ESCOLA POLITÉCNICA DA USP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA PHD 5745 – PROCESSOS FÍSICO-QUÍMICOS I SEDIMENTAÇÃO GRAVITACIONAL Prof. Dr.

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1 ESCOLA POLITÉCNICA DA USP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA PHD 5745 – PROCESSOS FÍSICO-QUÍMICOS I SEDIMENTAÇÃO GRAVITACIONAL Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho

2 SEDIMENTAÇÃO GRAVITACIONAL ► Introdução ► Sedimentação Discreta (Tipo I) ► Lei de Newton ► Lei de Stokes ► Modelação Matemática do Processo de Sedimentação Discreta ► Parâmetros de Projeto

3 SEDIMENTAÇÃO GRAVITACIONAL ► Sedimentação Floculenta (Tipo II) ► Modelação Matemática do Processo de Sedimentação Floculenta ► Ensaio em Coluna de Sedimentação ► Parâmetros de Projeto

4 SEDIMENTAÇÃO GRAVITACIONAL ► Sedimentação em Zona (Tipo III) ► Modelação Matemática do Processo de Sedimentação em Zona ► Dimensionamento de Adensadores ► Método proposto por Coe e Clevenger ► Parâmetros de Projeto

5 TRATAMENTO CONVENCIONAL DE ÁGUAS DE ABASTECIMENTO ManancialCoagulaçãoFloculaçãoSedimentação Filtração Desinfecção FluoretaçãoCorreção de pH Água Final Agente oxidante CAP CoagulanteAlcalinizante Agente oxidante Polímero Agente oxidante Flúor Alcalinizante

6 Decantadores !!! SEDIMENTAÇÃO GRAVITACIONAL

7 Decantadores !!! SEDIMENTAÇÃO GRAVITACIONAL

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11 PROCESSO DE LODOS ATIVADOS CONVENCIONAL Grade Caixa de areia Decantador Primário Tanque de Aeração Decantador Secundário Adensamento Digestão SecagemLodo “Seco” Rio

12 SEDIMENTAÇÃO GRAVITACIONAL

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17 SEDIMENTAÇÃO Definição: Processo de separação sólido-líquido que tem como força propulsora a ação da gravidade.

18 SEDIMENTAÇÃO Classificação dos Processos de Sedimentação ► Sedimentação discreta (Tipo 1) ► Sedimentação floculenta (Tipo 2) ► Sedimentação em zona (Tipo 3) ► Sedimentação por compressão (Tipo 4)

19 Peso Empuxo Força de arraste Velocidade de Sedimentação

20 Peso Empuxo Velocidade de Sedimentação Força de arraste

21 Velocidade de Sedimentação Peso Empuxo Força de arraste

22 Velocidade de Sedimentação Peso Empuxo Força de arraste Log R e Log C d Região A Região B Região C Região D 0,2 5002.10 5 0,44 0,1

23 Velocidade de Sedimentação Lei de Newton Lei de Stokes Log R e Log C d Região A Região B Região C Região D 0,2 5002.10 5 0,44 0,1

24 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

25 SEDIMENTAÇÃO DISCRETA (TIPO I)

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30 Sedimentação Discreta (Tipo I) B H L 1 2 VhVh VsVs

31 B H L 1 2 VhVh VsVs

32 B H L 1 2 VhVh VsVs Taxa de escoamento superficial Partículas com V s superiores a q serão removidas durante o processo de sedimentação gravitacional

33 Sedimentação Discreta (Tipo I) Análise do Equacionamento Matemático V s =Velocidade de sedimentação (m/s) q=taxa de escoamento superficial(m 3 /m 2 /dia) ► q é função somente da geometria do decantador, portanto, é um parâmetro de projeto.

34 Sedimentação Discreta (Tipo I) Análise do Equacionamento Matemático V s =Velocidade de sedimentação (m/s) q=taxa de escoamento superficial(m 3 /m 2 /dia) ► V s é uma propriedade da partícula, podendo esta ser manipulada mediante a operação dos processos de coagulação-floculação

35 Floculação e Sedimentação Diâmetro das partículas Frequência relativa Água bruta Água coagulada Diâmetro crítico Se V s > q, todas as partículas com diâmetro superior a d c serão removidas d c apresenta V s

36 Floculação e Sedimentação Diâmetro das partículas Frequência relativa Água bruta Água coagulada Água floculada Diâmetro crítico d p > d c Partículas sedimentáveis

37 Sedimentação Discreta (Tipo I) 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. B H L 1 2 VhVh VsVs

38 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.

39 SEDIMENTAÇÃO FLOCULENTA (TIPO II) ► Com o aumento do diâmetro das partículas há, conseqüentemente, o aumento de sua velocidade de sedimentação ao longo da altura.

