Sistemas de Lodo Ativado

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Seminário Efluentes
Reatores em sistemas de lodos ativados
 
Ana Carolina Lopes de Melo
André Thiago Nolli Viana
Felipe de Souza Prietto
Lisa Lima Buzzá
Vinicius Fitz Breguenski
APRESENTADO POR
Reator original do sistema de lodos
ativados;
Fisicamente, possui comprimento muito
maior que a largura;
Quanto à cinétiva, a DBO se processa ao
longo da trajetória longitudinal, de forma
semelhante a autodepuração em rios;
 a DBO solúvel (Se) é mínima na saída;
Mais eficiente que reatores de mistura
completa, se não tiver recirculação de lodo.
 
 
 
 
Reatores do tipo pistão ou PFR 
Sistema de lodos ativados
Dimensionamento similar;
Demanda de OD e
aeração decescem na
mesma proporção ->
concentração de OD
constante;
Economia no
fornecimento de O2
 Aeração Decrescente
 
 Entrada em diversos
pontos: flexibilidade
operacional;
Funciona como mistura
completa;
Consumo homogêneo de
O2.
Alimentação Escalonada
Lodo com melhor
decantabilidade;
DBO decresce, diminui e
demanda de OD e
aumenta a concentração
de OD ao longo do reator
 Fluxo em Pistão
Variações do PRF
1) As dimensões devem permitir uma distribuição homogênea dos aeradores;
2) Profundidade: 3,5-5m para aeração mecânica
 4,5-6m para ar difuso
3) Borda livre do reator (altura acima do nível da água): 0,5m
4) Para vazões superiores a 250L/s, é necessário mais de um reator;
5) Geralmente, são construídos em concreto armado, mas podem ser taludados
(aterros ou naturais)
 
 
Projeto de Reatores convencionais
Dimensionamento
6) Aeradores mecânidos de baixa rotação: apoiados em passarelas sobre pilares;
7) Aeradores mecânidos de alta velocidade: flutuantes e ancorados nas margens;
8) Variáveis de controle da oxigênação dos aeradores mecânicos: 
 - Submergência das hélices;
 - Velocidade dos aeradores;
 - Lida-desliga dos aeradores.
9) Variáveis de controle da aeração por ar difuso:
 - válvulas de saída dos sopradores;
 - válvulas de entrada nos reatores;
 
Projeto de Reatores convencionais
Aeradores
10) A entrada submersa evita o desprendimento do gás sulfídrico, que pode estar
presente no esgoto;
11) Saída por vertedores na extremidade oposta à entrada;
12) Caso haja mais de uma unidade, arranjo de entrada e saída deve permitir o
isolamento das mesmas;
13) Possibilidade de drenagem do tanque por bombas submersíveis ou
descargas de fundo;
 
 
 
Projeto de Reatores convencionais
Entrada e saída
Processos com Aeração Prolongada
Sistema de lodos ativados - Características
A idade do lodo fica entre 20 e 30 dias;
A eficiência na remoção de DBO é de 90 a 98%
Tem grande quantidade de sólifod biológicos, e por isso são resistentes a
elementos tóxicos;
Libera nutrientes da oxidação de material celular, então pode tratar dejetos
com deficiência em Nitrogênio;
Nitrificação quase total;
Dispensa decantadores primários, pois o lodo biológico é praticente
estabilizado;
Tanques de aeração maiores e com maior consumo de O2.
 
 
1) de mistura completa (CFSTR)
2) por batelada (Batch)
3) por valos de oxidação
4) reatores do tipo carrossel
Processos com Aeração Prolongada
Sistema de lodos ativados - tipos
Para as mesmas condições de carga a ser tratada, necessita de volume de
reator e alimentação de oxigênio maiores que de tanques convencionais
 Cálculo do Volume do reator:
 
 
Aeração prolongada em tanques de mistura
completa (CFSTR)
Aeração Prolongada - Exemplo 9.8
Aeração Prolongada - Exemplo 9.8
1) No tanque de aeração prolongada, geralmente não há o uso de decantação
primária. Então, consideraríamos So=S(DBO5).
2) Como o tempo de detenção celular nesse caso é de 24 dias, não 5,
consideramos a degradação da DBO completa.
3) Então:
 
