DIMENSIONAMENTO DE ADENSADORES POR GRAVIDADE

DIMENSIONAMENTO DE ADENSADORES POR GRAVIDADE

Patricia Nasraui Nunes (*₎

Engenheira Químca;, mestre em Engenharia Hidráulica e Saneamento pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo; Engenheira da Divisão de Operação Oeste da Unidade de Negócios de Tratamento de Esgoto da Vice-Presidência Metropolitana de Produção da SABESP.

Pedro Além Sobrinho

Prof. Titular do Depto. de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Universidade de São Paulo.

Endereço (*): Av. Alm. Delamare, 3000 - Ipiranga – São Paulo – S.P. – CEP: 04230-000 – Brasil - Tel.: 55(11) –6120-2404 – Fax: 55(11)6120-2432. e-mail: [email protected]

RESUMO

O aumento de vazão na ETE Barueri de 4,4 para 7,0 m³/s em abril/2000 fez necessário o estudo sobre a operacionalidade dos adensadores por gravidade, entre outras unidades de tratamento. Entre os objetivos apresentados no trabalho sobre “Adensamento de lodo primário por gravidade – Estudo de caso: ETE Barueri” (Nunes, 2001) está a comparação entre os parâmetros operacionais propostos nos manuais operacionais da ETE e as diversas metodologias propostas em literatura para determinação de área e altura requeridas para o adensamento do lodo. Utilizou-se para os ensaios coluna de sedimentação para verificação da velocidade de sedimentação das partículas, sendo característica para cada tipo de lodo. Portanto, baseados em cálculos matemáticos e ensaios de sedimentação, pode-se determinar a área e altura necessárias para qualquer tipo de lodo, que segundo as metodologias observadas como mais adequadas para o dimensionamento da área – Hassett & Yoshioka – pode ser utilizada também para lodo floculado, pois considera a operacionalidade do adensador, ou seja, as vazões de alimentação de lodo primário e de retirada de lodo adensado. Palavras-chave: Adensamento de lodo por gravidade, Dimensionamento de adensadores por gravidade, ETE, Tratamento de Esgoto.

INTRODUÇÃO

Adensador por gravidade é a unidade que tem como função adensar o lodo primário misturado ou não com o lodo biológico em excesso. No caso da ETE Barueri, o adensador recebe lodo primário à concentração média de 0,4% e vazão média de 110,8 L/s (dados obtidos do banco de dados da ETE de 08/99 a 10/00), gerando uma carga de 41,3 t/d de sólidos em suspensão.

A ETE, desde o início de sua operação, apresentou problemas na unidade de adensamento devido à baixa captura de sólidos e baixa concentração de sólidos no lodo adensado, mesmo operando-se no limite de sua capacidade, ou seja, 04 adensadores. Com o aumento de vazão afluente, o adensamento por gravidade, aparentemente apresentou-se como um dos “gargalos” da estação, necessitando de avaliação.

METODOLOGIA

A metodologia utilizada para a execução desta parte do trabalho foi baseada em levantamento bibliográfico, levantamento de dados operacionais da ETE Barueri, ensaios em escala piloto e laboratoriais e, por fim, a avaliação dos resultados obtidos.

Os ensaios em escala piloto foram desenvolvidos em coluna de 1,0m de altura e diâmetro interno de 17cm. A coluna é de acrílico e graduada. As análises laboratoriais efetuadas foram de DQO e SST, de acordo com o Standard Methods – 19ª. ed.

Os ensaios de sedimentação requerem a utilização também de um cronômetro e bastante luminosidade, preferencialmente à luz do sol.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

1. Metodologias de determinação de área e altura Teoria de sedimentação / adensamento de partículas sólidas

Os tipos de sedimentação que ocorrem no adensador por gravidade são: sedimentação por zona (tipo III) e compactação (tipo IV). Os tipos I (sedimentação livre) e II (sedimentação floculenta) ocorrem em unidades que precedem o adensamento do lodo.

Kynch (1951) desenvolveu as equações que permitiram determinar a velocidade de sedimentação de partículas através de testes em batelada, sendo a velocidade função da concentração de sólidos. Porém, deve-se levar em consideração o ponto em que inicia-se o processo de compactação. Roberts, Wilhelm e Naide, e Bornea foram pesquisadores estudados que desenvolveram métodos de determinação desse ponto, chamado de crítico (ponto P na fig. 01).

H0 A H T B hc C D OP TP Tempo Concentração (C)

Fig. 01 – Curva de sedimentação: interface, Fig. 02 – Curva de fluxo de sólidos devido a

H em função do tempo, t. sedimentação em função da concentração de sólidos.

