Avaliação do desempenho global do decantador tubular horizontal MLSens: aspectos operacionais, morfométricos e hidrodinâmicos

Abstract

A decantação de alta taxa enfrenta, historicamente, um dilema tecnológico: a configuração tubular horizontal oferece, teoricamente, a máxima eficiência de remoção de sólidos, mas sua aplicação prática foi inviabilizada pela incapacidade de autolimpeza. Esta tese avaliou o desempenho global e os limites operacionais do decantador MLSens, uma inovação tecnológica que reintroduz a disposição horizontal dos dutos (0°) equipados com uma abertura longitudinal inferior para descarga contínua de lodo. A investigação compreendeu quatro estudos, integrando análise paramétrica experimental com água de abastecimento e lodo de ETA, caracterização morfométrica avançada de agregados (Análise de Imagem Digital e Espalhamento Dinâmico de Luz - DLS) e modelagem hidrodinâmica (Fluidodinâmica Computacional - CFD e traçadores) em escala piloto. Na análise paramétrica (Estudo I), o decantador MLSens aplicado no tratamento de água manteve a turbidez média do efluente abaixo de 2,0 uT e eficiência de remoção superior a 92%, independentemente das variações de carga na entrada (turbidez da água bruta entre 40 e 250 uT), alcançando 99,5% com matrizes entre 160 e 230 uT. A capacidade de autolimpeza foi satisfatória para o tratamento de água e preservou a funcionalidade da abertura longitudinal inferior em todo o domínio experimental. Contudo, no adensamento de lodo de ETA, houve limitações críticas que apontam a necessidade de redimensionamento da abertura para esta aplicação específica. A caracterização morfométrica (Estudo II) a partir das matrizes de 40, 145 e 250 uT identificou, na antecâmara do decantador, macroagregados de até 8 mm, dimensões não reportadas anteriormente na literatura. O decantador atuou com seletividade dimensional e promoveu um corte hidráulico de partículas acima de 1,3 mm. A fração residual no efluente foi formada por flocos com diâmetros entre 200-400 µm e finos coloidais (~45 µm). Sob a ótica hidrodinâmica (Estudo III), a validação cruzada entre simulação CFD (modelo SST k-?) e ensaios com traçador fluorescente diagnosticou uma distribuição de vazão heterogênea entre os dutos, induzida pelo jato de entrada. Ainda assim, confirmou-se a funcionalidade hidráulica da abertura inferior. O modelo comprovou que, embora exista comunicação de fluido entre o duto e a zona de lodo, não se formam correntes convectivas capazes de ressuspender os sólidos. Por fim, o teste de capacidade máxima (Estudo IV) revelou que o sistema opera com estabilidade sob velocidades longitudinais (v0) de até 216 cm/min ? cinco vezes acima dos limites clássicos de projeto, o que redefine a escala de grandeza das velocidades alcançáveis em decantadores de alta taxa. A extrapolação para escala real indicou que a tecnologia pode operar com taxas de escoamento superficial (q) teóricas da ordem de 2.900 m³/m².d, valor em torno de 16 vezes superior ao reportado na literatura, com potencial de redução proporcional da área requerida em relação às tecnologias convencionais de módulos inclinados.

Abstract: High-rate sedimentation has historically faced a technological trade-off: although horizontal tubular configurations theoretically provide maximum solids removal efficiency, their practical application has been hindered by the lack of self-cleaning capability. This thesis evaluated the overall performance and operational limits of the MLSens settler, a technological innovation that reintroduces horizontal ducts (0°) equipped with a longitudinal bottom opening for continuous sludge discharge. The investigation integrated an experimental parametric analysis using drinking water and water treatment plant (WTP) sludge, advanced morphometric characterization of aggregates (Digital Image Analysis and DLS), and hydrodynamic modeling (CFD and tracer studies) at pilot scale. The results of the parametric analysis (Study I) demonstrated the effectiveness of the MLSens settler for water treatment, maintaining effluent turbidity consistently below 2.0 NTU and removal efficiencies always above 92%, regardless of influent loading variations (40?250 NTU), reaching 99.5% for matrices between 160 and 230 NTU. The self-cleaning capability was satisfactory for water treatment, preserving the functionality of the longitudinal bottom opening throughout the experimental domain; however, critical limitations were observed in WTP sludge thickening, indicating the need to redesign the opening for this specific application. Morphometric characterization (Study II) based on matrices of 40, 145, and 250 NTU revealed previously unreported flocculation phenomena in the antechamber, with the formation of exceptionally large macroaggregates (up to 8 mm) favored by low shear conditions. The settler exhibited dimensional selectivity, performing a hydraulic cut-off for particles larger than 1.3 mm. The residual fraction in the effluent consisted of flocs with a modal size between 200?400 µm and colloidal fines (~45 µm by DLS). From a hydrodynamic perspective (Study III), cross-validation between fluorescent tracer experiments and CFD simulations (SST k?? model) diagnosed a heterogeneous flow distribution among the ducts induced by the inlet jet. Nevertheless, the hydraulic functionality of the bottom opening was confirmed: although fluid communication exists between the duct and the sludge zone, no convective currents capable of resuspending solids were established. Finally, the maximum capacity test (Study IV) established new productivity paradigms. The system operated stably at maximum longitudinal velocities (v0) of up to 216 cm/min?five times higher than classical design limits. Extrapolation to full scale indicated that the technology could operate at theoretical surface overflow rates (q) on the order of 2,900 m³/m²·d, at least one order of magnitude higher than values reported in the literature, representing a significantly greater area compaction potential than current inclined-module technologies.