Fenômenos Químicos e Físicos

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<p>O autor Marcos von Sperling é doutor em Engenharia pelo Imperial College (Universidade de Londres), professor Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da Federal de Minas Gerais e consultor de empresas públicas e área de tratamento de esgotos e controle da poluição das PRINCÍPIOS DO TRATAMENTO O o presente volume, "Lodos é o quarto BIOLÓGICO DE ÁGUAS intitulada "Princípios do tratamento biológico de águas residuária apresentados conceitos, dados e informações relativos à teoria e RESIDUÁRIAS cobrindo projeto e operação de sistemas de lodos ativados. São VOLUME 4 os princípios básicos da remoção da matéria carbonácea e dos EDIÇÃO AMPLIADA nitrogênio e fósforo, da sedimentação e da aeração. Em termos de di namento, são cobertos os reatores de fluxo contínuo, os secundários, os sistemas com remoção biológica de nutrientes, os os reatores de operação intermitente e o sistema de lodos ativados tratamento de efluentes anaeróbios. Com relação à operação, abordar principais estratégias de controle operacional, o monitoramento e a de problemas operacionais. A série A presente série, intitulada do tratamento de águas objetiva servir de material de apoio a profissionais que desejem adquirir conhecimentos básicos na área de mento de esgotos. Grande ênfase é dada aos princípios e conceitos mentais, essenciais para uma atuação consciente na área. Um grande de tabelas e exemplos práticos é incluída, visando sistematizar e con os aspectos principais. Os volumes integrantes da série são: (1) qualidade das águas e ao tratamento de esgotos, (2) Princípios básicos tamento de esgotos, (3) Lagoas de estabilização, (4) Lodos Lodos ativados Reatores anaeróbios, (6) Lodo de esgotos: tratamento e disposição Estudos e modelagem da qualidade das águas de rios. 261536 APOIO MARCOS VON Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental DESA SPERLING DE Universidade Federal de Minas Gerais CNPq</p><p>Copyright 1997, 2002 by Marcos von Sperling Este livro não pode ser reproduzido por qualquer meio sem autorização escrita do autor. Impressão: Imprensa Universitária da UFMG (31) 3409-5153 FAPEMIG / UFLA / PRPG Impresso no Brasil Edital: 004/2009 edição (1997): 1500 exemplares Processo SHA impressão revisada (2000): 1000 exemplares edição (2002): 1500 exemplares Programa: reimpressão (2005) : 1500 exemplares Ingularia reimpressão (2008) : 1000 exemplares 4" reimpressão (2009) : 1000 exemplares Ficha catalográfica von Sperling, Marcos B928v Lodos ativados / Marcos von Sperling. 2.ed. - Belo Horizonte: De- partamento de Engenharia Sanitária e Ambiental; Universidade Federal de Minas Gerais; 1997. 428 p. - (Princípios do tratamento biológico de águas residuárias; v.4) 1. Águas residuárias - Tratamento biológico. I. Título. CDU: 628 CDD: 620.85 ISBN: 85-7041-129-4 Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental - UFMG Av. Contorno, 842 7° andar Belo Horizonte - MG Como solicitar o livro: Editora UFMG Telefax: (31) 3409-4657 e-mail: - www.editora.ufmg.br</p><p>Prefácio da Segunda Edição Cinco anos já se passaram desde a primeira edição. Neste período, o processo de lodos ativados experimentou avanços na direção de se integrar como pós-tratamento a um sistema composto por reatores anaeróbios. A presente edição busca retratar o conhecimento adquirido até o momento com esta configuração, apresentando, como usual, fundamentos, critérios e exemplos de dimensionamento. Na segunda impres- são do livro (ano 2000), foram também feitas alterações e atualizações nos tópicos de dimensionamento de decantadores secundários e de reatores por batelada. Esta edição revisada, ampliada e atualizada reflete, portanto, os últimos avanços no setor, de interesse direto para a aplicação do processo de lodos ativados em nossas condi- ções. o presente volume passa a contar ainda com um importante ponto de apoio, relacionado ao Volume 6 (Lodo de esgotos: tratamento e disposição final) desta série, lançado em 2001, e de interesse direto e integrado a este volume de lodos ativados. Finalmente, volto a reiterar os mesmos agradecimentos às pessoas e instituições que, desde a primeira edição, vêm contribuindo com a presente obra, particularmente o Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da UFMG. Marcos von Sperling Maio de 2002 Prefácio da Primeira Edição o presente volume é o quarto da série intitulada "Princípios do tratamento biológico de águas residuárias". A conceituação básica da série foi apresentada no prefácio do primeiro volume. Neste, foi ressaltada a importância dedicada nesta série aos fundamentos e conceitos, por acreditar que, sem eles, o profissional não poderá exercer a prática de uma forma totalmente consciente, independente e crítica. Pelo esforço dedicado aos aspectos didáticos, acredita-se que esta série tenha como primeiro público os estudantes de cursos de extensão e pós-graduação. No entanto, volume de informações apresentado pode ser útil também a profissionais da área de Engenharia Sanitária e Ambiental, que desejarem ser introduzidos nos aspectos básicos do tratamento de esgotos.