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TRATAMENTO DE ESGOTOS SANITÁRIOS Roque Passos Piveli 1. Características dos Esgotos, Necessidades de Tratamento e Concepção das Estações 1.1. Características dos Esgotos Os esgotos sanitários variam no espaço, em função de diversas variáveis desde o clima até hábitos culturais. Por outro lado, variam também ao longo do tempo, o que torna complexa sua caracterização. Metcalf & Eddy (1991) classificam os esgotos em forte, médio e fraco, conforme as características apresentadas na Tabela 1: Tabela 1: Características físico-químicas dos esgotos. Fonte: Metcalf & Eddy (1991) Característica Forte Médio Fraco DBO5,20 (mg/L) 400 220 110 DQO (mg/L) 1.000 500 250 Carbono Org. Total (mg/L) 290 160 80 Nitrogênio total – NTK (mg/L) 85 40 20 Nitrogênio Orgânico (mg/L) 35 15 08 Nitrogênio Amoniacal (mg/L) 50 25 12 Fósforo Total (mg/L) 15 08 04 Fósforo Orgânico (mg/L) 05 03 01 Fósforo Inorgânico (mg/L) 10 05 03 Cloreto (mg/L) 100 50 30 Sulfato (mg/L) 50 30 20 Óleos e Graxas (mg/L) 150 100 50 No Brasil, mesmo que não se tenha informação segura com base local, costuma-se adotar contribuições “per capita” de 54 e 100 g/habitante.dia para a DBO de cinco dias e para a DQO, respectivamente. Em termos de vazão, pode-se afirmar que os esgotos estão sujeitos às mesmas variações relativas ao consumo de água, variando de região para região, dependendo principalmente do poder aquisitivo da população. Apenas a título de referência, pode-se considerar a contribuição típica de 160 L/habitante.dia, referente ao consumo “per capita” de água de 200 L/habitante.dia e um coeficiente de retorno água/esgoto igual a 0,8. Para a determinação das vazões máximas de esgotos, costuma-se introduzir os coeficientes k1 = 1,2 (relativo ao dia de maior produção) e k2 = 1,5 (relativo à hora de maior produção de esgotos). Consequentemente, a vazão de esgotos do dia e hora de maior produção é 1,8 vezes, ou praticamente o dobro da vazão média diária. Deve ser lembrado que as características dos esgotos são afetadas também pela infiltração de água subterrânea na rede coletora e pela possível presença de contribuições específicas, como indústrias com efluentes líquidos ligados à rede pública de coleta de esgotos. Os esgotos sanitários possuem excesso de nitrogênio e fósforo. Isto faz com que, ao ser submetido a tratamento biológico, haverá incorporação desses macronutrientes nas células que tomam parte do sistema, mas o excesso deverá ser ainda grande. Esta é uma importante preocupação em termos de tratamento de esgotos, exigindo tratamento 2 avançado quando se tem lançamento em situações mais restritivas, sobretudo em represas utilizadas para o abastecimento público de água potável, onde o problema da eutrofização poderá ter consequências drásticas. Na Tabela 2 são apresentados concentrações típicas das diversas frações de sólidos em esgotos: Tabela 2: Concentrações de sólidos em esgotos. Fonte: Metcalf & Eddy (1991) característica Forte Médio Fraco Sólidos Totais (mg/L) 1.200 720 350 Sólidos Dissolvidos (mg/L) 850 500 250 Sólidos Dissolvidos Fixos (mg/L) 850 500 250 Sólidos Dissolvidos Voláteis (mg/L) 525 300 145 Sólidos em Suspensão Totais (mg/L) 350 220 100 Sólidos em Suspensão Fixos (mg/L) 75 55 20 Sólidos em Suspensão Voláteis (mg/L) 275 165 80 Sólidos Sedimentáveis (mL/L) 20 10 05 Na Tabela 3 são apresentadas algumas características biológicas dos esgotos, importantes para referenciar as necessidades de desinfecção. Embora a legislação seja restrita aos índices de coliformes, aplicações dos esgotos como, por exemplo, na agricultura, podem exigir o controle de outros indicadores. Tabela 3: Concentrações de organismos em esgotos. Fonte: Metcalf & Eddy (1991) Característica Valor Médio Bactérias Totais (/100 mL) 109 - 1010 Coliformes Totais (NMP/100 mL) 107 - 108 Coliformes Fecais (NMP/100 mL) 106 - 107 Estreptococus Fecais (NMP/100 mL) 105 - 106 Salmonella Typhosa (/100 mL) 101 - 104 Cistos de Protozoários (/100 mL) 102 - 105 Vírus (/100 mL) 103 - 104 Ovos de Helmintos (/100 mL) 101 - 103 1.2. Aspectos Legais Tanto a legislação do Estado de São Paulo, o Decreto 8468 que regulamenta a lei 997 de 1976 como a legislação federal, a resolução 20 do CONAMA (Conselho Nacional de Meio Ambiente), passam por processo de revisão. Apresentam-se, em seguida, alguns padrões de emissão de esgotos em águas naturais de ambas as legislações: Padrões de emissão de esgotos – Decreto 8468 • pH: entre 5 e 9 • Temperatura: inferior a 40oC • Sólidos Sedimentáveis: inferior a 1,0 mL/L • DBO5,20: inferior a 60 mg/L ou 80% de redução Padrões de emissão de esgotos – Resoluçã0 20 do CONAMA 3 • pH: entre 5 e 9 • Temperatura: inferior a 40oC • Sólidos Sedimentáveis: inferior a 1,0 mL/L • Amônia: inferior a 5,0 mg/L Pode ser observado que o padrão de emissão de 5,0 mg/L para amônia não pode ser atendido mediante a grande maioria dos processos de tratamento biológicos, exceto os aeróbios com aeração prolongada (idade do lodo elevada). Apresentam-se a seguir, a título de ilustração, alguns padrões de qualidade estabelecidos nas legislações para uma água natural classe 2, que pode ser utilizada para abastecimento público, após tratamento: Padrões de qualidade – Decreto 8468 • Oxigênio Dissolvido: não inferior a 5,0 mg/L • DBO5,20: inferior a 5,0 mg/L • Coliformes Totais: não superior a 5.000 / 100 mL • Coliformes Fecais: não superior a 1.000 / 100 mL Padrões de qualidade – Resolução 20 do CONAMA • pH: entre 6 e 9 • Oxigênio Dissolvido: não inferior a 5,0 mg/L • DBO5,20: inferior a 5,0 mg/L • Coliformes Totais: não superior a 5.000 / 100 mL • Coliformes Fecais: não superior a 1.000 / 100 mL • Amônia não ionizável: inferior a 0,02 mg/L • Fosfato Total: inferior a 0,025 mgP/L Uma dificuldade frequente no atendimento à legislação federal, refere-se ao padrão para fósforo, bastante restritivo independentemente da velocidade da água do corpo receptor. Sabe-se que o problema de crescimento excessivo de algas decorrentes da eutrofização só ocorre de forma expressiva em águas de baixas velocidades como em represas. Pode ser observado também que dificilmente se terá uma condição de diluição dos esgotos tratados no corpo receptor que dispense a desinfecção final dos esgotos antes do lançamento. 1.3. Concepção das Estações de Tratamento de Esgotos O tratamento de esgotos é desenvolvido, essencialmente, por processos biológicos, associdos à operações físicas de concentração e separação de sólidos. Processos físico- químicos, como os a base de coagulação e floculação, normalmente não são empregados por resultarem em maiores custos operacionais e menor eficiência na remoção de matéria orgânica biodegradável. Porém, em algumas situações, notadamente quando se tem condições bastante restritivas para as descargas de fósforo, o tratamento físico-químico pode ser aplicado isoladamente ou, principalmente, associado aos processos biológicos. O tratamento biológico pode ser subdividido em dois grandes grupos, processos aeróbios e anaeróbios. Observou-se uma tendência historica em se comparar tais modalidades, 4 enfatizando-se vantagens e desvantagens de cada grupo, hoje é consenso o interesse em associá-los, obtendo-se com isso importantes vantagens técnicas e econômicas. Os processos biológicos podem ser classificados também em função do tipo de reator, que pode ser de crescimento em suspensão na massa líquida ou de biomassa aderida. Nos reatores de crescimento em suspensão, não há suporte inerte para a aderência dos microrganismos, que crescem geralmente floculados e em suspensão na massa líquida. No caso dos reatores aeróbios, o próprio sistema de aeração acumula essa função complementar de manter os sólidos biológicos emsuspensão. Nos reatores de biomassa aderida, há introdução de material de enchimento como areia, pedras ou plástico, dentre outros, que podem se manter fixos ou móveis no reator, garantindo a aderência da biomassa que cresce sob a forma de biofilme aderido ao meio inerte. Os processos biológicos podem ser classificados ainda em função da retenção ou não de biomassa, entendendo-se por biomassa os microrganismos responsáveis pela degradação de matéria orgânica dos esgotos. Nos processos em que não se pratica retenção de biomassa, o tempo de detenção hidráulica, que é o tempo de passagem do esgoto pelo sistema, é equivalente ao tempo médio de residência celular, também conhecido por idade do lodo, que representa o tempo de permanência dos microrganismos no sistema. Assim, se é desejado que os microrganismos permaneçam durante determinado período no reator, os esgotos deverão ser retidos pelo mesmo período, o que torna as dimensões do sistema relativamente elevadas. É o caso, por exemplo, das lagoas aeradas mecanicamente de mistura completa. Nos sistemas com retenção de biomassa, este mecanismo deverá ser produzido de alguma forma. Quando se empregam reatores de crescimento em suspensão na massa líquida, como são os tanques de aeração dos processos de lodos ativados, a retenção de biomassa é feita recirculando-se o lodo sedimentado nos decantadores posicionados à jusante do reator biológico. Já nos reatores de biomassa aderida, sejam de leito fixo