Existem várias metodologias aceitas para testar equipamentos de tratamento de águas pluviais no laboratório, mas qual funciona melhor? Um estudo comparativo nos aproxima do objetivo de otimizar a remoção de sedimentos.
Imagem: Water Online
Os testes de laboratório de equipamentos de tratamento manufaturados (Manufactured Treatment Devices – MTDs) permitem que os engenheiros de pesquisa tenham controle sobre os parâmetros de teste, teoricamente permitindo a produção de dados precisos e reproduzíveis. Existem diversas metodologias de ensaios aceitas sendo utilizadas para a realização de testes de protocolos laboratoriais, embora possamos não ter um entendimento completo de sua eficácia geral e comparativa.
Um protocolo de testes estabelecido, desenvolvido por especialistas do setor e aceito por muitas agências, é o “Protocolo do Laboratório de Proteção Ambiental do Departamento de Nova Jersey para Avaliação da Remoção de Sólidos Suspensos totais por um Dispositivo de Tratamento Manufaturado de Sedimentação Hidrodinâmica”). Sob este protocolo, o teste de eficiência de remoção de sedimentos pode ser realizado utilizando o balanço de massa (BM) ou várias metodologias de amostragem. Embora aceitos na indústria, há poucos dados publicados sobre a precisão e exatidão das metodologias listadas em relação à eficiência de remoção de sedimentos. Idealmente, todos os métodos produziriam resultados comparáveis. No entanto, uma revisão de relatórios publicados mostrou diferenças entre as metodologias quando utilizadas no mesmo sistema de tratamento com distribuição similar do tamanho de partícula do sedimento.
A principal diferença entre o método de BM e o de amostragem é que o BM utiliza a massa capturada e à massa do sedimento injetada para produzir um valor único de eficiência de remoção, ao contrário da amostragem, que usa a concentração de afluente calculada e a média “instantânea” da concentração do efluente para determinar a eficiência total de remoção.
O Alden Research Laboratory (Holden, MA – EUA) conduziu testes de pesquisa que permitiram uma comparação direta das várias metodologias aceitas.
O protocolo de testes laboratoriais do NJDEP foi seguido para testar a consistência; no entanto, os resultados seriam aplicáveis para qualquer teste laboratorial similar.
Modelo do Experimento
O teste foi realizado por um MTD de 1,21 metro de diâmetro, em dois fluxos selecionados de 7 litros por segundo (L/s) ou 0.25 cubic feet per second (cfs) e 28,3 L/s ou 1fcs. Quatro testes foram realizados em cada fluxo para avaliar a repetibilidade, utilizando as seguintes metodologias, de acordo com o protocolo do Departamento de Proteção Ambiental de Nova Jersey (NJDEP).
- a) Balanço de massa
- b) Amostragem de efluentes de fim de tubo, béquer de 2 L (EOP-2L)
- c) Amostragem de efluentes de fim de tubo, frasco de 1 L (EOP-1L)
- d) Amostragem de efluentes em linha, frasco de 1 L
- e) Amostragem de efluente isocinético, béquer de 2 L
A dispersão entre as concentrações de amostra de efluente era esperada, devido às condições de escoamento turbulento, especialmente nas condições de vazão mais alta. Os dados foram avaliados para verificar se cada metodologia de amostragem produziu uma dispersão de concentração e eficiência de remoção de sedimentos semelhantes.
Configuração do Sistema
A unidade de teste foi instalada e testada na Alden, que é configurado como um sistema de recirculação. O fluxo foi fornecido à unidade de teste com uma bomba de laboratório bombeando água de um reservatório para abastecimento.
O fluxo de teste foi ajustado e medido usando uma válvula de controle e um medidor de vazão de placa de orifício calibrado. Um programa de aquisição de dados (DA) e célula de pressão diferencial (DP) foi usado para medir e registrar o fluxo de teste a cada 5 e 10 segundos (dependente do fluxo) ao longo de cada teste. A precisão da medição de vazão estava dentro de ± 1%. O fluxo foi transportado para a unidade de teste por meio de uma tubulação de parede lisa e reta. A tubulação de efluente retornou o fluxo de volta ao depósito como uma descarga livre depois de ter passado pela unidade de teste. Um alimentador de parafuso volumétrico calibrado descarregou o sedimento de teste em um T dentro da coroa na tubulação para produzir uma concentração no afluente de 200 mg / L (± 10 por cento).
