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ESCOLA POLITÉCNICA – UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO PHD 2411 – Saneamento I Dimensionamento de Sistemas de Tratamento de Esgoto Prof. Dr. Roque Passos Piveli GRUPO 1 Adriano Tobara 3534071 Leandro Tetsuro Nakamura 3521379 Marcelo Shin Park 3528689 João Repp Lemos 3476337 Luís Henrique Trevizan Forti 3519870 São Paulo, 06 de dezembro de 2006. 2 Índice Dados à serem considerados .................................................................. pág. 3 Tratamento preliminar ........................................................................... pág. 3 Alternativa 1 – Lodos Ativados com Aeração Prolongada ............................ pág. 8 Alternativa 2 Sistema de Lagoas Aeradas Mecanicamente Seguidas de Lagoas de Decantação ........................................................................................ pág. 13 Alternativa 3 – Sistema Australiano de lagoas de estabilização: ................. pág. 18 Considerações Finais ........................................................................... pág. 22 3 Dados a serem considerados Foram desprezadas as contribuições industriais na rede de esgotos Danos Iniciais Q per capita (L/hab.xdia) 160,0 Coef. do dia (k1) 1,2 Coef. da hora (k2) 1,5 Taxa de Infiltração (L/s x Km) 0,1 Extenção da Rede (m/hab.) 2,0 Cont. per capita de DBO (g/hab. x dia) 54,0 1- Tabela de População atendida e vazões: Foram adotados os dados de população do grupo . Ano População Vazão Mínima de esgoto Domestico (L / s) Vazão Média de esgoto Domestico (L / s) Vazão Máxima de esgoto Domestico (L / s) Vazão de Infiltração (L / s) Vazão Mínima de Esgoto Sanitário (L / s) Vazão Máxima de Esgoto Sanitário (L / s) Carga de DBO (kg/dia) 2006 11000 10,19 20,37 36,67 2,20 12,39 22,57 1950,08 38,87 594 2016 16000 14,81 29,63 53,33 3,20 18,01 32,83 2836,48 56,53 864 2026 21000 19,44 38,89 70,00 4,20 23,64 43,09 3722,88 74,20 1134 Vazão Média de Esgoto Sanitário (L / s) (M3/dia) 2- Tratamento preliminar (comum às três alternativas): Nesta primeira etapa deve-se considerar a extensão da rede em função da população atendida: Extensão = 2m/hab. ANO População Atendida (hab.) Extensão (Km) 2006 11.000 22 2016 16.000 32 2026 21.000 42 3.1 Grade média de limpeza manual e Caixa de Areia de Velocidade Constante Controlada por Calha Parshall: 4 3.1.1 Escolha da Calha e Cálculo do Rebaixo: A Calha Parshall foi o dispositivo encontrado para o controle da velocidade; para tanto, foi escolhida utilizando-se a vazão mínima (10,19 l/s) e máxima (70,0 l/s) de esgoto sanitário e a acurácia da calha. LARGURA NOMINAL CAPACIDADE (l/s) MÍN. MÁX. 3" 0,85 53,8 6" 1,52 110,4 9" 2,55 251,9 1' 3,11 455,6 1/2' 4,25 696,2 2' 11,89 936,7 Para atender vazões de 10,19 l/s a 70,1 l/s a C. Parshall recomendada é a de LN = 9". Através da Norma CETESB E2.150, têm-se que a equação para a calha com tal largura nominal é: Q = 0,535.H1,53 Com isso pode-se determinar as alturas mínima e máxima. Calha Parshall (9'') Q (m3/s) H (m) 0,010 0,075 0,07 0,265 O cálculo do rebaixo da Calha foi obtido de acordo com a fórmula abaixo. Cálculo do rebaixo Z mZ Z Z ZHmáx ZHmín Qmáx Qmín 0428,0 265,0 074,0 0,70 19,10 . . . . 