Aula 4 - Sedimentacao

UNIVERSIDE TECNOLÓGICA
FEDERAL DO PARANÁ
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
SANEAMENTO
SEDIMENTAÇÃO GRAVITACIONAL
Prof. Dr. Roque Passos Piveli
Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho
Adaptado por: Eudes José Arantes
SEDIMENTAÇÃO GRAVITACIONAL
► Introdução
► Lei
de Newton
► Lei de Stokes
► Sedimentação Discreta (Tipo I)
► Modelação Matemática do Processo
de Sedimentação Discreta
SEDIMENTAÇÃO GRAVITACIONAL
► Sedimentação
Floculenta (Tipo II)
► Decantadores convencionais de fluxo
horizontal
► Decantadores laminares
► Exercício – Dimensionamento de
decantadores convencionais e
laminares
TRATAMENTO CONVENCIONAL DE ÁGUAS
DE ABASTECIMENTO
Manancial
Coagulação
Floculação
Sedimentação
Polímero
Correção de pH
Alcalinizante
Água Final
Fluoretação
Desinfecção
Agente oxidante
Filtração
SEDIMENTAÇÃO GRAVITACIONAL
SEDIMENTAÇÃO GRAVITACIONAL
SEDIMENTAÇÃO GRAVITACIONAL
PROCESSO DE LODOS ATIVADOS
CONVENCIONAL
Grade
Caixa de areia
Decantador
Primário
Tanque de
Aeração
Decantador
Secundário
Rio
Adensamento
Digestão
Secagem
Lodo “Seco”
SEDIMENTAÇÃO GRAVITACIONAL
SEDIMENTAÇÃO GRAVITACIONAL
SEDIMENTAÇÃO GRAVITACIONAL
SEDIMENTAÇÃO
Definição: Processo de separação
sólido-líquido que tem como força
propulsora a ação da gravidade.
SEDIMENTAÇÃO
Classificação dos Processos de
Sedimentação
► Sedimentação
discreta (Tipo 1)
► Sedimentação floculenta (Tipo 2)
► Sedimentação em zona (Tipo 3)
► Sedimentação por compressão (Tipo 4)
Velocidade de Sedimentação
Força de arraste
C d .  . Ap .V
Fa 
2
Empuxo
Peso
2
 Fy
0
P  Fa  E
E   .Vol . g
P  m p . g   p .Vol . g
Velocidade de Sedimentação
Empuxo
Força de arraste
P  Fa  E
Peso
C d .  . Ap .V
  . g .Vol   p . g .Vol
2
2
C d .  . Ap .V 2
  p . g .Vol   . g .Vol
2
Velocidade de Sedimentação
Empuxo
Força de arraste
Peso
Vol 
C d .  . Ap .V
  p . g .Vol   . g .Vol
2
2
4.(  p   ). g .d p
V
3.  .C d
 .d
6
3
p
Velocidade de Sedimentação
Força de arraste
Empuxo
Peso
Log Cd
0,44
Região A
Região C
Região D
Região B
0,1
0,2
500
2.105
Log Re
Velocidade de Sedimentação
Log Cd
0,44
Região A
Região C
Região D
Região B
Lei de Newton
0,1
0,2
4.(  p   ). g .d p
V
3.  .C d
g .(  p   ).d 2p
V
18.
500
2.105
Log Re
24
24.
Cd 

Re V .d p . 
Lei de Stokes
SEDIMENTAÇÃO DISCRETA (TIPO I)
► Sedimentação
discreta: As partículas
permanecem com dimensões e
velocidades constantes ao longo do
processo de sedimentação, não
ocorrendo interação entre as mesmas
SEDIMENTAÇÃO DISCRETA (TIPO I)
SEDIMENTAÇÃO DISCRETA (TIPO I)
SEDIMENTAÇÃO DISCRETA (TIPO I)
SEDIMENTAÇÃO DISCRETA (TIPO I)
SEDIMENTAÇÃO DISCRETA (TIPO I)
Sedimentação Discreta (Tipo I)
1
Vh
H
2
Vs
B
L
L  Vh .t
H  VS .t
Vh . H
VS 
L
Q
Vh 
B.H
Sedimentação Discreta (Tipo I)
1
Vh
H
2
Vs
B
L
Vh . H
VS 
L
Q
Vh 
B.H
Q.H
VS 
B. H . L
Q
Q
VS 