A tubulação de efluente continha três tubos de amostragem isocinéticos calibrados, bem como uma abertura de acesso na coroa da tubulação, para coleta de amostras de efluentes em linha. Um amostrador isocinético foi instalado no riser vertical a montante da tubulação do afluente, para coleta de amostras de fundo. A amostragem de fim de tubo foi realizada na descarga livre na saída da tubulação.
Teste
Os lotes de testes do sedimento de aproximadamente 30 libras (13,61 kg) foram preparados em baldes separados de 18,92 litros, que foram quantificados e registrados antes do teste. A concentração de afluente foi verificada pela coleta de seis amostras cronometradas no injetor.
Quinze amostras de efluente foram coletadas para cada metodologia de amostragem utilizada. Cada conjunto de amostras numeradas foi coletado na seguinte ordem: 1) EOP-2L, 2) EOP-1L, 3) em linha, e 4) amostradores isocinéticos (28,3 L/s somente nos testes). Uma amostra de origem foi coletada com cada conjunto de amostras ímpares, totalizando oito exemplos. Uma curva de 3ª ordem e equação correspondente foram ajustadas aos dados de origem e utilizadas para ajustar as concentrações de amostras de efluentes.
Balanço de Massa
Um método de balanço de massa modificado no qual a massa de sedimento injetada e capturada é quantificada, foi usado para determinar a eficiência de remoção de sedimentos em cada fluxo de teste designado. Todo o material capturado foi coletado em bandejas pré-pesados, não ferrosos e secos num forno de laboratório de acordo com o método ASTM D 4959-16. Cada bandeja foi pesada em uma balança digital calibrada.
Amostragem de Efluente
As metodologias de amostragem de efluentes de fim de tubo (EOP), em linha e isocinética foram utilizadas para quantificar a eficiência de remoção para o estudo. A coleta de amostras utilizando cada metodologia foi realizada o mais simultaneamente possível, com prazo estimado de 10 a 15 segundos para cada conjunto amostral. Todas as metodologias de amostragem foram utilizadas para a condição de teste de 1,0 cfs / 28L/s (> 0,5 cfs ou 14L/s). Apenas os efluentes de fim de tubo (EOP) e a amostragem em linha foram realizados durante os testes de 0,25 cfs (< 0,5 cfs) ou 7 L/s (< 14L/s).
A amostragem de EOP foi conduzida repelindo o recipiente designado da amostra através da descarga livre total do tubo de saída. Dois conjuntos de amostras foram coletadas, uma usando béquer de 2 litros abertos e a outra usando garrafas de boca larga de 1 litro.
Amostras de efluentes em linha foram coletadas usando garrafas de boca larga de 1 litro introduzidas através de um furo de acesso de 12 polegadas na coroa do tubo. A garrafa de amostra foi totalmente inserida no centro do fluxo.
Três tubos de amostragem isocinéticos foram uniformemente espaçados na coluna de água (25%, 50% e 75% de profundidade da água) ao longo da linha central vertical do tubo de efluente. O fluxo de todos os três amostradores foi coletado como um composto usando um béquer de 2 litros de topo aberto.
Análises de Concentração da Amostra
As amostras de efluente e concentração de fundo foram analisadas em Alden de acordo com a ASTM Designation: D 3977-97 (Reaprovado em 2013), “Standard Test Methods for Determining Sediment Concentration in Water Samples”.
Teste de Sedimentos
A densidade espectral de potência do teste de sedimentos (PSD) foi uma gradação de 1 a 1000 mícrons, que foi preparada pela Alden para atender ao protocolo NJDEP. A gravidade específica (SG) da mistura de sedimentos foi de 2,65. Amostras bem misturadas foram coletadas de lotes de testes aleatórios e analisadas para PSD por um laboratório analítico independente. O D50 das amostras variou de 60 a 75 mícrons, com uma média de 68 mícrons.
