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ICTR 2004 – CONGRESSO BRASILEIRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA EM RESÍDUOS E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL

Costão do Santinho – Florianópolis – Santa Catarina

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DIMENSIONAMENTO E INSTALAÇÃO DE UM SISTEMA DE REUSO DA ÁGUA DA LAVAGEM DE FILTROS NA ETA SANTA BÁRBARA

Jailson Machado de LimaRicardo Pereira


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DIMENSIONAMENTO E INSTALAÇÃO DE UM SISTEMA DE REUSO DA ÁGUA DA LAVAGEM DE FILTROS NA

ETA SANTA BÁRBARA

Autor: Jailson Machado de Lima

(Formando do Curso Superior de Tecnologia em

Saneamento Ambiental - CEFET/RS)

Orientador: Prof. Dr. Ricardo Pereira

Pelotas

2004

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Resumo 1 TÍTULO

Dimensionamento e instalação de um sistema de reuso da água da lavagem de filtros na ETA santa bárbara na cidade de Pelotas/RS

2 OBJETIVO

Reduzir as perdas físicas de água da ETA Santa Bárbara, através do reaproveitamento da água de lavagem dos filtros, utilizando um reservatório com volume mínimo possível (volume de água de lavagem de 1 filtro), um sistema de bombeamento automatizado e vazão máxima de 10% do volume da água bruta de chegada do salto hidráulico. 3 METODOLOGIA

Primeiramente, fez-se a quantificação da água gasta no processo de lavagem dos filtros (diária e por filtro). Após isso, foi feita a caracterização da água bruta (cor, turbidez e sólidos) e do efluente do filtro (cor, turbidez e sólidos) comparou-se os dados obtidos, confirmando-se assim a possibilidade de reuso da água, sendo possível, com isso, dimensionar o reservatório de acumulação, o sistema de bombeamento e a automatização.

Tendo em vista que a lavagem dos filtros ocorre a cada três horas, foi necessário dimensionar o reservatório de equalização para que ele recebesse toda a água de lavagem de um filtro, 126m³, e que ela fosse recalcada integralmente ao salto hidráulico nesse período, não ultrapassando o limite de vazão de recalque de 50 l/s. O sistema foi dotado de inversor de freqüência para poder variar a velocidade da bomba, caso a vazão de água bruta reduzisse, permitindo com isso que a mistura efluente/água bruta permanecesse na razão 10:1.

Essas análises foram executadas em duas unidades de filtro para dar maior confiabilidade aos dados obtidos. 4 RESULTADOS ALCANÇADOS

Através da análise da lavagem dos filtros, verificou-se a viabilidade de implantar um reservatório de 150m³ com sistema de bombeamento, elevando a água do efluente do filtro diretamente ao salto hidráulico da ETA. Esse reservatório possui um tamanho mínimo capaz de suportar a água de lavagem de 1 filtro e de estar totalmente vazio, dentro de um período de 3horas, pronto para poder receber a água de lavagem de outro filtro. Essa água de retorno mantém-se dentro da relação 10:1 no salto hidráulico, não alterando em nada o processo de tratamento, portanto não onerando o trabalho do operador da ETA. Pode-se, ainda, conseguir uma redução de sulfato de alumínio aplicada na coagulação, pois a água de retorno possui um percentual de sulfato, que ficou retido no filtro durante o processo de tratamento, e uma redução no tempo de operação da ETA.

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1. INTRODUÇÃO

A redução de perdas em sistemas de abastecimento de água é decorrente da necessidade de preservação dos recursos ambientais e, também, de uma estratégia de redução dos desperdícios nos processos de adução, tratamento e distribuição de água (energia elétrica, produtos químicos, mão-de-obra, equipamentos) alterando, com isso, a eficiência do processo.

