Como reduzir a turbidez do decantador de tubo inclinado: 4 atualizações de hardware + 6 Métodos operacionais de uma planta de 40.000 m³/d

Quando a nova norma de água potável da China, GB5749-2006, entrou em vigor, o limite de turbidez na torneira do consumidor caiu de3 NTU para 1 NTU. Para um sistema hidráulico construído na década de 1980 com decantadores de tubos inclinados, isso significava que a água decantada – que alimenta os filtros – tinha que ficar substancialmente mais limpa. Porque a turbidez da água sedimentada gera turbidez da água filtrada, e a turbidez da água filtrada é essencialmente turbidez da água acabada. Uma planta de 40.000 m³/d em Huizhou aceitou o desafio. Este artigo aborda exatamente o que eles mudaram: as atualizações de hardware e os seis métodos operacionais que, juntos, reduziram a turbidez da água sedimentada até onde o novo padrão exige.

POR QUE A TURBIDEZ DA ÁGUA ESTABELECIDA É O PONTO DE CONTROLE

Numa estação de tratamento de água convencional, a redução da turbidez ocorre em três etapas sucessivas: o tanque de sedimentação remove80–90%dos sólidos suspensos e colóides; os filtros lustram o que resta; e a água acabada chega ao sistema de distribuição. A relação entre os estágios não é independente – é em cascata:

Turbidez da água sedimentada ↑ → Turbidez da água filtrada ↑ → Turbidez da água final ↑

Se a turbidez da água sedimentada for alta, os filtros deverão trabalhar mais. Se houver picos, os filtros exigirão retrolavagem forçada para permanecerem em conformidade. E com o limite de 1 NTU na torneira do novo padrão - além da realidade de que a corrosão da tubulação e a contaminação da alimentação secundária adicionam turbidez ao sistema de distribuição -a água final que sai da planta deve estar bem abaixo de 1 NTU. Isso coloca o fardo diretamente na fase de sedimentação. Você não pode filtrar o seu caminho para escapar de um assentamento deficiente.

Esta não é apenas uma questão de conformidade. A redução da turbidez também reduz os microrganismos, diminui a concentração de compostos orgânicos voláteis e semivoláteis (e sua atividade mutagênica) e é o principal mecanismo de remoção deCryptosporidium e Giárdia- protozoários patógenos que a desinfecção com cloro por si só não pode inativar de forma confiável.

I. A PLANTA - E POR QUE OS TUBOS INCLINADOS PRECISAM DE AJUDA

O sistema hidráulico Qiaodong da Huizhou General Water Supply Company foi projetado em meados da década de 1980 com capacidade de40.000 m³/d por fase. O processo é convencional, mas sólido: coagulação → decantador de tubo inclinado → filtro de gravidade rápida → desinfecção. A qualidade da água bruta durante o período de estudo (janeiro de 2005 a abril de 2007) foi em média:

Os decantadores tubulares inclinados, embora eficientes na multiplicação de área e na estabilização do fluxo laminar, possuem uma limitação estrutural inerente:o curto tempo de retenção e a distância de assentamento reduzida tornam-nos menos estáveis ​​do que os tanques convencionais quando a qualidade da água bruta ou a taxa de fluxo mudam. A altura da zona de distribuição é de 1,8 m, a zona de água limpa é de 1,1 m, o tempo de retenção total é de 33 minutos e o tempo de retenção do tubo é de apenas 7 minutos. Quando o fluxo aumenta ou a turbidez da água bruta aumenta, há muito pouco amortecedor hidráulico. A planta precisava de atualizações de hardware e disciplina operacional para atender ao novo padrão de turbidez.

II. QUATRO ATUALIZAÇÕES DE HARDWARE

1. Pré-cloração de água bruta

Cloro foi adicionado à água bruta antes da coagulação. Isto serve duas funções: oxidação de poluentes orgânicos (quebrando estruturas que de outra forma resistiriam à coagulação) edesestabilização de colóides- o cloro remove o revestimento orgânico das superfícies das partículas coloidais, reduzindo a carga negativa e a repulsão elétrica da dupla camada que mantém as partículas dispersas. O resultado é que as partículas colidem e aglomeram-se mais facilmente quando o coagulante é adicionado. A pré-cloração atua como um auxiliar coagulante incorporado.

