em filtropiloto Caso não for possível realizar esses ensaios as taxas máximas são as seguintes Filtros de camada simples 180 m³m²dia Filtros de camada dupla 360 m³m²dia 12 Disposição Construtiva Filtração Calhas antecâmara e comando das válvulas Filtração Filtro Duplo da ETA Menino Deus Filtração 13 Número de Filtros O número mínimo admissível é 2 e o mínimo desejável é 3 para reduzir a sobrecarga durante a lavagem de um deles O número de filtros na ETA depende da magnitude da ETA do número de etapas da construção do layout da ETA de fatores econômicos relacionados com tubulações e estruturas Vazão Ls 20 50 250 500 1000 1500 2000 N de Filtros 2 3 4 6 8 10 14 14 Forma e Dimensões Os filtros normalmente são de forma quadrada ou retangular Dimensões finais em planta são estabelecidas em função do tipo de fundo de filtro do tipo de lavagem auxiliar do espaçamento e das dimensões das calhas que recebem a água de lavagem da economia de paredes Filtração 15 Espessura das Camadas e Altura da Caixa do Filtro A altura do fundo falso deve ser 050 m O valor mínimo é dado por H D 025 onde D é o diâmetro da tubulação de água para lavagem A altura dágua mínima sobre o meio filtrante pode ser fixada por Taxa de Filtração m3m2dia Altura dágua m 100 13 200 16 300 20 400 25 Filtração 16 Meio Filtrante a Filtro de Camada Simples Areia Espessura da camada 055 m Tamanho efetivo 05 a 06 mm Coef de Uniformidade 16 Tamanhos Mínimo e Máximo 042 a 12 mm Sob a camada de areia usase uma camada intermediária de areia mais grossa conhecida como CAMADA TORPEDO com a seguinte granulometria Espessura da camada 008 a 0125 m Tamanho efetivo 08 mm Coef de Uniformidade 17 b Filtro de Dupla Camada Areia e Antracito Materiais Espessura da Camada Tamanho Efetivo Coef Unifor midade Var m Méd m Recom m Var mm Méd mm Recom mm Antracito 045 070 055 055 07 13 10 09 18 Areia 015 030 020 025 0305 04 04 16 Filtração 17 Camada Suporte A camada suporte geralmente é composta de 5 subcamadas com uma altura total de 045 a 055m Normalmente são adotados os seguintes tamanhos para as subcamadas de pedregulho Tamanho mm Espessura mm 48 24 125 48 190 125 380 190 630 380 Σ 75 75 100 100 150 500 18 Fundo dos Filtros Tradicionalmente são utilizados três tipos Fundo Falso com Bocais Distribuidores Sistema de Canalizações Perfuradas Dutos ou Blocos Distribuidores Leopold Filtração 19 Fundo Falso com Bocais Distribuidores Distância E m 0125 015 020 N de Bocais m² 64 45 25 Altura da Câmara Inferior A D 025 Os bocais distribuidores podem ser de louça PVC vidro ou bronze É importante especificarmos se a lavagem do filtro será feita com água ou com ar e água A perda de carga nos Bocais é um dado a ser fornecido pelo fabricante Normalmente fica compreendida entre 05 a 10 m durante a lavagem e 015 a 025 m durante a filtração Filtração Fundo falso com crepinas Filtração 20 Sistema de Canalizações Perfuradas As canalizações são instaladas sobre a laje de fundo do filtro Canalização Principal D Dimensionadas em função da área do filtro Área do Filtro m² D mm Área do Filtro m² D mm 25 200 10 350 50 250 20 500 75 300 30 600 Tubulação Principal ou múltiplo laterais Filtração Canalização Lateral DL Dimensionadas em função do comprimento do lateral Compr L m 10 15 25 Diam DL mm 50 75 75 O espaçamento dos Laterais e dos furos será idêntico 020 ou 025 ou 030 m Furos nos Laterais Espaçamento dos Furos m Espaçamento dos Laterais m 020 025 030 020 12 025 58 030 34 Nota L é considerado do múltiplo centro do filtro até a parede Filtração Simplificação da Tecnologia Filtração 21 Sistema com Blocos Distribuidores Leopold Vantagens Facilidade de Instalação Desvantagem Maior Custo