5 3.1.2 – Cálculo da Grade: As dimensões como espessura e espaçamento da Grade foram atribuídas de acordo com os valores mais comuns de dimensionamento, devendo, em projeto, serem retroanalizados. Os cálculos bem como as verificações podem ser analisados na tabela abaixo: dados adotados: - barras de ferro; - espessura (t) = 5 mm; - grade média - espaçamento (a) = 30 mm; - velocidade de passagem (v) = 0,8 m/s. Formulário: Eficiência: ta a E Área útil: v Q Au max Área da secção do canal: E Au S Largura do canal da grade: ZH S b max Cálculo da grade Espessura - t (mm) 5 Espaçamento - a (mm) 15 Eficiência (E) 0,75 v (m/s) 0,8 Área útil (Au) m² 0,088 Área da Seção do Canal (S) m² 0,117 Largura do canal da grade (b) m 0,53 Verificação das vazões intermediárias Q (L/s) H (m) H-z (m) S=b×(H-z) (m²) Au=S×E (m²) V (m/s) V0 (m/s) 70,00 0,265 0,222 0,117 0,088 0,800 0,600 53,33 0,222 0,179 0,094 0,071 0,756 0,567 36,67 0,173 0,131 0,069 0,052 0,712 0,534 19,44 0,115 0,072 0,038 0,028 0,687 0,515 14,81 0,096 0,053 0,028 0,021 0,707 0,530 10,19 0,075 0,032 0,017 0,013 0,800 0,600 Observa-se que para vazões intermediárias as velocidades não se alteram significativamente. 6 Perda de carga na grade g (m/s²) 9,81 vo (m/s) 0,6 v (m/s) 0,8 3.1.3 – Cálculo da Caixa de Areia: Os dados iniciais levam em consideração o espaço percorrido por uma partícula da camada mais superior da coluna d´água, devendo essa, permanecer na Caixa de Areia. 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. 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. No caso, adotou-se: L = 22,5*H A PNB-570 recomenda que a taxa de escoamento superficial com base na vazão máxima resulte na faixa de (700 a 1300) m3/m2.d. g vv H 2 43,1 2 0 2 m x H 02,0 81,92 )6,0()8,0( 43,1:limpa Grade 22 m x x HobstruídaGrade 16,0 81,92 )6,0()8,02( .43,1:%50 22 2 2 1 1 t H vx t L v LvHv v H v L tt .. 21 21 1 HLsmvesmvpara .15/02,0/3,0 21 7 Dados Iniciais Vel. dos Esgotos (m/s) 0,30 Vel. de Sedimentação da Areia (m/s) 0,02 Coeficiente de segurança (F) 1,5 Formulário: BL Vol h QTxVol As Q Tx ZHL ZH A B v Q A méd erficialescoamento máx máx máx * 4,86** )(5,22 sup_ Cálculo da caixa de areia Velocidade (m/s) 0,3 A (Q/v) (m²) 0,23 B (A/H-Z) (m) 1,05 Verificação para Qmin. A (m²) 0,0340 v (m/s) 0,300 Comprimento L (m) 4,99 Taxa de escoamento superficial Tx (m³/m².dia) 1152 Rebaixo na caixa de areia Rem. de areia (L/m³) 0,030 Q méd (m³/s) 0,03889 Vol diário(L) 100,8 Altura de areia (m) 0,019 Rebaixo -10 dias (cm) 20,00 Logo, para um intervalo de limpeza de 10 dias, o rebaixo da caixa de areia deve ser de 20 cm. 8 4- Alternativa I – Lodos ativados com aeração prolongada: 4.1 – Tanques de Aeração: 4.1.1 – Volume dos Tanques de Aeração: De acordo com os fatores de carga e concentração adotados, pode-se obter o volume dos tanques dividindo a DBO de chegada pelo somatório dos fatores. Volume dos tanques de aeração DBO de chegada médio (kg/dia) 1134 Fator de carga (KgDBO/KgSS.d) 0,08 Concentração (KgSS/m³TA) 4 Volume necessário de tanques(m³) 3543,75 Formulário: 75,3543 08,0*4 1134 . arg fX ac Vol V DBO 4.1.2 – Necessidade de Oxigênio: A NEC (Necessidade de oxigênio) adotada foi de 2,5 kgO2 / kgDBOapl. Considerando que o sistema de aeração deverá funcionar 24 horas por dia e com capacidade de transferência de oxigênio de 0,9 kg O2 / CV x hora, pode-se determinar a potência instalada total de aeradores: Necessidade de Oxigênio NEC O² (KgO²/KgDBOapl.) 