I-121 INFLUÊNCIA DAS VARIAÇÕES DE VAZÃO NA EFICIÊNCIA HIDRÁULICA DE FLOCULADORES CHICANADOS

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23º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental

I-121 – INFLUÊNCIA DAS VARIAÇÕES DE VAZÃO NA EFICIÊNCIA

HIDRÁULICA DE FLOCULADORES CHICANADOS

Danieli Soares de Oliveira

Graduanda em Engenharia Civil pela Universidade Federal do Espírito Santo (UFES).

Ellen Crevelim Valentim

Graduanda em Engenharia Civil pela Universidade Federal do Espírito Santo (UFES).

Renato do Nascimento Siqueira

Engenheiro Mecânico e Mestre em Engenharia Ambiental pela Universidade Federal do Espírito Santo. Doutor em Engenharia Civil pela Loughborough University of Technology, Loughborough, Inglaterra. Professor Visitante do Departamento e do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental da Universidade Federal do Espírito Santo.

Edmilson Costa Teixeira(1)

Engenheiro Civil pela Universidade Federal da Bahia. Mestre em Hidráulica e Saneamento pela EESC -Universidade de São Paulo. Doutor em Engenharia de Água pela University of Bradford, Inglaterra. Pós-Professor Adjunto do Departamento e do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental da Universidade Federal do Espírito Santo.

Endereço(1)_{: Departamento de Engenharia Ambiental – GEARH – CT/UFES. Avenida Fernando Ferrari, s/n,}

Goiabeiras, Vitória – Espírito Santo – CEP: 29060-970 – Brasil. Tel: (27) 33352675 – e-mail: edmilson@npd.ufes.br

RESUMO

O presente trabalho refere-se ao estudo da influencia das variações de vazão na eficiência hidráulica de floculadores chicanados. Foram realizados experimentos em duas unidades experimentais chicanadas com escoamento horizontal, compostas de três câmaras cada, com número de chicanas decrescentes ao longo da unidade. A diferença geométrica entre as unidades é a inclinação de fundo. A técnica de traçadores foi utilizada para a obtenção da distribuição de tempo de residência (DTR) das unidades estudadas. Além disso, foram determinados os valores de tempo teórico de detenção e gradiente médio de velocidade, que são os principais parâmetros utilizados para na caracterização de unidades de floculação chicanadas, uma vez que eles correspondem, respectivamente, ao tempo que a água permanece no interior da unidade e a quantidade de energia fornecida ao sistema, necessária para a formação dos flocos nas unidades. Os resultados obtidos mostram que o desempenho das unidades consideradas neste trabalho depende das variações de vazão. Foi verificado que o aumento da vazão proporciona um aumento de eficiência hidráulica da unidade até um certo valor e um decréscimo de eficiência hidráulica para valores superiores a este. Além disso, foi verificado que os valores de gradiente médio de velocidade da unidade não são decrescentes ao longo da mesma, como recomendado por literatura, o que pode influenciar negativamente o processo de floculação.

PALAVRAS-CHAVE: Floculadores hidráulicos, variação de vazão, gradiente médio de velocidade, técnica

de traçadores e hidrodinâmica.

INTRODUÇÃO

A floculação é uma importante etapa do tratamento de água, pois seu desempenho influencia as etapas posteriores do processo. O desempenho dos floculadores está relacionado à sua eficiência hidráulica, uma vez que quanto maior a eficiência hidráulica da unidade menores as diferenças entre os resultados obtidos e os previstos na fase de projeto. Estas diferenças ocorrem devido à presença de anomalias de escoamento, tais como curtos-circuitos e zonas mortas Teixeira (1993).

Os floculadores hidráulicos são normalmente projetados para funcionar com uma única vazão. Porém, a vazão de operação pode ser diferente da vazão de projeto, podendo afetar a eficiência do processo de floculação. Apesar dos avanços alcançados no processo de tratamento de água, são raras as ocorrências de estudos que

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água, porém, devido talvez às faixas de vazões que foram estudadas, nenhuma conclusão pode ser extraída dos resultados.

Variações de vazão influenciam nos valores de tempo de detenção e gradiente de velocidade, que são os principais parâmetros utilizados para a avaliação de unidades de floculação chicanadas, uma vez que eles correspondem, respectivamente, ao tempo que a água permanece no interior da unidade e a quantidade de energia fornecida ao sistema, necessária para a formação dos flocos nas unidades.

