SANEAMENTO II DIMENSIONAMENTOS DE LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
CAMPUS CRATEÚS
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
DIMENSIONAMENTOS DE LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO
ALICIA CARDOSO DE OLIVEIRA - 476177
CRATEÚS – CE
FEVEREIRO DE 2024
1. INTRODUÇÃO
As lagoas de estabilização são sistemas de tratamento biológico em que a
estabilização da matéria orgânica é realizada pela oxidação bacteriológica (oxidação aeróbia
ou fermentação anaeróbia) e/ou redução fotossintética das algas.
Os seguintes sistemas que serão abordados no projeto: uma lagoa facultativa, uma
lagoa anaeróbia seguida da lagoa facultativa, uma lagoa aerada facultativa e um sistema de
lagoa aerada de mistura completa seguidas por 2 lagoas de decantação. Com base nos
seguintes dados, população de 20.000 habitantes, uma vazão afluente igual a 3.000 m³/d,
DBO afluente de 350 mg/l, e temperatura de 23ºC (líquido no mês mais frio).
2. LAGOA FACULTATIVA
O seu processo ocorre através da retenção dos esgotos por um período de tempo
suficiente para que os processos de estabilização da matéria orgânica se desenvolvam.
2.1. CÁLCULO DA CARGA AFLUENTE DE DBO
Carga = concentração x vazão = 350g/m³ x 3.000m³/d / 1000 g/kg = 1.050 kg/d.
2.2. ADOÇÃO DA TAXA DE APLICAÇÃO SUPERFICIAL
Ls = 220 kgDBO/ha.d
2.3. CÁLCULO DA ÁREA REQUERIDA
A = L/Ls = 1.050 kg/d / 220 kg/ha.d = 4,8 ha = 48.000m2
2.4. ADOÇÃO DE UM VALOR PARA PROFUNDIDADE
H= 1,80 m (adotado)
2.5. CÁLCULO DO VOLUME RESTANTE
V = A x H = 48.000 m2 x 1,80 m = 86.400m³
2.6. CÁLCULO DO TEMPO DE DETENÇÃO RESULTANTE
t = V/Q = 86.400m³/3.000m³/d = 28,8d
2.7. ADOÇÃO DE UM VALOR PARA O COEFICIENTE DE REMOÇÃO DE
DBO
● Regime de mistura completa, a 20°C:
K= 0,35d-1
● Correção para temperatura de 23°C:
Adotando um valor para o coeficiente de temperatura θ = 1,05.
Kr = K20 x θ (T-20)=0.35 x 1,05(23-20)= 0,41 d-1
2.8. ESTIMATIVA DA DBO SOLÚVEL EFLUENTE
Utilizando-se o modelo de mistura completa (admitindo-se uma célula não
predominantemente longitudinal), tem-se:
S= So/1+ K x t = 350/ 1 + 0,41 x 28,8 = 27 mg/l
2.9. ESTIMATIVA DA DBO PARTICULADA EFLUENTE
Admitindo-se uma concentração de S efluente igual a 80 mg/l, e considerando-se que cada 1
mgSS/I implica numa DBOs em torno de 0,35 mg/l, tem-se:
DBOs particulada = 0,35 mgDBO/mgSS x 80mgSS/l = 28mgDBO/l
Deve-se lembrar que a DBO particulada é detectada no teste da DBO, mas poderá não ser
exercida no corpo receptor, dependendo das condições de sobrevivência das algas.