Pode-se determinar a velocidade de propagação da interface entre as zonas A e B através da curva de fluxo de sólidos (fig. 02), onde UAB é representado pela reta de coordenadas (CA = 0, SA = 0) e (CB, SB), ou seja, a inclinação da corda

OB que, sendo positiva, resulta valor negativo a UAB, indicando subsidência entre as zonas A e B.

UAB = SA - SB = - SB = - tg OB (1)

CB - CA CB

UAB pode ser observado também através da fig. 01, representada pela inclinação da corda AB:

UAB = tg AB (2) Fluxo de sólid os O CA CB CL Cu SA A ltur a da inte rface a b c O tC P SC SB Sm B C

Kynch demonstrou que, no instante em que a camada de concentração C atinge a superfície da coluna de lodo (ponto P), o balanço de massa será:

Co.Ho.A = CP.tc. (vc + Uc). A (3)

CP = Co.Ho (4)

hc + vc.tc

Assim como: Co.Ho = CP.H = Cu.hu (5)

De acordo com a equação (5), Kynch demonstra que é possível determinar-se a concentração em qualquer ponto da curva, cuja velocidade de sedimentação (v) é a inclinação da tangente a esse ponto.

1.1. Determinação de área

Para a determinação da área unitária requerida para o adensamento de lodo, deve-se avaliar o ponto crítico da curva H x t. Com base na concentração calculada através da equação 5, determina-se a Au.

Os pesquisadores que propuseram métodos de cálculo de área de adensamento estudados neste trabalho foram: Coe e Clevenger, Talmage e Fitch, Hassett e Yoshioka, Wilhelm e Naide.

Dentre esses, os métodos propostos por Hassett e Yoshioka, e Coe e Clevenger, apresentam-se como os mais adequados, pois apresentam valores mais próximos dos observados na escala real. A determinação dos pontos críticos baseados nas metodologias dos pesquisadores estudados é extremamente subjetiva, dando margem a erros bastante consideráveis. 1.1.1. Metodologia de Coe e Clevenger

Não requer a determinação do ponto crítico, sendo calculada a área em função da concentração em cada interface sólido-líquido, conforme a equação (5). Traçando-se a curva área unitária (m²/t/d) x velocidade de sedimentação (m/d), obtém-se a área máxima requerida que obtém-será a área adotada para projeto.

1.1.2. Metodologia de Hassett e Yoshioka et. al.

Esse método é equivalente ao método proposto por Coe e Clevenger, porém leva em consideração a operacionalidade do adensador.

A análise do fluxo limitante ocorre por meio de gráfico de fluxo de sólidos, que é a somatória do fluxo devido à sedimentação e o fluxo devido à retirada pelo bombeamento do lodo adensado. A partir da concentração desejada no lodo adensado (Cu), traça-se uma tangente à curva de fluxo de sedimentação até o ponto de fluxo máximo (Gm), que

corresponde ao fluxo possível de se processar em regime estável. O ponto tangente entre a curva de sedimentação e a tangente a Gm será correspondente à concentração limitante CL, cuja velocidade de sedimentação v2 = (H1 – H2)/t2

representa a entrada à zona de compressão.

O ponto mínimo de inflexão da curva de fluxo total será correspondente a Gm. A partir daí, determina-se U:

Gm = Gs + Gu (6)

Gm = CL.vS + CL.Qu (7)

A

Sendo: U = Qu / A (8)

Graficamente, chega-se a: Gm = Cu.U (9)

CL.vS é o fluxo decorrente da sedimentação e CL.U é decorrente da retirada do lodo.

Assim, determina-se qual deverá ser a vazão de retirada (Qu) para atingir-se Cu.

O valor mínimo de Gi corresponderá à área necessária para o adensamento de uma massa de sólidos com concentração

Ci no tempo requerido, sendo que das equações 9 e 10, tem-se:

Cu.U = Ci.vi + Ci.U (11) Ci.vi + Gi (Ci-Cu) = 0 (12) Cu Gi = Ci.vi (13) 1 – Ci/Cu 1 = (1/Ci – 1/Cu) (14) Gi vi

O fluxo máximo de sólidos que o adensador pode suportar corresponde àquele no qual se atinge a concentração desejada de sólidos no lodo adensado, cuja vazão de retirada por m² de área (U) seja adequada. Para isso, a velocidade de

sedimentação das partículas deve ser igual à velocidade de retirada dos sólidos com a concentração Cu.

Fig. 03 – Curva de fluxo de sólidos devido a sedimentação (I), devido à retirada de lodo (II) e fluxo total (III).