B . L As
Sedimentação Discreta (Tipo I)
Vs  q
1
Vh
H
2
Vs
B
L
Q
Q
VS 

B . L As
Q
q
As
Taxa de escoamento
superficial
Partículas com Vs superiores a q serão removidas
durante o processo de sedimentação gravitacional
Sedimentação Discreta (Tipo I)
Análise do Equacionamento Matemático
Q
VS 
q
As
Vs  q
Vs=Velocidade de sedimentação (m/s)
q=taxa de escoamento superficial(m3/m2/dia)
►q
é função somente da geometria do
decantador, portanto, é um parâmetro de
projeto.
Sedimentação Discreta (Tipo I)
Análise do Equacionamento Matemático
Q
VS 
q
As
Vs  q
Vs=Velocidade de sedimentação (m/s)
q=taxa de escoamento superficial(m3/m2/dia)
► Vs
é uma propriedade da partícula, podendo
esta ser manipulada mediante a operação
dos processos de coagulação-floculação
Floculação e Sedimentação
Frequência relativa
Água bruta
Água coagulada
dc apresenta Vs
Se Vs > q, todas as
partículas com diâmetro
superior a dc serão
removidas
Diâmetro crítico
Diâmetro das partículas
Floculação e Sedimentação
Água bruta
Água coagulada
Água floculada
Frequência relativa
dp > dc
Partículas
sedimentáveis
Diâmetro crítico
Diâmetro das partículas
Sedimentação Discreta (Tipo I)
1
Vh
H
2
Vs
B
L
Propriedade da sedimentação discreta: A dimensão física
da partícula permanece inalterada durante o seu
processo de sedimentação gravitacional, o que significa
dizer que a sua velocidade de sedimentação é constante.
SEDIMENTAÇÃO FLOCULENTA
(TIPO II)
► Sedimentação
floculenta: a
velocidade de sedimentação das
partículas não é mais constante, uma
vez que as mesmas agregam-se ao
longo do processo de sedimentação.
SEDIMENTAÇÃO FLOCULENTA
(TIPO II)
► Com
o aumento do diâmetro das
partículas há, conseqüentemente, o
aumento de sua velocidade de
sedimentação ao longo da altura.
Sedimentação Floculenta (Tipo II)
1
H
Vh
Vs
2
B
L
Propriedade da sedimentação floculenta: A dimensão física da
partícula é alterada durante o seu processo de sedimentação
gravitacional (floculação por sedimentação diferencial), o que
significa dizer que a sua velocidade de sedimentação é variável.
DECANTADORES CONVENCIONAIS
EM ETA’S E ETE’S
DECANTADORES CONVENCIONAIS
EM ETA’S E ETE’S
DECANTADORES CONVENCIONAIS
ETA ALTO DA BOA VISTA
DECANTADORES CONVENCIONAIS
ETA ALTO DA BOA VISTA
DECANTADORES CONVENCIONAIS
ETA ALTO DA BOA VISTA
DECANTADORES CONVENCIONAIS
ETA ALTO DA BOA VISTA
DECANTADORES CONVENCIONAIS
ETA GUARAÚ (SABESP)
DECANTADORES CONVENCIONAIS
ETA GUARAÚ (SABESP)
DECANTADORES CONVENCIONAIS
ETA GUARAÚ (SABESP)
DECANTADORES CONVENCIONAIS
ETA GUARAÚ (SABESP)
DECANTADORES CONVENCIONAIS
ETA GUARAÚ (SABESP)
DECANTADORES CONVENCIONAIS
ETA ALTO TIÊTE (SABESP)
DECANTADORES CONVENCIONAIS
ETA ALTO TIÊTE (SABESP)
DECANTADORES CONVENCIONAIS
ETA ALTO TIÊTE (SABESP)
DECANTADORES CONVENCIONAIS
ETA ALTO TIÊTE (SABESP)
DECANTADORES CONVENCIONAIS
PARÂMETROS DE PROJETO
► Taxa
de escoamento superficial: 20
m3/m2/dia a 60 m3/m2/dia.
► (Função das características de
sedimentabilidade do floco, definidas
pelas etapas de coagulaçãofloculação)
► Altura do decantador: 3,0 metros a 5,0
metros.
DECANTADORES CONVENCIONAIS
PARÂMETROS DE PROJETO
Comprimento/Largura  4
► Taxa de escoamento linear (vertedor)
 1,8 l/m/s
► Re  20.000 (Verificação)
► Fr  10-5
► Relação
R 
e
V . R .
h