</p><p>volumes iniciais da série centraram-se nos aspectos introdutórios e funda- SUMÁRIO o tratamento de esgotos. A partir do terceiro volume, passam a ser abor- emas de tratamento específicos. o terceiro volume relaciona-se às lagoas ização. Os volumes subsequentes deverão enfocar os seguintes sistemas ento: reatores anaeróbios, sistemas aeróbios com biofilmes, sistemas de no solo, tratamento primário e tratamento do lodo. CAPÍTULO 1 sente volume enfoca o sistema de tratamento de esgotos pelo processo de Introdução ados. São apresentados conceitos, dados e informações relativos à teoria e à 1. Introdução 11 obrindo projeto e operação. São descritos os princípios básicos da remoção e dos nutrientes nitrogênio e fósforo, da sedimentação e da Em termos de dimensionamento, são cobertos os reatores de fluxo contínuo, CAPÍTULO 2 adores secundários, os sistemas com remoção biológica de nutrientes, os Variantes do processo de lodos ativados os reatores de operação intermitente. Com relação à operação, abordam-se estratégias de controle operacional, o monitoramento e a solução de 2.1. Introdução 15 is operacionais. 2.2. Lodos ativados convencional (fluxo contínuo) 16 irtude da maior complexidade do processo de lodos ativados, comparado a 2.3. Aeração prolongada (fluxo contínuo) 16 ocessos de tratamento de esgotos, o presente volume possui um maior grau 2.4. Fluxo intermitente (reatores sequenciais por batelada) 18 que outros volumes equivalentes da série. Além disso, para cada apresenta-se um exemplo completo de dimensionamento, de forma a se po- 2.5. Lodos ativados para o pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios 20 as grandes dimensões para alocação no terreno, bem como uma estimativa 2.6. Remoção biológica de nutrientes 21 do efluente a ser lançado no corpo receptor. Como em todos os 2.7. Tratamento do lodo 23 desta série, não há grande preocupação com o detalhamento dos projetos, 2.8. Comparação entre as variantes do processo de lodos ativados 24 al há outras referências disponíveis, além de catálogos de fabricantes. tratar de uma série, este volume pressupõe uma continuidade temática volumes que o precederam, principalmente os volumes 1 e 2. No entanto, CAPÍTULO 3 dar uma certa auto-suficiência, de forma a reduzir o número de consultas Princípios da remoção da matéria carbonácea aos demais volumes. em sistemas de lodos ativados de fluxo contínuo mando um comentário do prefácio do primeiro volume, deve-se a série apenas como uma contribuição, dentro de um esforço mais amplo, que 3.1. reator biológico e a recirculação de sólidos 27 abraçado por todos nós, de implantar no país uma infra-estrutura sanitária 3.2. Representação do substrato e dos sólidos 31 nita a melhoria das condições ambientais e da qualidade de vida da nossa 3.3. Produção de sólidos 33 Tempo de detenção hidráulica e tempo de residência celular 38 considera como totalmente bem-vindos quaisquer comentários e sugestões elhoria deste volume, ou de qualquer dos outros volumes da série. 3.5. Tempo de varrimento celular 44 mente, gostaria de agradecer a todos aqueles que e que prosseguem 3.6. Relação alimento/microrganismo 45 indo para a realização desta série. A nível individual, um agradecimento a Relação entre a taxa de utilização do substrato (U) e a idade do lodo 49 e se motivaram, juntamente comigo, a dar forma e conteúdo aos livros. A nível 3.8. Distribuição dos sólidos no tratamento 52 onal, às entidades e agências responsáveis pela viabilização do empreendi- Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da UFMG (DESA-UFMG) Concentração de sólidos em suspensão no reator 63 lho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico 3.10. Cálculo do volume do reator 65 3.11. Remoção de substrato 69 Marcos von Sperling 3.12. DBO solúvel e DBO total do efluente 72 Junho de 1997 Estabilização do lodo no reator 76</p><p>3.14. Recirculação do lodo ativado 80 CAPÍTULO 7 3.15. Produção e retirada do lodo excedente 86 Dimensionamento do decantador secundário 3.16. Requisitos de oxigênio 93 7.1. Tipos de decantadores 189 3.17. Requisitos de nutrientes 101 7.2. Determinação da área superficial requerida para os decantadores 191 3.18. Influência da temperatura 105 7.3. Detalhes de projeto de decantadores secundários 213 3.19. Relações funcionais com a idade do lodo 106 7.4. Dimensionamento de decantadores primários 217 CAPÍTULO 4 CAPÍTULO 8 Dimensionamento do reator biológico de fluxo contínuo Exemplos de dimensionamento de sistemas de fluxo contínuo para remoção para a remoção da matéria carbonácea da matéria carbonácea (com nitrificação mas sem remoção de nutrientes) 4.1. Seleção da idade do lodo 117 8.1. Introdução 219 4.2. Critérios e parâmetros de projeto 120 8.2. Parâmetros e coeficientes do modelo 220 4.3. Configuração física do reator 121 8.3. Sistema de lodos ativados convencional 221 4.4. Detalhes de projeto 125 8.4. Sistema de aeração prolongada 235 8.5. Resumo dos dimensionamentos dos dois sistemas 249 CAPÍTULO 5 Sistemas de aeração CAPÍTULO 9 5.1. Introdução 127 Princípios da remoção biológica de nutrientes 5.2. Sistemas de aeração mecânica 127 9.1. Introdução 253 5.3. Sistemas de aeração por ar difuso 130 9.2. o nitrogênio no esgoto bruto e as principais transformações no 5.4. Cinética da aeração 134 processo de tratamento 255 5.5. Fatores de influência na transferência de oxigênio 136 9.3. Fundamentos da nitrificação biológica 262 5.6. Taxa de transferência de oxigênio no campo e em condições padrão 139 9.4. Fundamentos da biológica 279 5.7. Outros coeficientes de aeração 142 9.5. Fundamentos da remoção biológica de fósforo 287 5.8. Testes de aeração 146 CAPÍTULO 10 CAPÍTULO 6 Dimensionamento de sistemas de fluxo contínuo Princípios da sedimentação e adensamento nos decantadores secundários para a remoção biológica de nutrientes 6.1. Introdução 163 10.1. Remoção biológica de nitrogênio 301 6.2. Sedimentação zonal em uma coluna 165 10.2. Remoção biológica de nitrogênio e fósforo 321 6.3. A teoria do fluxo limite de sólidos 166 