1.2. Determinação da altura

O método gráfico de determinação da altura do adensador depende da altura em que as partículas entram na zona de compressão. E. J. Roberts desenvolveu uma equação empírica para analisar a zona de compressão:

log (Di - D∞) = log (Dc - D∞) – k . ti (15)

onde:

Di: fator de diluição (massa de líquido / massa de sólidos) no tempo ti

Dc: fator de diluição no tempo crítico, ou seja, na entrada da zona de compressão

D∞: fator de diluição para um tempo infinito de adensamento

k: constante de proporcionalidade; depende da densidade e viscosidade da suspensão e da altura crítica. Varia inversamente ao manto de lodo e à viscosidade da suspensão.

O fator de diluição de uma suspensão uniforme pode ser dado pela equação:

Do = ρw - 1 (16) Co p

C

Cu

Concentração

Fluxo de sólidos

Sendo: ρw: densidade da água

Co: concentração inicial

p: peso específico dos sólidos

O fator de diluição de um lodo sedimentando no tempo ti é dado por:

Di = ρw . Hi - 1 (17)

Co Ho p

Sendo Hi: altura da interface.

D∞ é encontrado por tentativas e erros na curva plotada em gráfico mono-log de Di - D∞ pelo tempo. Quando na zona de

compressão estará traçada uma reta, e sua declividade será k.

Corrigindo-se os valores função da zona de compressão obtido no teste em batelada, ter-se-á: (tu – tc). 1 + D∞

H = ρs ρw (18)

Au - (Dc – Du)

ρw . k. Ho

A altura total será a somatória da altura da borda livre, zona de clarificação, fundo inclinado e a zona de adensamento calculada. Os autores adotam como sendo: borda livre = 0,3m, zona de clarificação = 0,3m e fundo inclinado = 0,6m. Qasin adota valores maiores de alturas para as fases do adensador: 0,6m para borda livre, 1,0m para a zona de clarificado e 1,5m para a zona de sedimentação.

2. Dados operacionais e de projeto

De forma simplificada, observa-se na fig. 04 o fluxograma do lodo primário e diluição, prevista em projeto, fuindo o esgoto decantado para os tanques de aeração e o sobrenadante dos adensadores para o início do processo de tratamento.

Q = 7,0m³/s Q = 0,135m³/s SST = 10.080mg/L EDW Q = 0,456 m³/s Q = 0,576m³/s SST = 357mg/L Q = 0,015m³/s SST = 7,7%

Fig. 04 – Fluxograma simplificado do lodo primário com valores de projeto. Na tabela I estão apresentadas as massas de sólidos prevista em projeto e gerada na estação:

Decantador primário A = 1.710m² x 8 Q = 7,683m³/s Gradeamento SST = 2.300mg/L Efluente primário Adensador por gravidade A = 660,5m² x 4

Tabela I - Dados operacionais e projetados dos decantadores primários - ETE Barueri

Ano Vazão afluente projetada Vazão (2) Carga de lodo _gerada(3) Carga de lodo _projetada(4) Carga de lodo _projetada(5) _Diferença

m³/s m³/s Kg SST/d Kg SST/d Kg SST/d % 1997 4,2 - 34.300 65.300 - 47 1998 4,6 - 31.000 71.500 69.628 57 1999 5,1 - 35.600 79.300 - 55 - 101.088 56 2000 6,5 (1) _{7,2 44.600} (1) _{123.180 139.256 64} 2005 - 12,0 - 205.300 208.884 - 2010 - 16,0 - 273.700 278.512 - 2015 - 23,0 - 393.500 407.324 - 2020 - 24,2 - 414.000 421.250 -

(1) Dados referentes aos meses de janeiro a novembro / 2000. (2) Plano Diretor de Esgoto – Hidroservice – Maio / 2000 (3) Carga real de lodo afluente aos adensadores por gravidade. (4) De acordo com o balanço de massa adotado pela Hidroservice:

- Q projetada afluente ao decantador primário = 1,1. Q afluente - SST afluente = 300mg/L

- Eficiência de remoção de sólidos = 60%

Carga de lodo projetada = Q projeto * 86400 * 1,1 * 60% * SST (5) Engevix – Latin Consult.

Variação de parâmetros físicos em função da taxa de aplicação hidráulica

0 20 40 60 80 100 120 140 0 5 10 15 20

Taxa de aplicação hidráulica (m³/m²/d)

Taxa de Aplic. Sólidos (kg/m²/d) Captura (%) Tempo de detenção (h)

Relação entre as taxas hidráulica e de sólidos e a carga no sobrenadante 0 20 40 60 80 100 120 140 0 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000

Carga de sólidos no sobrenadante (kg/d)

T axa d e ap lic. de s ó lidos 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 T axa d e aplic. hi dr áu lic a Taxa de Aplic. Sólidos (kg/m²/d) Taxa de Aplic. Hidráulica (m³/m²/d)

Fig. 05 – Variação da taxa de aplicação hidráulica Fig. 06 – Variação de carga de sólidos no sobrenadante em função de diversos parâmetros. em função das taxas de aplicação.

