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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.18.2005.tde-04072007-170028
Document
Author
Full name
Rodrigo Braga Moruzzi
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2005
Supervisor
Committee
Reali, Marco Antonio Penalva (President)
Além Sobrinho, Pedro
Campos, José Roberto
Ferreira Filho, Sidney Seckler
Giansanti, Antonio Eduardo
Title in Portuguese
Avaliação da influência da distribuição de tamanho de partículas e do binômio velocidade/tempo de detenção na zona de reação no desempenho da flotação com emprego de sonda ultra-sônica e de técnica de análise por imagem
Keywords in Portuguese
Análise digital de imagem
Flocos
Flotação por ar dissolvido (FAD)
Hidrodinâmica
Micro-bolhas
Perfil tridimensional de velocidade
Zona de reação
Abstract in Portuguese
O desempenho de uma unidade de flotação por ar dissolvido (FAD) em escala piloto, tratando água destinada ao abastecimento contendo 50 uC e 05 uT, foi investigada sob o ponto de vista das partículas presentes (micro-bolhas e flocos) e da hidrodinâmica. A análise centrou-se na zona de reação da unidade de FAD onde foi desenvolvido o modelo matemático proposto por Reali (1991). A determinação das partículas foi realizada por método que emprega a análise de imagem. A condição hidrodinâmica foi avaliada por meio de ensaios de estímulo e resposta, combinada com a análise tridimensional do escoamento feita através de mapeamento utilizando equipamento que emprega ultra-som (sonda micro-ADV). Para a consecução do trabalho foram desenvolvidos dois métodos. Um para aquisição, tratamento e obtenção da distribuição de tamanho de micro-bolhas e flocos utilizando a análise de imagem digital em instalação com escoamento contínuo, sem a extração de amostras. Outro, envolvendo o desenvolvimento de programa (VelDigital3D) para tratamento dos dados da sonda utilizada. Inicialmente, foram realizados os ensaios de validação da utilização da sonda micro-ADV em água contendo micro-bolhas de ar e os ensaios de mapeamento da unidade utilizando a referida sonda conjugada ao programa VelDigital3D. Posteriormente, foram investigados alguns possíveis agentes na aglutinação das micro-bolhas após a despressurização tais como: i) as condições de mistura expressas em termos da taxa de aplicação superficial (TAS) e tempo de detenção na zona de reação (Tdz.r), ii) razão de recirculação (p), iii) a variação de pH e, iv) a dosagem de coagulante ('AL POT.+3'). Finalmente, a sensibilidade do modelo matemático proposto por Reali (1991) para a zona de reação de unidades de FAD convencional foi verificada com base nos parâmetros de projeto: tempo de detenção da zona de reação (Tdz.r) e taxa de aplicação superficial na zona de clarificação TASap. (downflow); e com base nos parâmetros operacionais: distribuição de tamanho de partículas (micro-bolhas e flocos) e razão de recirculação (p). As principais conclusões foram: i) a sonda micro-ADV pode ser utilizada para obtenção do perfil de velocidade em águas contendo micro-bolhas de ar, nas vazões investigadas; ii) o escoamento no interior da zona de reação apresentou um padrão bem definido de recirculação ao longo da altura, confirmando os resultados obtidos com os ensaios estímulo e resposta; iii) a variação do diâmetro médio das micro-bolhas foi muito pequena (de 20 a 30 'mü'm), embora tenha havido ressalvas e iv) o modelo proposto por Reali (1991) foi sensível aos parâmetros investigados e responde coerentemente com o desempenho da unidade piloto de FAD.