6.4. Determinação da velocidade de sedimentação da interface 172 CAPÍTULO 11 6.5. Índice volumétrico de lodo 176 Sistemas de operação intermitente (batelada) 6.6. Determinação do fluxo limite de sólidos 180 11.1. Introdução 331</p><p>11.2. Princípios do processo 331 CAPÍTULO 1 11.3. Modificações do processo 335 11.4. Critérios e parâmetros de dimensionamento de sistemas por batelada 343 Introdução 11.5. Metodologia de cálculo para o dimensionamento de reatores por batelada 347 11.6. Exemplo de dimensionamento de reator por batelada 353 CAPÍTULO 12 Seletores biológicos sistema de lodos ativados é amplamente utilizado, em nível mundial, para o 12.1. Introdução 359 tratamento de despejos domésticos e industriais, em situações em que são neces- sários uma elevada qualidade do efluente e reduzidos requisitos de área. No entanto, 12.2. Tipos de seletores 361 o sistema de lodos ativados inclui um índice de mecanização superior ao de outros 12.3. Critérios de projeto de seletores 366 sistemas de tratamento, implicando em uma operação mais sofisticada e em maiores consumos de energia elétrica. CAPÍTULO 13 As seguintes unidades são parte integrante da etapa biológica do sistema de lodos ativados (fluxo do líquido) (Figura 1.1): Controle operacional 13.1. Introdução 367 tanque de aeração (reator) 13.2. Conceitos básicos de controle operacional 369 tanque de decantação (decantador secundário) recirculação de lodo 13.3. Controle do oxigênio dissolvido 371 REATOR DECANTADOR 13.4. Controle dos sólidos 373 SECUNDÁRIO 13.5. Monitoramento do sistema 380 CAPÍTULO 14 Problemas operacionais e suas soluções 14.1. Introdução 383 14.2. Elevadas concentrações de sólidos em suspensão no efluente 383 14.3. Elevadas concentrações de DBO no efluente 403 14.4. Elevadas concentrações de amônia no efluente 405 Fig. 1.1. Esquema das unidades da etapa biológica do sistema de lodos ativados CAPÍTULO 15 Lodos ativados como pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios No reator ocorrem as reações bioquímicas de remoção da matéria orgânica e, em Lodos ativados como pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios 409 determinadas condições, da matéria nitrogenada. A biomassa se utiliza do substrato presente no esgoto bruto para se desenvolver. No decantador secundário ocorre Referências bibliográficas 421 a sedimentação dos sólidos (biomassa), permitindo a que o efluente final saia clari- ficado. Os sólidos sedimentados no fundo do decantador secundário são recirculados Introdução 11</p><p>para o reator, aumentando a concentração de biomassa no mesmo, o que é responsável e os sólidos não teriam mais condições de sedimentar satisfatoriamente, vindo a sair pela elevada eficiência do sistema. com o efluente final, deteriorando a sua qualidade. Para manter o sistema em A biomassa consegue ser facilmente separada no decantador secundário devido à é necessário que se retire aproximadamente a mesma quantidade de biomassa que é sua propriedade de flocular. Tal se deve ao fato das bactérias possuírem uma matriz aumentada por reprodução. Este é, portanto, o lodo biológico excedente, que pode gelatinosa, que permite a aglutinação das bactérias e outros microrganismos, como ser extraído diretamente do reator ou da linha de recirculação. o lodo excedente protozoários. floco possui maiores dimensões, o que facilita a sedimentação (ver deve sofrer tratamento adicional, na linha de tratamento do lodo, usualmente Figura 1.2). compreendendo adensamento, estabilização e desidratação. FLOCO DE LODO ATIVADO o sistema de lodos ativados pode ser adaptado para incluir remoções biológicas de nitrogênio e fósforo, atualmente praticadas de forma em diversos países. o presente texto enfoca com maior profundidade a remoção de matéria carbonácea. No entanto, devido à sua importância nas condições de um país tropical como o particulas coloidais aderidas matriz de polissacarideos Brasil, analisam-se também os aspectos de nitrificação e (remoção de nitrogênio). A remoção biológica de fósforo é um tópico mais especializado, sendo analisado de forma mais superficial neste volume. Com relação à remoção de coliformes, devido aos reduzidos tempos de detenção nas unidades do sistema de lodos ativados, tem-se que a eficiência é baixa e usualmente insuficiente para atender aos bactérias filamentosas (estrutura rigida do floco) requisitos de qualidade dos corpos receptores. Por esta razão, a remoção de coliformes não é abordada no presente texto (ver Volume 3 da presente série para a descrição de lagoas objetivando a remoção de organismos patogênicos). presente volume centra-se nas duas unidades integrantes da etapa biológica formadoras do sistema de lodos ativados: reator e decantador secundário. As demais unidades de floco Fig. 1.2. Esquema de um floco de lodo ativado integrantes do sistema como um todo (tratamento preliminar, tratamento primário e tratamento do lodo) encontram-se abordadas em outros volumes da presente série. Em virtude da recirculação do lodo, a concentração de sólidos em suspensão no tanque de aeração no sistema de lodos ativados é mais de 10 vezes superior à de uma lagoa aerada de mistura completa, sem recirculação (ver Volume 3 da presente série) (von Sperling, 1996c). Nos sistemas de lodos ativados, o tempo de detenção do líquido é bem baixo, da ordem de horas, implicando em que o volume do tanque de aeração seja bem reduzido. No entanto, devido à recirculação dos sólidos, estes permanecem no sistema por um tempo superior ao do líquido. o tempo de retenção dos sólidos é denominado idade do lodo. É esta maior permanência