O presente artigo apresenta resultados parciais de uma pesquisa que visa o aprofundamento de conhecimentos sobre a influencia das variações de vazão no comportamento hidrodinâmico de unidades de floculação chicanadas de escoamento horizontal, fornecendo assim, subsídios ao projeto de unidades mais racionais e a melhoria das unidades já existentes.

METODOLOGIA UTILIZADA

Os experimentos foram realizados em duas unidades experimentais chicanadas com escoamento horizontal, compostas de três câmaras cada, com o intuito de promover uma floculação graduada. Para tanto foi necessária a disposição de um número de chicanas decrescentes ao longo da unidade (41,37 e 22 chicanas, respectivamente). A diferença entre as unidades é a inclinação de fundo, sendo uma unidade com fundo horizontal e a outra com fundo inclinado.

A Figura 01 mostra a planta baixa das unidades experimentais utilizadas, onde é possível observar a unidade de entrada à montante do floculador, também conhecida como caixa de mistura rápida, comumente utilizada no processo de coagulação da água.

Depois da caixa de mistura rápida, segue a unidade de floculação propriamente dita e, em seguida, encontra-se a unidade de saída, cuja função é apenas de conduzir a água da unidade de floculação para o dreno, na saída da terceira câmara.

100c

m

180cm

Figura 01 - Planta baixa das unidades experimentais

A Figura 2 mostra a planta baixa de parte do floculador pesquisado com a identificação dos parâmetros geométricos, em que a profundidade média de escoamento (H=r.b), o recobrimento existente entre chicanas (q.b) e a abertura das chicanas (p.b) são escritos em função do espaçamento existente entre chicanas (b). Os valores dos parâmetros geométricos das unidades de floculação encontram-se na Tabela 1.

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Figura 2 - Planta baixa do floculador de chicanas com escoamento horizontal.

Para a avaliação da eficiência hidráulica das unidades foi utilizada a técnica de traçadores para a obtenção da distribuição de tempo de residência (DTR). Os traçadores são substâncias que, quando lançadas no escoamento possuem a capacidade de representar o movimento das partículas de fluido com o mínimo de alterações possíveis. Neste estudo foi utilizado como traçador o permanganato de potássio, injetado instantaneamente na entrada da unidade e coletado por amostragem discreta na seção de saída. As concentrações de traçador foram determinadas através de espectrofotômetro para posterior construção das distribuições de tempo de residência das unidades.

Tabela 1 - Valores dos parâmetros geométricos das unidades projetadas

Unidade de Fundo Horizontal Unidade de Fundo Plano Parâmetros

Geométricos C1 C2 C3 C1 C2 C3

Espaçamento entre

chicanas (b) - (em metros) 0,020 0,025 0,040 0,020 0,025 0,040 Taxa de abertura de chicanas (p) 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 Taxa de recobrimento de chicanas (q) 27,0 21,0 12,0 27,0 21,0 12,0 Taxa de profundidade de escoamento (r) 9,1-6,9 5,5-3,8 2,3-1,7 6,4-4,8 4,2-2,8 1,7-2,0

A adimensionalização das distribuições dos tempos de residência é feita com o intuito de facilitar a comparação entre as mesmas (E (θ) = C/Co), onde: Co é a concentração média inicial de traçador, dado pela razão entre a massa do traçador injetado (m) e o volume útil da unidade (V); e θ é a razão entre o tempo de monitoramento (t) e o tempo teórico de detenção (T). O tempo teórico de detenção é dado pela razão entre o volume útil da unidade (V) e a vazão do escoamento (Q).

Dessa maneira, é possível comparar as curvas reais obtidas com as curvas ideais (escoamentos do tipo pistão e mistura completa), e inferir qualitativamente sobre o seu comportamento. No escoamento ideal tipo pistão as partículas do fluido que entram na unidade de tratamento caminham em seu interior com a mesma velocidade até a sua saída, permanecendo o mesmo tempo no interior da unidade, tempo este conhecido como tempo teórico de detenção (T). O escoamento ideal do tipo mistura completa é caracterizado pela homogeneização das propriedades do fluido em qualquer ponto do interior da unidade, em qualquer instante, inexistindo variações espaciais de qualquer propriedade do fluido.