ou móvel, a retenção de biomassa é garantida pela própria aderência dos microrganismos ao meio suporte formando os biofilmes. Os reatores com retenção de biomassa compõem os chamados sistemas de tratamento compactos que, por permitirem maior concentração de microrganismos ativos, possuem maior capacidade de recebimento de carga de esgotos quando se compara com mesmo volume de reator onde não se procede a retenção do lodo. O processo de lodos ativados convencional é composto das seguintes etapas: • Tratamento preliminar: gradeamento e desarenação • Decantadores primários • Tanques de aeração • Decantadores secundários • Adensadores de lodo • Digestores de lodo • Sistema de desidratação de lodo Os decantadores primários providenciam uma redução da carga orgânica afluente ao tratamento biológico. O lodo separado nos decantadores secundários retornam para os tanque de aeração, mas há a necessidade de descarte do lodo excedente para o controle do processo biológico. Ambos os lodos, produzidos nos decantadores primários e secundários, podem ser encaminhados para uma digestão biológica conjunta. Na variante do processo de lodos ativados conhecida por aeração prolongada, não se empregam decantadores primários e o tratamento biológico é dimensionado de forma a produzir um excesso de lodo mais mineralizado, de forma a se dispensar a necessidade de qualquer tipo de digestão complementar de lodo. Dispensando os decantadores primários 5 e digestores de lodo, as principais etapas do sistema de lodos ativados com aeração prolongada são: • Tratamento preliminar: gradeamento e desarenação • Tanques de aeração • Decantadores secundários • Adensadores de lodo • Sistema de desidratação de lodo Em situações onde ocorrem grandes flutuações de população e, consequentemente, de carga orgânica, a variante com aeração prolongada pode operar sob o regime de bateladas sequenciais. Não se empregam também os decantadores secundários, sendo a função de separar o lodo do efluente final também atribuída aos tanques de aeração. Estes, são alimentados na forma de rodízio e a operação de sedimentação poderá ocorrer em tanques que não estejam sendo alimentados por esgotos em períodos pré-estabelecidos de forma sincronizada. Assim, um sistema de lodos ativados com aeração prolonga operando em batelas, fica reduzido a: • Tratamento preliminar: gradeamento e desarenação • Tanques de aeração e decantação • Adensadores de lodo • Sistema de desidratação de lodo Note-se que não estão sendo incluídas as unidades correspondentes às outras necessidades de tratamento, como a desinfecção final ou a remoção de nutrientes por processos físico-químicos, dentre outras. Um sistema de lagoas aeradas mecanicamente pode ser entendido como um processo de lodos ativados sem recirculação de lodo. As principais unidades que o compõem, são: • Tratamento preliminar: gradeamento e desarenação • Lagoas aeradas mecanicamente • Lagoas de decantação Não foram incluídas aqui as necessidades de remoção e tratamento do lodo separado das lagoas de decantação. As lagoas aeradas mecanicamente foram concebidas para resolver problemas de sobrecargas em sistemas de lagoas de estabilização. Nestes as unidades centrais são as lagoas facultativas, desprovidas de aeradores mecânicos, sendo a aeração obtida da ventilação superficial e da fotossíntese de algas. São chamadas de facultativas por que ocorre sedimentação de particulas no fundo que entram em decomposição anaeróbia. As lagoas facultativas podem ou não ser precedidas de lagoas anaeróbias, que provocam um alívio de carga, e sucedidas de lagoas de maturação, cujo principal objetivo é aumentar o grau de desinfecção dos esgotos. O chamado sistema australiano de lagoas de estabilização é composto de: • Tratamento preliminar: gradeamento e desarenação • Lagoas anaeróbias • Lagoas facultativas fotossintéticas • Lagoas de maturação 6 Voltando à concepção do processo de lodos ativados convencional, podemos entender um sistema de tratamento por filtros biológicos aeróbios, simplesmente substituindo-se as unidades principais do sistema, os tanques de aeração, pelos filtros biológicos. Porém, neste caso, normalmente não há necessidade de retorno de lodo. Assim, um sistema de tratamento de esgotos por filtros biológicos aeróbios é composto das seguintes unidades principais: • Tratamento preliminar: gradeamento e desarenação • Decantadores primários • Filtros biológicos aeróbios • Decantadores secundários • Adensadores de lodo • Digestores de lodo • Sistema de desidratação de lodo Uma das principais tendências atuais do tratamento de esgotos sanitários reside na inclusão de uma etapa inicial de tratamento anaeróbio. O reator anaeróbio que mais tem se consolidado em nosso meio é o reator conhecido por UASB (upflow anaerobic sludge blanket). Estes sistemas mistos são constituídos de tratamento preliminar e dos reatores UASB, que podem ter os seus efluentes complementarmente tratados por um dos seguintes processos alternativos: • Lodos ativados • Lagoas aeradas mecanicamente • Lagoas de estabilização • Filtros biológicos aeróbios • Tratamento físico-químico Em um importante estudo desenvolvido pelo PROSAB, Programa de Pesquisa em Saneamento Básico (Chernicharo, 2000), foram identificadas as seguintes características dos esgotos tratados pelos diversos processos e composição de custos de implantação e operacionais: • Processo de Lodos Ativados Convencional. A operação sob alta taxa ocorre com idade do lodo (θc) inferior a três dias, sem que seja esperada a nitrificação dos esgotos. Os esgotos tratados apresentam DBO5 e SS (sólidos em suspensão) inferiores a 30 mg/L e concentração de nitrogênio amoniacal (Namon) superior a 15 mg/L. O excesso de lodo produzido é da ordem de 35 a 40 g SSS / Hab.dia, sendo estabilizado. O custo de implantação é estimado entre R$ 100,00 e R$ 130,00 por habitante, para populações entre 200 e 600 mil habitantes. O consumo de energia para aeração é estimado em 12 kwh/hab.ano. A operação sob taxa convencional ocorre com idade do lodo (θc) entre 4 e 7 dias, ocorrendo a nitrificação dos esgotos. Os esgotos tratados apresentam DBO5 e SS (sólidos em suspensão) inferiores a 20 mg/L e concentração de nitrogênio amoniacal (Namon) inferior à 5 mg/L. O excesso de lodoproduzido é da ordem de 30 a 35 g SS / Hab.dia, sendo estabilizado. O custo de implantação é estimado entre R$ 120,00 e R$ 160,00 por habitante, para populações entre 200 e 600 mil habitantes. O consumo de energia para aeração é estimado em 20 kwh/hab.ano. • Processo de Filtros Biológicos Aeróbios de Alta Taxa. Os esgotos tratados apresentam DBO5 e SS (sólidos em suspensão) inferiores a 30 mg/L e concentração 7 de nitrogênio amoniacal (Namon) superiores à 15 mg/L. O excesso de lodo produzido é da ordem de 35 a 40 g SS / Hab.dia, sendo estabilizado. O custo de implantação é estimado entre R$ 100,00 e R$ 130,00 por habitante. • Processo de Lodos Ativados com Aeração Prolongada. A operação sob alta taxa ocorre com idade do lodo (θc) na faixa de 20 a 30 dias, com nitrificação dos esgotos. Os esgotos tratados apresentam DBO5 inferior a 20 mg/L, SS (sólidos em suspensão) inferior a 40 mg/L e concentração de nitrogênio amoniacal (Namon) inferior à 5 mg/L. O excesso de lodo produzido é da ordem de 40 a 45 g SS / Hab.dia, sendo estabilizado aerobiamente, mais difícil de desidratar. O custo de implantação é estimado entre R$ 60,00 e R$ 80,00 por habitante, para populações entre 50 e 150 mil habitantes. O consumo de energia para aeração é estimado em 35 kwh/hab.ano. • Processo com Reator UASB seguido de Lodos Ativados. A operação da etapa de lodos ativados sob alta taxa ocorre com idade do lodo (θc) inferior a três dias, sem que seja esperada a nitrificação dos esgotos. Os esgotos tratados apresentam DBO5 inferior a 20 mg/L e SS (sólidos em suspensão) inferior a 30 mg/L e concentração de nitrogênio amoniacal (Namon) superior a 20 mg/L. O excesso de lodo produzido é inferior à 20 g SSS / Hab.dia, sendo estabilizado. O custo de implantação é estimado entre R$ 50,00 e R$ 80,00 por habitante, para populações entre 50 e 500 mil habitantes. O consumo de energia para aeração é estimado em 6 kwh/hab.ano. A operação sob taxa convencional ocorre com idade do lodo (θc) entre 4 e 7 dias, esperando-se a nitrificação dos esgotos. Os esgotos tratados apresentam DBO5 inferior à 20 mg/Le SS (sólidos em suspensão) inferior a 30 mg/L e concentração de nitrogênio amoniacal (Namon) inferior à 5 mg/L. O excesso de lodo produzido é da ordem de 22 a 27 g SS / Hab.dia, sendo estabilizado. O custo de implantação é estimado entre R$ 70,00 e R$ 100,00 por habitante, para populações entre 50 e 500 mil habitantes. O consumo de energia para aeração é estimado em 15 kwh/hab.ano. • Processo com reator UASB seguido de Filtro Biológico de Alta Taxa. Os esgotos tratados apresentam DBO5 e SS (sólidos em suspensão) inferiores a 30 mg/L e concentração de nitrogênio amoniacal (Namon) superiores à 20 mg/L. O excesso de lodo produzido é da ordem de 25 a 30 g SS / Hab.dia, sendo estabilizado. O custo de implantação é estimado entre R$ 50,00 e R$ 80,00 por habitante, para populações entre 20 e 200 mil habitantes. • Processo