dos sólidos no sistema que garante a elevada eficiência dos sistemas de lodos ativados, já que a biomassa tem tempo suficiente para metabolizar praticamente toda a matéria orgânica dos esgotos. Devido à sua importância, o conceito de idade do lodo é amplamente discutido ao longo de todo o presente volume. No tanque de aeração, devido à entrada contínua de alimento, na forma de DBO dos esgotos, os microrganismos crescem e se reproduzem continuamente. Caso fosse permitido que a população dos mesmos crescesse indefinidamente, eles tenderiam a atingir concentrações excessivas no tanque de aeração, dificultando a transferência de oxigênio a todas as células. Ademais, decantador secundário ficaria sobrecarregado, 12 Lodos Ativados Introdução 13</p><p>CAPÍTULO 2 Variantes do processo de lodos ativados 2.1. INTRODUÇÃO Existem diversas variantes do processo de lodos ativados. o presente capítulo enfoca apenas as principais e mais utilizadas. Dentro deste conceito, tem-se as seguintes divisões dos sistemas de lodos ativados: Divisão quanto à idade do lodo Lodos ativados convencional Aeração prolongada Divisão quanto ao fluxo Fluxo contínuo Fluxo intermitente (batelada) Divisão quanto ao afluente à etapa biológica do sistema de lodos ativados - Esgoto bruto - Efluente de decantador primário - Efluente de reator anaeróbio - Efluente de outro processo de tratamento de esgotos Os sistemas de lodos ativados podem ser classificados, em função da idade do lodo, em uma das seguintes principais categorias (Quadro 2.1). Quadro 2.1. Classificação dos sistemas em função da idade do lodo Idade do lodo Carga de DBO aplicada Faixa de idade do lodo Denominação usual por unidade de volume Inferior a 3 dias Aeração modificada Reduzida Alta 4 a 10 dias Lodos ativados convencional Intermediária Intermediária 11 a 17 dias Elevada Baixa 18 a 30 dias Aeração prolongada Esta classificação segundo a idade do lodo se aplica, tanto para os sistemas de fluxo (líquido entrando e saindo continuamente do reator de lodos ativa- dos), quanto para os sistemas de fluxo intermitente ou batelada (entrada do líquido Variantes do processo de lodos ativados 15</p><p>descontínua em cada reator de lodos ativados). No entanto, nos sistemas de fluxo LODOS ATIVADOS CONVENCIONAL intermitente, a aeração prolongada é mais utilizada. Já com relação ao CORPO RECEPTOR sistema de lodos ativados como pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios, DECANTADOR DECANTADOR PRIMÁRIO REATOR SECUNDÁRIO a opção mais conveniente é a da idade do lodo reduzida, ou convencional. DESARE- GRADE NADOR Os sistemas de reduzidíssima idade do lodo (inferior a 4 dias), também deno- minados de aeração modificada, são menos utilizados. Em regiões de clima quente, os sistemas com idade do lodo intermediária (entre 10 e 18 dias) não apresentam fase fase vantagens para sua utilização, por não possibilitarem um aumento expressivo na sólida lodo sólida primário remoção de DBO, comparado à idade do lodo convencional, e por não alcançarem lodo de retorno lodo a estabilização aeróbia do lodo, característica da aeração prolongada. Em regiões de aeróbio clima temperado, pode ser necessário o emprego de idades do lodo superiores a 10 DIGESTOR ANAERÓBIO dias para se alcançar uma nitrificação completa ao longo de todo o ano. ADENSADOR PRIMÁRIO DIGESTOR SECUNDÁRIO A etapa biológica do lodos ativados (reator biológico e decantador secundário) DESIDRATAÇÃO TRANSPORTE DISPOSIÇÃO pode receber esgotos brutos (usualmente na modalidade de aeração prolongada), FINAL efluentes de decantadores primários (concepção clássica do lodos ativados conven- cional), efluentes de reatores anaeróbios (tendência recente) e efluentes de outros A sobrenadante sobrenadante drenado processos de tratamento de esgotos (como tratamento ou filtros (retorna ao ao (retorna ao do processo) do processo) do processo) biológicos grosseiros, para polimento adicional do efluente). Fig. 2.1. Fluxograma típico do sistema de lodos ativados convencional 2.2. LODOS ATIVADOS CONVENCIONAL (FLUXO CONTÍNUO) lodos ativados convencional, o volume do reator aeróbio é também mais elevado, No sistema convencional, para se economizar energia para a aeração e reduzir o e o tempo de detenção do líquido é em torno de 16 a 24 horas. Portanto, há menos volume do reator biológico, parte da matéria orgânica (em suspensão, sedimentável) matéria orgânica por unidade de volume do tanque de aeração e também por uni- dos esgotos é retirada antes do tanque de aeração, através do decantador primário. dade de biomassa do reator. Em decorrência, as bactérias, para sobreviver, passam Assim, os sistemas de lodos ativados convencional têm como parte integrante também a utilizar de forma mais intensa nos seus processos metabólicos a própria matéria o tratamento primário (Figura 2.1). Na figura, a parte de cima corresponde ao trata- orgânica biodegradável componente das suas células. Esta matéria orgânica celular mento da fase líquida (esgoto), ao passo que a parte de baixo exemplifica as etapas é convertida em gás carbônico e água através da respiração. Isto corresponde a uma envolvidas no tratamento da fase sólida (lodo). estabilização da biomassa, ocorrendo no próprio tanque de aeração. Enquanto no No sistema convencional, a idade do lodo é usualmente da ordem de 4 a 10 sistema convencional a estabilização do lodo é feita em separado (na etapa de tra- dias e o tempo de detenção hidráulica no reator, da ordem de 6 a 8 horas. Com esta tamento de lodo), usualmente em ambiente anaeróbio, na aeração prolongada ela é idade do lodo, a biomassa