2.10. DBO TOTAL EFLUENTE
DBO total efluente = DBO solúvel + DBO particulada
DBO total efluente = 72 + 82 =55 mg/l
2.11. CÁLCULO DA EFICIÊNCIA NA REMOÇÃO DA DBO
E = S0 - S / S0 x 100 = 350 - 55 / 350 x 100
E = 84%
2.12. DIMENSÕES DA LAGOA
As dimensões da lagoa são função do terreno e da topografia locais. Para o efeito deste
exemplo, serão adotados valores inespecíficos. Caso sejam adotadas 2 lagoas em paralelo e
uma relação comprimento/largura (L/B) igual a 2,5 em cada lagoa, ter-se-a:
Área de 1 lagoa = 48.000/2 = 24.000m2
A= L x B = (2,5 x B) x B = 2,5 x B2
24.000m2 = 2,5 x B2 → B = [(A/(L/B)]0,5 = (24.000/2,5)0,5 = 98,0 m
L = (L/B) х В= 2,5 x B = 2,5 x 98,0 m= 245,0 m
Comprimento: L = 245,0 m
Largura: B = 98,0m
2.13. ÁREA TOTAL REQUERIDA PARA TODO O SISTEMA
A área total requerida para a lagoa, incluindo os taludes, urbanização, vias internas,
laboratório, estacionamento e outras áreas de influência, é cerca de 25% a 33% maior do que
a área líquida.
Atotal = 1,3 x Aliquida = 1,3 x 48.000m2 = 62.400 m2 (6,2 ha)
Área per capita = 62.400m2 / 20.000 hab = 3,1 m2/hab
2.14. ACUMULAÇÃO DE LODO
Acumulação anual = 0,05m3/hab x 20.000hab = 1.000 m3/ano.
Espessura em 1 ano:
Espessura = 1.000 m3/ano x 1 ano / 48.000m2 = 0,021m/ano = 2,1 cm/ano.
Espessura em 20 anos de operação:
Espessura: 2,1 cm/ano x 20 anos = 42 cm em 20 anos.
Após 20 anos de operação, o lodo ocupa apenas 23% (= 0,42m / 1,80m) de profundidade útil
das lagoas.
2.15. ARRANJO DO SISTEMA
3. UMA LAGOA ANAERÓBIA SEGUIDA DA LAGOA FACULTATIVA
Este tipo de lagoa se caracteriza por não apresentar oxigênio dissolvido abaixo da
superfície da água. Durante o processo anaeróbio, diversas bactérias se desenvolvem para
transformar a poluição orgânica em metano. Basicamente ocorrem duas etapas, a liquefação e
formação de ácidos através das bactérias acidogênicas; e a formação de metano através das
bactérias metanogênicas
3.1. CARGA AFLUENTE DE DBO
L= 1.050kgDBOs/d
3.2. ADOÇÃO DA TAXA DE APLICAÇÃO VOLUMÉTRICA L
Lv= 0,15kgDBO/m³.d
3.3. CÁLCULO DO VOLUME REQUERIDO
volume= carga/ Carga volumétrica = L/Lv = ((1.050kgDBO/d)/
(0,15kgDBO/m³.d))= 7000m³
3.4. VERIFICAÇÃO DO TEMPO DE DETENÇÃO
t= V/Q = 7000/3000 = 2,3d (OK!)
3.5. DETERMINAÇÃO DA ÁREA REQUERIDA E DIMENSÕES
Profundidade H= 4,5 m (adotada)
area= volume/profundidade = V/H = 7000m³/4,5m = 1.556m²
adotar 2 lagoas
área de cada lagoa: 1556m²/2= 788m²
possíveis dimensões de cada lagoa: 34m x 23m
3.6. CONCENTRAÇÃO DE DBO EFLUENTE
eficiência de remoção da DBO: E=60%
DBOcb= (1-E/100).S0 = (1-60/100)X350= 0,4X350 = 140 mg/l
efluente: anaeróbio
afluente: facultativa
3.7. ACÚMULO DE LODO NA LAGOA ANAERÓBIA
acumulo anual= 0,04m³/hab.ano x 20.000hab = 800m³/ano
Espessura da camada de lado em 1 ano
espessura= (acumulo anual x tempo) área da lagoa =
(800m³/ano.1ano)/1556m² = 0,51m/ano = 51cm/ano
tempo para se atingir ⅓ a altura útil das lagoas
tempo= (H/3)/(0,51m/ano)= 2,9 anos