com reator UASB seguido de Filtro Biológico Aerado Submerso. Os esgotos tratados apresentam DBO5 inferior a 20 mg/L e SS (sólidos em suspensão) inferior a 30 mg/L e concentração de nitrogênio amoniacal (Namon) superior à 20 mg/L. O excesso de lodo produzido é da ordem de 25 a 30 g SS / Hab.dia, sendo estabilizado. O custo de implantação é estimado entre R$ 80,00 e R$ 100,00 por habitante, para populações entre 20 e 200 mil habitantes. Energia para aeração: 6 kwh/hab.ano. • Processo de Lagoas Aeradas Aeróbias seguidas de Lagoas de Decantação. Os esgotos tratados apresentam DBO5 inferior a 30 mg/L e SS (sólidos em suspensão) inferior a 40 mg/L e concentração de nitrogênio amoniacal (Namon) superior à 25 mg/L. O excesso de lodo produzido é da ordem de 15 a 25 g SS / Hab.dia, sendo estabilizado e removido a cada 4 a 5 anos. O custo de implantação é estimado entre R$ 50,00 e R$ 70,00 por habitante, para populações entre 30 e 200 mil habitantes. Energia para aeração: 22 kwh/hab.ano. 2. Tratamento Preliminar de Esgotos 2.1.Considerações Iniciais O tratamento preliminar de esgotos visa, basicamente, a remoção de sólidos grosseiros. Não há praticamente remoção de DBO, consiste em uma preparação dos esgotos para o tratamento posterior, evitando obstruções e danificações em equipamentos eletro- mecânicos. O tratamento preliminar é constituído de gradeamento e desarenação. O gradeamento objetiva a remoção de sólidos bastante grosseiros como materiais plásticos e de papelões constituintes de embalagens e a desarenação a remoção de sólidos com características de sedimentação semelhantes à da areia, que se introduz nos esgotos principalmente devido `a infiltração de água subterrânea na rede coletora de esgotos. 2.2. Gradeamento Os dispositivos de remoção de sólidos grosseiros (grades) são constituídos de barras de ferro ou aço paralelas, posicionadas transversalmente no canal de chegada dos esgotos na estação de tratamento, perpendiculares ou inclinadas, dependendo do dispositivo de remoção do material retido. As grades devem permitir o escoamento dos esgotos sem produzir grandes perdas de carga. Classificação das Grades As grades podem ser classificadas de acordo com o espaçamento entre as barras, conforme a tabela 4: Tabela 4: Classificação das grades. Fonte: Jordão e Pessoa (1995) tipo espaçamento (cm) grade grosseira 4 - 10 grade média 2 - 4 grade fina 1 - 2 É conveniente quando se tem a necessidade de recalque dos esgotos para a estação de tratamento, que o tratamento preliminar seja posicionado à montante da estação elevatória, visando a proteção dos rotores das bombas de corrosão por abrasão. No entanto é prática mais usual apenas a instalação de uma grade grosseira à entrada da elevatória, posicionando-se uma grade média ou fina já no canal de entrada da ETE, normalmente de 1,5; 1,9 ou 2,5 cm de espaçamento entre barras. Dimensões das Barras e Inclinações das Grades As barras das grades são construídas pelos fabricantes segundo dimensões padronizadas, sendo que a menor dimensão da secção, que é posicionada frontalmente ao escoamento, varia em média de 5 a 10 mm e a dimensão maior, paralela ao escoamento, varia entre 3,5 e 6,5 cm, aproximadamente. As grades com dispositivo de remoção mecanizada de material retido são implantadas com inclinações que variam de 70 a 90o, enquanto que as de remoção manual possuem inclinações variando geralemnte na faixa de 45 a 60o (ângulo formado pela grade e o 2 fundo do canal a jusante. O projeto de Norma Brasileira PNB - 570 impõe que para vazões de dimensionamento superiores a 250 L/s as grades deverão possuir dispositivo de remoção mecanizada do material retido. Dispositivos de Remoção Nas estações de grande porte, as grades devem posuir dispositivo mecanizado de remoção do material retido, que é constituído de um rastelo mecânico tipo pente cujos dentes se entrepõem nos espaços entre barras da grade. O rastelo é acionado por um sistema de correntes sendo que a remoção se dá no sentido ascendente e na parte superior o material é depositado sobre esteira rolante que o descarrega em caçamba. Nas grades manuais, o operador remove o material retido através de ancinho, quando a secção obstruída atinge cerca de 50% do total. O material removido é depositado em tambores ou caçambas possuindo orifícios no fundo para o escoamento da água. A quantidade de material retido nas grades chega a atingir na prática cerca de 0,04 litros por m3 de esgoto. Na tabela 5 relaciona-se a quantidade de material retido com o espaçamento entre barras das grades: Tabela 5: Quantidade de material retido nas grades. Fonte: Jordão e Pessoa (1995) Espaçamento (cm) 2,0 2,5 3,0 4,0 Quantidade (L/m3) 0,038 0,023 0,012 0,009 Para a grade de 2,5 cm de abertura, bastante utilizada, a quantidade médiaencontrada é de 0,02 L / m3 e a máxima é de 0,036 L / m3. O material retido pode sofrer processo de lavagem, secagem e adição de substâncias químicas antes do envio a aterros sanitários ou incineradores. Dimensionamento das Grades As grades são projetadas para que ocorra uma velocidade de passagem entre 0,6 e 1,0 m/s, tomando-se por referência a velocidade máxima horária de esgotos sanitários. A obstrução máxima admitida é de 50% da área da grade, devendo-se adotar como perdas de cargas mínimas os valores de 0,15 m para grades de limpeza manual e 0,10 m para grades de limpeza mecanizada. Para o cálculo da perda de carga nas grades, pode-se utilizar a fórmula de Metcalf & Eddy: ∆H = 1,43 . (v2 - vo2) /2g , onde v é a velocidade de passagem pela grade e vo é a velocidade de aproximação. A relação entre a área da secção transversal do canal e a área útil da grade é dada por: S = Au . (a + t) /a , onde: S = área da secção transversal do canal, até o nível de água. Au = área útil da grade. a = espaçamento entre as barras. t = espessura das barras. 3 A relação a / (a + t) é chamada de eficiência (E) da grade e representa a fração de espaços vazios em relação à área total. Fixando-se a velocidade de passagem, pode-se determinar a área útil da grade através da equação da continuidade, Au = Qmáx / v. Obtendo-se a área útil, pode-se calcular a área da secção transversal do canal (S). Escolhendo-se a espessura e o espaçamento entre barras determina-se a eficiência E e S = Au/E. Obtendo-se a área da secção transversal, a largura do canal da grade pode ser determinada através do conhecimento da lâmina líquida decorrente do posicionamento da calha Parshall a jusante., conforme será mostrado. Além das grades anteriormente descritas, as grades de barras curvas, as peneiras estáticas e as peneiras rotativas podem também serem usadas para a remoção de sólidos grosseiros dos esgotos sanitários. As peneiras estáticas são bastante utilizadas no pré- condicionamento de esgotos antes do lançamento em emissários submarinos e também no tratamento de efluentes de matadouros e frigoríficos, dentre outras aplicações. As peneiras rotativas também são bastante utilizadas no tratamento de efluentes líquidos industriais. Para a observação de detalhes a respeito do projeto e construção dos sistemas de gradeamento, recomenda-se consultar a NB - 569 e a NB – 570 da ABNT. 2.3. Desarenação (caixas de retenção de areia) Características do Material Removido A "areia" que infiltra no sistema de esgotos sanitários e que danifica equipamentos eletromecânicos é constituída de partículas com diâmetro de 0,2 a 0,4 mm e massa específica ρ = 2,54 ton/m3. Estas partículas sedimentam-se individualmente nas caixas com velocidade média de 2 cm/s. Dispositivos de Remoção de Areia De acordo com a NB-570, as caixas de areia de sistemas com remoção manual, devem-se ser projetados dois canais desarenadores paralelos, utilizando-se um deles enquanto que o outro sofre remoção de areia. Na remoção mecanizada utilizam-se bandejas de aço removidas por talha e carretilha, raspadores, sistemas de air lift, parafusos sem fim, bombas, etc. A "areia" retida deve ser encaminhada para aterro ou ser lavada para outras finalidades. Para redes de esgotos novas e não imersas no lençol freático a quantidade de areia retida é estimada em 30 litros por 1000 m3 de esgotos. Para situações desfavoráveis recomenda-se adotar 40L/1000m3. Características Operacionais As caixas de areia são projetadas para uma velocidade média dos esgotos de 0,30 m/s. Esta velocidade é mantida aproximadamente constante apesar das variações de vazão, através da instalação de uma calha Parshall a jusante. Velocidades baixas, notadamente as inferiores a 0,15 m/s provocam depósito de matéria orgânica na caixa, indicado pelo aumento da relação SSV/SST do material retido e que provoca exalação de maus odores devido à decomposição. Velocidades superiores a 0,40 m/s provocam arraste de areia e redução da quantidade retida. Dimensionamento O comprimento (L) da caixa de areia é determinado considerando-se a velocidade dos esgotos de 0,30 m/s e a velocidade de sedimentação da areia de 2 cm/s. 4 Para que a partícula que passe sobre a caixa na linha de corrente mais alta atinja a câmara de estocagem de areia, é preciso que percorra H na vertical enquanto percorre L na horizontal: Costuma-se introduzir um coeficiente de segurança de 1,5 devido ao efeito de turbulência e considerar-se L = 22,5.H ou L = 25 x H. A NB-570 recomenda que a taxa de escoamento superficial com base na vazão máxima resulte na faixa de (700 a 1300) m3/m2.d. Controle da velocidade através de calha Parshall Para se manter a mesma velocidade na caixa de areia tipo canal com velocidade constante controlada por calha Parshall, para Qmín e Qmáx, tem-se: v2, t2 v1 t1 L 2 2 1 1 t Hvx t Lv == LvHv v H v Ltt .. 