Para a análise da eficiência hidráulica da unidade também é feita uma análise semi-quantitativa utilizando-se indicadores de eficiência hidráulica extraídos das curvas de passagem. Os indicadores de eficiência hidráulica utilizados neste trabalho são t10 para avaliação dos níveis de curto circuito e σ2 para a avaliação dos níveis de

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Para o cálculo da perda de carga e do gradiente de velocidade ao longo dos floculadores foi utilizada a metodologia de Haarhoff (1998).

A perda de carga de cada câmara de floculação é determinada a partir da equação 01:

(

)

⎥

_⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

Δ

−

+

⋅

−

⋅

=

₂ ₂ ₂ 2

1

4 )

1 (

S

h

D

b

g

N

Q

K

h

N N j equação (01) Onde,

K é a constante empírica da perda de carga, Q é a vazão do escoamento, Nj é o número de chicanas da câmara de floculação, g é aceleração da gravidade, b é o espaçamento entre chicanas, Dn é a profundidade do escoamento e ΔS é a diferença de nível entre a entrada e a saída da câmara de floculação.

A estimativa da quantidade de energia fornecida ao floculador é representada pelo gradiente médio de velocidade, conforme mostrado na Equação 02.

T h G ⋅ ⋅ = μ γ _{equação (02)} Onde,

γ

é o peso específico da água,

μ

é a viscosidade absoluta da água, h é a perda de carga, T é o tempo teórico de detenção.

RESULTADOS

Para a realização dos experimentos foram adotadas as vazões de 11, 13 e 15 l/min na unidade de fundo horizontal, e de 11, 13, 15, 17 e 19 l/min para a unidade de fundo inclinado. As distribuições de tempo de residência adimensionalizadas obtidas para as vazões estudadas são mostradas na Figura 3.

0 4 8 12 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 θ - Tempo E ( θ ) - C oncentração 0 4 8 12 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 θ - Tempo E ( θ ) - Concen tração

Legenda: __ Q=11l/min __Q=13 l/min __Q=15l/min __ Q=17l/min __Q=19 l/min

Figura 3 – Distribuição dos tempos de residência obtidas nas unidades de fundo horizontal e inclinado, respectivamente.

Para a avaliação da eficiência hidráulica das unidades foi feita uma análise semi-quantitativa das curvas de passagem, com a extração de indicadores de eficiência hidráulica das mesmas. Foram analisados indicadores de curto-circuito (t10) e mistura (σ2) e os valores encontrados foram comparados com os valores esperados

para os escoamentos ideais do tipo pistão e mistura completa.

As Figuras 4 e 5 apresentam os valores dos indicadores t10 e σ2 para os escoamentos obtidos nas unidades de

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0,6 0,7 0,8 0,9 1 11 13 15 Vazão (l/min) t10 0,6 0,7 0,8 0,9 1 11 13 15 17 19 Vazão (l/min) t10

(a) Unidade de fundo horizontal (b) Unidade de fundo inclinado

Figura 4 – Influência da vazão nos níveis de curto-circuito.

A Figura 4a mostra que para o tanque de fundo horizontal os valores de t10 aumentam com o aumento da

vazão, mostrando que os níveis de curto circuito na unidade diminuem com o aumento da vazão na mesma, elevando a eficiência hidráulica da unidade. Entretanto, de acordo com a Figura 4b, foi verificado que os valores de t10 aumentam com o aumento da vazão até certo valor (vazão de 15 l/min), para o tanque de fundo

inclinado, porém, para valores de vazão superiores a 15 l/min verifica-se um decréscimo nos valores de t10, o

que indica um aumento na presença de caminhos preferenciais ao longo do escoamento e uma diminuição na eficiência hidráulica da unidade. Apesar de Almeida (1997) e Moreira (1999) não terem conseguido avaliar a influência da vazão sobre a eficiência hidráulica das unidades, este estudo mostra que existe uma vazão ótima que leva um maior desempenho da unidade.

0 0,01 0,02 11 13 15 Vazão (l/min) σ² 0 0,01 0,02 11 13 15 17 19 Vazão (l/min) σ²

(a) Unidade de fundo horizontal (b) Unidade de fundo inclinado

Figura 5 – Influência da vazão nos níveis de mistura.