O lodo deverá ser re,ovido aproximadamente a cada 3 anos ou anualmente (
remoção de 800m³)
3.8. CARGA AFLUENTE À LAGOA FACULTATIVA
L=((100-E)*L0)/100 = ((100-60)*1050)/100= 420kg DBO/d
3.9. ADOÇÃO DA TAXA DE APLICAÇÃO SUPERFICIAL
Ls=220kgDBO/HA.D
3.10. ÁREA REQUERIDA
A= L/Ls = (420kgDBO/d)/(220 kgDBO/ha.d)= 1,9 ha (19.000m²)
Adotar 2 lagoas
Área de cada lagoa: 19.000m²/2 = 9500m²
Possíveis dimensões de cada lagoa: L=155m e B=62m (relação L/B= 2,5)
3.11. ADOÇÃO DE UM VALOR PARA A PROFUNDIDADE
H=1,80m (adotado)
3.12. CÁLCULO DO VOLUME RESULTANTE
V= A.H = 19.000m² x 1,80m = 34.200 m³
3.13. CÁLCULO DO TEMPO DE DETENÇÃO RESULTANTE
t= V/Q = 342000m³/(3000m³/d) = 11,4d
3.14. ADOÇÃO DE UM VALOR PARA O COEFICIENTE DE REMOÇÃO DE
DBO(K)
Regime de mistura completa, a 20ºC:
K=0,27d^(-1)
Correção para a temperatura de 23ºC:
Kr= k20- O^(t-20)= 0,27 x 1,05^(23-20) = 0,31d^(-1)
3.15. ESTIMATIVA DE DBO SOLÚVEL EFLUENTE
S= S0/ (1+k.t)= 140/ (1+0,31 x 11,4) = 31mg/l
3.16. ESTIMATIVA DA DBO PARTICULAR EFLUENTE
DBOs particular= 0,35mgDBOs/mgSS x 80 mgDBOs/l = 28mgDBOs/l
3.17. DBO TOTAL EFLUENTE
DBO total efluente= DBO solúvel + DBO particular
DBO efluente= 31 + 28 = 59 mg/l
3.18. CÁLCULO DA EFICIÊNCIA TOTAL DO SISTEMA DE LAGOA
ANAERÓBIA-LAGOA FACULTATIVA NA REMOÇÃO DA DBO
E= ((S0 - SBOefs)/ s0)*100 = ((350-59)/350)*100= 83%
3.19. ÁREA ÚTIL TOTAL
Área útil total = 0,16 ha + 1,9 ha = 2,1 ha
3.20. ÁREA TOTAL REQUERIDA
Área total= 1,3 x 2,1 = 2,7 ha
Área per capita= 27000m²/ 20000hab = 1,4m²/hab
3.21. ARRANJO DO SISTEMA
4. UMA LAGOA AERADA FACULTATIVA
Uma característica da lagoa aerada é a utilização de equipamentos de aeração,
normalmente, aeradores superficiais, para “fornecer” oxigênio para o meio líquido. Os
aeradores superficiais criam turbulências necessárias para o oxigênio contido na atmosfera
adentre ao meio líquido, garantindo, assim, oxigenação para os microrganismos que estão na
lagoa.
4.1. DBO SOLÚVEL EFLUENTE
Adotando o tempo de detenção como t = 8 d, e o coeficiente K = 0,7 para 20°C e𝑑−1
corrigido para 0,8 a 23°C:𝑑−1
𝐷𝐵𝑂
𝑆 
𝑠𝑜𝑙ú𝑣𝑒𝑙 = 3501+0,8*8 = 47𝑚𝑔/𝑙
4.2. DBO PARTICULADA EFLUENTE
Assumindo que há 80mg/l de sólidos em suspensão no efluente, a concentração de
DBOs particulada efluente será:
𝐷𝐵𝑂
𝑆 
𝑝𝑎𝑟𝑡 = 0, 35𝑚𝑔𝐷𝐵𝑂𝑠/𝑚𝑔𝑆𝑆 * 80 𝑚𝑔𝑆𝑆/𝑙 = 28 𝑚𝑔𝐷𝐵𝑂𝑠/𝑙
4.3. DBO TOTAL EFLUENTE
𝐷𝐵𝑂 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 53 + 35 = 88𝑚𝑔/𝑙
4.4. EFICIÊNCIA DO SISTEMA NA REMOÇÃO DE DBO
𝐸 = 𝑆𝑜−𝑆𝑆𝑜 =
350−88
350 * 100 = 75%
4.5. VOLUME REQUERIDO
𝑉 = 𝑡𝑄 = 8 * 3000 = 24. 000 𝑚3
4.6. ÁREA REQUERIDA
Adotando uma profundidade H =3,5m, temos que:
𝐴 = 𝑉𝐻 =
24.000
3,5 = 6. 900 𝑚
2
4.7. REQUISITOS DE OXIGÊNIO
𝑅𝑂 = 𝑎𝑄(𝑆𝑜 − 𝑆) = 1,0*3000*(350−47)1000 = 909 𝑘𝑔𝑂2/𝑑 = 38 𝑘𝑔𝑂2/ℎ
4.8. REQUISITOS DE ENERGIA
A eficiência de oxigenação nas condições padrão é adotada como:
EO = 1,8 kg /kWh𝑂
2
A eficiência de oxigenação em campo pode ser adotada em torno de 60% da E.O.
