Estação de tratamento de água Kunshan Jinghe (600.000 m³/d): como um retrofit de sedimentador de placa inclinada de fluxo lateral reduziu a turbidez abaixo de 1,0 NTU — com energia adicionada zero

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Publicado: 2025-05-28 • Categoria:Casos• Etiquetas:Decantador de Tubo · Assentador de Placa Inclinada · Retrofit de sedimentação · Água potável · Kunshan

SEÇÃO 1

Uma planta de 600.000 m³/d com um processo obsoleto e um problema de turbidez

A Estação de Tratamento de Água Kunshan Jinghe não é uma instalação pequena. Com uma capacidade de projeto de600,000 m³/dservindo uma grande cidade na província de Jiangsu, passou por uma atualização de tratamento avançado em 2006–2007, adicionando carvão ativado biológico com ozônio ao seu trem de tratamento convencional. Durante anos, a planta operou uma grade de floculação → tanque de sedimentação de fluxo horizontal → tanque de flotação → processo de filtro tipo V – uma configuração projetada quando a fonte de água bruta, Lago Kui, sofria com a proliferação sazonal de algas que tornava a flotação essencial.

Então, em novembro de 2011, tudo mudou. Um projeto de desvio de água do Rio Yangtze entrou em operação, dando a Kunshan uma segunda fonte de água bruta. O novo sistema de fonte dupla “rio + lago” melhorou dramaticamente a qualidade da água bruta. Os níveis de algas despencaram. E o tanque de flutuação - antes crítico - tornou-se umresponsabilidade de alto consumo de energia. Antes do retrofit, ele já havia sido retirado de serviço.

Mas o descomissionamento do tanque de flutuação criou uma cascata de problemas. O tanque de sedimentação de fluxo horizontal tinha apenas 76 metros de comprimento (incluindo uma zona de coleta terminal de 22 metros), dando-lhe uma área relativamentecurto tempo de retenção hidráulica. Sem o efeito de polimento da flotação, a turbidez da água sedimentada subiu para1,0–2,0 NTU, e os operadores puderam ver visualmente partículas finas de flocos fluindo em direção aos filtros. Os filtros tipo V a jusante suportaram o impacto - execuções mais curtas do filtro, retrolavagem mais frequente, maior consumo de energia e água.

A fábrica precisava de um retrofit. Mas com um tanque de água limpa construído diretamente abaixo das bacias de sedimentação e flotação, e a estrutura já com mais de 20 anos, eles não poderiam simplesmente demolir as coisas e começar de novo. Cada modificação teve que respeitar a estrutura existente, evitar adicionar peso e, criticamente, nunca correr o risco de danificar o teto do tanque de água transparente.

SEÇÃO 2

O resumo do projeto: retrofit em uma estrutura de 20 anos

A equipe de engenharia definiu três restrições claras:

1.Minimizar os danos estruturais aos tanques existentes – estes foram construídos na década de 1990 e no início de 2000.

2.Piloto na Fase II (50.000 m³/d) – um único trem de tratamento – antes de considerar a implementação completa da planta.

3.Alvo: turbidez do efluente do tanque de sedimentaçãoestável abaixo de 1,0 NTU, com custo de investimento controlado.

A estratégia central era elegantemente simples:reaproveitar o espaço existente do tanque de flotação como uma zona de sedimentação secundária, compensando o comprimento insuficiente do tanque de fluxo horizontal. Mas duas decisões críticas de projeto determinariam se a modernização seria bem-sucedida ou fracassada.

SEÇÃO 3

Duas decisões decisivas: calhas de coleta e tipo de colono

Decisão 1Manter ou remover as calhas de coleta?

O tanque de sedimentação de fluxo horizontal possuía cinco calhas coletoras em sua extremidade, cada uma com 22 metros de comprimento, em concreto armado com placas de açude reguláveis ​​em aço inoxidável. Mantê-los pouparia trabalho de demolição. Mas o padrão de fluxo ascendente à medida que a água entrava nas calhas levantaria partículas finas de flocos que mal haviam assentado, prejudicando todo o processo de sedimentação.

Decisão: Remova as calhas.O ganho de 22 metros no comprimento efetivo de sedimentação superou em muito o custo adicional de demolição. A água fluiria agora através dos orifícios de distribuição na parede divisória a uma velocidade controlada inferior ou igual a 0,1 m/s, fazendo uma transição suave para a zona de sedimentação secundária.

Decisão 2Decantadores de Tubo ou Placas Inclinadas de Fluxo Lateral?