2. Misturador em linha para contato químico rápido e uniforme

A mistura é a base da floculação - se o coagulante e a água bruta não forem misturados uniformemente em segundos, nenhum tempo de floculação compensará. A fábrica instalou ummisturador em linha: um tubo redutor dentro da tubulação de água bruta que cria uma mudança brusca de velocidade e pressão negativa local. A perda de carga é de aproximadamente 0,3 m. No fluxo de projeto, o tempo de mistura é10–20 segundos, e a turbulência gerada dentro do misturador garante que o coagulante entre em contato com todos os elementos de volume da água bruta. O misturador substituiu a mistura mecânica menos confiável por um dispositivo hidráulico passivo que não possui peças móveis.

3. Tanque de floculação de grade - 27 camadas de dissipação de energia controlada

O tanque de floculação de vórtice perfurado existente foi convertido em umtanque de floculação de gradeinstalando 27 camadas de grades. À medida que a água flui através de cada camada da grade, ela se contrai e se expande sucessivamente - criando gradientes de velocidade controlados que colocam as partículas em contato, colisão e aglomeração. O resultado são flocos que sãogrande, denso e resistente ao cisalhamentono momento em que alcançam a entrada do decantador do tubo. Um tubo de lodo perfurado DN100 (3,6 m de comprimento, furos de 30 mm em padrão cruzado) foi adicionado na parte inferior, com água de alta pressão conectada à saída para retrolavagem quando os furos entupem. A zona tampão utiliza um sifão fixo para descarga de lodo, controlado por uma válvula solenóide da sala de controle central.

4. Calhas de coleta tipo dedo para retirada uniforme de efluentes

A coleta não uniforme da zona de água limpa cria curto-circuito - parte da água passa menos tempo nos tubos do que o projeto supõe e carrega flocos não sedimentados para o efluente. A planta substituiu os furos de coleta quadrados originais pordez cochos tipo dedo em aço inoxidáveluniformemente distribuídos pela zona de águas claras. A elevação central de todos os orifícios de coleta foi definida no mesmo plano horizontal. Esta única mudança reduziu tanto a diferença de turbidez entre a parte frontal e traseira da zona de coleta quanto a lacuna entre a turbidez da água limpa e a turbidez dentro dos bebedouros individuais.

III. SEIS MÉTODOS OPERACIONAIS QUE TRAVAM A BAIXA TURBIDEZ

Após as atualizações de hardware, problemas ocasionais ainda apareciam: partículas finas de flocos no efluente, turbidez instável da água sedimentada e flocos subindo na extremidade do tanque. Isso causou alta carga no filtro e retrolavagens forçadas. Foram sistematizados seis métodos operacionais para eliminá-los.

Método 1 - Operar o mixer em linha na carga de projeto

O misturador em linha utiliza a velocidade do fluxo - e não a energia mecânica - para gerar turbulência na mistura. A perda de carga varia com oquadrado da vazão. No design flow, a mixagem é intensa e completa. Em fluxo baixo, a perda de carga cai drasticamente e a eficácia da mistura entra em colapso. Quando a planta precisa reduzir a produção, em vez de estrangular um misturador operando em carga parcial, a estratégia é operar menos trens de tratamento em plena carga. O misturador deve permanecer dentro da faixa de design sempre que possível.

Método 2 - Dosagem de coagulante controlada por SCD

A planta originalmente controlava a dose de coagulante manualmente – os operadores adicionavam produtos químicos com base na experiência e ajustavam após ver os resultados. Mas uma estação de tratamento de água é contínua e dinâmica; no momento em que o operador percebe o efeito da mudança de dose, a água que recebeu a dose errada já passou pelo tanque de sedimentação e chegou aos filtros.

A planta adotadaSCD (detector de corrente de streaming)controlar. O SCD é um instrumento on-line que mede diretamente o efeito da adição de coagulante - não a vazão ou a turbidez, mas a corrente real que reflete a neutralização da carga coloidal. Compara o valor detectado com um setpoint e, através de um modelo matemático, ajusta automaticamente a bomba doseadora. O ciclo está fechado: medir → comparar → ajustar → medir.A dose de coagulante rastreia as mudanças na água bruta em tempo real, não nos 30 a 60 minutos que um operador humano leva para perceber e reagir.

Método 3 - Baixa velocidade de entrada no tanque de sedimentação

Após a floculação, a água entra na zona tampão em0.096 m/s, depois passa mais lentamente através de uma parede perfurada até a zona de distribuição. O objetivo desta redução de velocidade escalonada é preservar a integridade do floco. Os flocos que sobreviveram ao tanque de floculação ainda podem ser separados por um gradiente abrupto de velocidade na entrada do decantador. Manter a velocidade de entrada baixa - e garantir que a parede perfurada distribua o fluxo uniformemente ao longo da largura do tanque - evita a quebra dos flocos no último momento possível antes da sedimentação.

