RESUMO Estudos científicos têm demonstrado que os floculadores tubulares helicoidais (FTHs) têm alta eficiência na formação de flocos e baixo tempo de retenção hidráulica, quando comparados aos floculadores comumente usados em tratamento de água e esgoto. No entanto, sua aplicação prática é limitada, pois ainda existe demanda significativa por avanços na compreensão da relação entre a hidrodinâmica da unidade e o processo de floculação, bem como critérios e metodologias para auxiliar em projeto racionais de FTH. Nesse contexto, este estudo teve por objetivo propor um aperfeiçoamento no modelo de estimativa de eficiência de remoção de turbidez apresentado por Oliveira (2014), o qual leva em conta um conjunto de parâmetros geométricos, hidráulicos e hidrodinâmicos relevantes ao processo de floculação nesse tipo de reator, pela incorporação de um dos parâmetros mais representativos de processos de floculação, o gradiente de pressão normal (GPp), como uma de suas variáveis independentes. O desenvolvimento do trabalho empregou dinâmica dos fluidos computacional (CFD) no estudo de 84 configurações de FTH, contemplando regimes de escoamento laminar e turbulento. Como resultado, chegou-se a uma nova versão de modelo de estimativa da eficiência de remoção de turbidez da água que, em relação à versão original: tem menor número de variáveis independentes; apresenta melhor ajuste aos dados experimentais; e é mais simples do ponto de vista operacional.

ABSTRACT Scientific studies have been demonstrating that helical tubular flocculators (HTFs) have high efficiency in floc formation and low hydraulic retention time when compared to flocculators commonly used in water and wastewater treatment. However, its practical application is still limited because there is still a significant demand for advances in the understanding of the relationship between the hydrodynamics of the unit and the flocculation process, as well as for criteria and methodologies in support to the rational design of HTF. In this context, the objective of this study was to propose an improvement in the model of turbidity removal efficiency developed by Oliveira (2014), which takes into account a set of geometric, hydraulic and hydrodynamic parameters relevant to the flocculation process in this type of reactor, by incorporating one of the most representative parameters of flocculation processes, the normal pressure gradient, as one of its independent variables. The development of the work employs computational fluid dynamics (CFD) in the study of 84 HTFs configurations, considering laminar and turbulent flow regimes. As a result, a new model version for estimating water turbidity removal’s efficiency in helical tubular flocculators was obtained, which, in relation to the original version, has a smaller number of independent variables, presents better fit to the experimental data and is simpler from the operational point of view.

The constant need to improve water treatment techniques allows for the emergence of new technologies for obtaining adequate water, both in terms of quality and quantity. In order to obtain an efficient, rapid and low-cost clarification system, this study proposes the use of helically coiled tubes (HCTs) as a coagulation-flocculation reactor coupled with a conventional decanter system. Eighty-four (84) turbidity removal tests were performed to evaluate the proposed clarification system, while varying hydraulic and geometrical parameters in HCTs. Removal efficiency values higher than 80% were obtained (with a maximum removal efficiency of 86.2%), presenting better results than systems using baffled tanks, which are traditionally applied for water treatment purposes in developing countries. In addition, significantly lower processing times (lower than 2 min, about 10% of baffled tank processing times) were observed for high efficiency process values, indicating that this clarification system can be useful in rational design of coagulation-flocculation units. It should be noted that the turbidity removal efficiency results obtained (with a rising-then-decreasing behaviour over time) differ significantly from those obtained by the commonly used models for flocculation evaluation (with asymptotic behaviour over time), presenting a maximum absolute percentage deviation of 48.9%, and indicating caution in the use of such models for alternative flocculation unit evaluation.

O desempenho de unidades de contato que operam em regime de fluxo contínuo depende, entre outros, do padrão de escoamento que se desenvolve no seu interior. Já o levantamento de dados experimentais, como a elevação da superfície d'água e do campo de velocidades, não é uma tarefa fácil. Por tais razões, o uso de modelos numéricos na obtenção de padrões de escoamento em unidades de contato tem se tornado uma boa alternativa. A falta de dados hidrodinâmicos para a calibração e verificação de modelos numéricos tem sido um dos principais fatores que vem limitando o uso mais extensivo dessa ferramenta. O presente trabalho propõe uma nova técnica de calibração de modelo numérico, baseada no ajuste de curvas de passagem obtidas pelo modelo numérico e as obtidas experimentalmente ao longo das unidades de contato. A metodologia proposta é parcialmente avaliada e os resultados indicam ser essa uma técnica bastante promissora.

The performance of continuous flow contact units relies, among other factors, on the flow pattern inside them, and that the measurement of flow patterns in this type of unit is not an easy task. For this reason, the use of numerical models to obtain flow patterns in contact units has become a good alternative. However, the lack of hydrodynamic data to calibrate the models has been one of the main factors limiting a more extensive use of numerical models for this purpose. This work proposes a new calibration technique for numerical models which is based on the best fitting of measured and simulated flow through curves throughout the unit. The proposed methodology is partially evaluated and the results indicate it to be very promising.