O documento aborda o processo de mistura rápida no tratamento de água, destacando a importância da coagulação na eficiência das etapas subsequentes. Serão discutidos diferentes tipos de coagulantes, etapas e unidades de mistura, assim como os desafios enfrentados para uma mistura homogênea. O conteúdo também inclui recomendações para a instalação de difusores e especificações de projetos de estações de tratamento de água.

1. CURSO: ENGENHARIA AMBIENTAL
DISCIPLINA: PROJETO DE ESTAÇÃO DE TRATAMENTO
DE ÁGUA (UDM.102)
Aula 04 – Mistura rápida
INSTITUTO FEDERAL DE
EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA
CEARÁ
Campus Maracanaú
Profa. Socorro Hortegal

2. 2
TECNOLOGIAS DE
TRATAMENTO

3. 3
TECNOLOGIAS DE
TRATAMENTO
• Tratamento convencional
Manancial Coagulação Floculação Sedimentação Filtração
Manancial Coagulação Floculação Sedimentação Filtração
• Filtração em linha
Manancial Coagulação Floculação Sedimentação Filtração
• Filtração direta

4. 4
Água Bruta
Pré-tratament
o
Filtração
lenta
Desinfecção
Fluoretação
Correção de
pH
Filtração
lenta
Coagulação
Filtração
Desinfecção
Fluoretação
Correção de pH
Filtração em
linha
Coagulação
Pré-floculação
Filtração
Desinfecção
Fluoretação
Correção de pH
Filtração
direta
Coagulaçã
o
Floculaçã
o
Sedimentaçã
o
Filtração
descendent
e
Desinfecção
Fluoretação
Correção de
pH
Tratamento
completo

5. 5

6. MISTURA RÁPIDA
Coagulação
⚫ Processo pelo qual os coagulantes são adicionados à água,
reduzindo as forças que tendem a manter separadas as partículas em
suspensão
Mistura rápida
⚫ Função de promover a dispersão do coagulante na água
⚫ Etapa importante no tratamento de água, pois a eficiência das
demais etapas depende desta
⚫ Quantidade muito pequena de coagulante em relação ao volume de
água
(< 100 g/m³) dificuldade de boa mistura
⚫ Dispersão o mais homogênea e mais rápida possível
Aplicação do coagulante em uma região de grande turbulência –
unidade de mistura rápida!
6

7. 7

8. 8
Ressalta-se que a etapa de coagulação está presente em quase
todas as tecnologias de tratamento água:
Tratamento Convencional:
⚫ A eficiência da coagulação influi nas demais etapas de
tratamento:
• favorecendo a qualidade microbiológica do efluente,
• aumentando a duração das carreiras de filtros e
• reduzindo o custo do metro cúbico de água tratada.

9. oPRINCIPAIS COAGULANTES
Sulfato de Alumínio - Al2
(SO4
)3
N H2
O – (10-60mg/L)
Cloreto Férrico - FeCl3
6H2
O – (5 – 40mg/L)
Sulfato Férrico – FeSO4
9H2
O – (5 – 40mg/L)
Cloreto de Polialumínio Aln
(OH)m
Cl3
(< 10mg/L)
9

10. 10
• Qualidade da água bruta
• Tipo de Coagulante
• pH
• Alcalinidade
• Velocidade de mistura rápida (Gradiente de Velocidade)
• Tempo de mistura rápida
É essencial a realização de experimentos em escala piloto ou em jartest, para
definir as condições adequadas de coagulação e mistura rápida.

11. 11

12. 12
OBS: Aplicação do coagulante em uma região de grande turbulência

13. MISTURA RÁPIDA
Conceito de gradiente de velocidade:
⚫ Agente físico, para a realização da coagulação ou da
floculação, é a agitação (mistura mais ou menos intensa da
água)
⚫ Taxa de colisão das partículas como resultado do
movimento do fluido (von Smoluchowski - 1917).
13

14. MISTURA RÁPIDA
Fatores que influenciam no processo de mistura
⚫ Mistura rápida é função de:
⚫ tempo de mistura;
⚫ dosagem do coagulante;
⚫ gradiente de velocidade
⚫ A Associação Americana de Obras Hidráulicas – AWWA
(American Water Works Association) sugere as seguintes relações
entre tempo de mistura (T) e gradiente de velocidade (G):
14