Há carência de uma melhor sistematização que assegure o controle das perdas operacionais, entre perdas físicas e não-físicas (perdas de faturamento), as quais chegam a 42% em muitas empresas de saneamento, elevando o custo do processo para manter a população abastecida. A origem dos problemas de perdas de água se reporta à falta de planejamento e de previsão de investimentos nesta área, pois as tubulações dos sistemas passam a se deteriorar com o tempo, apresentando vazamentos. Com isso, as ETAS vão trabalhando cada vez mais no limite de suas capacidades, visto que há um incremento da população atendida, o que, além de exigir um grande esforço das suas estruturas hidráulicas, aumenta cada vez mais o gasto de água no processo do sistema de produção de água tratada.

Este trabalho focalizará, pois, um estudo sobre a perda de água na lavagem dos filtros da ETA Santa Bárbara (tipo convencional), apresentando uma alternativa de reaproveitamento.

A recirculação da água de lavagem pode ser aplicada a estações de filtração direta – em escoamento ascendente ou descendente – ou tratamento convencional. Em relação às primeiras, a principal limitação consiste na possibilidade de potencialização microbiológica do afluente, pois a totalidade das partículas suspensas presentes na água bruta, e os microrganismos às mesmas associados, retorna ao início do tratamento. Um eventual erro de operação pode acarretar queda de qualidade do afluente ao tanque de contato, pois o tempo de detenção no interior da unidade de tratamento é significativamente inferior comparado às estações convencionais. A existência da unidade de decantação, na qual parcela significativa das partículas suspensas serão removidas, minimiza esta limitação.(Libâneo,2001)

Segundo a AWWA (1987), no processo de lavagem dos filtros, uma ETA

gasta, em média, de 3% a 5% do volume total de água produzida e, embora sendo esta a maior perda de volume de água ocorrida nas estações, não ocorre o reaproveitamento.

As perdas de água em ETA's correspondem a uma parcela considerável do total das perdas de água em sistemas de abastecimento. Essas perdas, conforme Silva (1998), são agrupadas em físicas (não consumidas) e não-físicas (consumidas, porém não faturadas). A perda física refere-se a toda a água que é subtraída do sistema e que não é consumida pelo cliente final. Esse tipo de perda ocorre por vazamentos em tubulações, equipamentos e estruturas, por extravazamento de

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reservatórios e canais, por água utilizada em processos operacionais de lavagem de filtros e por limpeza de decantadores e de descargas em redes de adução e distribuição. Já as perdas não-físicas referem-se a ligações clandestinas/irregulares, ausência de micromedição, deficiências da micromedição e gerenciamento ineficiente de consumidores.

A redução das perdas físicas permite diminuir os custos de produção - mediante redução do consumo de energia, de produtos químicos e outros - e utilizar as instalações existentes para aumentar a oferta, sem expansão do sistema produtor.

Visando ilustrar a distribuição de perdas em um sistema público de abastecimento, o quadro a seguir apresenta os resultados dos estudos conduzidos pela SABESP para a Região Metropolitana de São Paulo.

Distribuição das perdas na RMSP (SABESP, 1993)

Hipótese de trabalho

Perdas [%]

[m³/s] Físicas Não-Físicas Totais

Tipo de perda

Vazamentos 8,9 47,6 - 47,6

Macromedição 1 - 5,3 5,3

Micromedição 3,8 - 20,3 20,3

Gestão comercial 3,2 - 17,1 17,1

Total 18,7 51 49 100

Segundo Tomaz (1998), a construção de sistemas de tratamento dos

resíduos líquidos gerados em uma ETA é, evidentemente, onerosa e, no entanto, deve ser considerado o beneficio do reaproveitamento de um determinado volume de água. Na ETA Santa Barbara, em estudo neste trabalho, entende-se ser possível recuperar cerca de 550.000 m3 de água ao ano. Sendo assim, se for adotado um valor estimado de R$ 0,25 por metro cúbico, tem-se uma receita adicional de R$ 150.000,00 ao ano, o que é um valor considerável neste caso, pois o custo será somente o de construção de um reservatório enterrado de 150m³, bombas submersíveis, tubulações e sistema de automação. Isso significa que o custo das obras componentes do sistema de reaproveitamento do efluente líquido gerado na ETA Santa Bárbara pode ser recuperado em poucos meses.