2,5 NEC O² (KgO²) 2835 NEC O² (KgO²/h) 118,13 Capacidade de transf. de O² (KgO²/CV*h) 0,9 Pnec total (CV) 131,25 Pnec por tanque (CV) 4 tanques 43,75 Adotado 3 aeradores por tanque de (CV) 50 Formulário: CV 43,75 3 / 95,311/nP P CV 131,95 0,9 / 13,181sftotal/tranP P kgO2/h 118,13 /242835 NEC O2 kg 83521134*2,5 carga x 2,5 NEC tanqueNECtanqueNEC ONECNEC O DBOO 2 2 2 9 4.1.3 – Dimensões dos Tanques: Foram adotadas três dimensões dos tanques, sendo o comprimento determinado pelo volume já calculado. Pode-se recalcular o fator de carga como conferência de atribuições anteriores, além de determinar o tempo de detenção médio no tanque de aeração: Dimensões do tanque Foram considerados 4 tanques de aeração - abaixo estão as medidas para 1 tanque Adontando: Largura (m) 13,5 Profundidade útil (m) 4 Profundidade total (m) 5 Comprimento (m) 13,5 Volume útil por tanques de aeração 729 Fator de carga (kgDBO/kgSSxdia) 0,097 Densidade de potência (W/m³) 121 Detenção hidráulica (horas) 20,8 Formulário: horas 20,8 6,3*89,38 2916 6,3*Q V td m W / 121 729m³ W/CV)(735 *40CV *3 V P*n d xdiakgDBO/kgSS 0,097 4,0 * 2916 1134 *V carga f /tanquem3 729 13,5 x 13,5 x 4,0B*L*h Vu méd totu, 3 tanqueu, ot p totu, DBO u X 10 4.1.4 – 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). Partindo-se de uma concentração celular de 4 Kg/m³ e fazendo um balanço de massa de sólidos em suspensão no decantador secundário, desprezando-se a perda com o efluente final, tem-se: Vazão de retorno de lodo Lodo sedimentado (kg/m³) 8,000 Concentração celular X (kg/m³) 4,000 Concentração celular Xr de retorno (kg/m³) 8,000 Qr/Q 1 Qr (L/s) 38,89 Qr por módulo (L/s) 12,96 Formulário: R R R RRR XrXr X Q r XQXQQ ..1 .. 4.2 – Decantadores Secundários: Adotando-se a taxa de aplicação de sólidos Ga = 4,0 kg SS / m2. h, pode-se determinar a área superficial levando em consideração a vazão de retorno de lodo e sua concentração. Admitindo-se 4 decantadores e profundidade de 3,5m obtêm-se a taxa de escoamento superficial, o volume e o tempo de detenção hidráulico dos decantadores: Decantadores secundários Taxa de aplicação de sólidos Ga (kgSS/m²*h) 4,000 Área superficial (m²) 280 Quatro decantadores diâmetro (m) 10,0 Taxa de escoamento superficial (m³/m².d) 12,000 Profundidade Hu (m) 3,5 Volume Vu (m³) 980 Tempo de detenção hidráulica (horas) 7 Formulário: a RR a G XQQ A A XQQ G .. diâmetro. de m 10,0 com esdecantador (quatro) 04 usadosser Deverão 280 4 4*6,3*89,38*2 3 mA 11 horas Q V td HAV dmm A Q q méd u uu s méd A 7 6,3*89,38 980 6,3* 5,3*280* ./12 280 24*6,3*03889,0 23 4.3– Sistema de Retorno e Descarte de Excesso de Lodos Ativados: Adotando-se o coeficiente de produção de lodo como 0,6 kgSS / Kg DBO e massa específica de 1010 Kg/m³ obtêm-se a vazão de excesso de lodo e, finalmente a idade do lodo: Produção de excesso de lodo Coeficiente de produção de lodo (kg.SS/kgDBO) 0,600 DX (kgSS/dia) 680,4 Massa específica do lodo (kg/m³) 1020,00 Qlodo (m³/dia) 83 Idade do lodo (dias) 17 Formulário: dias X XV dm DX Q diaSSkgacXDX totu lodo lodo lodo DBO 17 4,680 4*2916* /0,83 1020*008,0 4,680 *008,0 //4,6801134*6,0arg* , 3 12 4.4– Adensador por Gravidade: Tendo como referência as características do lodo e adotando a taxa de aplicação de lodo de 60KgSS/m².dia, podemos determinar a vazão de lodo adensado Adensador por gravidade Produção de lodo DX (kgSS/dia) 680,4 Massa específica do lodo (kg/m³) 1020,00 Teor de sólidos (%) 1,5 Vazão de lodo (m³/dia) 67,00 Taxa de aplicação de lodo (kgSS/m².dia) 60,00 Área necessária (m²) 11,00 Diâmetro adotado (m) 7,00 Área obtida (m²) 38,5 Taxa de aplicação de lodo obtida (kgSS/m².dia) 17,7 Profundidade adotada (m) 7,00 Volume útil (m³) 4,00 Tempo de detenção hidráulica (horas) 2,3 Taxa de escoamento superficial (m³/m².dia) 1,7 Teor de sólidos estimado no lodo adensado (%) 4,00 Vazão de lodo adensado (m³/dia) 2,9 Formulário: AD lodo AD AD lodo A lodo uu Q Q A Q q Q V td AHV tx DX A *04,0 * 13 