40 Sedimentação Floculenta (Tipo II) 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. B H L 1 2 VhVh VsVs

41 Sedimentação Floculenta (Tipo II) B H L 1 2 VhVh VsVs

42 C0C0 C0C0 C0C0 C0C0 C0C0 C0C0 Tempo Altura C 1,t 1 C 2,t 1 C 3,t 1 C 4,t 1 C 5,t 1 C 6,t 1 t0t0 t1t1 C 1,t 2 C 2,t 2 C 3,t 2 C 4,t 2 C 5,t 2 C 6,t 2 t2t2 C 1,t n C 2,t n C 3,t n C 4,t n C 5,t n C 6,t n tntn

43 Sedimentação Floculenta (Tipo II) Tempo R0R0 R0R0 R0R0 R0R0 R0R0 R0R0 Altura R 1,t 1 R 2,t 1 R 3,t 1 R 4,t 1 R 5,t 1 R 6,t 1 t0t0 t1t1 R 1,t 2 R 2,t 2 R 3,t 2 R 4,t 2 R 5,t 2 R 6,t 2 t2t2 R 1,t n R 2,t n R 3,t n R 4,t n R 5,t n R 6,t n tntn

44 R0R0 R0R0 R0R0 R0R0 R0R0 R0R0 Sedimentação Floculenta (Tipo II) Tempo Altura R 1,t 1 R 2,t 1 R 3,t 1 R 4,t 1 R 5,t 1 R 6,t 1 t0t0 t1t1 R 1,t 2 R 2,t 2 R 3,t 2 R 4,t 2 R 5,t 2 R 6,t 2 t2t2 R 1,t n R 2,t n R 3,t n R 4,t n R 5,t n R 6,t n tntn 100% 80% 60% 50% 40% 20%

45 Sedimentação Floculenta (Tipo II) Tempo Altura t0t0 t1t1 t2t2 tntn

46 Sedimentação Floculenta (Tipo II) Tempo Altura t0t0 t1t1 t2t2 tntn

47 Sedimentação Floculenta (Tipo II) Tempo Altura t0t0 t1t1 t2t2 tntn

48 Sedimentação Floculenta (Tipo II) Tempo Altura t0t0 t1t1 t2t2 tntn

49 Sedimentação Floculenta (Tipo II) Tempo Altura t0t0 t1t1 t2t2 tntn

50 Sedimentação Floculenta (Tipo II) Tempo Altura t0t0 t1t1 t2t2 tntn

51 Sedimentação Floculenta (Tipo II) Tempo Altura t0t0 t1t1 t2t2 tntn Remoção SST (%) Taxa de escoamento superficial (m 3 /m 2 /dia)

52 Sedimentação Floculenta (Tipo II)

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54 DECANTADORES CONVENCIONAIS EM ETA’S E ETE’S

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56 DECANTADORES CONVENCIONAIS ETA ALTO DA BOA VISTA

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58 Decantadores !!! DECANTADORES CONVENCIONAIS ETA ALTO DA BOA VISTA

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62 Decantadores !!! DECANTADORES CONVENCIONAIS ETA GUARAÚ (SABESP)

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67 Decantadores !!! DECANTADORES CONVENCIONAIS ETA ALTO TIÊTE (SABESP)

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74 DECANTADORES PRIMÁRIOS ETE IPIRANGA (SABESP)

75 DECANTADORES PRIMÁRIOS ETE ABC (SABESP)

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77 DECANTADORES CONVENCIONAIS PARÂMETROS DE PROJETO ► Taxa de escoamento superficial: 20 m 3 /m 2 /dia a 60 m 3 /m 2 /dia. ► (Função das características de sedimentabilidade do floco, definidas pelas etapas de coagulação- floculação) ► Altura do decantador: 3,0 metros a 5,0 metros.

78 DECANTADORES CONVENCIONAIS PARÂMETROS DE PROJETO ► Relação Comprimento/Largura  4 ► Taxa de escoamento linear (vertedor)  1,8 l/m/s ► Re  20.000 (Verificação) ► Fr  10 -5

79 DECANTADORES DE FLUXO LAMINAR 02 canais B H L 1 2 VhVh VsVs H/2 L’

80 DECANTADORES DE FLUXO LAMINAR 02 canais B H L 1 2 VhVh VsVs H/4 L’ n canais

81 DECANTADORES DE FLUXO LAMINAR VsVs V0V0 w  l Trajetória crítica h V sh V sv 

82 DECANTADORES DE FLUXO LAMINAR VsVs V0V0 w  l Trajetória crítica h V sh V sv 

83 DECANTADORES DE FLUXO LAMINAR VsVs V0V0 w  l Trajetória crítica h V sh V sv 

84 DECANTADORES DE FLUXO LAMINAR VsVs V0V0 w  l Trajetória crítica h V sh V sv  ApAp Equação de dimensionamento

85 DECANTADORES DE FLUXO LAMINAR

86 CONVENCIONAL X LAMINAR Decantador convencional Decantador laminar S c =1 (Placas planas) S c =4/3 (Tubos circulares) S c =11/8 (Tubos quadrados)