padrão, assim sendo:
𝐸𝑂
𝑐𝑎𝑚𝑝𝑜
= 0, 60 * 1, 8𝑘𝑔𝑂
2
/𝑘𝑊ℎ = 1, 1𝑘𝑔𝑂
2
/𝑘𝑊ℎ
Logo, a potência requerida é de:
𝑃𝑜𝑡 = 𝑅𝑂𝐸𝑂 =
37
1,1 = 34𝑘𝑊 = 45𝐶𝑉
4.9. AERADORES
Logo, para a potência instalada de , seriam necessários 6 aeradores de34𝑘𝑊 = 45𝐶𝑉
7,5 CV cada: 6*7,5 = 45CV.
4.10. DIMENSÕES DA LAGOA
Seria mais viável adotar 2 lagoas em paralelo, visando maior flexibilidade em
períodos de retirada de lodo, por exemplo, uma funcionaria enquanto a outra estivesse em
manutenção.
Considerando uma área de influência quadrada para cada aerador e deixando as
últimas células sem aerador, as lagoas teriam as seguintes dimensões:
L = 116 m e B = 29 m
A área de influência encontrada para cada aerador está dentro da zona de oxigenação
desejada, mas sai da zona de mistura desejado para uma lagoa aerada facultativa.
4.11. VERIFICAÇÃO DA DENSIDADE DE POTÊNCIA
ϕ = 𝑃𝑜𝑡𝑉 =
34000
24000 1, 4 𝑊/𝑚
3
Esta densidade deverá manter os sólidos em suspensão.
4.12. ACÚMULO DE LODO
Acumulação anual = 0,05 /hab.ano * 20.000 hab = 1.000 /ano.𝑚3 𝑚3
Espessura em 1 ano = 0,14m/ano1.000*16900 =
Espessura em 7 anos = 0,14m/ano * 7 = 1,0 m, que reduziria a altura útil da lagoa de
3,5 m para 2,5 m fazendo com que seja necessária a limpeza regular.
4.13. ÁREA TOTAL REQUERIDA
A área requerida é de (0,69 ha), já a área total requerida para todos os6. 900 𝑚2
componentes da estação é de 30% superior a esse valor, logo a área total é:
1,30* 0,69 = 0,897 ha = 8.970 𝑚2
O requisito de área per capita é de:
/habÁ𝑟𝑒𝑎 𝑝𝑒𝑟 𝑐𝑎𝑝𝑖𝑡𝑎 = 897020000 ≃ 0, 45 𝑚
2
O valor é maior que o requerido para lagoas facultativas primárias.