Conforme observa-se nas figuras 05 e 06, o fator principal de controle de eficiência nos adensadores por gravidade é a taxa de aplicação hidráulica, cuja faixa de operacional tem sido entre 3 e 6 m³/m²/d. As taxas de aplicação hidráulica e de sólidos não interferem na concentração de sólidos no lodo adensado, sendo este função apenas da taxa de retirada, ou seja, a vazão de lodo adensado por área de adensamento.

O valor proposto em literatura para taxa de aplicação de sólidos é de 100 a 150 kg/m²/d e concentração de sólidos no adensado de 5 a 10% (USEPA, 1979). Os valores obtidos para esses parâmetros foram de 17 a 21 kg/m²/d para TAS e de 4 a 5% de sólidos no lodo (1997 a 2000).

RESULTADOS OBTIDOS

Foram realizados 28 ensaios na coluna de 1,0m, incluindo com adição de produtos químicos (por exemplo, o teste 17; a aplicação de produtos químicos não será tratada neste trabalho). Destes, foram avaliadas as metodologias estudadas em 5 dos testes, cujos resultados encontram-se na tabela II, comparando-se com os valores operacionais e de projeto.

Tabela II – Principais resultados obtidos nos cálculos de dimensionamento do adensador por gravidade.

Testes 7 12 17 20 21 Co (kg/m³) 2,1 3,40 6,38 6,67 7,08 Cu analisado (kg/m³) 12,5 28,0 18,6 13,5 31,6 Au (m²/t/d) 6,7 5,5 0,6 3,2 9,8 CL (kg/m³) 4,5 10,4 28,1 31,3 14,8 TAS (kg/m².d) 158,5 182,4 1660,0 312,5 101,5 TAH (m³/m².d) 74 54 260 47 14 U (m³/m².d) 22,64 12,16 41,5 7,81 5,08 Hasset - Yoshioka Cu (kg/m³) 7,2 15 40 40 20 Au (m²/t/d) 18,2 24,4 7,3 - 30,5 CL (kg/m³) 7,0 22,0 70,2 - 27,0 TAS (kg/m².d) 54,9 40,9 137,2 - 32,8 TAH (m³/m².d) 26 12 22 - 5 U (m³/m².d) 5,49 1,7 1,72 - 1,1 Hasset - Yoshioka (Au máx.) Cu (kg/m³) 10 24 80 - 29 Au (m²/t/d) 6,7 25,1 7,4 3,7 30,8 Coe e Clevenger Cu (kg/m³) 7,2 24,1 80,2 41,8 28,9 Behn e Liebman 1,7 1,3 1,3 1,4 1,6 Altura (m)

B. e L. com dados de Qasin 4,6 4,2 4,2 4,3 4,5

Área (m²) (1) _1981,5

Au (m²/t/d) 44,4

Co (kg/m³) 4,7

Taxa aplic. sólidos (kg/m²/d) 22,5

Valores atuais

Taxa aplic. hidráulica (m³/m²/d) 4,8

Área (m²) (2) ₂₆₄₂ Altura (m) (3) _3,54 Au (m²/t/d) 22,5 Co (kg/m³) 2,3

Taxa aplic. sólidos (kg/m²/d) 44,5

Valores de projeto

Taxa aplic. hidráulica (m³/m²/d) 19,3

(1) _{Correspondente a 03 adensadores por gravidade.}

(2) _{Correspondente a 04 adensadores por gravidade.}

(3) _{Correspondente à parte cilíndrica.}

Pelo fato do teste 17 ter sido feito com coagulante, ele apresentou velocidade de sedimentação mais elevada que os demais testes, embora o teste 20 tenha apresentado também velocidade elevada, deve-se considerar que o início do processo de sedimentação apresentou uma reta no gráfico concentração versus tempo, acarretando elevada velocidade de sedimentação, porém apresentou no final uma redução maior que no ponto 17.

CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES

Quanto aos ensaios, observou-se que concentrações superiores a 1% não permitem a visualização da interface, pois a fase líquida apresentou-se bastante concentrada. Sendo assim, deduz-se que concentrações acima desse valor não apresentarão boa sedimentabilidade.

Colunas com diâmetro maior do que 17 cm não são recomendadas para lodo com concentração acima de 0,7%, pois não é possível verificar a interface sólido-líquido.