21 21 1 =⇒=⇒= HLsmvesmvpara .15/02,0/3,0 21 =⇒== ZH ZH Q Q máx mín máx mín − −= . .' . H Y HJ HM Z 5 Fórmula da calha Parshall: Q = K.HN, onde Q = vazão (m3/s) H = altura de água (m) Valores de K e N Largura Nominal N K Capacidade (L/s) Mín. Máx.. 3" 1,547 0,176 0,85 53,8 6" 1,580 0,381 1,52 110,4 9" 1,530 0,535 2,55 251,9 1' 1,522 0,690 3,11 455,6 1/2' 1,538 1,054 4,25 696,2 2' 1,550 1,426 11,89 936,7 Exemplo do Dimensionamento Dados: Ano População Atendida (hab) Qmín. (l/s) Qméd. (l/s) Qmáx.(l/s) 2000 45.000 41,67 83,33 150,00 2010 54.200 50,19 100,38 180,00 2020 68.350 63,29 126,58 227,83 a) Escolha da Calha Parshall: Para atender vazões de 41,67 l/s a 227,83 l/s a C. Parshall recomendada é a de LN = 9". Fórmula da Calha Parshall com LN = 9": Q = 0,535.H1,53 Para Qmín. = 41,67 l/s ⇒ Hmín. = 0,189m Para Qmáx. = 227,83 l/s ⇒ Hmáx. = 0,572 m b) Cálculo do rebaixo Z à entrada da Calha Parshall: c) Cálculo da grade mZ Z Z ZHmáx ZHmín Qmáx Qmín 1033,0 572,0 189,0 83,227 67,41 . . . . =⇒− −= − −= 6 c.1. Eficiência (E) c.2. Área útil (Au) Adotando-se a velocidade de passagem v = 0,8m/s, tem-se: c.3. Área da Secção do Canal (S) c.4. Largura do canal da grade (b) c.5. Verificações para vazões intermediárias: Q (l/s) H (m) (H-Z) (m) S=b(H-Z) (m2) Au=S.E (m2) V=Qmáx Au (m/s) V0=Qmáx S (m/s) 227,83 0,572 0,469 0,380 0,285 0,800 0,600 180,67 0,492 0,389 0,315 0,236 0,766 0,574 150,00 0,436 0,333 0,270 0,203 0,739 0,555 63,29 0,248 0,145 0,117 0,088 0,719 0,541 50,19 0,213 0,110 0,089 0,067 0,749 0,564 41,67 0,189 0,086 0,070 0,053 0,786 0,595 Observa-se que para vazões intermediárias as velocidades não se alteram significativamente. c.6. Perda de Carga na Grade = =• mmaoespaçament mmtespessura ferrodebarras adotadosdados 15)(. 5)(. . 75,0 515 15 =+=+= ta aE 2 3 285,0 /8,0 /22783,0 m sm sm v QAu máx === 238,0 75,0 285,0 m E AuS === m ZH Sb máx 81,0 1033,0572,0 38,0 =−=−= 7 d) Cálculo da caixa de areia d.1) Cálculo da área da secção transversal (A) Adotando-se a velocidade sobre a caixa, v = 0,3 m/s, tem-se: d.2.) Cálculo da largura (B): d.3) Verificação: d.4) Cálculo do comprimento (L) d.5) Taxa de escoamento superficial resultante: d.6) Cálculo do rebaixo da caixa de areia Para a taxa de 30l/1000m3 e para vazão média de final de plano, Q = 126,58l/s, tem-se o seguinte volume diário de areia retida na caixa: V = 0,03 l/m3 x 126,58 l/s x 86,4 = 328 l g vvH 2 43,1 2 0 2 −=∆ m x H 02,0 81,92 )6,0()8,0(43,1:limpa Grade 22 =−=∆• m x xHobstruídaGrade 16,0 81,92 )6,0()8,02(.43,1:%50 22 =−=∆• 27594,0 3,0 22783,0 m v QA máx === mB ZH AB máx 62,1 1033,0572,0 7594,0 =⇒−=−= smv mxA mZH mHslQPara mín mínmín /3,0 1388,0 04167,0 1388,062,10857,0 0857,01033,0189,0 189,0/67,41 2 ==∴ == =−=− =⇒= ( ) mLxZHxL máx 55,101033,0572,05,22)(5,22 =⇒−=−= diamm x x A Q S ./1152 62,155,10 4,8683,227 23== 8 Portanto, para um rebaixo de 20cm tem-se um intervalo de limpeza da caixa de aproximadamente 10 dias. 3. Decantadores de esgotos 3.1. Considerações Iniciais No tratamento de esgotos, o que ocorre como concentração de fase sólida, removida na forma de lodo. Remover-se sólidos grosseiros no sistema de gradeamento e sólidos facilmente sedimentáveis nas caixas de areia. Nos decantadores primários, sob as condições de escoamento normalmente adotadas em seus projetos, ocorre remoção de 40 a 60% de sólidos em suspensão dos esgotos sanitários, correspondendo a cerca de 30 a 40% da DBO. Até mesmo no tratamento biológico onde se conta com a mineralização dos compostos orgânicos, o efeito preponderante é a floculação da matéria em estado coloidal tornando possível sua remoção por sedimentação nos decantadores secundários. É típico para o processo de lodos ativados tratando esgotos sanitários em coeficiente de produção celular da ordem de 0,6. Isto indica que de cada 100 kg de DBO removida no processo biológico acarretará uma produção de 60 kg de SSV, ou seja, apenas 40% da matéria orgânica dos esgotos foi de fato mineralizada e a maior parte apenas convertida em flocos. Desta forma, justifica-se plenamente o emprego de unidades de separação de sólidos, geralmente a base de sedimentação. Quando não são usados decantadores formais de concreto armado, são utilizadas lagoas de decantação ou a sedimentação ocorre no próprio reator biológico. Mais recentemente tem-se estudado o emprego da flotação com ar dissolvido em algumas aplicações, especialmente associada ao tratamento físico- químico. No campo do tratamento de esgotos sanitários, a aplicação mais consolidada da flotação com ar dissolvido está no adensamento de excesso de lodos ativados, onde o lodo bem floculado é bastante propício para o aprisionamento de bolhas de ar e são produzidos graus mais elevados de adensamento do lodo do que por gravidade, mesmo sob taxas de aplicação bem mais elevadas. 3.2. Sedimentação no Tratamento de Esgotos O processo de sedimentação é governado principalmente pela concentração das partículas em suspensão. Quanto mais concentrado for o meio, maior é a resistência à sedimentação. Em suspensões bastante diluídas prevalece a sedimentação do tipo I (individual ou discreta). Neste caso as partículas sedimentam-se individualmente sem ocorrer interrelações, segundo uma velocidade constante ao longo da profundidade do tanque. É o tipo de sedimentação predominante nas caixas de areia. Neste caso, a velocidade de sedimentação pode ser calculada através do equilíbrio de forças atuantes sobre a partícula na direção vertical (força gravitacional, para baixo, e empuxo mais força de atrito, para cima), do qual resulta a lei de Stokes. Aumentando-se a concentração de sólidos em suspensão, passa a prevalecer a sedimentação do tipo II, também chamada de sedimentação floculante. Neste caso, a maior concentração de partículas permite a formação de emaranhados ou flocos de maior velocidade de sedimentação ao longo de suas trajetórias, fazendo com que a velocidade de sedimentação aumente com a profundidade. É o que tipicamente ocorre nos m x hcaixanaacumuladaareiadediáriaaltura 02,0 62,155,10 328,0 ==• 9 decantadores das ETAs, também nos decantadores primários de esgotos onde a relativa e elevada concentração de sólidos em suspensão permite tais interações. A partir deste caso, não é mais válida a lei de Stokes, devendo-se proceder ensaios em colunas de sedimentação para a obtenção de parâmetros para o projeto das unidades. Aumentando-se ainda mais a concentração da suspensão, passa a prevalecer a sedimentação do tipo III (também chamada de sedimentação por zona, retardada ou impedida). Neste caso, a concentração de sólidos é muito elevada e passa a ocorrer dificuldade de saída de água em contra-corrente para possibilitar a sedimentação dos sólidos. Assim, a velocidade de sedimentação diminui ao longo da profundidade do decantador, sendo bastante baixa no fundo onde a concentração de sólidos é muito elevada. Este tipo de sedimentação predomina em decantadores secundários de processo de lodos ativados, que é alimentado pelo lodo concentrado do tanque de aeração. Neste caso é nítida a ocorrência de interface lodo/líquido sobrenadante. Quando o lodo é colocado em proveta, o deslocamento desta interface pode ser cronometrado ao longo do tempo e através de interpretação gráfica pode-se calcular a velocidade de sedimentação por zona (VSZ) importante para a interpretação da condição operacional de um processo de lodos ativados. O resultado final, após 30 minutos de sedimentação, é utilizado para o cálculo do IVL. A sedimentação do tipo IV, também chamada de sedimentação por compressão, ocorre no fundo dos decantadores secundários e nos adensadores de lodo. Neste caso, a suspensão é tão concentrada que a "sedimentação" dá-se pelo peso de uma partícula sobre a outra, provocando a liberação de água intersticial. 