Método 4 - Descarga oportuna de lodo, incluindo zonas mortas

Os decantadores de tubo inclinado têm zonas mortas de descarga de lodo inerentes - o lodo se acumula mais no lado mais distante do tubo vertical de descarga do que no lado mais próximo. O monitoramento confirmou quea turbidez da água limpa é menor na lateral perto do tubo vertical. Quando o lodo se acumula na zona de acumulação, o fluxo ascendente pode limpar o lodo inferior e levantar os flocos de volta à suspensão. Quando o lodo se acumula dentro dos tubos, a seção transversal reduzida do fluxo aumenta a velocidade local, e o fluxo mais rápido levanta os flocos que estavam assentados ou já assentados. Ambos os mecanismos aumentam a turbidez do efluente.

A solução é dupla:descarga regular de lodo da zona de acumulação e limpeza periódica das superfícies dos tubos. O lodo no tanque de floculação e na zona tampão também deve ser removido - esses depósitos alimentam o decantador com um suprimento contínuo de fragmentos de flocos quebrados e envelhecidos.

Método 5 - Estender o tempo de permanência do coletor de lodo do sifão nas extremidades do tanque

A planta utiliza um coletor mecânico de lodo tipo sifão controlado automaticamente. Durante a operação, o coletor éintencionalmente desacelerado em ambas as extremidadesdo seu percurso, e o tempo de permanência nas extremidades é estendido para garantir a remoção completa do lodo das zonas onde a acumulação é pior. Quando a turbidez do afluente é alta, a válvula de purga do tanque é aberta simultaneamente com a coleta mecânica do lodo para drenar a água do lodo do fundo. Bombas submersíveis estão planejadas para instalação em zonas-chave para fornecer descarga auxiliar de lodo.

Método 6 - Fortalecer a disciplina operacional e a coordenação em nível de sistema

Essa usina funciona como reguladora de vazão e pressão de todo o sistema de abastecimento de água da cidade, compartilhando bombas e tubulações de captação de água bruta com outras usinas. Quando a estação de bombeamento de admissão alterna entre bombas grandes e pequenas, ou outras plantas abrem ou fecham válvulas de admissão, o fluxo e a pressão que chegam a esta planta mudam abruptamente. As condições hidráulicas na água bruta mudam. A dose de coagulante - mesmo com controle da DF - apresenta atraso na resposta. Com apenas 33 minutos de tempo total de retenção no decantador, uma mudança repentina de fluxo pode empurrar a água instável para os filtros antes que o sistema de dosagem se adapte.

A contramedida écoordenação em nível de sistema. Os despachantes centrais, cientes da sensibilidade específica desta planta, coordenam as trocas de bombas e as operações de válvulas em diversas plantas e na estação de admissão paraminimizar a magnitude e a frequência das flutuações de fluxo e pressão. No chão da fábrica, um sistema de patrulha estruturado garante que os operadores observem regularmente a formação de flocos antes e depois da parede perfurada e o acúmulo de lodo na zona de sedimentação. O treinamento – mentoria, desenvolvimento de habilidades no trabalho – desenvolve a capacidade de julgar as condições em tempo real e intervir antes que um pequeno desvio se torne uma excursão turva.

AS VARIÁVEIS CONTROLÁVEIS – UM RESUMO

A PERSPECTIVA PRINCIPAL

O curto tempo de retenção de um decantador de tubo inclinado - 33 minutos no total, 7 minutos nos tubos - é tanto sua vantagem (compacto, baixo custo) quanto sua vulnerabilidade (tampão hidráulico estreito). Quando tudo a montante é otimizado - quando a mistura é intensa e rápida, quando a dose de coagulante rastreia a qualidade da água em tempo real, quando os flocos que entram nos tubos são grandes e resistentes ao cisalhamento, quando o lodo é descarregado antes de se acumular e quando as mudanças de fluxo são amortecidas pela coordenação no nível do sistema - o decantador fornece turbidez da água sedimentada baixa o suficiente para que os filtros possam fazer seu trabalho sem estresse. Perca qualquer um deles e o número de turbidez na entrada do filtro conta a história.

A experiência da fábrica de Huizhou demonstra que é possível obter água acabada abaixo de 1 NTU de um decantador tubular inclinado da década de 1980 - mas é necessário tratar o decantador não como uma peça isolada de equipamento, mas como a extremidade a jusante de uma cadeia que começa com a cloração da água bruta e termina na calha de coleta. Cada elo dessa cadeia é um ponto de controle.