Um tanque, duas cargas
Um tanque de sedimentação recebe duas coisas ao mesmo tempo. Recebe uma vazão, que é uma carga hidráulica, e recebe uma massa de sólidos suspensos, que é uma carga de sólidos. Os tratamentos que lidam com a primeira são descritos por uma carga hidráulica; os que lidam com a segunda são descritos por uma carga de sólidos. Um tanque tem de ser adequado para ambas, e não são o mesmo cálculo.
A medida hidráulica de um tanque de sedimentação é sua taxa de aplicação superficial: a vazão que passa pelo tanque dividida pela área em planta do tanque, expressa em metros cúbicos por metro quadrado por dia, ou em galões por minuto por pé quadrado na outra convenção comum. A mesma quantidade também é chamada de taxa de escoamento superficial, e onde uma estação é descrita em termos de sua taxa de aplicação superficial no tratamento de esgoto, é esse o valor citado.
As unidades são o que se deve notar. Metros cúbicos por metro quadrado por dia reduzem-se a metros por dia, que é uma velocidade. A taxa de aplicação superficial é a velocidade vertical com que a água sobe pelo tanque, e pode ser comparada diretamente com a velocidade com que uma partícula sedimenta. Essa comparação é toda a base do dimensionamento de um tanque de sedimentação.
Por que a área superficial define a remoção, e a profundidade não
Tome um tanque em repouso, sem curto-circuito e contendo partículas de uma única velocidade de sedimentação. Uma partícula é removida se alcançar a zona de lodo antes de alcançar a saída. Uma partícula cuja velocidade de sedimentação é maior que a taxa de escoamento superficial chega lá de qualquer profundidade inicial, inclusive da superfície. Uma partícula que sedimenta mais devagar que a taxa de escoamento superficial chega lá apenas se começar baixo o suficiente no tanque, de modo que só parte daquela classe de tamanho é removida, na proporção de sua velocidade de sedimentação para a taxa de escoamento superficial.
Duas conclusões decorrem, e ambas são contraintuitivas na primeira vez em que são encontradas. A primeira é que a fração removida depende da área superficial e não da profundidade: tornar o tanque mais profundo deixa a taxa de escoamento superficial inalterada e não remove mais daquela classe de tamanho. A segunda é que a taxa de escoamento superficial, e não o tempo de residência, é o número de projeto para a remoção. A profundidade ainda é comprada e paga, mas por outras razões: ela fornece tempo de residência para a floculação continuar no tanque, armazena lodo entre as operações de descarte e mantém o manto de lodo longe do vertedouro de saída.
Um tanque real se afasta do ideal. A turbulência de entrada, as correntes de densidade por diferenças de temperatura, o vento e a floculação que ocorre quando as partículas se encontram melhoram ou estragam a previsão, e uma entrada bem projetada pode remover mais do que o cálculo ideal diz. O número de projeto continua sendo a taxa de escoamento superficial, porque é a quantidade em torno da qual a geometria do tanque tem de ser arranjada.
Taxa de aplicação superficial no tratamento de esgoto, por função
Valores de partida comumente citados para decantadores primários ficam da ordem de 30 a 50 metros cúbicos por metro quadrado por dia, o que é cerca de 0.8 a 1.2 galões por minuto por pé quadrado, na vazão média. Decantadores secundários adotam valores mais baixos, da ordem de 16 a 32 metros cúbicos por metro quadrado por dia, ou cerca de 0.4 a 0.8 galões por minuto por pé quadrado. Leia-os como um método de partida, e não como uma especificação. As duas funções diferem porque os sólidos diferem: o lodo primário é denso e carrega areia, enquanto o lodo ativado é um floco leve e hidratado que sobe com a água se o tanque for exigido demais.
Como determinar o valor que se aplica ao seu tanque: a área decorre da vazão que o tanque tem de passar e da taxa de aplicação que lhe é permitida, e a própria permissão decorre da sedimentabilidade do lodo que a estação de fato produz. Uma estação cujo lodo sedimenta bem pode operar a uma taxa mais alta que uma cujo lodo é filamentoso, na mesma função e no mesmo tanque. É por isso que o número é verificado na estação, e não copiado de uma tabela.
Onde a carga hidráulica é um número diferente
Os dois termos são frequentemente usados como sinônimos e, em um tanque de sedimentação, geralmente são o mesmo número. Carga hidráulica no tratamento de esgoto é o termo mais geral, e em um filtro significa algo inteiramente diferente: a vazão que passa por uma área unitária do leito, incluindo a água usada para retrolavá-lo, de modo que o valor citado para um filtro é uma vazão total, e não uma velocidade instantânea de sedimentação.
O lugar onde a distinção morde em uma estação biológica é o decantador secundário, porque a vazão que o atravessa não é a vazão da estação. O lodo ativado de recirculação é retirado do fundo do decantador, bombeado de volta ao tanque de aeração e chega novamente ao decantador com o licor misto. A taxa de aplicação superficial de um decantador secundário é, portanto, calculada sobre a vazão da estação mais a vazão de recirculação, e um valor calculado apenas sobre a vazão da estação subestima a carga sobre o tanque em larga margem. É uma das razões pelas quais uma estação cuja taxa de escoamento superficial parece confortável no papel perde sólidos em serviço.