87 CONVENCIONAL X LAMINAR ÂNGULO DAS PLACAS

88 CONVENCIONAL X LAMINAR GRANDEZA L (l/w)

89 DECANTADORES LAMINARES ETA RIO GRANDE (SABESP)

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92 DECANTADORES LAMINARES ETA CAPIVARI (SANASA)

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97 DECANTADORES LAMINARES PARÂMETROS DE PROJETO ► Velocidade de sedimentação: 20 m 3 /m 2 /dia a 60 m 3 /m 2 /dia. ► (Função das características do floco, definidas pelas etapas de coagulação e floculação) ► Ângulo das placas com a horizontal: 60 o

98 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

99 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

100 SEDIMENTAÇÃO EM ZONA (TIPO III) ► Sedimentação em zona: As partículas sedimentam-se como um bloco rígido, a concentração de sólidos é alta, o que faz com que as interações entre as partículas sejam significativas

101 DECANTADORES SECUNDÁRIOS ETE SUZANO (SABESP)

102 DECANTADORES SECUNDÁRIOS ETE BARUERI (SABESP)

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104 ADENSADORES POR GRAVIDADE ETE BARUERI (SABESP)

105 SEDIMENTAÇÃO EM ZONA (TIPO III) Teor de sólidos (%) Mineral Floculenta Alto TS Baixo TS Sedimentação Tipo I Sedimentação Tipo II Sedimentação Tipo III Sedimentação Tipo IV

106 SEDIMENTAÇÃO EM ZONA (TIPO III) Tempo t 0 H0H0 Tempo t 1 H1H1 Tempo t 2 H2H2

107 SEDIMENTAÇÃO EM ZONA (TIPO III) Tempo t 0 H0H0 Tempo t 1 H1H1 Tempo t 2 H2H2 H Tempo Velocidade de sedimentação Ponto de compressão

108 SEDIMENTAÇÃO EM ZONA (TIPO III) C0C0 H Tempo C1C1 C2C2 C0C0 C1C1 C2C2

109 SEDIMENTAÇÃO EM ZONA (TIPO III) ► TEORIA DE KYNCH: A velocidade de sedimentação das partículas é função da concentração de sólidos H Tempo C 0,V 0 C 1,V 1 C 2,V 2

110 SEDIMENTAÇÃO EM ZONA (TIPO III)

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115 ESQUEMA GERAL DE UM ADENSADOR POR GRAVIDADE Q,X 0 Q u,X u Q a,X a H XXuXu X0X0

116 ESQUEMA GERAL DE UM ADENSADOR POR GRAVIDADE Q,X 0 Q u,X u Q a,X a  0

117 ADENSADOR POR GRAVIDADE TEORIA DE FLUXO DE SÓLIDOS Q,X 0 Q u,X u Q a,X a Fluxo de sólidos devido a ação da gravidade Fluxo de sólidos devido a retirada de lodo X i,V i

118 ADENSADOR POR GRAVIDADE TEORIA DE FLUXO DE SÓLIDOS Q,X 0 Q u,X u Q a,X a X i,V i

119 ADENSADOR POR GRAVIDADE TEORIA DE FLUXO DE SÓLIDOS Q,X 0 Q u,X u Q a,X a X i,V i

120 TEORIA DE FLUXO DE SÓLIDOS ESTUDO DE CASO: ETA GUARAÚ

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123 ESQUEMA GERAL DE UM ADENSADOR POR GRAVIDADE Q,X 0 Q u,X u Q a,X a H XXuXu X0X0

124 ADENSADOR POR GRAVIDADE TEORIA DE FLUXO DE SÓLIDOS Q,X 0 Q u,X u Q a,X a X i,V i

125 TEORIA DE FLUXO DE SÓLIDOS ESTUDO DE CASO: ETA GUARAÚ Fluxo de sólidos limitante

126 TEORIA DE FLUXO DE SÓLIDOS ESTUDO DE CASO: ETA GUARAÚ Fluxo de sólidos limitante

127 TEORIA DE FLUXO DE SÓLIDOS ESTUDO DE CASO: ETA GUARAÚ Fluxo de sólidos limitante CS limitante

128 TEORIA DE FLUXO DE SÓLIDOS ESTUDO DE CASO: ETA GUARAÚ Fluxo de sólidos limitante CS limitante

129 TEORIA DE FLUXO DE SÓLIDOS ESTUDO DE CASO: ETA GUARAÚ Fluxo de sólidos limitante CS limitante CS retirada Adensamento !!!

130 TEORIA DE FLUXO DE SÓLIDOS ESTUDO DE CASO: ETA GUARAÚ Fluxo de sólidos limitante CS limitante CS retirada Relação entre X i e V i Fixa-se o valor de U Determina-se FS l e X l Determina-se X u Calcula-se o valor de A

131 TEORIA DE FLUXO DE SÓLIDOS ESTUDO DE CASO: ETA GUARAÚ XuXu

132 XuXu XuXu XuXu

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137 Clarificação !!!

138 Muito Obrigado !!!