A metodologia de Coe e Clevenger é mais simplificada, porém não permite que se considere variação na vazão de retirada do lodo (U – m³/m²/d) ou na concentração do mesmo (Cu), como possibilita a metodologia de Hassett e

Yoshioka et al.; convém ressaltar que os resultados de ambos métodos são iguais quando a concentração do lodo adensado tende à máxima calculada.

A determinação do ponto crítico fica prejudicada quando se obtém uma reta declinada na sedimentação, indicando a não observância da lei de Kynch (como é o caso do teste 20) e, portanto, difícil identificação do ponto crítico. Além desse fator, algumas vezes a determinação dos pontos críticos, de acordo com os diversos autores, é subjetiva, podendo acarretar falhas nos cálculos.

Esse estudo requer a execução de ensaios a diversas concentrações, para averiguação da coerência nos resultados. Se normalmente se opera adensadores com taxas de aplicação de sólidos entre 100 e 150 kg/m².d, a área unitária será variável entre 6,7 e 10 m²/t/d, que são valores muito aquém do que se observa na operação dessas unidades. De acordo com as metodologias de Coe – Clevenger e Hassett – Yoshioka, a área unitária pode ser reduzida de 44 para cerca de 30 m²/t/d (tab. II, testes 12 e 21), já com margem de segurança, pois a massa de sólidos aplicada encontra-se bem abaixo do calculado. Para essa área unitária, seriam necessários dois adensadores por gravidade.

O fator preponderante para a determinação da área unitária requerida para o adensamento não é a concentração de sólidos no lodo afluente, e sim a velocidade de sedimentação que este apresenta.

Para a vazão afluente à ETE de 7,0m³/s (54.500kg/d de sólidos afluente ao AG), necessita-se ter em operação 3 adensadores, gerando uma Au = 36 m³/m²/d e TAS = 27,5 kg/m²/d, valores que apresentarão folga de vazão, pois para 3

adensadores, poder-se-á aplicar 66 t/d de sólidos, já que a Au obtida é de 30 m²/t/d. Nessa condição a vazão máxima

suportada por 4 AG será de 11,1 m³/s: Au = 30,5m²/t/d; SSTafl. = 150mg/L; Eficiência DP = 60%; A = 660,5m²

Q = 4*660,5/30,5*1000 = 11,1 m³/s 86400*0,6*0,15

A diferença entre o valor de carga gerada e projetada (última coluna da tab. I) indica que gera-se, em média, cerca de 53% menos lodo do que foi projetado (excetuando-se o valor referente à vazão projetada de 7,2 m³/s).

Esses valores nos levam a crer que os adensadores estão super-dimensionados para as características que a ETE apresenta atualmente, reforçando a afirmação de que o aumento de vazão está enquadrado para os quatro adensadores, segundo o projeto.

Quanto à altura dos adensadores, a metodologia de determinação proposta por Behn e Liebman (1963) leva em consideração a curva obtida pela sedimentação das partículas, relacionando a velocidade de sedimentação com o fator de diluição. Porém, os autores adotam valores de borda livre, zona de clarificação e zona de sedimentação bastante baixo. Devido a este fato, nos cálculos apresentados estão expostos os dois valores para cada parâmetro: de Behn e Liebman, e de Qasin (1985). Observa-se que a altura obtida com valores propostos por Qasin chega a ser três vezes superior à obtida pela metodologia proposta por Behn e Liebman (tab. II).

Observa-se que a concentração obtida no dimensionamento não foi compatível com valores obtidos na estação, porém foram utilizados os valores máximos atingidos pelo cálculo de Coe e Clevenger.

De acordo com os valores obtidos no teste 21, cuja concentração afluente (7,1 kg/m³) é aproximadamente igual à concentração calculada em função das alterações propostas na vazão de lodo primário, tem-se:

Au = 30,5 m²/t/d, TAS = 32,8 kg/m²/d, TAH = 5 m³/m².d (para concentração Co), U = 1,1 m³/m².d,

serão necessários dois adensadores em operação (1321 m²): M sólidos = TAS * A = 32,8 * 1321 = 43.330 kg/d

Q afluente = TAH * A = 5 * 1321 = 6605 m³/d = 76,4 L/s Concentração afluente = M / Q = 6,6 kg/m³.

Q adensado = U * A = 1453 m³/d = 16,8 L/s

Q sobrenadante = Q afluente – Q adensado = 59,6 L/s Valores compatíveis com o que se obtém atualmente. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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Kynch, G. J. (1951) A theory of sedimentation; Transactions of Faraday Society, 166-76.

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