Title in English
Analysis of particles distribution size and the pair velocity/hydraulic residence time in the reaction zone performance of a flotation unit by using ultrasonic probe and image analysis
Keywords in English
Digital image analyses
Dissolved air flotation (DAF)
Flocs
Hydraulics
Micro-bubbles
Reaction zone
Three-dimensional velocity profile
Abstract in English
This work investigated the performance of a dissolved air flotation (DAF) pilot plant, used to treat drinking water containing 05 Tu and 50 Cu. The particles (micro-bubbles and flocs) and hydraulic characteristics were taken into account. The focus was given in the reaction zone as hypothesized by Reali's mathematic model (REALI, 1991). An image analyses was used to assess particles distribution sizes. The hydraulics of the DAF tank was assessed by using a pulse stimulus-response test combined with the three-dimensional flow analyses carried-out with equipment that applied ultra sound (microADV). Therefore, two methods were developed; one for the acquisition, treatment and also to obtain the micro-bubbles and flocs sizes distribution, without the need of extracting samples and another, involved the development of a software (VelDigital3D) in order to treat the microADV data. Initially, the application of the microADV in the DAF process was evaluated. After, the data collection was made and the result was treated by using the VelDigital3D software. Sequentially, the effects of some agents for micro-bubbles coalescence after the releasing point were investigated: i) mixture conditions in terms of hydraulic loading rate (HLR) and detention time (DT); ii) recirculation rate (p); iii) pH variation and, iv) coagulant dosage ('AL POT.+3'). Finally, the mathematic model behavior proposed by Reali (1991) was investigated by varying some parameters in the design, such as: detention time in the reaction zone (DTr.z) and hydraulic loading rate in the clarification zone HLRc.z (dowflow); and by varying some operational parameters, such as: particles sizes distribution (micro-bubbles and flocs) and recirculation rate (p). The main conclusions were: i) the microADV probe can be used to obtain the velocity flow profile in water containing micro-bubbles; ii) the flow within the reaction zone showed a well defined pattern of recirculation throughout the height of the unit, confirming the obtained results by using the stimulus-response tests; iii) the variation of micro-bubbles medium size was low (from 20 to 30 'mü'm) but some points regarding this aspect were discussed and, iv) the behavior of the mathematical model proposed by Reali (1991) showed a significant adjustment to the experimental data proving that it can be applied to analyzed design parameters.
 
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TESE2005_MORUZZI.pdf (8.95 Mbytes)
Publishing Date
2007-10-19
 
WARNING: The material described below relates to works resulting from this thesis or dissertation. The contents of these works are the author's responsibility.
  • MORUZZI, R. B., and REALI, M. A. P. Characterization of Micro-Bubble Size Distribution and flow configuration in DAF Contact Zone by a Non-Intrusive Image Analysis System and Tracer Tests [doi:10.2166/wst.2010.784]. Water Science and Technology [online], 2010, vol. 61, p. 253-262.
  • MORUZZI, R. B., and REALI, M. A. P. The influence of floc size and hydraulic detention time on the performance of a dissolved air flotation (DAF) pilot unit in the light of a mathematical model. Water Science and Technology: Water Supply , 2014.
  • MORUZZI, R. B., e REALI, M. A. P. Estudo Hidrodinâmico Quali-Quantitativo de uma unidade de flotação por ar dissolvido (FAD): O efeito do dispositivo de coleta de água flotada [doi:10.4322/dae.2014.004]. Revista DAE [online], 2014, vol. 1, p. 52-69.
  • MORUZZI, Rodrigo Braga, and REALI, M. A. P. Método para determinação de distribuição de tamanho de microbolhas (DTMB) em sistemas flotação (FAD) para tratamento de águas utilizando a análise de imagem digital [doi:10.1590/s1413-41522007000300007]. Engenharia Sanitária e Ambiental [online], 2007, vol. 12, p. 273-283.
  • MORUZZI, Rodrigo Braga, and REALI, M. A. P. Software Development for Hydrodynamic Study in Water and Wastewater Treatment Systems. HOLOS Environment [online], 2009, vol. 9, p. 31/1-44. Available from: http://www.periodicos.rc.biblioteca.unesp.br/index.php/holos/article/view/1605.
  • MORUZZI, R. B., and REALI, M. A. P. Characterization of micro-bubbles sizes distribution in DAF contact zone by a non-intrusive image analysis system. In The 5th International Conference on Flotation in Water and Wastewater Systems, Seoul, 2007. Proceedings The 5th International Conference on Flotation in Water and Wastewater Systems. : IWA- International Water association, 2007.
  • MORUZZI, R. B., and REALI, M. A. P. Software for Hydrodynamic Study in DAF Systems. In 7th Brazilian Conference on Dynamics, Control and Applications - DINCON'2008, Presidente Prudente, 2008. Proceeding...International Symposium on Sanitary and Environmental Engineering.Presidente Prudente-SP, Brazil : FCT- UNESP, 2008.
  • MORUZZI, Rodrigo Braga, and REALI, M. A. P. Practical Method for Validation of Velocities Measurements in Water and Wastewater Using Acoustic Doppler Velocimeter (Micro-ADV). In 1st IWA Development Congress : Water and sanitation Services - What Works in Developing Countries, Cidade do México, 2009. 1st IWA Development Congress : Water and sanitation Services - What Works in Developing Countries.Londres : International Water Association - IWA, 2009.
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