Figura 1 Curvas PSD no teste de sedimentos 1-1000 mícron e especificações NJDEP
Cálculo da Eficiência de Remoção
A eficiência de remoção de sedimentos no balanço de massa foi calculada usando a seguinte equação:
Eficiência de Remoção (%) = (Total de Massa Capturada/Total de Massa Injetada) x 100 (1)
As eficiências de remoção de sedimentos em amostragem foram calculadas usando a seguinte equação:
Eficiência de Remoção = (Concentração Influente-Total de Massa Injetada/ Concentração Influente) x 100 (2)
As concentrações de efluentes foram ajustadas para a concentração de fundo e a média antes do cálculo da eficiência de remoção para cada metodologia de amostragem.
Testando Resultados e Discussão
0,25 cubic feet per second (cfs) – 112 gallons per minute (gpm) ou 14 L/s
Os resultados do balanço de massa para os quatro testes variaram de 54,6% a 56,1%, com uma eficiência média de remoção de 55,4%.
As três metodologias de amostragem testadas produziram resultados comparáveis, com eficiências médias de remoção de 56,1%, 56,6% e 57,0%. Todos os resultados individuais da amostragem de captura, exceto o teste #4 EOP-2L, estavam acima da média do MB. O resumo dos dados de eficiência de remoção de teste é mostrado na tabela 1 e o gráfico correspondente é mostrado na Figura 2. O resumo amostral do efluente é mostrado na tabela 2.
Figura 2. Eficiências de remoção
A dispersão medida na concentração de efluente de cada metodologia de amostragem, foi razoavelmente consistente para todos os quatro testes realizados, sem exceções definitivas. Isso indica que cada metodologia é igualmente capaz de coletar uma amostra representativa em uma condição de baixo fluxo. As parcelas de amostras de efluentes para o Teste # 2, que apresentou o maior coeficiente de variação (COV), são mostradas na Figura 3.
Figura 3. Teste #2- Amostra da concentração de efluente
1.0 cfs (448 gpm) – 28L/s
Quatro testes foram realizados para avaliar uma condição de “alto fluxo” para uma unidade de tratamento de 4 pés (1,22m). A amostragem de efluentes incluiu as metodologias de amostragem EOP-2L, EOP-1L, em linha e isocinética. Apenas três testes foram realizados com os amostradores isocinéticos. A decisão de não utilizar os amostradores isocinéticos no Teste # 2 foi feita após a revisão dos relatórios publicados que revelaram que os amostradores isocinéticos não pareciam ser utilizados em testes anteriores do protocolo NJDEP. Um novo relatório NJDEP foi lançado logo após a realização do Teste 2, que incluiu os amostradores isocinéticos para as condições de alto fluxo e, como resultado, os amostradores foram incluídos nos Testes 3 e 4. Embora não utilizados, os amostradores isocinéticos não foram removidos do tubo de efluente durante o Teste # 2.
Figura 4. Eficiências de remoção
Os resultados do balanço de massa para os quatro testes foram bastante consistentes, variando de 31,2% a 34,9%, com uma eficiência média de remoção de 33,3%.
As quatro metodologias de amostragem testadas produziram eficiências de remoção mais elevadas do que a remoção média de MB para todos os testes realizados. As eficiências médias de remoção de amostras foram 38,7%, 46,6%, 40,5% e 41,2. A eficiência máxima de remoção de amostragem calculada foi de 64,3%.
A dispersão medida nas concentrações de efluente não foi tão consistente como nos testes de baixo fluxo. Cada teste e método de amostragem produziu outliers (pontos fora da curva) inexplicáveis.
Teste # 1:
As amostras EOP-2L e EOP-1L produziram a propagação de concentração mínima e máximo das amostras correspondentes (não incluindo os outliers), que variaram de 2,6 mg / L (amostra # 6) a 28,9 mg / L (amostra # 14). A concentração isocinética da amostra # 12 foi de 52,6 mg / L, o que é considerado um outlier. Omitir o único outlier reduziria a eficiência de remoção de 42,7 para 40,5%.