15. MISTURA RÁPIDA
Fatores que influenciam no processo de mistura
⚫ No Brasil, orientação para gradiente de velocidade o mais elevado
possível, com tempo de mistura inferior a 1 s
OBS: Condições obtidas na maioria dos casos em que se utiliza
ressalto hidráulico!
15

16. MISTURA RÁPIDA
16

17. MISTURA RÁPIDA
Tipos de unidades de mistura rápida
⚫ Mistura rápida hidráulica – baseada na agitação da água por
meio da energia hidráulica
Canais com mudança brusca de velocidade
Calhas Parshall
Vertedores
⚫ Mistura rápida mecânica – baseada na agitação da água por
meio mecânico
Agitador tipo turbina de eixo axial
Agitador tipo turbina de eixo radial
17

18. MISTURA RÁPIDA
18

19. MISTURA RÁPIDA
19

20. DISPOSITIVOS HIDRÁULICOS
20

21. DISPOSITIVOS HIDRÁULICOS
21

22. DISPOSITIVOS HIDRÁULICOS
22

23. DISPOSITIVOS HIDRÁULICOS
23

24. DISPOSITIVOS HIDRÁULICOS
24

25. DISPOSITIVOS HIDRÁULICOS
25

26. DISPOSITIVOS HIDRÁULICOS
26

27. DISPOSITIVOS HIDRÁULICOS
27

28. DISPOSITIVOS HIDRÁULICOS
28
■ Agitadores mecânicos
■ Hélice propulsora
■ Turbinas

29. DISPOSITIVOS HIDRÁULICOS
29
■ Agitadores mecânicos
■ Hélice propulsora
■ Turbinas

30. DISPOSITIVOS HIDRÁULICOS
30

31. UNIDADES DE MISTURA RÁPIDA
31
Observações:
A aplicação do coagulante deve ser feita imediatamente
antes do ponto de maior dissipação de energia e através de
jatos separados de no máximo 10 cm.
As unidades mecanizadas são mais versáteis que as
hidráulicas, pois possibilitam a variação do grau de
agitação.
Por outro lado, as unidades hidráulicas apresentam menor
custo de implantação e manutenção.

32. UNIDADES DE MISTURA RÁPIDA
32
Observações:
A aplicação do coagulante deve ser feita imediatamente
antes do ponto de maior dissipação de energia e através de
jatos separados de no máximo 10 cm.

33. MISTURA RÁPIDA
Mistura rápida hidráulica
⚫ Primeiros dispositivos utilizados para mistura foram hidráulicos
⚫ Ressalto hidráulico – passagem do escoamento do regime
supercrítico para o subcrítico
h1
< hc
h2
> hc
h - profundidade
v1
> vc
v2
< vc
v – velocidade
33

34. MISTURA RÁPIDA
⚫ Ressalto hidráulico em mistura rápida produzido por mudança
brusca de velocidade, calha Parshall ou vertedor
⚫ Condição necessária para que ocorra o salto:
Profundidades da água antes e depois
do salto devem satisfazer a relação:
Número de Froude:
34

35. MISTURA RÁPIDA
⚫ Tipos de ressalto hidráulico:
⚫ Ressalto desejado para a mistura rápida – ressalto estável:
Número de Froude entre 4,5 e 9,0
Dissipação de energia de 3,5 a 7,0 HP por m³/s
Tempo de mistura próximo a 1 s
35

36. MISTURA RÁPIDA
⚫ Energia hidráulica dissipada e gradiente de velocidade:
Energia específica – energia de uma seção tomando como referência um
plano passando pelo fundo do canal naquela seção:
(altura d’água + carga cinética)
Perda de carga no ressalto (energia dissipada para promover a mistura):
36

37. MISTURA RÁPIDA
Desenvolvendo para um canal de seção retangular: a perda de carga é
dada por:
37
⚫ Comprimento do ressalto hidráulico (L):
1. Não pode ser calculado analiticamente
2. Estudos experimentais indicam que:

38. MISTURA RÁPIDA
⚫ Gradiente de velocidade:
γ – peso específico da água (kgf/m³)
μ – viscosidade absoluta (kgf.s/m²)
Q – vazão (m³/s)
hp
– perda de carga no ressalto (m)
V – volume entre as seções 1 e 2 (m³)
v1
– velocidade na seção 1 (m/s)
v2
– velocidade na seção 2 (m/s)
38

39. MISTURA RÁPIDA
⚫ Viscosidade absoluta da água:
39

40. DISCIPLINA: PROJETO DE ESTAÇÃO DE TRATAMENTO
DE ÁGUA-MISTURA RÁPIDA
Canais
⚫ Baseada na agitação da água por meio da energia hidráulica
40
• Ressalto hidráulico provocado pela mudança de declividade

41. 41

42. 42
1. Lâmina vertente atinge o piso na seção 1;
2. Grande perda de energia devido à massa de água represada;
3. Mudança de jato para a direção horizontal;
4. Formação de ressalto hidráulico a jusante;
5. Perda de carga no ressalto, onde é realizada a mistura do coagulante;
6. Aplicação do coagulante na seção 1, a uma distância Lm
do vertedor.

43. Perfil inferior da lâmina
vertente:
Determinações experimentais
em vertedores de parede espessa:
OBS: (resultados de Lm
superiores à equação anterior!)
ONDE: Lm – distância entre a parede do vertedouro e a seção de
aplicação do coagulante
H – lâmina de água acima da parede do vertedouro
P – altura do vertedouro / altura de queda do escoamento
hc – profundidade crítica do escoamento
Considerações sobre a aplicação do coagulante:
Antes de Lm: distribuição não uniforme do coagulante
na água bruta
Depois de Lm: aproveitamento de apenas parte da
energia do ressalto
Necessidade de determinar Lm com precisão!

44. TRATAMENTO DE ÁGUA
MISTURA RÁPIDA
Vertedores retangulares
⚫ Ressalto hidráulico provocado a jusante do vertedouro
⚫ Cálculo de:
Profundidades do escoamento:
Perda de energia:
44

45. TRATAMENTO DE ÁGUA
MISTURA RÁPIDA
• Vertedores retangulares
– Ressalto hidráulico provocado a jusante do vertedouro
– Cálculo de:
• Comprimento do ressalto:
• Tempo de mistura:
45

46. TRATAMENTO DE ÁGUA
MISTURA RÁPIDA
Vertedores retangulares
⚫ Ressalto hidráulico provocado a jusante do vertedouro
⚫ Cálculo de:
Gradiente de velocidade:
46
Onde:
µ- viscosidade
- peso específico
hp- perda de carga
T- tempo de mistura

47. DISCIPLINA: PROJETO DE ESTAÇÃO DE TRATAMENTO
DE ÁGUA - MISTURA RÁPIDA
⚫ Carga hidráulica disponível em 1
(desprezadas as perdas de carga):
⚫ Profundidade do escoamento antes do ressalto:
47

48. DISCIPLINA: PROJETO DE ESTAÇÃO DE TRATAMENTO
DE ÁGUA- MISTURA RÁPIDA
⚫ Resolvendo a equação de energia específica:
⚫ Uma vez calculados h1
e v1
, verifica-se a eficiência do dispositivo
como misturador (avaliação do tempo de mistura e do gradiente de
velocidade)
⚫ Confirmando-se a eficiência do canal com mudança de declividade,
realiza-se o cálculo de suas dimensões!
48

49. DISCIPLINA: PROJETO DE ESTAÇÃO DE TRATAMENTO
DE ÁGUA -MISTURA RÁPIDA
⚫ Substituindo:
49
Onde:
E – energia específica (m)
B – largura do canal (m)
h – profundidade do escoamento (m)
v – velocidade (m/s)
Q – vazão (m³/s)
q – vazão unitária (por unidade de largura) (m³/s/m)

50. ⚫ Cálculo de:
Profundidades do escoamento:
Perda de energia:
Comprimento do ressalto:

51. DISCIPLINA: PROJETO DE ESTAÇÃO DE TRATAMENTO
DE ÁGUA- MISTURA RÁPIDA
⚫ Cálculo de:
Tempo de mistura:
Gradiente de velocidade:
51