Excelente Distribuição Hidráulica Grande Durabilidade Redução da camada Suporte Redução da Perda de Carga Filtração 22 Canalizações Imediatas dos Filtros Um filtro é constituído de 4 Canalizações comandadas por válvulas e um dreno cujo dimensionamento é estabelecido em função da Velocidade Canalizações Velocidades Limites ms Água Decantada E 030 070 Água Filtrada S 080 130 Água Lavagem L 180 360 Descarga Lavagem D 090 180 Dreno R DN 50 DN 300 Filtração 23 Lavagem dos Filtros A lavagem dos filtros é feita com água tratada à contracorrente com grande vazão para poder expandir o meio filtrante dentro de certos limites A velocidade ascencional da água durante a lavagem deve ser suficiente para expandir o meio filtrante e aumentar os espaços intergranulares A expansão deve estar compreendida entre 25 e 40 Velocidade Ascencional mmin para 35 de expansão 23C Tamanho Efetivo mm Areia Antracito P Fluidificar p Expandir P Fluidificar p Expandir 03 015 045 04 020 070 05 030 085 06 040 110 008 036 08 055 150 011 050 10 070 014 065 12 090 019 080 Filtração A Vazão da água para Lavagem dos filtros é determinada Q m3min Área do Filtro m² x Velocidade Ascencional mmin A capacidade do Reservatório de água para Lavagem depende do número de Filtros da ETA e do Tempo de Lavagem de cada Filtro 24 Calhas de Água de Lavagem As calhas para recolhimento da água de Lavagem dependem Fluxo da água durante a Lavagem Impurezas Arrastadas Dimensões do Filtro Filtração Dimensionamento das Calhas Qcalha 13BH32 Sistemas de Tratamento de Água E S C O L A P O L I T É C N I C A AULA 11 DECANTAÇÃO Prof Renato Machado Decantação 1ª Aplicação Prática Dimensionamento dos Decantadores Arranjo Geral da Instalação Decantação Aplicação Prática Dimensionamento dos Decantadores Dimensionar as unidades de decantação para uma Estação de Tratamento de Água que irá tratar a vazão de 280 ls A decantação será realizada em 2 unidades de escoamento horizontal Dados Prof útil Hu 370 m Taxa Esc Sup QA 30 m3m2dia Disposição do Decantador em relação ao Floculador Decantação Desenvolvimento 2 5736 10656 140 0 70 32 403 Q V Td seg h a Área Superficial b Tempo de detenção Teórico 3417m 1180 40320 L c Comprimento do Decantador Sendo a largura B 1180 m obtida em função do Floculador Obtemos o comprimento Ladotado 3420 m Decantação 2 90 80 11 20 34 B L 9 24 70 3 20 34 H L Relação entre 225 a 5 OK entre 4 e 25 OK Relação d Velocidade de deslocamento do fluxo cm s m s 0 32 0 0032 80 3 70 11 0140 VH 15 cms OK e Espaço para acumulação do Lodo Vol útil do dec V 34201180370 149317 m3 Para águas coloridas Vlodo 10 V Vlodo 10 149317 14932 m3 f Canal de Alimentação dos decantadores seção transversal constante Adotandose as dimensões largura do canal B 10 m altura da lâmina dágua h 080 m Decantação 0175m s 10080 0140 Bh Q v 0 3077m 80 02 01 80 001 2h B Bh Rh 15 5 0 v Rh f 350 5 1 5 0 0175 3077 0 0 030 350 Velocidade de escoamento v Raio Hidráulico no canal Rh Gradiente de Velocidade no canal G20 C G20 C 80 s1 G20 C G20 C 2 Rh23 nv I 2 307723 0 0 012 0 175 Perda de Carga no Canal hf Segundo Manning hf I L 00000212 1180 00003 m desprezível 00000212 mm L 1180 m comprimento do canal f Coef Fórmula de Darcy Decantação g Comportas de Entrada dágua Adotandose 3 comportas por decantador Qcomporta 1403 4667 ls largura do comporta b 04 m altura dágua na comporta h 080 m 080040 0 04667 vc 2981 0146 2g v h 2 2 o Velocidade na passagem pelas comportas vc 0146 ms 00011 m desprezível Perda de carga na comporta ho Raio hidráulico na comporta Rh 80 02 40 0 40 0 80 0 2h b bh Rh 016 m 15 5 0 v Rh f 350 5 1 5 0 0 146 0 16 0 030 350 Gradiente de Velocidade na comporta G20 C 845 s1 G20 C Decantação