Um exemplo de reaproveitamento é o da ETA do Rio Descoberto, no Distrito Federal, a qual trata atualmente uma vazão média de 3,4 m3/s, recuperando-se uma vazão média de 170 l/s, ou seja, exatamente 5%, suficiente para o abastecimento de uma população de cerca de 73.000 habitantes com um valor per capita de 200 l/hab.dia.

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No caso da ETA Santa Bárbara, o sistema foi calculado para ter um reservatório de tamanho mínimo possível capaz de armazenar água de lavagem de um filtro e recalcar toda essa água para o salto hidráulico em período de três horas, estando, assim, apto a receber a água de lavagem de outro filtro. Esse sistema deve ser dotado com inversores de freqüência para poder reduzir a vazão do bombeamento do efluente do filtro, se for necessário.

A perda de água na lavagem dos filtros de uma ETA situa-se no grupo das perdas físicas e representa um grande problema para as empresas de saneamento, pois os líquidos gerados são lançados em cursos d’água mais próximos ou na rede de esgoto, o que, devido às características dos despejos, favorece o agravamento do grau de poluição dos corpos receptores, contribuindo para a crescente degradação do meio ambiente e a perda da qualidade de vida das populações existentes a jusante desses lançamentos. Os despejos além de apresentar um potencial poluidor, devido à presença, em sua constituição, de impurezas removidas da água bruta, durante o processo de tratamento, e de compostos químicos resultantes da adição de coagulantes, representam também um valor elevado na perda de água tratada de um sistema de abastecimento, chegando próximo dos 5% do total. Na ETA Santa Bárbara, o sistema de filtragem1 é constituído por 10 filtros, sendo 5 em cada fase. São lavados 3 filtros a cada turno de seis horas, com vazão média de 126m³ por filtro, o que resulta num total de 1512m³ diários, quantidade suficiente para atender 8400 pessoas por dia, considerando-se um valor per capita 200 l/hab.dia.

Além de ser um problema ambiental, devido ao desperdício da água, essa perda é também um problema operacional para a ETA, pois a água é retirada do processo, prejudicando a reserva de água tratada. No verão, o problema ainda é maior, pois o consumo se eleva, e o manancial está sempre com nível baixo, reduzindo a vazão de água bruta2 na ETA.

Tendo em vista esses aspectos, o projeto prevê um estudo que viabilize o reaproveitamento da água de lavagem de filtros, através de um reservatório de acumulacão, com capacidade mínima de 150m³ e uma bomba capaz de recalcar toda a água de lavagem de um filtro no período de 3 horas (tempo entre um e outro filtro). Essa água será recalcada para o salto hidráulico (chegada da água bruta) em um valor correspondente a 10% da água bruta de chegada no salto.

Uma recomendação usual é que o retorno da água de lavagem não ultrapasse a 10% da vazão da água bruta afluente à ETA de modo a permitir que não haja nenhum prejuízo no processo de coagulação- floculação, dosagem de coagulante e

1 Filtração: Após a decantação, a água segue para os filtros, que são unidades de areia de granulometria variada e que retêm as impurezas restantes e mais uma parte das bactérias. O filtro tem dispositivos capazes de promover a lavagem de areia, quando fica muito suja. Diz-se, nessa ocasião, que houve colmatação de leito filtrante. 2 O termo bruta designa apenas que ela não foi trabalhada pelo homem, não significando que ela não se preste para o consumo. É claro que, na maioria dos casos, ela é imprópria para esse fim, por haver estado exposta aos elementos e, portanto, à poluição. Entretanto, mananciais de água de superfície que se mantenham convenientemente protegidos (e assim a salvo da poluição) podem conter águas adequadas ao consumo sem tratamento prévio.

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sobrecarga hidráulica nas unidades de tratamento (Kawamura, 1991).