52. Roteiro
1-Determinar no ponto 1 -V1, h1 e Fr1
2- Determinar no ponto 2 -V2, e h2
3- Determinar a Perda de Carga- hp
4- Calcular o comprimento do ressalto - L
5- Determinar o tempo de mistura- T
6- Determinar o Gradiente de velocidade- G
e comparar com a NBR 12216 (700 a 1100 s-1)
.
52
DISCIPLINA: PROJ. ETA
MISTURA RÁPIDA- CALHA PARSHLL

53. Calhas Parshall
⚫ Dispositivo muito utilizado em ETAs (dimensões
padronizadas!)
⚫ Utilizado para mistura rápida e medição da vazão
afluente
⚫ Passa o escoamento de um regime supercrítico
para subcrítico, provocando ressalto hidráulico.
53
DISCIPLINA: PROJ. ETA
MISTURA RÁPIDA- CALHA PARSHLL

54. CALHA PARSHALL

55. CALHA PARSHALL

56. MEDIDORES PARSHALL– LIMITES DE APLICAÇÃO
W (pol e cm) Capacidade (L/s)
Mínima Máxima
3’’ 7,6 0,85 53,8
6’’ 15,2 1,52 110,4
9’’ 22,9 2,55 251,9
1’’ 30,5 3,11 455,6
1 ½ ‘ 45,7 4,25 696,2
2’ 61,0 11,89 936,7
3’ 91,5 17,26 1426,3
4’ 122,0 36,79 1921,5
5’ 152,5 62,8 2422
6’ 183,0 74,4 2929
7’ 213,5 115,4 2440
8’ 244,0 130,7 3950
10’ 305,0 200,0 5660

57. DISCIPLINA: PROJ. ETA
MISTURA RÁPIDA- CALHA PARSHLL
142,0
149,6
40,3
120,7
45,0

58. 58
DISCIPLINA: PROJ. ETA
MISTURA RÁPIDA- CALHA PARSHLL

59. DISCIPLINA: PROJ. ETA
MISTURA RÁPIDA- CALHA PARSHLL
⚫ Sequência de cálculo semelhante ao de canais com mudança de
declividade
⚫ Energia disponível:
⚫ Profundidade:
59

60. DISCIPLINA: PROJ. ETA
MISTURA RÁPIDA
⚫ Velocidade na seção de medição:
⚫ Perda de carga no
ressalto hidráulico:
60

61. DISCIPLINA: PROJETO DE ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE
ÁGUA
MISTURA RÁPIDA
Gradientes de velocidade em calhas Parshall (10 °C)
61

62. TRATAMENTO DE ÁGUA
MISTURA RÁPIDA
Roteiro
1- Determinar no ponto de medição de vazão
H0, D’, V0, q(vazão específica) e E0
2-Determinar nos pontos 1-2, 3- V1,V2,V3 h1 e Fr1 ,, h 1 e
h2
3- Determinar a Perda de Carga- hp
4- Determinar o tempo de mistura- T
5- Determinar o Gradiente de velocidade- G
OBS: comparar o ‘G’ com a NBR 12216 (700 a 1100
s-1
62

63. TRATAMENTO DE ÁGUA
MISTURA RÁPIDA
Difusores
⚫ São dispositivos destinados
exclusivamente a mistura rápida
⚫ São canalizações em forma de malha,
com orifícios com sentido contrário a
corrente
63

64. 64

65. TRATAMENTO DE ÁGUA
MISTURA RÁPIDA
⚫ Exemplos de difusores:
65
Difusor em um
ressalto hidráulico
Difusor em um
canal

66. TRATAMENTO DE ÁGUA
MISTURA RÁPIDA
Difusores
⚫ Resultados do processo de mistura depende das condições de
aplicação do coagulante na água
⚫ Ponto de aplicação único – necessidade de uma distância (e tempo)
maior para a mistura; perda de eficiência
⚫ Múltiplos pontos de aplicação – redução da distância para a mistura
completa; melhor dispersão do coagulante
66