2
V
F 
g.R
r
h
LAY-OUT DE ETAs
ASSOCIAÇÃO FLOCULADORES E
DECANTADORES
CASA DE
QUÍMICA
Canal de água coagulada
LAY-OUT DE ETAs
ASSOCIAÇÃO FLOCULADORES E
DECANTADORES
Canal de água coagulada
CASA DE
QUÍMICA
LAY-OUT DE ETAs
ASSOCIAÇÃO FLOCULADORES E
DECANTADORES
Canal de água coagulada
CASA DE
QUÍMICA
DECANTADORES DE FLUXO LAMINAR
L’
1
Vh
H
2
Vs
B
H/2
L
H  V S .t
L  Vh .t
Vh . H
VS 
L
02 canais
L
L
2
'
DECANTADORES DE FLUXO LAMINAR
L’
1
Vh
H
2
Vs
B
H/4
L
H  V S .t
L  Vh .t
Vh . H
VS 
L
02 canais
n canais
L
L
4
'
L
L
n
'
DECANTADORES DE FLUXO LAMINAR

Vsh
Vsv
V0
l
Vs
w

Trajetória crítica
h
sen  
l
Vsv
sen  
Vs
Vsv  Vs . sen 
Vsh
cos  
Vs
Vsh  Vs . cos 
h
DECANTADORES DE FLUXO LAMINAR

Vsh
Vsv
V0
l
Vs
w

Trajetória crítica
Vsv  Vs . sen 
Vsh  Vs . cos 
l  V0  Vsv .t
w  Vsh .t
l
w

V0  Vsv  Vsh
h
DECANTADORES DE FLUXO LAMINAR

Vsh
Vsv
V0
l
l
L
w
Vs
w

Trajetória crítica
l
w

V0  Vs .sen  Vs . cos 
w .V0
Vs 
l . cos   w .sen 
V0
Vs 
 L. cos   sen 
h
DECANTADORES DE FLUXO LAMINAR
Ap

Vsh
Vsv
V0
l
Vs
w
h

V0
Vs 
 L. cos   sen 
Q
Q
V0 

A0 Ap . sen
Trajetória crítica
Q . Sc
Vs 
Ap . sen  . L. cos   sen  
Equação de dimensionamento
DECANTADORES DE FLUXO LAMINAR
CONVENCIONAL X LAMINAR
Q
q  Vs 
A
Decantador convencional
Q . Sc
Vs 
Ap . sen  . L. cos   sen  
Decantador laminar
qL . Sc
qc 
sen . L. cos   sen 
qL sen  . L. cos   sen  

qc
Sc
•Sc=1 (Placas planas)
•Sc=4/3 (Tubos circulares)
•Sc=11/8 (Tubos quadrados)
CONVENCIONAL X LAMINAR
ÂNGULO DAS PLACAS
Sedimentação laminar - Ângulo das placas
9
8
7
qL/qC
6
5
qL sen  . L. cos   sen  

qc
Sc
4
3
2
1
0
10
20
30
40
50
60
Ângulo das placas com a horizontal
70
80
CONVENCIONAL X LAMINAR
GRANDEZA L (l/w)
Sedimentação laminar - Efeito da grandeza L (l/w)
0,90
0,80
qL sen  . L. cos   sen  

qc
Sc
0,70
qC/qL
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
0
10
20
30
l/w
40
50
60
DECANTADORES LAMINARES
ETA RIO GRANDE (SABESP)
DECANTADORES LAMINARES
ETA RIO GRANDE (SABESP)
DECANTADORES LAMINARES
ETA RIO GRANDE (SABESP)
DECANTADORES LAMINARES
ETA CAPIVARI (SANASA)
DECANTADORES LAMINARES
ETA CAPIVARI (SANASA)
DECANTADORES LAMINARES
ETA CAPIVARI (SANASA)
DECANTADORES LAMINARES
ETA CAPIVARI (SANASA)
DECANTADORES LAMINARES
ETA CAPIVARI (SANASA)
DECANTADORES LAMINARES
PARÂMETROS DE PROJETO
► Velocidade
de sedimentação: 20
m3/m2/dia a 60 m3/m2/dia.
► (Função das características do floco,
definidas pelas etapas de coagulação
e floculação)
► Ângulo das placas com a horizontal:
60o
DECANTADORES LAMINARES
PARÂMETROS DE PROJETO
► Comprimento
da placa: 0,6 metros a
1,2 metros
► Velocidade de escoamento entre as
placas: 15 cm/min a 20 cm/min
► Espessura entre as placas: 4 cm a 8
cm
DECANTADORES LAMINARES
PARÂMETROS DE PROJETO
► Altura
do decantador: 4,0 metros a
6,0 metros.
► Relação Comprimento/Largura  2
► Taxa de escoamento linear (vertedor)
 1,8 l/m/s
DIMENSIONAMENTO DE
UNIDADES DE SEDIMENTAÇÃO
► Vazão:
1,0 m3/s
► Velocidade de sedimentação dos
flocos: 40 m/dia
► Número de unidades de sedimentação:
04
► Profundidade da lâmina líquida=4,5 m
DIMENSIONAMENTO DE
DECANTADORES CONVENCIONAIS
DIMENSIONAMENTO DE
DECANTADORES CONVENCIONAIS
DIMENSIONAMENTO DE
DECANTADORES CONVENCIONAIS
►Cálculo
da área
Q
VS  q 
AS
Q 21.600 m 3 / dia
2
AS  
 540 m
3
2
q 40 m / m / dia
DIMENSIONAMENTO DE
DECANTADORES CONVENCIONAIS
►Verificação
do tempo de
detenção hidráulico
3
Vdec
540 m .4,5 m
h 