5- Alternativa II – Sistema de lagoas aeradas mecanicamente seguidas de lagoas de decantação: Sistema de Lagoa Aerada Aeróbica seguida de Lagoa de Decantação População atendida: 21.000,00 habitantes Carga DBO: 1.134,00 kg/dia Vazão média de esgotos: 38,89 l/s Lagoas Aeradas Aeróbicas: Adotando-se o tempo de detenção hidráulico de 3 dias temos que o volume util necessário de lagoas aeradas é: Vl = 10.080,00 m3 Serão considerados 2 módulos em paralelo de lagoas aeradas seguidas de lagoas de decantação. O volume útil necessario de lagoa aerada por módulo será: Vl = 5.040,00 m3 Sistema de Aeração: A necessidade de O2 é estimada em 1,3 kg O2/kgDBO Considerando que os aeradores funcionem 24hrs por dia tem-se: NECo2 = 61,43 kgO2/hora Considera-se o emprego de aeradores flutuantes de alta rotação, com capacidade de transferencia de oxigenio, em condições de campo, estimada de 0,65 kgO2/Cv.hora Potência necessária: Pnec = 94,50 CV (total) ou 47,25 CV (por lagoa) Profundidade Útil adotada: Hu = 4,00 m Área à meia profundidade de cada lagoa: A' = 1.260,00 m2 Cada lagoa deverá portar 2 aeradores de 25 CV cada, com 50 CV de potencia total instalada por lagoa e 100CV no total. Considerando 2 fileiras com 2 aeradores cada lagoa e relação comprimento / largura de 1,5 Dimensões à meia profundidade: comprimento = 45,40 m largura = 30,27 m borda livre = 0,60 m inclinação dos taludes = 1 V / 2 H Principais dimensões das lagoas aeradas aeróbicas: Dimensão Comprimento (m) Largura (m) Terreno 55,80 40,67 Espelho de água 53,40 38,27 Meia profundidade 45,40 30,27 Fundo 37,40 22,27 14 Lagoa Aerada Aeróbica: 15 Lagoas de Decantação: Adotando-se o tempo de detenção hidráulico de 2 dias, tem-se: Vdec = 6.720,00 m3 Considerando o emprego de 2 lagoas de decantação: Vdec = 3.360,00 / lagoa Profundidade Util adotada: Hu = 3,50 m Área de cada lagoa de decantação: A = 960,00 m2 Dimensões à meia profundidade: comprimento = 43,82 m largura = 21,91 m borda livre = 0,60 m inclinação dos taludes = 1 V / 2 H Principais dimensões das lagoas de decantação: Dimensão Comprimento (m) Largura (m) Terreno 54,22 32,31 Espelho de água 51,82 29,91 Meia profundidade 43,82 21,91 Fundo 35,82 13,91 Dimensionamento dos Adensadores por Gravidade: 16 Lagoas de Decatação: 17 Dados: Tipo de lodo: Primario + Lodos Ativados Produção de lodo = 680,40 kgSS/dia Massa específica do lodo = 1.020,00 kg/m3 Teor de Sólidos = 0,01 Vazão de lodo = 66,71 m3/dia Taxa de Aplicação de sólidos = 60,00 kgSS/m3Área necessária do adensador: Aad = 11,34 m2 → 3,80 m de diâmetro Adotando-se: D = 7,00 m Aad = 38,48 m2 Taxa de aplicação dos sólidos resultante será: 17,68 kgSS/m2.dia Volume útil adotado (Hu) = 4,00 m Volume útil resultante (Vu) = 153,93 m Tempo de detenção hidráulico (td) = 2,31 dias Taxa de escoamento superficial (qa)= 1,73 m3/m2.dia Teor estimado de sólido no lodo adensado = 0,04 Vazão de lodo adensado (Qlad) = 16,68 m3/dia Vazão de recirculação = 50,03 m3/dia Dimensionamento de Centrifugas do tipo Decanter: Escolhendo-se uma centrífuga com capacidade de alimentação de 10 m3/hora, tem-se o seguinte número de horas diárias de funcionamento: N = 6,67 horas/dia Considerando-se o lodo desidratado a 20% de sólidos, ρ = 1060 kg / m3 e 90% de captura de sólidos, tem-se a seguinte vazão de lodo desidratado: Vlodo seco = (0,9 x 8212) / (0,2 x 1060) = 35 m3/dia 2,89 m3/dia 18 6- Alternativa III – Sistema Australiano de lagoas de estabilização: Sistema Australiano de Lagoas de Estabilização Lagoas Anaeróbias Adotando-se o tempo de detenção