De acordo com a Figura 5, o indicador de mistura analisado (σ2_{) não sofreu variação significativa com a}

variação de vazão; porém, para a unidade de fundo horizontal (Figura 5a), foi verificada um decréscimo nos valores σ2 _{com o aumento da vazão.}

De forma global, analisando-se qualitativamente as distribuições de tempo de residência encontradas para as duas unidades e comparando os valores dos indicadores de eficiência hidráulica para os escoamentos ideais e reais, conclui-se que o comportamento hidrodinâmico das unidades aproxima-se do regime ideal de escoamento tipo pistão.

Na determinação dos valores de gradiente médio de velocidade ao longo das câmaras de floculação foi utilizada a metodologia de Haarhoff (1998), pois é mais detalhada do que as metodologias usuais de dimensionamento no que se refere à estimativa dos parâmetros hidráulicos da unidade, uma vez que ela leva em consideração a variação da lâmina d’água e a inclinação de fundo da unidade. A Figura 6 mostra os valores encontrados para os gradientes de velocidade nas três câmaras das unidades de fundo horizontal e inclinado utilizando-se a metodologia de Haarhoff.

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20 30 40 50 60 11 13 15 Vazão (l/min) G (s -1 ) Câmara 1 Câmara 2 Câmara 3 20 30 40 50 60 11 13 15 17 19 Vazão (l/min) G ( s -1 ) Câmara 1 Câmara 2 Câmara 3

(a) Fundo horizontal (b) Fundo inclinado

Figura 6 – Influência da vazão no gradiente médio de velocidade.

Para ambas as unidades foram encontrados valores de gradiente médio de velocidade crescentes com o aumento da vazão, o que pode ser justificado pelo aumento na energia aplicada ao sistema. Porém, os valores de gradiente de velocidade encontrados para a segunda câmara de floculação apresentaram valores superiores ao da primeira câmara, em todas as vazões avaliadas nas unidades de fundo horizontal e inclinado, o que não é recomendado pela literatura, pois os valores de gradiente médio de velocidade devem ser reduzidos ao longo das mesmas, diminuindo assim a possibilidade de ruptura dos flocos já formados. O ajuste do gradiente e do tempo teórico de detenção pode ser feito através variação da inclinação de fundo. Porém, esta variação normalmente deve ser feita durante a fase de projeto, pois os floculadores geralmente não são flexíveis quanto à inclinação de fundo.

CONCLUSÕES

O estudo demonstrou que o desempenho das unidades é influenciado pelas variações de vazão nas mesmas. Foi verificado que o escoamento no interior da unidade aproxima-se consideravelmente do ideal tipo pistão, e que o aumento da vazão proporciona um aumento na eficiência hidráulica da unidade até a vazão de 15l/min. Após este valor a eficiência hidráulica decresce com o aumento da vazão, o que pode resultar numa redução da eficiência do processo de floculação.

Os valores de gradiente médio de velocidade, obtidos para as unidades avaliadas, não estão de acordo com o recomendado por literatura. Este comportamento pode influenciar negativamente o processo de floculação, pois o aumento no valor do gradiente médio de velocidade na segunda câmara de floculação pode ocasionar a quebra dos flocos já formados, reduzindo a eficiência da unidade. Os flocos de maiores tamanhos possuem menor resistência às tensões de cisalhamento, por isso a literatura recomenda o projeto de unidades de floculação com gradientes médios de velocidade decrescentes.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. HAARHOFF, J. Design of around-the-end hydraulic flocculators. Journal of water Supply: research and technology - AQUA, vol. 47, n. 3, p. 142-152, 1998.

2. LIBÂNIO, M. Avaliação da floculação em reatores estáticos e de escoamento contínuo com gradientes de velocidade constante e variável. Tese (Doutorado), Escola de Engenharia de São Carlos – Universidade de São Paulo, 1995.

3. MOREIRA, C.R.F. Estudo do comportamento hidrodinâmico em tanques chicanados, com vistas à otimização da desinfecção de água em tanques de contato de fluxo contínuo. Dissertação de mestrado, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, UFES, 1999.

4. RIGO, D.; TEIXEIRA, E.C. Emprego de traçadores no projeto e otimização de Unidades de Tratamento de água e Efluentes. XVIII AIDIS, Salvador 1995.

5. SIQUEIRA, R.N. Desenvolvimento e aperfeiçoamento de critérios de avaliação da eficiência hidráulica e do cálculo do coeficiente de mistura em unidades de tratamento de água e efluentes. Dissertação de mestrado, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, UFES, 1998.