Há uma terceira taxa na mesma família, e é a que pega um tanque com área suficiente e borda insuficiente: a taxa de escoamento pelo vertedouro do decantador, a vazão por unidade de comprimento do vertedouro de efluente, em metros cúbicos por metro por dia. A água acelerando em direção a um vertedouro curto carrega sólidos até a saída com ela, de modo que um decantador pode satisfazer sua taxa de aplicação superficial e ainda produzir um efluente ruim.
A vazão de pico é onde o número é testado
Um tanque de sedimentação é dimensionado para a vazão que tem de passar no pior momento, e não para sua média anual. O gráfico de fator de pico transforma a vazão de tempo seco de uma comunidade em um fator de pico, e a área superficial tem de ser adequada nesse pico. O comportamento intermediário também importa: um pico diurno de algumas horas é uma função diferente de um pico de tempo chuvoso sustentado ao longo de um dia, e uma estação que sedimenta perfeitamente na vazão média pode perder seu manto em qualquer dos dois.
Os sólidos chegam com a vazão, e não independentemente dela, e é por isso que o pico tem de ser verificado duas vezes. Um pico de vazão com concentração de sólidos estável eleva a carga hidráulica sobre o tanque; um pico de vazão que também carrega um pico de sólidos eleva ambas, e é a combinação que decide a área. Onde os dois picos coincidem, o tanque é dimensionado pela carga que primeiro se torna limitante.
Os outros tetos: a carga de sólidos de um decantador secundário
A carga de sólidos de um decantador secundário costuma ser a restrição limitante. É a massa de sólidos suspensos aplicada por unidade de área superficial por unidade de tempo, em quilogramas por metro quadrado por hora, e é atendida pelo sistema de lodo de recirculação tanto quanto pelo tanque. Um tanque dimensionado para satisfazer sua taxa de escoamento superficial pode ainda ser pequeno demais para carregar os sólidos, e o valor que se aplica é determinado a partir das características de sedimentação do lodo que a estação desenvolve, e não de uma tabela.
As duas restrições interagem através do lodo. Uma estação que eleva sua concentração de licor misto para tratar mais carga no mesmo volume de aeração envia mais sólidos ao decantador, o que eleva a carga de sólidos e a profundidade do manto, e pode forçar uma taxa de escoamento superficial mais baixa para compensar. Dito ao contrário: a concentração que uma estação consegue sustentar é limitada pelo decantador, e o decantador é limitado por uma quantidade de área que foi fixada quando ele foi construído.
Erros comuns
- Calcular a taxa de aplicação superficial de um decantador secundário apenas sobre a vazão da estação, e deixar a vazão de lodo de recirculação de fora.
- Comprar profundidade em vez de área quando um tanque está com remoção insuficiente, quando a profundidade não muda a taxa de escoamento superficial.
- Dimensionar sobre a vazão média e verificar o pico depois, em vez de dimensionar sobre o pico e confirmar a média.
- Satisfazer a taxa de aplicação superficial e ignorar a carga de sólidos, que é a restrição que geralmente decide um decantador secundário.
- Deixar o comprimento do vertedouro fora do projeto, de modo que um tanque com área adequada carrega sólidos por um vertedouro curto.
- Citar uma taxa de aplicação sem dizer sobre qual vazão foi calculada, o que torna o valor inutilizável para comparação.
- Tratar a taxa de aplicação como propriedade do tanque, e não do lodo que a estação produz nele.
Autoverificação antes de fixar a área
- A vazão de projeto é declarada como média, pico e pico com recirculação, e não como um único valor?
- A taxa de aplicação superficial de um decantador secundário é calculada sobre a vazão da estação mais a vazão de recirculação?
- A carga de sólidos também foi verificada, a partir da concentração de licor misto e da taxa de recirculação com que a estação operará?
- O comprimento do vertedouro é conhecido, e a taxa de escoamento pelo vertedouro está dentro do que a função permite?
- A sedimentabilidade do lodo que a estação produzirá é conhecida, ou foi assumida uma taxa de aplicação para um lodo que não sedimentará tão bem?
- O valor é citado com a vazão sobre a qual foi calculado, para que a próxima pessoa a usá-lo possa compará-lo com o seu?
- O tanque foi verificado na hora de pico em tempo chuvoso, bem como na hora de pico do dia de tempo seco?
- Onde dois tanques são usados em paralelo, a divisão de vazão entre eles está confirmada, já que uma divisão desigual sobrecarrega um tanque acima do número para o qual o par foi dimensionado?
De uma taxa de escoamento superficial a um tanque
A taxa de escoamento superficial fixa a área de um tanque de sedimentação; a profundidade, a coleta de lodo e o vertedouro decorrem então da função e do lodo. Uma vez fixada a área, o gráfico de volume de tanque e TDH transforma o tempo de residência de que o processo precisa em um volume de tanque, que é um cálculo diferente sobre o mesmo tanque. As páginas de equipamento de sedimentação e clarificação cobrem as formas de tanque construídas em torno dessa área, desde os sedimentadores de placas inclinadas e tubulares que acrescentam superfície de sedimentação dentro de uma pequena pegada até os raspadores que movem o lodo até o ponto de descarga. Que área, profundidade e carga de sólidos uma unidade compacta oferece na sua vazão é confirmado com a fábrica para a sua vazão de projeto e a sua carga de sólidos suspensos, e não presumido de uma tabela.