retirada do sistema no lodo excedente requer ainda uma feita conjuntamente, no próprio reator, tendo-se, portanto, um ambiente aeróbio, o etapa de estabilização no tratamento do lodo, por conter ainda um elevado teor de consumo adicional de oxigênio para a estabilização de lodo (respiração endógena) é matéria orgânica armazenada nas suas células. Esta estabilização ocorre nos diges- significativo e inclusive pode ser maior que o consumo para metabolisar o material tores (primário e secundário). De forma a reduzir o volume dos digestores, o lodo orgânico do afluente (respiração exógena). é previamente submetido a uma etapa de adensamento, na qual é retirada parte da Já que não há a necessidade de se estabilizar o lodo biológico excedente, procura-se umidade, diminuindo, em o volume de lodo a ser tratado. evitar no sistema de aeração prolongada também a geração de alguma outra forma de lodo, que venha a requerer posterior estabilização. Deste modo, os sistemas de aeração prolongada usualmente não possuem decantadores primários, para evitar a 2.3. AERAÇÃO PROLONGADA (FLUXO CONTÍNUO) necessidade de se estabilizar o lodo primário. Com isto, obtém-se uma grande Caso a biomassa permaneça no sistema por período mais longo, da ordem de 18 simplificação no fluxograma do processo: não há decantadores primários nem uni- a 30 dias o nome aeração prolongada), recebendo a mesma carga de DBO do dades de digestão de lodo (Figura 2.2). esgoto bruto que o sistema convencional, haverá menor disponibilidade de alimento A desta simplificação do sistema é o gasto com energia para aeração, para as bactérias. A quantidade de biomassa (kgSSVTA) é maior que no sistema de já que o lodo é estabilizado aerobiamente no tanque de aeração. Por outro lado, a reduzida 16 Lodos Ativados Variantes do processo de lodos ativados 17</p><p>LODOS ATIVADOS AERAÇÃO PROLONGADA LODOS ATIVADOS FLUXO INTERMITENTE CORPO REATOR EM DECANTAÇÃO RECEPTOR DECANTADOR CORPO REATOR SECUNDÁRIO RECEPTOR GRADE DESARE- NADOR VAZÃO GRADE MEDIÇÃO NADOR fase sólida sólida fase fase sólida sólida lodo de REATOR EM REAÇÃO lodo lodo aeróbio excedente excedente estabilizado) (já estabilizado) ADENSADOR DESIDRATAÇÃO MECANIZADO TRANSPORTE DISPOSIÇÃO FINAL DESIDRATAÇÃO ADENSADOR MECANIZADO TRANSPORTE DISPOSIÇÃO FINAL drenado drenado (retorna ao início (retorna no do processo) do processo) Fig. 2.2. Fluxograma de um sistema de aeração prolongada drenado drenado ao ao do processo) do processo) Fig. 2.3. Esquema de um sistema de lodos ativados com operação intermitente (dois reatores) disponibilidade de alimento e sua praticamente total assimilação fazem com que a aeração prolongada seja a variante do lodos ativados mais eficiente na remoção de DBO. Deve-se destacar, no entanto, que a eficiência de qualquer variante do processo comum, devido à sua maior simplicidade operacional. Na modalidade de aeração de lodos ativados está intimamente associada ao desempenho do decantador secun- prolongada, o tanque único passa a incorporar também a unidade de digestão dário. Caso haja perda de sólidos no efluente final, haverá uma grande deterioração (aeróbia) do lodo. na qualidade do efluente, independentemente do bom desempenho do tanque de o processo consiste de um ou mais reatores de mistura completa onde ocorrem aeração na remoção da DBO. todas as etapas do tratamento (Fig. 2.3). Isso é conseguido através do estabelecimento de ciclos de operação com durações definidas. A massa biológica permanece no reator durante todos os ciclos, eliminando dessa forma a necessidade de decantadores 2.4. FLUXO INTERMITENTE separados. Os ciclos normais de tratamento são: (REATORES SEQUENCIAIS POR BATELADA) Os sistemas de lodos ativados descritos nos itens 2.2 e 2.3 são de fluxo contínuo Enchimento (entrada de esgoto bruto ou decantado no reator) com relação ao esgoto, ou seja, o esgoto está sempre entrando e saindo do reator. Há, Reação (aeração/mistura da massa líquida contida no reator) no entanto, uma variante do sistema, com operação em fluxo intermitente. Sedimentação (sedimentação e separação dos sólidos em suspensão do esgoto tratado) o princípio do processo de lodos ativados com operação intermitente consiste na Descarte do efluente tratado (retirada do esgoto tratado do reator) incorporação de todas as unidades, processos e operações normalmente associados ao Repouso (ajuste de ciclos e remoção do lodo excedente) tratamento tradicional de lodos ativados, quais sejam, decantação primária, oxidação A duração usual de cada ciclo pode ser alterada em função das variações da biológica e decantação secundária, em um único tanque. Utilizando tanque único, vazão afluente, das necessidades do tratamento e das características do esgoto e da esses processos e operações passam a ser simplesmente no tempo, e não biomassa no sistema. unidades separadas, como ocorre nos processos convencionais de fluxo contínuo. o fluxograma do processo é grandemente simplificado, devido à eliminação de o processo de lodos ativados com fluxo intermitente pode ser utilizado, tanto na diversas unidades, comparado aos sistemas de lodos ativados de fluxo contínuo. No modalidade convencional, quanto na de aeração prolongada, embora esta seja mais sistema de aeração prolongada por batelada, as únicas unidades de todo o processo 18 Lodos Ativados Variantes do processo de lodos ativados 19</p><p>de tratamento (líquido e lodo) são: grades, desarenador, reatores, adensamento do As principais vantagens desta configuração, comparada com a concepção tradicional lodo (opcional) e desidratação do do sistema de lodos ativados