3.3. Tipos de Decantadores Existem, basicamente, dois tipos de decantadores de esgotos: os de secção retangular em planta e de escoamento longitudinal, e os de secção circular, que mais comumente são alimentados pelo centro e a coleta do esgoto decantado é feita nas bordas dos decantadores, ao longo da linha da circunferência. Existem também os decantadores circulares de alimentação periférica. Alguns autores preconizam que como decantadores primários devem ser ser utilizados preferivelmente os de secção retangular, melhores para a assimilação das variações de vazão de esgotos e, como decantadores secundários podem ser utilizados os de secção circular, pois nesta situação a variação de vazão de alimentação são menores e os decantadores circulares são de implantação mais barata. Por isso, pode-se também empregar decantadores circulares como primários, atribuindo-lhe menor eficiência na remoção de DBO. Deverá ser feita análise econômica para subsidiar a escolha do tipo de decantador a ser empregado em uma ETE. Os removedores mecanizados de lodo e a estrutura em concreto armado são os principais componentes de custo. Os raspadores mecanizados são equipamentos de custo elevado, tanto os rotativos dos decantadores circulares como especialmente os que são movidos por pontes rolantes que tansladam ao longo do comprimento do decantador. Os decantadores de secção circular são também favorecidos com relação aos custos da estrutura em concreto armado. Os decantadores retangulares possuem o fundo ligeiramente inclinado para que o lodo raspado seja direcionado ao poço de lodo, posicionado no início do decantador, de onde é removido através de bombeamento ou pressão hidrostática. No trecho final do decantador estão posicionadas, à superfície, as canaletas de coleta do esgoto decantado cujas funções são as de reduzir a velocidade dos esgotos na região de saída evitando-se a ressuspensão de lodo. Nestes decantadores pode ser observada também uma tubulação transversal de coleta de escuma superficial identificada por Skimmer. As comportas de distribuição dos esgotos no canal de entrada do decantador, têm a função de evitar escoamento preferenciais.10 Para o tratamento de alguns efluentes industriais são necessários removedores de lodo através de aspiração. Este processo mais sofisticado se justifica quando os sólidos sedimentados são tão leves que podem ser ressuspensos pela ação dos raspadores. Nas estações de pequeno porte pode-se optar pelo emprego de decantadores sem raspador mecânico de lodo, derivados dos chamados decantadores Dortmund. O decantador Dortmund é de secção circular em planta mas com o fundo em tronco de cone invertido com paredes bem inclinadas, permitindo que todo o lodo convirja para um único "poço de lodo" de onde o lodo sedimentado pode ser removido por pressão hidrostática. São posicionados anteparos na região de entrada dos esgotos para direcionar o fluxo de sólidos para baixo e na região de saída para a retenção de escuma. Uma tubulação com derivação horizontal é posicionada para a remoção do lodo sedimentado por pressão hidrostática. Podem também ser utilizados os decantadores desprovidos de remoção mecanizada de lodo de secção quadrada em planta, de fundo com o formato de tronco de pirâmide invertida. Destes, derivaram os de seção retangular em planta com fundos múltiplos tronco-piramidais. Estes decantadores são baratos para serem implantados por não possuirem os removedores mecanizados de lodo, o que também dispensa a manutenção de equipamento eletro-mecânica. Consomem mais concreto armado para a construção dos fundos múltiplos e são mais profundos, o que aumenta os problemas de escavação. Este fato tem restringido o emprego deste tipo de decantador em apenas pequenos sistemas, inclusive com dimensões limitadas pela NB-570. 3.4. Parâmetros para o Dimensionamento de Decantadores Primários de Esgotos. De acordo com a NB-570, os decantadores primários devem ser dimensionados com base na vazão máxima horária de esgotos sanitários e para vazões de dimensionamento superiores a 250 L/s deve-se empregar mais de um decantador. Para a determinação da área de decantação deve-se utilizar como parâmetro a taxa de escoamento superficial. Na literatura internacional são recomendadas taxas na faixa de 30 a 60 m3/m2.dia A NB-570 impõe três condições para a adoção da taxa de escoamento superficial para decantadores primários de esgotos: a) até 60 m3/m2.dia, só tratamento primário b) até 80 m3/m2.dia, seguido de filtros biológicos c) até 120 m3/m2.dia, seguido de lodos ativados Costuma-se adotar taxa da ordem de 60m3/m2.dia para decantadores primários de sistemas de filtros biológicos e de até 90m3/m2.dia em sistemas de lodos ativados. O tempo de detenção hidráulico situa-se entre 1,5 e 3,0 horas, de acordo com a literatura internacional sobre decantadores primários. A NB-570 recomenda tempo de detenção superior a 1,0 hora, com base na vazão máxima de esgotos e inferior a 6,0 horas, com base na vazão média. Determina-se a área de decantação através da taxa de escoamento superficial e o volume do decantador através do tempo de detenção. Obtendo-se área e volume, pode-se obter a profundidade útil dos decantadores. Para decantadores retangulares a relação comprimento largura deve ser superior a 2:1, sendo típicos valores na faixa de 3:1 a 4:1, ou mais. 11 As profundidades dos decantadores variam de 2,0 a 4,5 m, sendo mais comuns na faixa de 3,0 a 4,0 m. A NB-570 impõe que os decantadores devem possuir profundidade superior a 2,0 m. Um parâmetro importante a ser observado no dimensionamento de decantadores é a taxa de escoamento nos vertedores de saída. A NB-570 recomenda valores inferiores a 720m3/m2.dia, mas na prática são usados valores bem inferiores, principalmente quando são usados decantadores de seção circular. No caso de decantadores retangulares, deve-se manter o comprimento de canaletas vertedoras compatível com a taxa de escoamento, sem que as mesmas avancem além de 1/4 do comprimento do decantador. 3.5. Exemplo de Dimensionamento - Decantador Primário a) Dados para o Dimensionamento Ano População (hab.) Qméd(L/s) Qmáx (L/s) 2000 45.000 83,33 150,00 2010 54.200 100,37 180,67 2020 68.350 126,57 227,83 b) Taxa de escoamento superficial adotada inicialmente: c) Área superficial necessária de decantadores primários (2020): Serão utilizados 04 (quatro) decantadores primários de secção circular em planta. Os decantadores deverão portar removedores mecanizados de lodo. d) Profundidade útil dos decantadores: Volume útil mínimo necessário: diammq máxA ./60 23 , = 2 23 3 328 ./60 /)4,8683,227( m dmm dmxA A Qq S S máx Amáx ==⇒= mxADDAmADEC 2,10 8244 4 82 4 328 22 =Π=Π=⇒ Π=== mHu mxxV tdQVQVtdhtd máxQ 5,2 328 2,820 2,8200.16,383,227 ./0.1, 3 =≥ =≥ =⇒== 12 Implantação: 3 dec - 2000 (p/ atender até 2000) 1 dec - 2010 (p/ atender até 2020) e) Taxa de escoamento nos vertedores de saída: f) Verificação para três decantadores em 2010: g) Alternativa: 2 decantadores h) Alternativa: Decantadores retangulares com fundos tronco piramidais sem removedor mecanizado de lodo Deverão ser usados quatro decantadores de (3,7 x 22,2)m, com relação comprimento/largura = 6/1 Profundidade do trecho prismático: 4. Processo de Lodos Ativados 4.1. Considerações Iniciais O processo de lodos ativados pode ser enquadrado como tratamento aeróbio, de crescimento em suspensão na massa líquida e com retenção de biomassa. A introdução de oxigênio pode ser feita através de diferentes formas, como por meio de aeradores superficiais, sistemas com difusores, até mesmo oxigênio puro pode ser introduzido diretamente nos tanques. Os sólidos biológicos crescem na forma de flocos e são mantidos em suspensão pelo equipamento de aeração, não há meio suporte de biomassa, como os materiais inertes (pedras, plástico, etc.) introduzidos nos sistemas de filtros biológicos. A retenção de biomassa é feita através de recirculação do lodo separado nos decantadores acoplados aos reatores biológicos. horas x td horas x td mxVmHuPara méd máx Q Q 16,2 6,357,126 984 2,1 6,383,227 984 9843280,30,3 3 == == ==⇒= dmm x xLQmáx ./1542,10 4/)4,8683,227(/ 3== π dmm x xq máxA ./5,63823 4,8667,180 23 , == m x D 5,142 3284 =Π= m xx Hu 5,2 2,227,34 2,820 == 13 O resultado da interação entre microrganismos e matéria orgânica nos tanques de aeração é a formação de flocos. Polímeros extracelulares produzidos pelos microrganismos são os principais agentes. Para a ocorrência de flocos densos é necessário que as principais condições ambientais dentro dos reatores estejam controladas. Uma das condições desejáveis é meio neutro em termos de pH, o que é característico do esgoto doméstico. Fora da faixa neutra, o número de grupos de microrganismos que se desenvolvem é menor, dando maior oportunidade para desequilíbrios e predominância de microrganismos maus formadores de flocos. A presença dos principais nutrientes, sobretudo compostos de nitrogênio e fósforo, deve ser bem administrada. Para esgoto doméstico, sabe-se que há nitrogênio e fósforo em excesso, não havendo necessidade de adição artificial de nutrientes. O problema, na verdade, é como melhor removê-los. O efeito da deficiência do meio nos principais nutrientes é também no sentido de proporcionar a prevalência indesejável de certos grupos de microrganismos. O oxigênio deve ser adicionado em quantidade suficiente para garantir o processo metabólico dos microrganismos que se desenvolvem no tanque reator e manter um pequeno saldo, segurança contra a ocorrência de anaerobiose. Estes, podem também ser influenciados negativamente pela presença de substâncias tóxicas ou potencialmente inibidoras, que podem ser descarregadas pelos efluentesindustriais. Problemas em tratamentos biológicos foram responsabilizados pela presença em quantidade excessiva de compostos fenólicos ou de óleos e graxas, por exemplo. Se os fatores ambientais externos estiverem sob controle, há que se planejar e manter adequadamente condições de funcionamento tais como a relação alimento/microrganismos e o tempo médio de residência celular. Uma boa floculação é necessária para que se tenha recuperação de sólidos elevada no decantador secundário e um efluente final com baixa concentração de sólidos em suspensão. A perda de sólidos em suspensão juntos com o esgoto tratado é inevitável, o ajuste operacional do processo de lodos ativados consiste essencialmente em procurar encontrar as condições ambientais que levem à melhor floculação possível, reduzindo-se a perda de sólidos com o efluente final e obtendo-se maior eficiência na remoção de matéria orgânica biodegradável. O excesso de lodo biológico descartado continuamente do sistema deverá ou não sofrer digestão bioquímica complementar, dependendo das condições operacionais. Quando se mantêm maiores tempos de residência celular, o excesso de lodo resultante é melhor digerido. Estas característica é uma das principais que difere a variante com aeração prolongada dos processos convencionais, conforme será discutido. 