4.14. ARRANJO DO SISTEMA
5. UM SISTEMA DE LAGOA AERADA DE MISTURA COMPLETA SEGUIDAS
POR 2 LAGOAS DE DECANTAÇÃO
População = 20.000 hab
Vazão afluente = 3.000 m3/d
DBO afluente: S, = 350 mg/l
Temperatura: T= 23 °C (líquido)
LAGOA AERADA
5.1. Adoção do tempo de detenção
t = 3d (adotado)
5.2. Volume requerido
V = t*Q = 3d*3000m³/d = 9000 m³
5.3. Área requerida
Adotando-se uma profundidade H=3,5m:
𝐴 = 𝑉𝐻 =
9000𝑚³
3,5𝑚 = 2570𝑚³
As dimensões da lagoa podem ser:
50m x 50m (0,25 ha)
5.4. ESTIMATIVA DA CONCENTRAÇÃO DE SÓLIDOS EM SUSPENSÃO
VOLÁTEIS (SSV) NA LAGOA AERADA
COEFICIENTES CINÉTICOS:
● Y =0,6 (adotado)
● Kd=0.06 (adotado)
Estimativa da concentração de DBO solúvel efluente (S):
S = 50 mg/l (estimativa inicial)
𝑋 =
𝑌*(𝑆
°
−𝑆)
1+𝐾
𝑑
*𝑡 =
0,6*(350−50)
1+0,06*3 = 153 𝑚𝑔/𝑙
5.5. ESTIMATIVA DA DBO SOLÚVEL EFLUENTE
Adotando-se K=0,017, temos:
, solúvel:𝐷𝐵𝑂
𝑠
𝑆 =
𝑆
°
1+𝐾*𝑋*𝑡 =
350
1+0,017*153*3 = 40 𝑚𝑔/𝑙
5.6. ESTIMATIVA DA DBO PARTICULADA EFLUENTE
DBOs part= 0,6mgDBOs/mgSSV/l = 95mgDBOs/l
SSV= ((100-E)/100)SSV= ((100-85)/100)153=23mg/l
Desta forma, a DBO particulada no efluente final será:
BOs part= 0,6mgDBOs/mgSSV . 23mgSSV/l= 14mgDBOs/l
5.7. DBO TOTAL EFLUENTE
DBO total = DBO solúvel + DBO part = 40 + 14 = 54mg/l
A eficiência do sistema na remoção de DBO é:
E=(S0-S)/S0= ()350-54)/350)*100= 58%
5.8. REQUISITOS DE OXIGÊNIO
EO= 1,2.Q.(S0-S)= (1,2x3000m³/d.(350-40)g/m³)/1000g/kg=116kgO2/d=
47kgO2/h
5.9. REQUISITOS DE ENERGIA
EO= 1,8kgO2/kWh
A eficiência da Oxigenação no campo pode ser adotada como em torno de
60% da EO padrão. assim:
EOcampo= 0,6x1,8kgO2/kWh
A potência requerida é:
pot= RO/EO = (47kgO2/h)/1,1kgO2/Wh = 43kW= 58CV
5.10. AERADORES
Adotar 4 aeradores de 15 CV cada
A potência total é, portanto, de 4x15CV = 60 CV (44kW)
Cada aerador será responsável por uma area de influencia de 25m x 25m
5.11. VERIFICAÇÃO DA DENSIDADE DE POTÊNCIA
ϕ = 𝑃𝑜𝑡/𝑉 = 44000𝑊/9000𝑚³ = 4, 9 𝑊/𝑚³
LAGOA DE DECANTAÇÃO
5.12. DIMENSIONAMENTO DA LAGOA DE DECANTAÇÃO
Zona de clarificação:
Tempo de detenção= t=1,0d x 3000m³/d= 3000m³
Profundidade: Hclarif= 1,5m (adotado)
Área requerida: A= V/H =3000/1,5m= 20000m² (0,20ha)
Zona do lodo:
Acrescentar uma profundidade adicional de 1,5m
Dimensões e valores totais:
Área total: 2000m²
Profundidade: 1,5m + 1,5m = 3,0m
Volume total: 2000m² x 3,0m = 6000m³
Número de lagoas: 2
Dimensão de cada lagoa: 40m x 25m x 3,0m
Tempo de detenção com lagoa limpa: t=V/Q = 6000/3000= 2,0d
5.13. ACUMULAÇÃO DE LODO
A carga de sólidos afluentes à lagoa de decantação é composta de sólidos em
suspensão voláteis SSV e de sólidos em suspensão fixos SS. Admitir uma
relação de 0,75 para SSV/SS. Desta forma, a relação SS/SSV será:
SS/SSV = (1-0.75)/0.75 = 1/3
As cargas de sólidos afluentes à lagoa por ano são:
SSV = 3.000 m³/d x 0,153 kgSSV/m³ x 365 d/ano = 167.535 kgSSV/ano
SS =3.000 m³/d x (0,153/3) kgSS/m³ x 365 d/ano = 55.845 kgSS/ano
Assumindo-se uma remoção de 85% dos sólidos na lagoa de decantação,
tem-se as seguintes cargas de sólidos em suspensão voláteis e fixos a serem
acrescentados à camada de lodo na lagoa:
M = 0,85x167.535 = 142.405 kgSSV/ano
M = 0,85x55.845 = 47.468 kgSSf/ano
Para a estimativa do acúmulo de lodo após um período de t anos, e
assumindo-se uma fração de sólidos secos no lodo de 8% (umidade = 92%).