67. TRATAMENTO DE ÁGUA
MISTURA RÁPIDA
⚫ Recomendações para a instalação de difusores:
Preferência por aplicação do coagulante em solução o mais diluída possível
Canais com lâmina de água pequena no ponto de aplicação do coagulante:
1. Instalação de tubo perfurado ou canaleta de distribuição
2. Densidade de 16 orifícios por dm²
3. Espaçamento máximo de 10 cm entre orifícios
Canais com lâmina de água profunda ou tubos sob pressão
1. Instalação de uma malha de tubos perfurados
2. Jatos de coagulante devem se dirigir perpendicularmente ao sentido
do fluxo ou frontalmente ao mesmo (nunca no mesmo sentido do
fluxo)
3. Velocidade da água ≥ 2 m/s no local onde os jatos forem distribuídos
4. Orifícios com diâmetro mínimo de 3 mm
5. Previsão de facilidades para limpeza ou substituição do difusor
67

68. TRATAMENTO DE ÁGUA
MISTURA RÁPIDA
Localização da unidade de mistura rápida
⚫ Localização o mais próximo possível dos tanques de floculação
⚫ Possibilidade de início da floculação no canal entre a câmara de
mistura e os tanques de floculação:
Formação de flocos fracos
Rompimento dos flocos devido aos gradientes de velocidade mais elevados
no início dos tanques de floculação
Perda de eficiência no processo de floculação
⚫ Especificações das normas brasileiras:
Distância percorrida pela água até os floculadores: correspondente a um
tempo de percurso máximo de 60 segundos
Tempo de percurso pode ser aumentado para até 3 minutos se ao longo do
canal existir um sistema de agitação conferindo um gradiente de
velocidade superior a 75 s-
¹
68

69. TRATAMENTO DE ÁGUA
MISTURA RÁPIDA
⚫ Exemplo de uma disposição típica de estações de tratamento de
água
⚫ Bom arranjo das unidades de mistura rápida e floculação
69

70. TRATAMENTO DE ÁGUA
MISTURA RÁPIDA
- Inconveniente de um canal muito longo entre o misturador e os
tanques de floculação
70

71. DISCIPLINA: PROJETO DE ESTAÇÃO DE
TRATAMENTO DE ÁGUA
MISTURA RÁPIDA
Mistura rápida mecânica
⚫ Baseada na agitação da água por meio mecânico
⚫ Agitador tipo turbina – movimenta a água através da rotação de
impulsores
71
fluxo radial fluxo axial

72. TRATAMENTO DE ÁGUA
MISTURA RÁPIDA
⚫ Potência aplicada à água depende de:
Volume e forma da câmara de mistura
Velocidade de rotação
Geometria do impulsor
⚫ Projetos interdependentes da câmara de mistura e da turbinas!
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73. TRATAMENTO DE ÁGUA
MISTURA RÁPIDA
⚫ Para regime turbulento (caso dos dispositivos de mistura rápida), a
potência pode ser calculada por:
P – potência necessária (kgf.m/s)
n – número de rotações por segundo (rps)
D – diâmetro do rotor (m)
ρ – densidade da água (kg/m³)
gc
– fator de conversão da lei de Newton (kg.m/kgf.s²)
K – coeficiente que depende do sistema
câmara/equipamento
73

74. TRATAMENTO DE ÁGUA
MISTURA RÁPIDA
74
– Valores de K para quatro tipos de turbinas em função do número de Reynolds
– Valores válidos com adoção de “cortinas” para eliminação de vórtex
– Turbina tipo 1 – maior potência útil sob mesmas condições de rotação e diâmetro
(mesmo Re) e apresenta um k aproximadamente 5

75. TRATAMENTO DE ÁGUA
MISTURA RÁPIDA
⚫ Geometria do sistema câmara / equipamento de mistura:
75

76. DISCIPLINA: PROJETO DE ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE
ÁGUA
MISTURA RÁPIDA
Exercício:
Uma calha Parshall será utilizada como dispositivo
de mistura rápida em uma ETA. Sabendo que a
vazão mínima e máxima que a estação deve tratar é
de 50L/s e 760 L/s respectivamente, dimensionar a
estrutura e verificar as condições de mistura.
76