Com essa proposta, pretende-se reduzir as perdas da ETA, melhorar o fator

ambiental no corpo receptor e, principalmente, garantir uma maior disponibilidade de água tratada nos reservatórios, aumentando a vazão de água bruta na ETA com o reaproveitamento da água de lavagem.

2 METODOLOGIA

Tendo em vista que o objetivo do trabalho é reaproveitar a água perdida no processo de lavagem dos filtros da ETA Santa Bárbara, o primeiro passo a ser seguido foi o de verificar como funcionava o sistema de filtragem na ETA, ou seja, tipo de filtro, materiais que fazem parte da composição (areia, seixo..), taxa de filtração, número de lavagens executadas por unidade de filtro (lavagens/dia), volume e vazão de água utilizados em cada retrolavagem.

Após isso, foram executados testes de laboratório como cor, turbidez e teor de sólidos do efluente do filtro para comparar-se com os valores da água bruta, verificando-se, com isso, a possibilidade de destinar a água de lavagem dos filtros para o salto hidráulico. Essas análises foram executadas em duas unidades de filtro para dar maior confiabilidade aos dados obtidos.

Tendo-se confirmado a possibilidade de reaproveitar a água de lavagem e sabendo-se que o processo de tratamento não ia ser alterado quando a água do efluente se misturasse com a água bruta numa proporção de 10:1, passou-se, então, a analisar o tipo de reservatório ideal a ser construído, ou seja, tamanho máximo para armazenar a água de lavagem de um filtro. Para esse tanque, também seriam encaminhadas as águas de pequenos vazamentos existentes nos equipamentos do processo de tratamento (registros, válvulas e adufas de fundo de decantador), quantidade inexpressiva quando comparada às águas de lavagens de filtro.

Em paralelo com o cálculo do reservatório, também foi verificado um tipo de bomba submersível a ser instalado no interior do tanque, sendo levadas em consideração as perdas de carga contínua e localizada até a água recalcada chegar no salto hidráulico. O sistema em questão será automatizado via sensor de nível indutivo, ou seja, no momento em que a água de lavagem atingir um determinado nível no tanque de reservação este sensor manda um sinal ao quadro de comando da bomba que a liga automaticamente, sem a necessidade do técnico de tratamento intervir no processo. O mesmo acontece quando o nível de água no tanque atingir valores baixos.

Teremos, então, nível superior e inferior de comando da bomba submersível. Essa bomba foi dimensionada, conforme FLYGT (2002) e BLACK (1979), visando atender o valor máximo a ser recalcado, sem alterar o tratamento normal da água bruta, e esvaziar o reservatório num período máximo de 3 horas, que é o tempo de lavagem entre um filtro e outro.

Foi utilizada a fórmula de hazen - williams para calcular as perdas de carga contínua e localizada, conforme BAPTISTA (2002)

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RESULTADOS COMPARAÇÃO DE ANÁLISES DE

ÁGUA.

DADOS FILTRO 9 FILTRO 6 ÁGUA BRUTA ÁGUA TRATADA COR 91uh 70uh 238uh 3uh

TURB. 12,9ntu 12,9ntu 31,9ntu 1ntu

SÓLIDOS TOTAIS

933mg/l 1763mg/l 121,40mg/l _

SÓLIDOS SUSPENSOS 839mg/l 1563mg/l 20,40mg/l _

PH (13-11) 9horas

_ _ 6,88 6,64

Dados colhidos nos dias 13-14-27/11/2003 Temperatura da água: 20,5 graus Temperatura do ar: 19 graus

Dados preliminares para dimensionar o reservatório Vazão de água distribuída = 450 l/s (Vazão da ETA, composta por 2 fases) Vazão de retro lavagem = 126m³ / 8min / filtro Vazamentos gerais na ETA= 3 l/s Vazão máxima para recalcar para cada fase = 25 l/s Vazão da bomba (dados iniciais) = 50 l/s = 180m³/h Vazamentos = 259,2 m³/dia Água de lavagem = 1512 m³/dia (3 filtros por turno de 6 horas) Horas de trabalho da bomba = 10h. Reservatório enterrado =150 m³/h (Calculado) Altura do reservatório = 4m diâmetro = 7m Perdas totais na ETA = 1512m³/dia + 259,2m³/dia = 1771,2m³/dia > 20,5l/s Então 20,5 l/s / 450 l/s = 4,5%