hidráulico, com base na vazão média de esgotos, igual a 4 dias tem-se o seguinte volume útil necessario de lagoas anaeróbias: Vlan = 13.440,00 m3 Considerando 2 módulos de lagoas operando em paralelo, em função da disposição do terreno e da etapalização da implantação do sistema de tratamento, tem-se: Vlan = 6.720,00 m3 (2 módulos) Profundidade útil adotada = 4,00 m Area a meia profundidade = 1.680,00 m2 Relação comprimento / largura = 2,00 Dimensões à meia profundidade: comprimento = 57,97 m largura = 28,98 m inclinação dos taludes = 1 V / 2 H borda livre adotada = 0,60 m Principais dimensões das lagoas anaeróbias: Dimensão Comp.(m) Largura (m) Terreno 68,37 39,38 Espelho de água 65,97 36,98 Meia profundidade 57,97 28,98 Fundo 49,97 20,98 Taxa de aplicação volumétrica de DBO resultante: λv = 0,08 kg DBO/m3.dia Taxa de aplicação superficial de DBO resultante: λs = 1.549,44 kgDBO / ha.dia Eficiência na remoção de DBO: 50% Carga DBO residual para as lagoas facult. = 567,00 kg/dia 19 Lagoas Anaeróbias: 20 Lagoas Facultativas Fotossintéticas: Taxa de aplicação superficial limite de DBO: λL = 14.T - 40 , considerando T = 15ºC λL = 170,00 kgDBO/hab.dia Área mínima necessaria de lagoas facultativas: Afac = 3,34 ha Numero de lagoas facultativas em paralelo = 1,00 Área do espelho de água por lagoa: Afac = 3,34 ha Relação comprimento / largura adotada = 3,00 comprimento do espelho de água = 316,32 m largura do espelho de água = 105,44 m borda livre = 0,60 m inclinação = 1 V / 2 H Principais dimensões das lagoas facultativas secundárias: Dimensão Comp.(m) Largura (m) Terreno 318,72 107,84 Espelho de água 316,32 105,44 Meia profundidade 313,32 102,44 Fundo 310,32 99,44 21 Lagoas de Maturação: Adotando-se o tempo de detenção hidráulido de 7 dias, tem-se o seguinte volume útil necessario de lagoas de maturação: Vu = 23.520,00 m3 Numero de lagoas = 2 Vu = 7.840,00 m3 / lagoa Adotando-se a profundidade util de 1,00 m, à área à meia profundidade será: A = 7.840,00 m2 Considerando a relação comprimento/largura de 5, temos as seguintes dimensões: comprimento = 197,99 m largura = 39,60 m borda livre = 0,60 m inclinação dos taludes = 1 V / 2 H Principais dimensões das lagoas de maturação: Dimensão Comp.(m) Largura (m) Terreno 202,39 44,00 Espelho de água 199,99 41,60 Meia profundidade 197,99 39,60 Fundo 195,99 37,60 22 7- Considerações Finais Considerando as 3 alternativas é válido lembrar que no tratamento por Lodos Ativados de aeração prolongada são necessários tanques maiores do que no tratamento por lodos ativados convencional, porém o lodo descartado resultante apresenta-se mais mineralizado, dispensando a digestão complementar. Já na alternativa 2 (Sistema de Lagoas Aeradas Mecanicamente Seguidas de Lagoas de Decantação) existe a vantagem de não necessitar de decantadores de concreto armado com removedores mecânicos de lodo, em contrapartida as lagoas aeradas possuem dimensões bem maiores do que os tanques da alternativa 1. De modo geral o sistema de Lagoas Aradas Seguidas de Lagoas de Decantação são muito bem utilizadas em municípios de pequeno à médio porte, pois seus custos de implantação são mais baixos e mais simples de operar do que o sistema de Lodos Ativados. A alternativa 3 mostra-se muito interessante pelo fato que de possuir certas características como: projeto e operação simples, ou seja, baixos custos de implementação e operação. Fato que é extremamente interessantes à municípios menores (que possuem relativamente bastante área disponível e poucos recursos financeiros).