4.2. Aspectos de Microbiologia Um verdadeiro ecossistema é formado no tanque de aeração de um sistema de lodos ativados. As bactérias são os principais decompositores de matéria orgânica dos esgotos por assumirem grandes massas em intervalos de tempo mais reduzidos do que os outros microrganismos heterotróficos. Quando as condições ambientais são adequadas, surgem as zoogleas, flavobactérias, aerobacter, pseudomonas e alcalígenes, responsáveis por boa biofloculação. Quando não, podem predominar excessivamente bactérias filamentosas como Sphaerotillus natans, nocárdia e outras bactérias responsáveis pelo intumescimento filamentoso do lodo, que leva à sua flutuação nos decantadores. Além das bactérias, protozoários são importantes organismos em sistemas de lodos ativados pois, além de também consumirem matéria orgânica, consomem bactérias mal floculadas, dando polimento ao efluente tratado. Aparecem mais rapidamente protozoários fixos e, sucessivamente os ciliados cuja presença indica boas condições do lodo biológico. De fato, a presença de protozoários é determinante para o bom andamento do processo, que 14 evolui em direção ao aparecimento de micrometazoários como os rotíferos, cuja presença excessiva pode indicar lodo com idade demasiadamente elevada. 4.3. Tempo Médio de Residência Celular (Idade do Lodo) O tempo médio de residência celular, também conhecido por idade do lodo, é a relação entre a massa de células no reator e a massa de células descarregadas por dia, ou seja: massa de células (KgSSV) no tanque de aeração θc = massa de células (KgSSV) descarregadas por dia Descarregando-se mais lodo do sistema por dia o tempo de residência celular será menor e vice-versa. Esta é a principal manobra operacional visando a obtenção do equilíbrio do processo. V . X θc = Qd . Xr + (Q - Qd) . Xe Desprezando-se as perdas com o efluente final: V . X θc = Qd . Xr Considerando-se a retirada de lodo diretamente do tanque de aeração: V . X V θc = ⇒ θc = Qd . X Qd Observa-se que, retirando-se o lodo diretamente do tanque de aeração, apesar de se ter maior volume de lodo a ser descartado em virtude da sua menor concentração em relação ao lodo sedimentado no decantador, não é preciso análise de SSV em nenhum ponto do sistema. 4.4. Balanços de Massa de Substrato e de Microrganismos em Sistemas de Lodos Ativados: Equações que Governam o Processo Considere-se o esquema do processo de lodos ativados, incluindo-se o tanque de aeração, o decantador secundário e o sistema de retorno e descarte de lodo. Pode-se definir como limites do sistema apenas o tanque de aeração, apenas o decantador secundário ou o conjunto tanque de aeração/decantador secundário e desenvolver-se balanços de massa de substrato ou de microrganismos. Para cada expressão imposta para a taxa de crescimento celular ou para a taxa de utilização do substrato, obtém-se uma relação que governa o processo, podendo-se associar principalmente tempos de detenção hidráulico e de residência celular, com a concentração de microrganismos no tanque de aeração e de substrato solúvel no efluente tratado. Serão desenvolvidos, a título de exemplo, dois balanços de massa que resultam em importantes equações que representam o processo de lodos ativados. 15 Decantador Secundário Q, So, Xo (Q+Qr) (Q+Qr) Q-Qd Xe, Se X, Se (Q+Qr), Xr Qr, Xr, Se Retorno de Lodo Qd, Xr, Se Balanço de massa de substrato em torno do tanque de aeração: Será considerado regime estabilizado, em que não há acúmulo de massa do sistema e assim pode-se escrever: Q . So + Qr . Se - (Q + Qr) . Se - V . δS/δt = 0 Definindo-se a taxa específica de utilização do substrato, U: massa de substrato (KgDBO) consumido por dia U = ⇒ massa de células (KgSSV) no reator δS/δt U = ⇒ δS/δt = U . X X ∴ Q . So + Qr . Se - Q . Se + Qr . Se - V . U . X = 0 ⇒ Q . (So - Se) U = ⇒ V . X A taxa específica de utilização do substrato, U, representa a massa de substrato removida por unidade de tempo e por unidade de massa de microrganismos, constituindo fator de dimensionamento do processo, visando a obtenção dos volumes dos tanques de aeração. Relaciona-se com o parâmetro empírico, relação alimento/microrganismos, definida por: Q . So (A/M) = ⇒ V . X Tanque de Aeração V, X, Se 16 So (A/M) = td . X Observe-se que a taxa específica de utilização do substrato envolve a carga de substrato removida, enquanto que a relação alimento/microrganismos considera a carga aplicada. Portanto, é a eficiência do tratamento na remoção do substrato que associa os valores destas variáveis entre si. ( So - Se ) E = . 100 So (A/M) . E ∴ U = 100 A relação alimento/microrganismos pode também ser usada como fator de dimensionamento do tanque de aeração. Um terceiro fator também costuma ser usado, chamado “fator de carga” (f) , cuja única diferença da relação alimento/microrganismos é que esta é determinada com base na concentração de sólidos em suspensão voláteis no tanque de aeração (Xv), enquanto que na composição do fator de carga de usa a concentração de sólidos em suspensão totais (Xt). Q . So (A/M) = V . Xv Q . So f = V . Xt Uma forma de interpretação do processo de lodos ativados pode ser estabelecida imaginando-se um experimento em que se varia a relação alimento/microrganismos aplicada ao sistema e se observa o efeito sobre a floculação biológica através de outro parâmetro empírico, o índice volumétrico de lodo (IVL). O IVL representa o volume ocupado por determinadamassa de lodo, sendo obtido através de: Sólidos Sedimentáveis aos 30 minutos (mL/L) IVL = x 1.000 Sólidos em Suspensão Totais (mg/L) Pode-se deduzir que, quando o lodo encontra-se bem formado, os valores do IVL são baixos e vice-versa. Pode ser observado que existe uma faixa de relação alimento/microrganismos que conduz a uma melhor floculação biológica e a valores mais baixos de IVL Corresponde à faixa de operação dos sistemas de lodos ativados convencionais. Pode se observado também que, reduzindo-se a relação alimento/microrganismos há prejuízo para a floculação biológica pela maior incidência de fase endógena e os valores de IVL são mais elevados. Ë a faixa operacional dos sistemas com aeração prolongada, em que ocorrem maior perda de sólidos com o efluente final. Apesar disso, os sistemas com aeração prolongada 17 resultam em maior eficiência na remoção de matéria orgânica biodegradável dos esgotos, uma vez que os sólidos perdidos são mais digeridos. Na tabela comparam-se as eficiências na remoção de DBO e sólidos em suspensão dos sistemas convencionais com os sistemas com aeração prolongada. Tabela 6: Eficiências típicas do processo de lodos ativados. Fonte: Hespanhol (l986). Processo/Parâmetro DBO Carbonácea (%) DBO Nitrogenada (%) Sólidos em Suspensão (%) Lodos Ativados Convencionais 90 40 87 Lodos Ativados com Aeração Prolongada 95 85 94 Observa-se que os sistemas com aeração prolongada promovem maior grau de nitrificação dos esgotos, podendo ocorrer oxidação total de amônia quando se introduz no tanque de aeração cerca de 3,0 kgO2/kgDBO. É um dos raros processos biológicos capazes de atender ao rigoroso padrão de emissão de 5 mg/L para nitrogênio amoniacal, imposto na Resolução no. 20 do CONAMA. Nos sistemas convencionais o grau de nitrificação dos esgotos é menor, reduzindo-se com o decréscimo da idade do lodo. Já a remoção de sólidos em suspensão é menor nos sistemas com aeração prolongada. Balanço de massa de substrato em torno do tanque de aeração Fazendo-se o balanço de massa de microrganismos (SSV) no sistema de lodos ativados como um todo (tanque de aeração e decantador secundário, mais o sistema de retorno/descarte de lodo), tem-se, no regime estabilizado: Q . Xo – [ Qd . Xr + (Q - Qd) . Xe ] + V . δX/δt = 0 Onde δX/δt representa o crescimento global de microrganismos. Define-se µ , taxa específica de crescimento biológico, através de: massa de células (KgSSV) produzidas por dia µ = massa de células (KgSSV) no reator Porém, em um sistema de lodos ativados, nem todas as células se encontram em fase de crescimento, devendo-se descontar o decaimento via metabolismo endógeno, cuja taxa específica é representada por kd: massa de células (KgSSV) destruídas por dia kd = ⇒ massa de células (KgSSV) no reator A taxa de crescimento microbiano líquida, µ′, é dada por: µ′ = µ - kd . A taxa global de crescimento é obtida multiplicando-se a taxa específica pela concentração celular, X: δX / δt = ( µ - kd ) . X 18 E, portanto, desprezando-se a concentração de microrganismos presentes no próprio esgoto, Xo, por ser bem inferior a X, tem-se: – [ Qd . Xr + (Q - Qd) . Xe ] + V . X . ( µ - kd ) = 0 [ Qd . Xr + (Q - Qd) . Xe ] µ - kd = ⇒ 1 / θc = µ - kd V . X A taxa específica de crescimento, µ, relaciona-se com a utilização de substrato, U, pelo coeficiente de síntese celular, ou seja: µ = Y . U ⇒ 1 / θc = Y . U - kd Mas, conforme obtido ainteriormente, So - Se U = ⇒ td . X So - Se 1 / θc = Y . - kd td . X Esta equação permite a determinação dos coeficientes Y e kd. Operando-se um sistema de lodos ativados sob diversas idade do lodo, tem-se para cada uma um valor estabilizado de Se e X, de forma que cada condição representa um ponto da reta em que Y é o coeficiente angular e kd o parâmetro linear. 