 
Aeração Prolongada - Exemplo 9.8
O volume é 160,6% em comparação ao obtido para o tanque convencional.
Aeração Prolongada - Exemplo 9.8
O volume é 283,3% em comparação ao obtido para o tanque convencional.
2) Entretanto, ainda, 
O custo com tratamento de esgoto era muito alto;
O processo foi desenvolvido para simplificar o processo de tratamento e
diminuir os custos de implementação e operação, em 1956.
Aeração prolongada em tanque valo de oxidação 
Não possui decantador primário, após as grades, caixa de areia e medidor de
vazão, o esgoto vai direto para o reator;
Ocorre aeração prolongada, dispensando unidade de digestão de lodo;
Em operação descontínua, a decantação ocorre no próprio tanque;
No caso de operação contínua, há recirculação do lodo para o dacantador
secundário;
Volume é semelhante ao reator de mistura completa; como ele tem
profunidades menores, a área ocupada é bem maior;
O volume é dado pela equação:
 
 
Aeração prolongada em tanque valo de oxidação
Aeração prolongada com reator
tipo carrossel
Variante do valo de oxidação com rotor de eixo
vertical;
Profundidade da lâmina maior -> área necessária ao
reator resulta menor;
No caminho entre os dois pontos de areação o OD
descresce e chega a próximo de zero na zona de
aeração, propiciando uma melhor eficiência na
transferência de oxigênio para a massa líquida;
Projetado em zona anóxica (OD = 0) -> desnitrificação
NO3 -> N2;
Aeração prolongada com
reatores do tipo batelada (Batch)
Menor número de unidades e equipamentos;
Pode-se eliminar: o decantador primário, decantador secundário, e todo o sistema de
recirculação e de digestão do lodo;
O ciclo operacional pode ser fixado (6 em 6h ou 12 em 12h);
A partir da escolha do tempo, calcula-se o número de reatores;
Para vazões contínuas (ex: esgoto sanitário) é necessário no mínimo dois reatores;
 
 
 
 
 
Ciclo completo inclui: o tempo de enchimento do reator com aeração concomitante ou não, o
tempo de aeração com reator cheio, o tempo de sedimentação, o tempo de drenagem do
sobrenadante e o tempo de segurança / descanso.
Ciclo operacional e alturas características do reator tipo Batelada:
O tempo de enchimento depende do número de reatores adotados e das condições
específicas de cada projeto;
O tempo de aeração deve ser ≥ a 50% do tempo total do ciclo;
Tempo mínimo de 1h para a sedimentação do lodo;
A drenagem do efluente tratado é o ponto crucial do projeto. Deve ser feita em no
mínimo 4 pontos ao redor do reator e com baixas velocidades;
Período total parado (sem aeração) ≤ 4h, para manter os microorganimos aeróbios
em plena atividade.
Volume do reator tipo Batelada funcionando por aeração
prolongada (VR)
Em que:
VR = volume do reator (m3)
Y = coeficiente de síntese celular (kg SSV gerado/ kg DBO removida)
Qc = vazão média de ciclo (m3/ciclo)
 Θc = idade do lodo
S0 = substrato afluente do sistema
Xv = SSV no reator cheio
kd = coeficiente de respiração endógena
fb = fração biodegradável do SSV
Exemplo de cálculo:
2 - Aeração de esgoto nos
processos de Lodos Ativos
 
2.1 - Demanda de oxigênio
necessária aos processos biológicos
 2.2 - Tipos de aeração;
 2.3 - Dimensionamento dos
sistemas de aeração;
 2.4 - Aeradores mecânicos de
superficie e de eixo horizontal;
Demanda de oxigênio necessária
aos processos biológicos
A demanda de O2 necessária aos processos biológicos de iodo ativados
(Nec.O2) é variável em função do processo e da temperatura do esgoto;
A DBO sofre impacto da idade do lodo (Θc), fator de carga do lodo (f);
Com o aumento da idade do lodo. as reações vão se tornando mais
significativas do que as de síntese, diminuindo o fator de carga do lodo, e
por consequência, gerando uma maior quantidade de oxigênio
necessária por unidade de substrato.
 