Figure 5. Test #1 – Amostra da concentração de efluente
Teste # 2:
O teste #2 produziu as tendências mais consistentes no geral. No entanto, este teste também produziu uma dispersão de aproximadamente 160 mg/L para as amostras # 10 e # 12 usando o método EOP-2L. Por acaso, os outliers eram razoavelmente uniformes em relação à média (aproximadamente ± 80 mg/L) e, consequentemente, a média geral e a eficiência de remoção calculada não foram sensivelmente afetadas.
Figure 6. Test #2 – Amostra da concentração de efluente
Teste # 3:
O método de amostragem EOP-1L produziu concentrações de efluentes pouco característicos para a maioria das amostras, com as primeiras seis amostras variando de 44,3 a 52,1 mg/L. Além disso, o método em linha produziu dois outliers baixos de 55,1 e 62,5 mg/L nas amostras # 10 e # 11, respectivamente.
Figure 7. Test #3 – Amostra da concentração de efluente
Teste # 4:
As amostras EOP-2L # 1-3 e # 7-12 estavam bem abaixo dos valores de concentração esperados. Estas amostras foram seguidas pelas maiores concentrações registradas para qualquer um dos testes realizados. Os valores altos poderiam ser atribuídos à limpeza do sedimento capturado.
Figure 8. Test #4 – Amostra da concentração de efluente
No entanto, as concentrações aumentadas não foram espelhadas por nenhum dos outros métodos de amostragem e, portanto, são consideradas outliers. As concentrações de EOP-1L foram baixas em # 5 e # 6. Omitir as duas amostras reduziria a eficiência de remoção de 39,9 para 34,9%. As amostras isocinéticas # 1-3 também estavam bem abaixo das concentrações restantes. A não inclusão dessas amostras reduziria a eficiência de 41,2% para 32,8%. As amostras em linha foram as mais consistentes. Todos os métodos de amostragem mostraram uma queda na concentração no final. Essa queda era esperada, já que a taxa de alimentação de sedimentos também caiu no final do teste.
Resumo
Os testes de 7 L/s ou 0,25 cfs produziram resultados semelhantes e repetíveis para as metodologias de amostra de equilíbrio de massa e captura. As concentrações medidas de efluentes e as tendências de dispersão foram semelhantes para as amostras correspondentes, utilizando cada metodologia de amostragem.
Os testes de 28 L/s ou 1.0 cfs produziram resultados individuais de balanço de massa que eram ± 2 pontos percentuais da média de quatro testes. Os resultados individuais da eficiência de remoção de sedimentos na amostragem variaram de aproximadamente 4 a 30 pontos percentuais a mais do que a média do balanço de massa, e as médias amostrais variaram de 5,4% a 13,3% a mais. Além disso, as metodologias de amostragem de efluentes produziram numerosos outliers e concentrações inconsistentes de efluentes.
Referência
1.ASTM (2013), “Standard Test Methods for Determining Sediment Concentration in Water Samples, ” Annual Book of ASTM Standards, D3977-97, Vol. 11.02.
- ASTM (2007), “Standard Test Method for Particle Size Analysis of Soils, ” Annual Book of ASTM Standards, D422-63, Vol. 04.08.
- ASTM (2007), “Standard Test Methods for Determination of Water (Moisture) Content of Soil by Direct Heating, ” Annual Book of ASTM Standards, D4959-07, Vol. 04.08.
- ASTM (2012), “Standard Test Method for Measurement of Suspended Sediment Removal Efficiency of Hydrodynamic Stormwater Separators and Underground Settling Devices, ” Annual Book of ASTM Standards, C1746-12, Vol. 04.05.
- ASME (1971), “Fluid Meters Their Theory and Application — Sixth Edition. ”
- NJDEP (2013), “Laboratory Protocol to Assess Total Suspended Solids Removal by a Hydrodynamic Sedimentation Manufactured Treatment Device.