4.5. Modelo de Monod Monod adaptou as relações de Michaelis-Menten da microbiologia com culturas puras para o tratamento de esgotos. Verificou experimentalmente que em sistemas de lodos ativados a taxa específica de crescimento celular, µ, não é constante e sim variável com a concentração de substrato até certo ponto em que o alimento e o crescimento tornam-se ilimitados. Depende de um valor máximo, µmáx, que é a taxa de crescimento quando não há limitação de substrato, da concentração de substrato, Se, e do coeficiente de velocidade ou constante de saturação, Ks, que é o valor da concentração de substrato para a qual a taxa de crescimento dos microrganismos é igual à metade da máxima. µmáx. . Se µ = Ks + Se Mas, µ = Y . U e, por tanto, tem-se: µmáx. . Se Y . U = Ks + Se 19 µmáx. . Se U = Y . ( Ks + Se ) Chamando-se de k a relação entre coeficientes cinéticos µmáx/Y, k representará a taxa máxima de utilização de substrato por unidade de microrganismos. k . Se U = ( Ks + Se ) E, conforme já definido: So - Se U = td . X Tem-se que: So - Se k . Se = td . X ( Ks + S ) td . X Ks 1 1 = . + So - Se k Se k Esta equação permite a determinação dos coeficientes cinéticos k e Ks e, como µmáx= Y.k, podem assim ser obtidos os cincos coeficientes cinéticos que governam o processo de lodos ativados, Y, kd, µmáx, Ks e k. Na Tabela 7 são apresentados valores típicos dos coeficientes cinéticos. Tabela 7 : Valores típicos dos coeficientes cinéticos para o processo de lodos ativados aplicado ao tratamento de esgoto sanitário. Fonte: Metcalf & Eddy (1991 ) Coeficiente Unidade Faixa Valor Típico k d-1 2 - 10 5 Y mgSSV/mgDBO5 0,4 – 0,8 0,6 mgDBO5 25 - 100 60 ks mgDQO 15 - 70 40 kd d-1 0,025 – 0,075 0,06 Exercício de aplicação: Operou-se 5 sistemas de lodos ativados em escala de laboratório, em paralelo, tendo-se obtido os seguintes resultados após a estabilização: Idade do lodo θc (dias) 2 4 6 8 10 SSVTA X (mg/L) 1.380 1.922 2.215 2.344 2.456 DBO5,20 (filtrada) Se (mg/L) 60 32 16 11 09 20 Todos os reatores foram alimentados com o mesmo esgoto com DBO5,20 = 300 mg/L e tempo de detenção hidráulico de 04 horas. Variou-se a idade do lodo de um sistema para o outro, através do descarte de diferentes quantidades médias de lodo por dia. Determinar os valores dos coeficientes cinéticos Y, kd, Ks, k e µmáx e analisar os resultados obtidos. 4.6. Variantes do Processo de Lodos Ativados Existem diversas variantes do processo de lodos ativados. Cabe inicialmente caracterizar e estabelecer as diferenças entre os sistemas convencionais e os com aeração prolongada. A idéia fundamental é a de que nos sistemas convencionais, as condições no tanque de aeração são planejadas para que ocorra a floculação biológica sob maior fator de carga e menor idade do lodo. Com isso, os volumes necessários de tanques reatores são menores porém, o grau de digestão do excesso de lodo descartado é baixo e é necessária uma estabilização bioquímica complementar antesda secagem, ou seja, a digestão do lodo. Nos sistemas com aeração prolongada, contrariamente, permite-se maior incidência de metabolismo endógeno mantendo-se no tanque baixa relação alimento/microrganismos e idade do lodo alta. Desta forma, o volume necessário de tanque de aeração é maior, mas o lodo descartado apresenta grau de mineralização (SSV/SST) mais elevado, dispensando- se a digestão complementar. Em geral, nos sistemas com aeração prolongada não se utiliza decantador primário, evitando-se completamente a necessidade de digestão de lodos em troca da exigência de um volume de tanque de aeração cerca de 30% maior. A substituição dos decantadores primários por reatores anaeróbios como o UASB, tem demonstrado as vantagens de maior alívio de carga orgânica afluente ao tratamento aeróbio, bem como proporcionar um digestor de lodo na própria linha de tratamento dos esgotos. Com isso, pode-se operar o processo de lodos ativados na faixa dos sistemas convencionais, enviando o excesso de lodo desta etapa de volta aos reatores UASB para aumentar a mineralização. Os volumes de tanques de aeração são substancialmente menores nesses arranjos. Na Tabela 8 apresentam-se faixas típicas de parâmetros para os sistemas convencionais e com aeração prolongada. Tabela 8: Faixas típicas de parâmetros para sistemas de lodos ativados convencionais e com aeração prolongada (Fonte: adaptado de Metcalf & Eddy – 1991e NBR - 570) Parâmetro / Variante Sistemas Convencionais Aeração Prolongada Fluxo de pistão Mistura completa Faixa típica NBR - 570 Faixa típica NBR - 570 Tempo de detenção hidráulico (horas) 4 a 8 > 1 18 a 36 Idade do lodo (dias) 5 a 15 20 a 30 Concentração SSVTA (mg/L) 1.500 a 3.000 3.000 a 6.000 Relação (A/M) (kgDBO5/kgSSV.dia) 0,2 a 0,4 0,05 a 0,15 Fator de carga (f) (kgDBO5/kgSS.dia) 0,16 a 0,4 0,05 – 0,10 Fator de recirculação de lodo (Qr / Q) 0,25 a 0,75 0,75 a 1,5 Necessidade de oxigênio (kgO2/kgDBOaplicada) > 1,5 > 1,5 Densidade de potência no Tanque de Aeração (w / m3) >10 >10 21 O processo de lodos ativados em bateladas O processo em bateladas constitui uma moderna modalidade operacional dos sistemas de lodos ativados. Introduzido no Brasil pela Nestlé, tem sido intensamente utilizado para o tratamento de esgotos sanitários, especialmente quando há grande variação de carga como em cidades litorâneas. Neste processo, o tanque de aeração acumula a função de decantação, suprimindo-se o decantador secundário e o sistema de retorno de lodo. Normalmente, utiliza-se mais de um tanque de aeração, que são alimentados sob o regime de bateladas sequenciais, isto é, enquanto os esgotos são descarregados em um dos tanques de aeração, nos outros ocorrem, de forma sincronizada, outras operações necessárias como aeração, decantação e descarga do esgoto tratado. É necessário um grau elevado de automação do sistema para o controle destas operações. METCALF & EDDY (1991) recomendam as seguintes distribuições percentuais das atividades dentro de cada ciclo. • Alimentação com aeração: • Aeração sem alimentação (reação): • Sedimentação: • Descarga do tratado: Um exemplo de esquema operacional com ciclo de duração total de 6 horas, utilizando-se quatro tanques-reatores é o seguinte: • Alimentação com aeração: 1hora + 30 minutos • Aeração sem alimentação (reação): 2 horas + 30 minutos • Sedimentação: 40 minutos • Descarga do tratado: 1 hora + 20 minutos Caso sejam usados apenas três tanques, o esquema operacional do ciclo de seis horas de duração total pode ser alterado para: • Alimentação com aeração: 2 horas • Aeração sem alimentação (reação): 2 horas • Sedimentação: 40 minutos • Descarga do tratado: 1 hora + 20 minutos Pode ser observado que em ambos os esquemas ocorre perfeito sincronismo, terminando- se a descarga do esgoto tratado exatamente quando deverá ocorrer o início da alimentação de um dado tanque, controlando-se o sistema pelo tempo reservado para cada etapa, independentemente do volume recebido naquele ciclo. Além das operações descritas, há também a necessidade de remoção do excesso de lodo, controlada pelo tempo de residência celular desejado. Na maioria dos sistemas implantados, opera-se na faixa com aeração prolongada utilizando-se aeradores superficiais ou, preferivelmente, ar difuso. Considera-se que o processo é bem adequado para as situações em que ocorrem grandes variações de carga, pois é possível variar os ciclos operacionais e o número de tanques na alta e na baixa estações. O resultado do tratamento é um efluente bastante clarificado, apto a receber desinfecção final, caso seja necessária. Estudos têm sido conduzidos no sentido de se modificar a operação destes sistemas, objetivando maximização na remoção de 22 nutrientes, como é o caso do estudo com enchimento anóxico (sem aeração) proposto por Samudio (1998). Outras Variantes do Processo Existem várias outras modificações dos sistemas de lodos ativados, visando benefícios específicos. Nos sistemas com alimentação escalonada, o esgoto afluente é distribuído ao longo de um reator que tenha tendência a fluxo de pistão, de forma a manter-se uma relação alimento/microrganismos mais constante ao longo do tanque de aeração. Nos sistemas com aeração proporcional, a quantidade de ar é introduzida de forma decrescente ao longo do tanque de aeração, procurando-se acompanhar a curva de remoção de DBO e com isso racionalizar