Expressão geral da necessidade
de oxigênio
Respiração exógena: representa o consumo de oxigênio por parte dos microrganismos
para a degradação dos substratos presentes no lodo;
Respiração endógena: é o oxigênio necessário para a respiração do lodo ativado, ou
seja, a energia requerida para manter as funções das células;
Expressão geral da necessidade
de oxigênio
a': Consumo de oxigênio por unidade de substrato removido, na respiração exógena;
b': Consumo de oxigênio por unidade deXv e de tempo na respiração endógena.
Para esgoto doméstico, valores gerais:
a': 0,52
b': 0,12
Valores práticos para dimensionamento
Valores práticos para dimensionamento
Valores práticos para dimensionamento
A demanda diária de O2 é variável, portanto uma opção é a utilização de
aeradores de velocidade variável ou velocidade dupla são úteis.
Tipos de aeração
Aeração por ar difuso:
Introdução de ar ou de oxigênio comprimido por um
sistema de tubulações e difusores e com a utilização de
compressores ou sopradores de ar.;
São os responsáveis pela passagem direta de ar pelo líquido.
Difusores
Porosos ou de bolhas finas: gera bolhas de diâmetro menor que 3 mm, é
composto por prato, disco domo e tubo e podem ser fabriados de materiais
cerâmicos, plásticos ou membranas flexíveis.
Não porosos ou de bolhas médias/grossas: gera bolhas com diâmtros maiores
que 3mm indo até superiores a 6mm, compostos por membranas perfuradas,
tubos com ranhuras ou perfurados;
Outros sistemas como tais como: aeração por jatos, por aspiração, tubo em U.
Os difusores podem ser divididos em tipos:
Difusores
São selecionados de acordo com a necessidade, mas também levando em
conta os seus custos e efetividades no processo;
Um dos maiores problemas que esse dispositivo lida é com a sua colmatação
ou entupimento que pode comprometer todo o tratamento do lodo;
Em geral, quanto menor o tamanho das bolhas, maior a eficiencia da
transferência de gases;
Pode-se haver colmatação interna, advinda de impurezas contidas no ar
utilizado e a externa, provocada pelo crescimento de microorganismos ou
precipitação na superficie do difusor.
Tipos de aeração
Aeração mecânica:
Produção de grande turbilhonamento na superfície do líquido
aspergindo pequenas gotas ao ar, promovendo também a entrada
de ar atmosférico no meio meio líquido (também chamado de
aeração superficial).
Mecanismos de transferência de oxigênio
Transferência do oxigênio do ar às gotas e finas películas de água aspergidos
no ar (60% da transferência total);
Transferência do oxigênio na interface ar-líquido, na qual as gotas em queda
entram em contato com o líquido no reator (30% da transferência total);
Transferência de oxigênio por bolhas de ar transportadas da superfície ao seio
da massa líquida (10% da transferência total)
Classificação de aeradores:
de Eixo Vertical;
de Baixa Rotação e Fluxo Radial;
de Alta Rotação e Fluxo Axial (geralmente flutuantes);
de Eixo Horizontal;
Costumam ser produzidos nas seguintes potências: 1, 2, 3, 5, 7,5, 10, 15, 20, 25,
30, 40, 50, 60, 75, 100, 125, 150 CV
Recomenda-se o uso de mais aeradores de baixa potência, do que poucos de
alta potência; 
Submergência dos aeradores
Quanto maior a subergência maior a eficiência na transferência de oxigênio,
contudo, maior o gasto energético.
A submergência é dividida em 3 tipos:
Submergência adequada: a performance é ótima, há uma boa turbulência e
absorção do ar;
Subergência acima da ótima: aerador tende a funcionar mais como um
misturador. Aumenta o consumo de energia sem conrrespondência na taxa de
transferência de oxigênio;
Submergência abaixo da ótima: forma-se apenas uma maior aspersão
superficial nas proximidades do aeradores, sem a criação de uma turbulência
efetiva. O consumo de energia decresce bem como a transferência de oxigênio
Dimensionamento dos sistemas
de aeração
A tranferência de oxigênio se baseia em duas principais Leis: a de Dalton
e a de Henry. Em líquidos, há sempre uma tendência de se estabelecer o
equilíbrio dos gases dissolvidos.
Temperatura: quanto maior, menor o grau de saturação;
Altitude: quanto maior, menor o grau de saturação;
Porcentagem de sólidos: quanto mais sólidos dissolvidos, menor grau de
saturação;
Taxa de transferência: dependente da limpeza da água e do déficit DO2,
sendo:
Para a saturação do gás,
temos as seguintes dependências:
Cálculos 
Os de alta rotação: consomem sempre a mesma potência, são
geralmente flutuantes e formam aerossóis (água + sólidos, no ar em
gotículas) e por isso podem espalhar microorganismos no ar
Os de baixa rotação: há variação de energia, então deve-se prever folgas
na potência calculada. São geralmente caros e precisam de uma
estrutura reforçada de apoio para fixação.
Quando trabalhado com aeradores mecânicos, ainda temos as seguintes
considerações:
 
