Desenvolvimento de nova concepção autolimpante na conformação interna de decantadores de alta taxa do tipo tubular horizontal

Abstract

Uma etapa importante no tratamento físico-químico de água e efluentes é a decantação ? ou sedimentação ? responsável pela remoção de partículas em suspensão do meio líquido. Os decantadores de alta taxa são amplamente empregados atualmente, devido a maior eficiência por área em planta do que o tipo convencional. Dentre esses, os decantadores tubulares horizontais são teoricamente os mais eficientes em remoção de sólidos, em consequência do ângulo de posicionamento dos elementos de sedimentação em relação à horizontal (0°). Todavia, esses perderam espaço para os decantadores de alta taxa com placas ou dutos inclinados (geralmente a 60°), cuja configuração permite a autolimpeza, tornando-se os mais aplicados hoje em dia. Assim, o principal motivo de desuso da decantação tubular horizontal foi a ausência do fator autolimpante. Nesse ínterim, o objetivo do presente trabalho foi desenvolver e avaliar uma concepção autolimpante na conformação interna de decantadores de alta taxa do tipo tubular horizontal, por meio da disposição de uma abertura longitudinal inferior nos dutos de sedimentação. Os objetivos específicos incluíram: analisar a influência da geometria da seção transversal dos dutos no desempenho e autolimpeza do decantador; avaliar o desempenho e autolimpeza de um possível arranjo de dutos; e realizar a extrapolação dessa conformação interna para escala real. Para isso, foi construído em escala piloto um decantador em acrílico, com cinco dutos horizontais na zona de sedimentação, de diferentes tamanhos e formatos de sessão (circular e losangular). Além disso, uma segunda unidade piloto em acrílico foi construída com um possível arranjo de dutos. Optou-se realizar o tratamento de uma água bruta sintética, de turbidez igual a 100 uT e cor verdadeira 75 uH. Comprovou-se, com 99% de confiança, que, dentre os dutos testados, sessões transversais com distâncias verticais menores e o uso do formato losangular contribuem para elevação significativa da eficiência do decantador. Também que a taxa de escoamento superficial máxima admissível foi superior em dutos de menores seções transversais e não variou estatisticamente entre os dois formatos de seção testados. Constatou-se que o formato losangular visualmente oferece maior capacidade de autolimpeza que o circular para o duto de sedimentação, sendo o mais indicado. Quanto ao arranjo de dutos, a eficiência média em remoção de turbidez foi de 95,2% ± 0,4%, mantendo-se 100% do tempo com turbidez da água decantada inferior a 4 uT. Tal arranjo permitiu que os flocos transitassem entre os perfis e sedimentassem até a zona de lodo, sem adentrar na abertura longitudinal inferior dos demais dutos, ou seja, uma autolimpeza adequada. Em relação à extrapolação para escala real, notou-se o potencial desta inovação, tanto para a redução do tamanho da unidade de decantação nas estações de tratamento (com área superficial até 3,3 vezes menor, para o exemplo efetuado), quanto para a aplicação de taxas de escoamento superficial superiores às existentes, atingindo valores pelo menos duas vezes maior que a literatura, de 500 m³/m².d. Os resultados de eficiência, taxa de escoamento superficial extrapolada e autolimpeza mostraram que decantador tubular horizontal com a nova concepção autolimpante, denominado de MLSens, tem potencial para ser mais eficaz em produtividade e eficiência do que decantadores de alta taxa empregados atualmente. Assim, a concepção desenvolvida contribui para evolução histórica dos decantadores de alta taxa.

Abstract: An important step in the physical-chemical treatment of water and effluents is settling - or sedimentation, which is responsible for removing suspended particles from the liquid medium. High-rate sedimentation are widely used today due to greater efficiency per plant area. Horizontal tubular settler are theoretically the most efficient high-rate settlers in removing suspended solids, as a result of the positioning angle of the sedimentation elements in relation to the horizontal (0°). However, these lost place for high-rate settlers with steeply inclined tubes or plates (usually at 60°), whose self-cleaning advantage has made this layout the most applied today. Therefore, the main reason for disuse of horizontal tubular settler was not to have this self-cleaning factor. Thereby, the objective of the present work was to develop and evaluate a self-cleaning concept in the internal conformation of high-rate horizontal tubular settlers, through the provision of a lower longitudinal opening in the sedimentation ducts. Specific objectives included analyzing the influence of the geometry of the duct section on the settler's performance and self-cleaning; evaluate the performance and self-cleaning of a possible ducts arrangement; and extrapolate this internal conformation to full scale. For this, an acrylic settler was built on a pilot scale, with five horizontal ducts in the sedimentation zone, of different sizes and session shapes (circular and diamond-shaped). In addition, a second acrylic pilot unit was built with a possible arrangement of ducts. It was decided to carry out the treatment of a synthetic raw water, with turbidity equal to 100 NTU and true color 75 uH. It was proven, with 99% confidence, that, of among tested pipes, smaller cross-section sizes and the use of the diamond shape contribute to a significant increase in the efficiency of the decanter. Also, the maximum allowable surface overflow rate was higher in ducts with smaller cross sections and did not vary statistically between the two section formats tested. It was found that the diamond shape visually offers greater self-cleaning capacity for the sedimentation duct, being the most suitable. As for the pipeline arrangement, the average efficiency in removing turbidity was 95.2 ± 0,4%, maintaining 100% of the time with turbidity of the decanted water below 4 NTU. Such an arrangement allowed the particles to pass between the profiles and settle to the sludge area, without entering the lower opening of another duct, that is, proper self-cleaning. In relation to extrapolation to real scale, the potential of this innovation was noted both for reducing the size-settling unit in the treatment plants and for the surfaces overflow rates application higher than the existing ones in the literature. For the example carried out, the surface sedimentation area was 3.3 times smaller than current settler, and reaching rate values at least twice as high, of 500 m³/m².d. The results of efficiency, extrapolated surface overflow rate and self-cleaning showed that the new horizontal duct settler with self-cleaning design, named as MLSens, has the potential to be more effective in productivity and efficiency than current high-rate settlers do. Thereafter, the developed invention can contribute to the historical evolution of high-rate sedimentation.