o uso de energia. Nos sistemas de estabilização por contato, o tanque de aeração é dividido em dois; o primeiro tanque é dimensionado de forma bastante forçada ocorrendo apenas a floculação. No segundo, ocorre a aeração apenas do excesso de lodo, para aumentar seu grau de mineralização. Com isso, ocorre ganho substancial no volume necessário de tanques de aeração. No processo Krauss, recirculam-se sobrenadantes de digestores anaeróbios de lodo para o tanque de aeração, objetivando a recuperação de nutrientes, especialmente para efluentes industriais deficientes em nitrogênio ou fósforo. Sistemas com Poços Profundos ( “Deep-Shaft”) Nestes sistemas constroem-se tanques de aeração tubulares de profundidades elevadas, 120 m, por exemplo, recorrendo-se à pressão que ocorre em altas colunas de líquido para o favorecimento da dissolução das bolhas de ar. O sistema é bastante compacto e eficiente na remoção de DBO. 4.7. Sistemas de Aeração Os sistemas de aeração mais comuns em sistemas de lodos ativados são os que recorrem aos aeradores superficiais e os sistemas com ar difuso. Em ambos os casos, a transferência de oxigênio é dificultada pela presença de sólidos e pela salinidade dos esgotos, além de que, nas condições críticas de campo, as temperaturas acima de 20oC e altitudes acima do nível médio do mar fazem com que, no conjunto, sejam obtidas reduções da ordem de 40% nos valores resultantes de testes de transferência de oxigênio em água limpa. 4.8. Câmaras Anóxicas Recentemente, têm-se incorporado ao sistemas de lodos ativados as chamadas câmaras anóxicas, onde em um compartimento misturado porém não aerado, introduz-se o esgoto e o lodo de retorno, a montante do trecho aerado. O objetivo é a desnitrificação do efluente final, sendo que o volume da câmara anóxica representa em um acréscimo em torno de 30% de volume do tanque de aeração. Resulta também em combate ao crescimento excessivo de organismos filamentosos. 4.9. Exercício de Dimensionamento – Processo de Lodos Ativados Convencional 1) Dados de população, vazão e carga de DBO: 23 Vazão média de esgotos População Atendida (hab.) m3/d L/s Carga de DBO (kg/dia) 1ª ETAPA 224.933 53.482 619 14.752 2ª ETAPA 233.877 57.000 660 17.017 2) Volume necessário de tanquesde aeração: Considerando-se a instalação de decantadores primários com eficiência estimada em 30% na remoção de DBO, a carga afluente aos tanques de aeração será (2ª etapa): Carga DBO = 0,7 x 17.017 = 11.912 kg/d Nota: Não serão considerados neste excercício, acréscimos de vazões e cargas decorrentes das recirculações provenientes da linha de tratamento de lodo. Considerando-se o fator de carga f = 0,22 kgDBO/kgSS.dia, correspondente à relação (A/M) = 0,28 kgDBO / kgSSV.d e a concentração de 3,2 kg SS / m3 no tanque de aeração, correspondente à concentração de SSV de 2,56 kg/m3, tem-se o seguinte volume necessário de tanques de aeração: VTA = 11.912 / (3,2 x 0,22) = 16.920 m3 Será considerado o emprego de quatro tanques de aeração, objetivando-se a modulação da implantação do sistema. Cada tanque possuirá 16.920 / 4 = 4.230 m3. 3) Sistema de aeração: • Necessidade de oxigênio Considerando-se a necessidade de oxigênio igual a 2,0 kgO2 / kgDBOapl., a necessidade de oxigênio será: NECO2 = (2,0 x 11.912) / 24 = 993 kgO2/hora • Emprego de aeradores superficiais de baixa rotação: Será considerada a capacidade de transferência de oxigênio de 0,9 kgO2/Cvxhora, nas condições de campo. Potência necessária: PNEC = 993 / 0,9 = 1.103 CV ou 1.103 /4 = 276 CV por tanque Dimensões dos tanques de aeração: Será considerado o emprego de 06 (seis) aeradores de 50 CV por tanque de aeração, dispostos em série. Dimensões dos tanques: 24 Comprimento: 81,0 m Largura: 13,5 m Profundidade útil: 4,0 m Profundidade total: 5,0 m Volume útil resultante: Vu = 4,0 x 13,5 x 81,0 = 4.374 m3 por tanque ou 4.274 x 4 = 17.496 m3 (total) Fator de carga resultante: f = 11.912 / (17.496 x 3,2) = 0,21 kgDBO/kgSSxdia Densidade de potência resultante: dp = (300 x 735) / 4.374 = 50 w / m3 Tempo de detenção hidráulico resultante: td = 17.496 / (57.000 /24) = 7,4 horas Alternativa para o sistema de aeração Caso se utilize sistema de aeração por ar difuso, considerando-se a massa específica do ar igual a 1,2 kg/m3, a porcentagem de O2 no ar de 23,2 % e o rendimento do soprador de 8%, a vazão necessária de ar será: QAR = 993 / (1,2 x 0,232 x 0,08 x 60) = 743 m3 ar / minuto O soprador deverá possuir pressão suficiente para vencer a carga correspondente à profundidade útil do tanque mais cerca de 0,5 m de perda de carga na linha de ar. 4) Verificação das condições de funcionamento com apenas três tanques na primeira etapa: • f = (0,7 x 14.752) / (3,2 x 3,0 x 4.374) = 0,25 kgSS/kgDBO.d, correspondente à A/M = 0,31 kgDBO/kg SSV.d • Nec O2 = (2,0 x 10.326) / 24 = 860 kg O2 / hora • PNEC = 860 / 0,9 = 956 CV • td = (3 x 4.237) / (53.482 /24) = 5,9 horas 5) Vazão de retorno de lodo A vazão de retorno de lodo será estimada considerando-se que o lodo estará sedimentado no fundo do decantador secundário a uma concentração de 8,0 kg/m3 (dado típico). Fazendo-se um balanço de massa de sólidos em suspensão no decantador secundário, desprezando-se a perda com o efluente final, tem-se: 25 ( Q + Qr ) . X = Qr . Xr Dividindo-se por Q e fazendo-se r = Qr / Q, tem-se: ( 1 + r ) . X = r . Xr Para X = 3,2 kg/m3 e Xr = 8,0 kg/m3, tem-se r = 0,67e Qr = 0,67x 660 = 440 L/s ou 110 L/s por módulo, na segunda etapa. 6) Produção de excesso de lodo biológico: ∆X = 0,65 kg SS / Kg DBO ∆X = 0,65 x 11.912 = 7.743 kg SS / dia Para lodo com 8,0 kgSS/m3 e massa específica 1010 kg/m3, a vazão de excesso de lodo será: 7.743 Qlodo = = 958 m3/d 0,008 x 1010 Idade do lodo resultante: θc = V.X / ∆X = (17.496 x 3,2) / 7.743 = 7,2 dias 7) Decantadores secundários: • Área superficial de decantadores secundários Adotando-se a taxa de aplicação de sólidos GA = 4,0 kg SS / m2 . h, tem-se a seguinte área superficial necessária de decantadores secundários: ( Q + Qr ) . X GA = As ( Q + Qr ) . X As = GA 1, 67x57000x3,2 As = = 3.173 m2 ou 3.173 / 4 = 793 m2 por decantador. 4,0 x 24 Utilizando-se quatro decantadores secundários com 32 m de diâmetro, tem-se a área superficial de 804,25 m2 por decantador e área total de 3.217 m2. A taxa de aplicação de sólidos resultantes será: 26 1, 67x57000x3,2 GA = = 3,95 kg SS / m2 x hora 3.217 x 24 A taxa de escoamento superficial resultante será: Q qA = = 57.000 / 3.217 = 17,7 m3/m2.d As • Volume útil dos decantadores secundários: Para a profundidade útil Hu = 3,5 m, tem-se: Vu = 3,5 x 804,25 = 2.815 m3 por decantador (volume total de 11.260 m3) Tempo de detenção hidráulico resultante: td = (11.260 x 24) / 57.000 = 4,7 horas • Taxa de escoamento nos vertedores de saída: qL = 57.000 / (4 x π x 32) = 142 m3/m2/d • Verificação das condições de funcionamento com apenas três decantadores na primeira etapa: Taxa de aplicação de sólidos: 1, 67x53482x3,2 GA = = 4,9 kg SS / m2 x hora 3 x 804,25 x 24 Taxa de escoamento superficial: Q qA = = 53482 / 3 x 804,25 = 22,2 m3/m2.d As Tempo de detenção hidráulico: td = (3 x 2815 x 24) / 53482 = 3,8 horas Exercício de Dimensionamento –Processo de Lodos Ativados com Aeração Prolongada de Fluxo Contínuo Dados: População atendida: 68352 habitantes Vazão média de esgotos: 126,6 L/s Carga de DBO: 3691 kg/d 27 1) Volume necessário de tanques de aeração: Carga DBO = 3691 kg/d Considerando-se o fator de carga f = 0, 08 kgDBO / kgSS.d e a concentração de 4,0 kg SS / m3 TA, tem-se o seguinte volume necessário de tanques de aeração: 3.691 VTA = = 11.534 m3 0,08 x 4,0 2) Necessidade de oxigênio Considerando-se a necessidade de oxigênio igual a 2,5 kgO2 / kgDBOapl., a necessidade de oxigênio será: NEC O2 = 2,5 x 3.691 = 9.228 kg O2 Considerando-se que o sistema de aeração deverá funcionar 24 horas por dia, tem-se: NEC. O2 = 9.228 /24 = 385 kgO2/h Considerando-se o emprego de aeradores superficiais de baixa rotação, com capacidade de transferência de oxigênio de 0,9 kg O2 / CV x hora, já nas condições de campo, tem-se a seguinte potência total a ser instalada nos tanques: PNEC = 385 / 0,9 = 427 CV ou 427 / 4 = 107 CV por tanque (foram considerados quatro tanques de aeração) Dimensões dos tanques de aeração: Será considerado o emprego de 04 (quatro) aeradores de 30 CV por tanque de aeração, dispostos em série. Dimensões dos tanques: Comprimento: 54,0 m Largura: 13,5 m Profundidade útil: 4,0 m Profundidade total: 5,0 m Volume útil resultante: Vu = 4,0 x 13,5 x 54,0 = 2.916 m3 por tanque ou 2.916 x 4 = 11.664 m3 (total) Fator de carga resultante: f = 3.691 / (11.664 x 4,0) = 0,079 kgDBO/kgSSxdia Densidade de potência resultante: dp = (120x 735) / 2.916 = 30 w / m3 Tempo de detenção hidráulico resultante: 28 td = 11.664 / (126,6 x 3,6) = 25,6 horas 3) Vazão de retorno de lodo A vazão de retorno de lodo será estimada considerando-se que o lodo estará sedimentado no fundo do decantador secundário a uma concentração de 8,0 kg/m3 (dado típico). Fazendo-se um balanço de massa de sólidos em suspensão no decantador secundário, desprezando-se a perda com o efluente final, tem-se: ( Q + Qr ) . X = Qr .
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