Esta foi a escolha técnica fundamental. Tanto os decantadores tubulares quanto os decantadores de placas inclinadas usam o princípio de sedimentação de profundidade rasa, adicionando múltiplas superfícies de sedimentação paralelas para aumentar drasticamente a área de sedimentação efetiva dentro do mesmo volume do tanque. Mas a direção do fluxo faz toda a diferença.

Os decantadores de tubo de fluxo ascendente têm quatro desvantagens decisivas neste cenário:

▷O floco que chegava à zona secundária já era fino e de difícil sedimentação, mesmo em fluxo horizontal. No fluxo ascendente (sedimentação em contracorrente), a água subindo contra as partículas em queda as levaria para cima, tornando a separação imprevisível.

▷O tanque de flotação original tinha apenas 3,3 m de altura, com profundidade efetiva inferior a 3,0 m após a borda livre. Os decantadores tubulares precisam de pelo menos 4,5 m para uma distribuição inferior adequada e zonas superiores de água limpa. Altura insuficiente significa má distribuição – o assassino número 1 do desempenho dos colonizadores.

▷A área do tanque de 400 m² tornou extremamente difícil a distribuição e coleta uniforme em um grande campo de decantadores tubulares, especialmente sob restrições de altura.

▷Qualquer não uniformidade cria zonas locais de alta carga hidráulica onde os flocos finos escapam - anulando totalmente o propósito da sedimentação secundária.

Placas inclinadas de fluxo lateral resolveram todos os quatro problemas:

✓A água flui horizontalmente, as partículas assentam em fluxo cruzado descendente com interferência mínima. Muito mais favorável para flocos finos.

✓A distribuição horizontal ao longo do comprimento do tanque de 18,6 m proporciona amplo espaço para fluxo uniforme, sem penalidade de altura.

✓É necessária apenas uma profundidade de tanque de 3 a 3,5 m - perfeito para o tanque de flotação existente de 3,3 m.

Decisão: Placas inclinadas de fluxo lateral.Isto não foi por pouco - as restrições físicas do tanque existente tornaram os decantadores tubulares inviáveis ​​e as placas inclinadas a solução natural.

Esta é uma lição que vale a pena lembrar:em projetos de modernização, a “melhor” tecnologia no papel é irrelevante. A única coisa que importa é o que funciona dentro das restrições da sua estrutura existente.

SEÇÃO 4

O design final: cada número que importava

Após a comparação do esquema, o projeto de retrofit para o trem de tratamento da Fase II de 50.000 m³/d foi elaborado. Aqui estão os detalhes de engenharia - do tipo que você pode usar se estiver planejando algo semelhante.

4.1Modificação do tanque de sedimentação de fluxo horizontal

4.2Zona de sedimentação de placa inclinada de fluxo lateral

SEÇÃO 5

Construção: trabalhando em torno de um tanque de água limpa de 20 anos

A construção começou em dezembro de 2023 e o sistema foi comissionado em meados de janeiro de 2024 – apenas seis semanas para uma modernização em um trem de tratamento ativo. Três desafios se destacaram:

Desafio 1Perfuração em paredes estruturais

Tanto a parede divisória de saída do tanque de sedimentação quanto a parede de entrada do tanque de flotação precisavam de orifícios de distribuição. Mas essas paredes também serviram comofundações para as colunas de suporte do telhado. Faça muitos furos ou torne-os muito grandes e você comprometerá a integridade estrutural. Torne-os muito pequenos e você terá jatos em vez de distribuição uniforme.

Após consultar engenheiros estruturais, a solução foi16 furos circulares de 600 mm de diâmetro em cada parede-poucos o suficiente para preservar a resistência, grandes o suficiente para atingir a velocidade de distribuição alvo de 0,1 m/s sem cisalhamento dos flocos. Às vezes, a melhor decisão de engenharia é saber quando não otimizar ainda mais.

Desafio 2Não quebre o telhado (também é o chão)

A laje inferior do tanque de flotaçãoéo teto do tanque de água limpa. Qualquer dano significaria vazamento no armazenamento de água tratada abaixo – um modo de falha catastrófico para uma estação de água potável. Todas as atividades de demolição e construção tiveram que ser planeadas em torno desta restrição. Sem exceções.

Desafio 3Neutralidade de Peso

Você não pode adicionar carga a um telhado que não foi projetado para isso. A modernização teve que ser neutra em termos de peso: cada quilograma de novo equipamento instalado teve que ser compensado por quilogramas removidos. A equipe de engenharia foi responsável por isso meticulosamente:

✓Removidos: equipamentos de flotação, skimmers, tubulações, divisórias de tijolos

✓Adicionado:Unidades de placas inclinadas em ABS(densidade próxima à flutuabilidade quase neutra da água quando submerso)

✓Adicionado:Encostas de lama de concreto leve(densidade adaptada à água, evitando carga morta)

A abordagem de equilíbrio de peso é uma lição crítica para qualquer planta que esteja considerando uma modernização da parte superior do tanque:a seleção de materiais não envolve apenas questões de resistência química e densidade de custo quando você está trabalhando em outra estrutura.