Com relação a potência, os aeradores funcionam da seguinte maneira:
- Os de 20CV: funcionam de 15 a 20CV;
- Os de 25CV: funcionam de 20 a 25CV;
- Os de 30CV: funcionam de 25 a 30CV.
Cálculos 
Cálculos 
Cálculos 
Aeradores mecânicos de
superfície e de eixo horizontal
Também chamado de tipo escova;
São sempre de baixa rotação (normalmente de 90RPM);
Diamêtro mais utilizado é de 0,70m;
O eixo tem posição fixa mas pode-se variar a profundidade de imersão. A
potência requerida é também variável.
Exemplo de cálculo
Exemplo de cálculo
Exemplo de cálculo
Exemplo de cálculo
Exemplo de cálculo
Exemplo de cálculo
Decantadores Secundários
Aspectos Gerais
Função: retirar a biomassa decorrente da ação dos microorganismos no
tanque de aeração; 
É a última unidade do tratamento secundário pela qual o esgoto passa, assim,
o seu dimensionamento é de extrema importância para a eficiência global do
processo;
Ocorrência da decantação zonal.
Projeto
Equacionamento vem da teoria do fluxo limite de sólidos (Dick, 1972). 
Fluxo por gravidade Fluxo pela retirada do fundo
Fluxo total de sedimentação
Projeto
Baixa concentração de sólidos; 
Concentração de sólidos intermediária; 
Concentração de sólidos elevada.
Dependendo do valor da concentração de sólidos em suspepensão, o fluxo
de decantação tera um comportamento específico. Podemos dividir esse
comportamento em 3 situações: 
Projeto
A otimização de projeto ou da operação de um decantador secundário depende da
relação entre o fluxo aplicado e o fluxo limite, sendo o fluxo limite dado por:
Decantador com folga; 
Decantador com carga crítica; 
Decantador com sobrecarga no adensamento; 
Decantador com sobrecarga no adensamento e na clarificação.
Comparando o fluxo aplicado e o fluxo limite, podem haver 4 situações: 
Todo o procedimento e teoria apresentada até aqui apresenta algumas
dificuldades: a determinação dos parâmetros do cálculo da velocidade da camada
limite deve ser feita de forma experimental. 
Fróes e Von Sperling (1995) apresentam um método simplificado para contornar as
difiuldades impostas pelo método anteriormente descrito. O método se baseia no
IVL: Índice volumétrico do lodo. 
O teste IVL é feito preenchendo uma coluna de sedimentação com a amostra do
líquido afluente ao decantador. Em seguida, deixa-se sedimentar durante 30
minutos e então calcula o IVL através da seguinte equação: 
Projeto
Projeto
Para não sobrecarga em termos da clarificação: Taxa de aplicação hidráulica
deve ser menor do que a velocidade de sedimentação do lodo:
No projeto dos decantadores, deve-se atentar para que não ocorra sobrecarga em
termos de clarificação nem em termos de adensamento. Para cada uma dessas
condições, existe um critério a ser satisfeito: 
Projeto
Para não sobrecarga em termos de adensamento: Fluxo de sólidos suspensos
totais aplicado deve ser menor do que o fluxo de sólidos limites:
Exemplo de Dimensionamento
Dados
Exemplo de Dimensionamento
a) Iniciamos com a obtenção dos parâmetros da tabela. O exercício assumiu que o
lodo possui sedimentabilidade entre média e ruim, interpolando então os valores
da tabela:
b) Testa-se então os critérios para não sobrecarga em termos de clarificação e em
termos de adensamento. Iniciamos com a clarificação:
Exemplo de Dimensionamento
Para o adensamento:
Exemplo de Dimensionamento
Exemplo de Dimensionamento
c) Determinação da concentração de sólidos no fundo do decantador
d) Verificação das taxas de escoamento superficial e de deternção hidráulica
Agradecemos a atenção!
 
Dúvidas?