h Cortina Difusora Placas Prémoldadas N de orifícios 20 colunas e 5 linhas 100 orifícios espaçamento entre 050 e 10 m Vazão por orifício 40 1 100 140 qorif ls 0 079 0 0177 0 0014 vorif 0 0003m 81 92 079 0 2g v hp 2 2 Diâmetro dos orifícios DN 150 adotado Área dos orifícios Aorif 00177 m2 Vel nos orifícios Perda de carga na cortina ms i Descarga de Lodo expurgo do decantador 01753 4 44 1 4850 40360 h 4850t A S m2 tubo DN 500 t tempo de descarga horas e h profundidade da válvulam ver detalhes a seguir ver detalhes a seguir Decantação j Recolhimento da água decantada Será feito por três calhas coletoras longitudinais ao fluxo do decantador com comprimento de 0018HVs q onde q vazão por metro de vertedor das calhas ls m H profundidade do decantador m Vs velocidade de sedimentação m3m2dia 77 8 81 140 Lvertedor 4 86m 28 77 8 Lcalha q 001837030 199 lsm valor adotado qmáx18 lsm NBR12216 m 490 m adotado obs 8 calhas com 2 vertedorescalha Vazão por calha 1750l s 8 140 de calhas n Q Q Dec calha Decantação Dimensões das calhas coletoras 32 calha 137bHo Q Qcalha 00175 m3s b 030 m adotado Ho 012 m Hadotado 025 m NBR12216 O nível máx de água no interior das calhas deve situarse à distância mínima de 10 cm abaixo da borda vertente Decantação Planta Geral do FloculadorDecantador Decantação Detalhes da Cortina Difusora Cortina executada em placas de concreto prémoldadas com orifícios de tocos de PVC DN 150 Orifícios espaçados entre 050 e 100 m Borda distância do nível dágua à passarela do decantador Decantação Detalhes da Descarga de Lodos Área de Lodo Vol LodoL149323420 437 m2 Área de Lodo BdecantadorΔh2 437 m2 Δh 437 21180 074 m Altura da válvula em relação ao Nível dágua h Hu Δh 370 074 444 m 01753 2 4 44 1 4850 40360 h 4850t A S m tubo DN 500 Decantação 2ª Aplicação Prática Dimensionamento de Canal de Alimentação dos Decantadores de Seção Transversal Variável Nota Metodologia recomendada quando vários decantadores são abastecidos por uma única unidade de floculação Canal de seção Transversal Variável largura constante e altura variável abastecendo dois decantadores quatro comportas no total Velocidade admissível no canal entre 015 e 065 ms Dados QETA216 Ls bcanal070 m V020 ms Decantação O dimensionamento será realizada para quatro 4 seções de escoamento escolhidas no eixo de cada comporta C1 C2 C3 e C4 Vide a figura 1 Seção 1 S1 Q1v 0216020 108 m² Q1 vazão total m3s e v velocidade mantida constante ms Sendo b 070 m constante h Sb resulta h1154 m altura dágua na seção 1 Rh1 bh1 2h1b 070154 2154070 02852m G1 350 fRh05 v15 350 00300285205 02015 1015s1 2 Seção 2 S2 Q2v 0162020 081m² Q2 vazão total vazão da 1ª comporta e v velocidade cte ms Sendo b 070 m constante resulta h2116 m altura dágua na seção 2 Rh2 bh2 2h2b 070116 2116070 02689m G2 350 fRh05 v15 350 00300268905 02015 1045s1 3 Seção 3 S3 Q3v 0108020 054m² Q3 vazão total Q da 1ª e 2ª comportas e v vel cte ms Sendo b 070 m constante resulta h3 0771 m altura dágua na seção 3 Rh3 bh3 2h3 b 0700771 20771 070 02407m G3 350 f Rh ⁰⁵ v¹ ⁵ 350 0030 02407⁰⁵ 020 ¹ ⁵ 1105 s¹ 4 Seção 4 S4 Q4v 0054020 027m² Q4 vazão total Q da 1ª 2ª e 3ª comportas e v vel cte ms Sendo b 070 m constante resulta h4 039 m altura dágua na seção 4 Rh4 bh4 2h4 b 070039 2039 070 01845m G4 350 f Rh ⁰⁵ v¹ ⁵ 350 0030 01845⁰⁵ 020 ¹ ⁵ 1262 s¹ 5 Comportas Dimensões estabelecidas manter mesma vel Canal bComporta 070m e hComporta 039m vComporta Qcomp Acomp 0054 070 039 020 ms Rhcomp 01845 m Gcomp 1262 s¹ Decantação Detalhes do Canal Floculador Único bcanal 070 m Canal de Seção Variável Bdec 866 m Decantador 1 Bdec 866 m Decantador 2 C4 bcomp C3 C2 Comporta C1 Nível dágua h4 039m h3 077m h2 116m h1 154m