Considerando-se os dados coletados, o percentual de perdas devido à lavagem de filtros é de 3,9% da produção de água distribuída diariamente, o que comprova a necessidade de um melhor uso deste efluente. O sistema todo foi dimensionado visando o mínimo de gasto com obras civis, elétricas e hidráulicas, podendo ser utilizado equipamentos e materiais existentes na própria estrutura da ETA. O projeto foi encaminhado ao departamento de águas do Sanep (Serviço autônomo de saneamento de Pelotas).

Abaixo temos imagens do sistema de instalação das bombas, automação do sistema, curvas das bombas e dados técnicos dos inversores de freqüência.

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CROQUI DO RESERVATÓRIO E BOMBA PARA RECALQUE

Fonte: Manual técnico flygt, 2000 O SISTEMA DE COMANDO Automação via sensor indutivo com inversor de freqüência conforme figura abaixo

ÁGUA DE LAVAGEM DOS FILTROS

Fonte: Vianna, 1996 Black, 1979

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ETA Santa Bárbara Pelotas/RS

Filtro sendo lavado

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O sistema de comando com sensor é mais prático e gera menos manutenção. O sistema é acionado a partir de um inversor de freqüência, conseguindo-se com isso uma redução ou ampliação de vazão dependendo da necessidade .

WEG. Disponível em: <http://www.weg.com.br. Acesso em 17 maio. 2004. EQUIPAMENTOS GERAIS PARA IMPLANTAÇÃO DO SISTEMA DE RECUPERAÇÃO DE ÁGUA. ♦ Reservatório enterrado de 150m³ para reservar água de lavagem de um filtro e

pequenos vazamentos da 1ª e 2ª fase. ♦ 1 bomba flygt C3140 13,5kW (exemplo pesquisado, dados em anexo) ♦ 150m de cano de PVC DN 200 (distância do reservatório até o salto hidráulico). ♦ Curvas de 90 e 45 graus para instalação da bomba (saída do reservatório e

chegada ao salto hidráulico). ♦ Inversor de freqüência para 15kW (CF 08 , 09 da WEG) ou partida estrela -

triângulo. ♦ 1 sensor indutivo para controle de nível. ♦ Painel de comando para montagem dos equipamentos.

Durante o desenvolver do pré-projeto, foi fundamental o auxílio do pessoal do laboratório e da operação e captação.

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Bibliografia BAPTISTA, Márcio Benedito. Fundamentos de engenharia hidráulica. Belo Horizonte: Editora UFMG,2002 BLACK, Perry O. Bombas. Tradução de José Aristides Salge. Rio de Janeiro: Ao livro técnico, 1979 FLYGT, manual técnico. Bombas, misturadores e geradores de turbina hidráulica. Porto Alegre: Itt Flygt, 2000. LIBÂNIO, Marcelo. http://www.sanepar.com.br/sanepar/sanare/v16/OPNIAO1.htm,

acessado em 10 dez 2003

TOMAZ, Plínio. Conservação da água. ABES, RJ.1998

SILVA, Ricardo Toledo (coord.). Indicadores de perdas nos sistemas de abastecimento de água. Ministério do Planejamento e Orçamento. Secretaria de Política Urbana. Brasília, 1998. VIANNA, Marcos Rocha - Introdução ao tratamento de água. Belo Horizonte : Editec,1996. VIANNA, Marcos Rocha - Estações elevatórias de esgoto sanitário. Belo Horizonte : Editec,1996. WEG. Disponível em: <http://www.weg.com.br. Acesso em 17 março 2004.

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