 2,7 horas
3
Q
0,25 m / s .3.600 s / hora
DIMENSIONAMENTO DE
DECANTADORES CONVENCIONAIS
►Definição
da geometria do
decantador
Admitindo uma relação entre L/B igual a 4,
tem-se que:
B  12,0 m
2
2
AS  B . L  4. B  540 m
L  47,0 m
B  11,6 m
AS  B . L  12,0 m .47,0 m  564 m 2
DIMENSIONAMENTO DE
DECANTADORES CONVENCIONAIS
►Verificação
da taxa de
escoamento superficial
Q 21.600 m 3 / dia
3
2
q


38
,
3
m
/
m
/
dia
AS
564 m 2
►Cálculo
da velocidade horizontal
Q
0,25 m 3 / s
Vh 

 0,463 cm / s
Ah 4,5 m .12,0 m
DIMENSIONAMENTO DE
DECANTADORES CONVENCIONAIS
►Cálculo
do Raio Hidráulico
B .h
4,5.12,0
Rh 

 2,57 m
 B  2.h 12,0  2.4,5
►Cálculo
Re 
Vh . Rh

do Número de Reynolds
 11.905
 20.000 OK 
DIMENSIONAMENTO DE
DECANTADORES CONVENCIONAIS
►Dimensionamento
das calhas de
coleta de água decantada
ql  0,018. H .q
ql=vazão linear nas calhas de coleta de água
decantada (l/s/m)
H=altura útil do decantador (m)
q=taxa de escoamento superficial no
decantador (m3/m2/dia)
DIMENSIONAMENTO DE
DECANTADORES CONVENCIONAIS
DIMENSIONAMENTO DE
DECANTADORES CONVENCIONAIS
DIMENSIONAMENTO DE
DECANTADORES CONVENCIONAIS
►Dimensionamento
das calhas de
coleta de água decantada
ql  0,018. H .q
ql  0,018.4,5.38,3
ql  3,10 l / s / m
Valor de projeto adotado: 2,5 l/s/m
DIMENSIONAMENTO DE
DECANTADORES CONVENCIONAIS
►Cálculo
do comprimento total de
vertedor
Valor de projeto adotado: 2,5 l/s/m
Q
ql 
Lv
250 l / s
Lv 
 100 m
2, 5 l / s / m
DIMENSIONAMENTO DE
DECANTADORES CONVENCIONAIS
►Cálculo
do comprimento total de
vertedor
Admitindo que o comprimento da calha de
coleta de água de lavagem não exceda a 20%
do comprimento do decantador, tem-se que:
Lcalha  47,0 m .0,2  9,4 m
DIMENSIONAMENTO DE
DECANTADORES CONVENCIONAIS
►Cálculo
do número de calhas
Lv
100 m
N calhas 

 5, 3
2. Lcalha 2.9,4 m
Portanto, vamos adotar um total de 06 calhas,
com 9,0 metros de comprimento
Lv  06 calhas .9,0 m .2  108 m
Q 250 l / s
ql 

 2,31 l / s / m
Lv 108 m
DIMENSIONAMENTO DE
DECANTADORES CONVENCIONAIS
►Cálculo
calhas
do espaçamento entre as
12,0 m
Esp 
 2 ,0 m
06 calhas
DIMENSIONAMENTO DE
DECANTADORES CONVENCIONAIS
12,0 m
9,0 m
1,0 m
2,0 m
47,0 m
LAY-OUT DE ETAs
ASSOCIAÇÃO FLOCULADORES E
DECANTADORES
CASA DE
QUÍMICA
Canal de água coagulada
LAY-OUT DE ETAs
ASSOCIAÇÃO FLOCULADORES E
DECANTADORES
Canal de água coagulada
CASA DE
QUÍMICA
LAY-OUT DE ETAs
ASSOCIAÇÃO FLOCULADORES E
DECANTADORES
Canal de água coagulada
CASA DE
QUÍMICA
Muito
Obrigado !!!