convencional, estão apresentadas no Quadro 2.2. Há algumas variantes nos sistemas de fluxo intermitente, relacionadas, tanto à forma A experiência operacional com os novos sistemas sendo construídos com esta de operação (alimentação contínua e esvaziamento descontínuo), quanto à configuração permitirá um avanço continuado no conhecimento dos critérios e e duração dos ciclos associados a cada fase do processo. Estas variantes permitem metros de projeto a serem empregados. No momento, têm sido adotados, para a etapa simplificações adicionais no processo ou a remoção biológica de nutrientes. de lodos ativados, os mesmos parâmetros usualmente utilizados para o sistema de lodos ativados convencional, dentro da compreensão de que os principais fenômenos 2.5. LODOS ATIVADOS PARA o PÓS-TRATAMENTO DE físicos e bioquímicos envolvidos são os mesmos. É possível, no entanto, que alguns EFLUENTES DE REATORES ANAERÓBIOS coeficientes do modelo matemático do processo sejam diferentes, o que, espera-se, Uma alternativa bastante promissora em regiões de clima quente, foco de várias não deva afetar substancialmente a etapa de projeto. pesquisas recentes e que está principiando a ser implantada em escala real é a de lodos ativados (com idade do lodo convencional 6 a 10 dias), como pós-tratamento de 2.6. REMOÇÃO BIOLÓGICA DE NUTRIENTES efluentes de reatores anaeróbios tipo UASB. Neste caso, ao invés de se ter o decantador primário, tem-se o reator o lodo aeróbio excedente gerado no sistema de lodos ativados, ainda não estabilizado, é enviado ao reator UASB, onde sofre adensa- a) Remoção de nitrogênio mento e digestão, juntamente com o lodo anaeróbio. Como esta vazão de retorno do sistema de lodos ativados é capaz de produzir, sem alterações de processo, lodo aeróbio excedente é bem baixa, comparada com a vazão afluente, não há distúrbios conversão satisfatória de amônia para nitrato (nitrificação). Neste caso, há a remoção operacionais introduzidos no reator UASB. o tratamento do lodo é grandemente sim- da amônia, mas não do nitrogênio, já que se tem apenas uma conversão da forma do plificado: não há necessidade de adensadores e digestores, havendo apenas a etapa de nitrogênio. Em regiões de clima quente, a nitrificação ocorre quase que sistemati- desidratação. lodo misto retirado do reator anaeróbio, digerido e com concentrações camente, a menos que haja algum problema ambiental no tanque de aeração, como similares às de um lodo efluente de adensadores, possui ainda ótimas características de falta de oxigênio dissolvido, baixo pH, pouca biomassa ou a presença de substâncias A Figura 2.4 apresenta o fluxograma desta configuração. tóxicas ou inibidoras. A remoção biológica de nitrogênio é alcançada em condições de ausência de oxigênio, mas na presença de nitratos (denominadas condições anóxicas). Nestas REATOR UASB SEGUIDO POR LODOS ATIVADOS condições, um grupo de bactérias utiliza nitratos no seu processo respiratório, conver- tendo-os a nitrogênio gasoso, que escapa na atmosfera. Este processo é denominado REATOR UASB CORPO RECEPTOR Para se alcançar a no sistema de lodos ativados, são gás REATOR DECANTADOR AERÓBIO SECUNDÁRIO necessárias ainda modificações no processo, incluindo a criação de zonas anóxicas GRADE DESARE- e possíveis recirculações internas. Pode-se ainda fazer a remoção do nitrogênio por NADOR métodos fisico-químicos (não abordados neste texto). Em sistemas de lodos ativados nos quais ocorre a nitrificação, é interessante que se realize também a praticada intencionalmente no reator. As fase sólida sólida lodo razões estão normalmente associadas a aspectos puramente operacionais, bem como biológico aeróbio lodo de retorno estabilizado) à qualidade do efluente final: (a) economia de oxigênio (economia de energia na aeração); (b) economia de alcalinidade (preservação da capacidade tampão); (c) operação do decantador secundário (evitar lodo ascendente) e (d) controle de DESIDRATAÇÃO TRANSPORTE nutrientes (eutrofização). DISPOSIÇÃO FINAL a) Remoção de fósforo Para a remoção biológica de fósforo, é essencial a existência de zonas e zonas aeróbias na linha de A zona anaeróbia é considerada um seletor ao do processo) biológico para os microrganismos acumuladores de Esta zona propicia uma Fig. 2.4. Fluxograma de um sistema composto por reator UASB seguido por lodos ativados vantagem em termos de competição para os organismos acumuladores de fósforo, já 20 Lodos Ativados Variantes do processo de lodos ativados 21</p><p>Quadro 2.2. Principais vantagens, desvantagens e similaridades do sistema UASB lodos que eles podem assimilar o substrato nesta zona antes de outros microrganismos, não ativados com relação à concepção tradicional do lodos ativados convencional armazenadores de fósforo. Desta forma, esta zona anaeróbia permite desenvolvi- Aspecto Item Comentário mento ou seleção de uma grande população de organismos acumuladores de fósforo Redução da produção A massa de lodo produzido e a ser tratado é da ordem no sistema, os quais absorvem apreciáveis quantidades de fósforo do meio líquido, de lodo de 40 a 50% do total produzido na concepção tradicional bem superiores aos requisitos metabólicos normais. Ao se remover o lodo biológico do lodos ativados convencional, e 50 a 60% do total excedente, contendo também os organismos acumuladores de fósforo, ricos deste produzido na aeração prolongada elemento, está-se removendo o fósforo do sistema. A massa a seguir para disposição final é da ordem de Os princípios da remoção biológica de nutrientes, bem como os diversos 60 a 70% das concepções tradicionais