SEÇÃO 6

Resultados: Turbidez abaixo de 1,0 NTU – sem adição de um único Watt

A modernização foi comissionada em janeiro de 2024. Cinco meses de dados operacionais (fevereiro a junho de 2024) confirmaram que o projeto atingiu suas metas:

Aqui está a parte que mais importa para os gerentes de fábrica:toda essa melhoria foi alcançada sem acrescentar qualquer forma de consumo de energia.A zona de sedimentação da placa inclinada opera inteiramente por gravidade. Compare isso com o tanque de flutuação que ele substituiu - compressores de ar, bombas de recirculação e acionamentos de skimmer funcionando 24 horas por dia, 7 dias por semana. A modernização não melhorou apenas a qualidade da água; eliminou um importante item de linha OpEx.

Surgiu um problema operacionalisso é digno de nota para quem planeja uma reforma semelhante. Antes da modificação, espuma química ocasional ou espuma flutuante no final do tanque de sedimentação simplesmente caía nas calhas de coleta e fluía para os filtros. Após o retrofit, os novos orifícios de distribuição ficam abaixo da superfície da água - a espuma da superfície não consegue escapar e se acumula na extremidade do tanque. Não afeta a qualidade do efluente, mas é feio. A planta atualmente lida com remoção manual e pode adicionar equipamentos de escumação de superfície posteriormente. Pequeno detalhe, mas do tipo que facilita ou dificulta a vida dos operadores.

Figura 1 Layout de Retrofit: Tanque de Sedimentação de Fluxo Horizontal + Zona de Sedimentação de Placa Inclinada de Fluxo Lateral (Fase II, Trem de 50.000 m³/d)

Figura 2 Unidades de placas inclinadas dentro do tanque de flotação reaproveitado - 2 Unidades, material ABS, espaçamento de placas de 80 mm

SEÇÃO 7

O que este projeto nos ensina sobre retrofits de sedimentação

Este projeto não é único. As fábricas em todo o mundo enfrentam a mesma situação: uma antiga unidade de processo que já serviu um propósito, agora consumindo energia e entregando valor marginal, assentada em tanques valiosos que poderiam estar fazendo mais. A modernização de Kunshan oferece cinco lições transferíveis:

1. O fluxo lateral supera o fluxo ascendente para flocos finos.Quando suas partículas já são pequenas e leves, não lute contra a separação de fluxo cruzado por meio da gravidade, onde a água se move horizontalmente e as partículas se assentam verticalmente com interferência mínima.

2. A uniformidade da distribuição determina ou prejudica o desempenho do decantador.Quer você escolha tubos ou placas, se a distribuição de entrada for irregular, você obterá zonas localizadas de alta velocidade por onde as partículas escapam. A equipe de Kunshan ficou obcecada com isso – 16 buracos cuidadosamente dimensionados, zonas de estabilização de entrada, estabilização de saída – e valeu a pena.

3. A densidade do material é importante em reformas de tanques.Placas ABS com densidade próxima à da água e inclinações de lodo de concreto leve mantiveram o retrofit neutro em termos de peso. Esta não é apenas uma nota de rodapé de engenharia – é a diferença entre um projeto viável e aquele que seu engenheiro estrutural rejeitará.

4. A remoção do consumo de energia é tão valiosa quanto a melhoria dos efluentes.Os compressores e bombas do tanque de flotação eram um dreno constante de OpEx. O decantador de placa inclinada funciona por gravidade. Ao longo dos 20 anos restantes de vida útil da planta, a economia de energia por si só provavelmente excederá o custo de modernização.

5. Não existe um modelo universal.O que funcionou em Kunshan – converter um tanque de flotação em um decantador de placas inclinadas – pode não se aplicar à sua planta. Água bruta diferente, geometria diferente do tanque, restrições diferentes. A metodologia (avaliar, comparar, testar, verificar) é universal. A solução específica não é.

Para plantas que consideram um retrofit semelhante, a abordagem de placa inclinada (lamela) oferece uma proposta de valor atraente:adicionar área de decantação eficaz sem aumentar a área ocupada, melhorar a qualidade dos efluentes sem adicionar energia e reaproveitar tanques obsoletos sem grandes obras civis.Com espaçamento entre placas normalmente de 50 a 80 mm para aplicações de água potável e materiais que variam de PP e PVC a ABS e aço inoxidável, há uma configuração para praticamente qualquer geometria de tanque existente.