tem-se:
𝑉 =
𝑀
𝐾 *(𝑙−𝑒
−𝑘)+𝑡*𝑀
1000*(𝑓𝑟𝑎çã𝑜 𝑠𝑜𝑙.𝑠𝑒𝑐𝑜𝑠) =
142.405
0,5 *(1−𝑒
−0,5)+𝑡*47.468
1000*0,08
5.14. ÁREA REQUERIDA TOTAL (LAGOA AERADA + LAGOA DE
DECANTAÇÃO
Área total= 0,25 + 0,20 = 0,45ha
5.15. ARRANJO DO SISTEMA
6. CONCLUSÃO
As lagoas de estabilização desempenham um papel crucial no tratamento de
águas residuais, oferecendo uma abordagem sustentável e eficiente para a depuração
de efluentes. Entre os diversos tipos de lagoas, destacam-se a Lagoa Facultativa, a
combinação de Lagoa Anaeróbia seguida da Lagoa Facultativa, a Lagoa Aerada
Facultativa e o sistema de Lagoa Aerada de Mistura Completa seguido por duas
Lagoas de Decantação. Cada uma dessas configurações apresenta características
únicas e vantagens específicas.
A Lagoa Facultativa é um componente fundamental no tratamento de águas
residuais, sendo caracterizada pela presença de micro-organismos aeróbios e
anaeróbios. Nesse ambiente, ocorrem processos biológicos que promovem a redução
da carga orgânica através da atividade bacteriana.
Já na combinação de uma Lagoa Anaeróbia seguida por uma Lagoa
Facultativa proporciona uma abordagem sequencial no tratamento de águas residuais.
Na Lagoa Anaeróbia, ocorre a decomposição anaeróbia de matéria orgânica, seguida
pela Lagoa Facultativa, onde se desenvolvem processos aeróbios e anaeróbios
complementares. Essa configuração visa otimizar a eficiência global do sistema.
Na Lagoa Aerada Facultativa é incorporada aeração para estimular a atividade
bacteriana aeróbia, além de permitir condições anaeróbias. Esse design híbrido
maximiza a remoção de poluentes, proporcionando um ambiente propício para
diferentes tipos de microorganismos. A aeração promove a oxigenação, acelerando os
processos biológicos e melhorando a qualidade do efluente tratado.
Esta configuração consiste em uma etapa inicial com uma Lagoa Aerada de
Mistura Completa, onde a mistura intensiva e a aeração favorecem a atividade
bacteriana aeróbia. Em seguida, o efluente é direcionado para duas Lagoas de
Decantação, onde ocorre a separação sólido-líquido. Esse sistema busca uma eficiente
remoção de sólidos suspensos e a redução adicional da carga orgânica antes da
descarga final.
Portanto,pode-se concluir que, a escolha entre essas diferentes lagoas de
estabilização dependerá das características específicas da água a ser tratada, das metas
de qualidade do efluente e das condições locais. Cada configuração apresenta
vantagens particulares, contribuindo para a eficiência e sustentabilidade dos processos
de tratamento de águas residuais.
7. REFERÊNCIA
https://tratamentodeagua.com.br/artigo/lagoas-estabilizacao/https://tratamentodeagua.com.br/artigo/lagoas-estabilizacao/