fluxogramas utilizados para tal, estão detalhados nos Capítulos 9 e 10. A redução no volume de lodo é ainda maior, pelo fato do lodo anaeróbio misto ser mais concentrado e possuir ótima desidratabilidade 2.7. TRATAMENTO DO LODO Redução no consumo Como aproximadamente 70% da DBO é previamente de energia removida no UASB, consumo de oxigênio é apenas tratamento do lodo é parte integrante do processo de lodos ativados. Portanto, para a DBO remanescente e para a que, neste caso, é fator preponderante do consumo (em fluxograma da estação apenas pode ser completo se incluir as etapas relacionadas Vantagem torno de 2/3 do consumo total) com o tratamento e disposição final dos sub-produtos gerados no tratamento. Redução no consumo De maneira geral, são os seguintes os subprodutos sólidos gerados no tratamento de produtos químicos Redução em função da menor produção de lodo e das para desidratação melhores características de desidratabilidade pelo processo de lodos ativados: (a) material gradeado, (b) areia, (c) escuma, (d) lodo primário e (e) lodo secundário. Destes subprodutos, o principal em termos de Menor de Não necessidade de decantadores aden- volume e importância é representado pelo lodo. Os fluxogramas dos sistemas de unidades diferentes a sadores e digestores, os quais são substituídos pelo serem implementadas tratamento do lodo possibilitam diversas combinações de operações e processos reator UASB unitários, compondo distintas As principais etapas do tratamento, com Menor necessidade de equipamentos reator UASB não possui equipamentos os respectivos objetivos, são: diferentemente dos decantadores aden- sadores e digestores do lodos ativados convencional Maior simplicidade Comparado com a concepção tradicional do lodos Adensamento: remoção de umidade (redução de volume) operacional ativados convencional, há menor numero de unidades Estabilização: remoção da matéria orgânica (redução de sólidos e equipamentos eletromecânicos Condicionamento: preparação para a desidratação (principalmente mecânica) Menor capacitação A remoção de nitrogênio só é a partir de uma para remoção biológica proporção mínima entre a concentração de material Desidratação: remoção de umidade (redução de volume) de nutrientes nitrogenado (NTK) e do material orgânico (DQO). Disposição final: destinação final dos subprodutos Similarmente, também há uma razão mínima P/DQO para a remoção de fósforo. Desvantagem Em termos de tratamento de lodo, as seguintes principais diferenças entre as Uma vez que reator UASB retira grande parte do carbono orgânico e quase não afeta a concentração modalidades de idade do lodo convencional e aeração prolongada são: dos nutrientes, em geral a concentração de material orgânico no efluente anaeróbio é menor que a mínima os sistemas de aeração prolongada não geram lodo primário necessária à e à desfosfatação. Eficiência similar à os sistemas de aeração prolongada geram menos lodo secundário concepção tradicional A eficiência do sistema na remoção dos principais po- os sistemas de aeração prolongada não necessitam da etapa de estabilização do de lodos ativados luentes (com exceção de P) é similar à do sistema de lodos ativados convencional lodo (o lodo excedente já sai estabilizado) convencional os sistemas de lodos ativados como pós-tratamento de efluentes anaeróbios Similaridade Volume total das volume total das unidades (reator UASB, reator de unidades similar ao lodos ativados, decantador secundário e desidratação possibilitam o retorno do lodo excedente aeróbio para o reator anaeróbio, onde volume total das do lodo) é similar ou um pouco inferior ao volume sofre adensamento e digestão, conjuntamente com o lodo anaeróbio. unidades do lodos total das unidades do lodos ativados convencional ativados convencional (decantador pri-mario, reator de lodos ativados, decan- Maiores detalhes com relação à etapa de tratamento do lodo estão apresentados tador secundário, adensador de lodo, digestor de lodo e desidratação do lodo) no Volume 6 da presente série. 22 Lodos Ativados Variantes do processo de lodos ativados 23</p><p>2.8. COMPARAÇÃO ENTRE AS VARIANTES DO Quadro 2.4. Principais características dos sistemas de lodos ativados utilizados para o trata- PROCESSO DE LODOS ATIVADOS mento de esgotos domésticos No presente item comparam-se as variantes do processo de lodos ativados. Item geral Item específico Modalidade fator principal de separação entre as variáveis é a idade do lodo, caracterizando as Aeração UASB lodos idades do lodo convencional e de aeração prolongada, bem como a existência ou não Convencional prolongada ativados de pré-tratamento (ex: reator UASB). Idade do lodo Idade do lodo (d) Os seguintes quadros são apresentados, de forma a permitir uma comparação Relação A/M Relação A/M (kgDBO/kgSSVTA.d) 0,50 0,15 0,25 0,40 entre os sistemas. DBO (%) 85 95 Quadro 2.3. Vantagens e desvantagens dos sistemas de fluxo contínuo com idade do DQO (%) Sólidos em suspensão (%) lodo convencional, fluxo contínuo com aeração prolongada e fluxo intermitente Eficiência de Amônia (%) Quadro 2.4. Principais características (eficiências, requisitos e custos) dos sistemas remoção Nitrogênio (%) Quadro 2.5. Comparação entre diversas características operacionais dos sistemas de Fósforo (%) lodos ativados convencional, aeração prolongada e reator UASB lodos ativados Coliformes (%) Área requerida Área (2) 0,2 - 0,3 Quadro 2.3. Vantagens e desvantagens das variantes operacionais mais comuns dos siste- mas de lodos ativados Volume total Volume 0,10 0,12 Sistema Potência instalada (W/hab) Vantagens Desvantagens Energia (4) Lodos ativados Elevada eficiência na remoção de DBO Baixa eficiência na remoção de coliformes Consumo energético (kWh/hab.ano) 14-20 convencional Nitrificação usualmente obtida Elevados custos de implantação e operação Possibilidade de remoção biológica de e Volume de A ser tratado (L lodo/hab.dia) Elevado consumo de energia Baixos requisitos de área lodo A ser disposto (L lodo/hab.dia) Necessidade de operação sofisticada Processo confiável, desde que supervisionado Elevado de mecanização A ser tratado (g ST/hab.dia) Reduzidas possibilidades de maus odores, Relativamente sensível a descargas tóxicas Massa de lodo A ser disposto (g ST/hab.dia) insetos e vermes Necessidade do tratamento completo do Flexibilidade operacional lodo e da sua disposição final Implantação (R$/hab) Possíveis problemas ambientais com Custos Operação (R$/hab.ano) ruídos e aerossóis Aeração Idem lodos ativados convencional Baixa eficiência na remoção de coliformes Fonte: adaptado parcialmente de Alem Sobrinho e Kato (1999), Alem Sobrinho (2001), Alem Sobrinho prolongada Sistema com maior eficiência na remoção da DBO Elevados custos de implantação e operação Nitrificação consistente e Jordão (2001), von Sperling et al (2001b, 2001c) Sistema com maior consumo de energia Mais simples conceitualmente que lodos Elevado índice de mecanização (embora Notas: ativados convencional (operação mais simples) inferior a lodos ativados convencional) US$ R$ (2001) Menor geração de lodo que lodos ativados Necessidade de remoção da umidade Os valores apresentados são típicos, mas podem variar, inclusive fora das faixas apresentadas, dependendo convencional do lodo e da sua disposição final (embora de circunstâncias locais. Estabilização do lodo no próprio reator mais simples que lodos ativados Elevada resistência a variações de carga e a cargas (1): Pode-se alcançar eficiências maiores na remoção de N (especialmente no lodos ativados convencio- convencional) nal e na aeração prolongada) e de P (especialmente no lodos ativados convencional) através de etapas Satisfatória independência das condições específicas e desfosfatação). A modalidade UASB lodos ativados não é eficiente na climáticas remoção biológica de N e P. Sistemas de Elevada eficiência na remoção de DBO Baixa eficiência na remoção de coliformes Áreas inferiores podem ser obtidas utilizando-se desidratação mecânica. Os valores de área representam fluxo Satisfatória remoção de N e possivelmente P Elevados custos de implantação e operação a área de toda a e não apenas das intermitente Baixos requisitos de área potência instalada que os demais volume total das unidades inclui eventuais reatores UASB. decantadores primários, tanques de Mais simples conceitualmente que os demais sistemas de lodos ativados sistemas de lodos ativados Necessidade do tratamento e da disposição aeração, decantadores secundários, adensadores por gravidade e digestores primários e secundários. A Menos equipamentos que os demais sistemas de do lodo (variável com a modalidade desidratação assumida no cômputo dos volumes é mecânica. A necessidade de cada uma das unidades lodos ativados convencional ou prolongada, embora a depende da variante do processo de lodos ativados. Flexibilidade operacional (através da variação dos seja mais frequente) A potência instalada deve ser suficiente para suprir a demanda de O2 em cargas de pico. o consumo ener- ciclos) Usualmente mais competitivo gético pressupõe certo controle do fornecimento do reduzindo-o em momentos de menor demanda. Decantador secundário e elevatória de economicamente para populações recirculação não são necessários pequenas a médias volume de lodo é função da concentração de sólidos totais (ST), a qual depende dos processos utilizados no tratamento da fase líquida e da fase sólida. A faixa superior do volume per de lodo a Lodos ativados Idem lodos ativados convencional Idem lodos ativados convencional com remoção Elevada eficiência na remoção de nutrientes Necessidade de recirculações internas ser disposto está associada ao desaguamento por centrifuga e filtro de correia (menores concentrações de biológica de Aumento da complexidade operacional ST no lodo desidratado), ao passo que a faixa inferior está associada a leitos de secagem ou filtros-prensa nutrientes (maiores concentrações de ST). 24 Variantes do processo de lodos ativados 25 Lodos Ativados</p><p>Uma das características do reator de mistura completa ideal é que o efluente sai A inclusão de uma unidade de decantação final resulta numa grande melhoria com a mesma concentração que o líquido em qualquer parte do reator. Isto explica na qualidade do efluente final, graças à tendência apresentada pelas bactérias os valores de S e X, presentes tanto no reator quanto no efluente. responsáveis pela estabilização da matéria orgânica de flocularem e sedimentarem. X é a concentração de sólidos. No reator, estes sólidos são tipicamente sólidos Assim, elas possuem não só a característica de removerem com eficiência a DBO, biológicos, representados pela biomassa (microrganismos) produzida no próprio mas também de poderem ser removidas por simples operações de separação sólido- reator, às expensas do substrato disponível. Em contraste, no afluente ao reator, líquido, como a sedimentação. os sólidos são os presentes na água residuária, sendo considerada A capacidade do sistema na remoção da matéria orgânica é dependente da quanti- como a presença dos sólidos biológicos, dentro do balanço de massa dade de biomassa presente no reator. No sistema acima, a concentração de biomassa geral. Portanto, nas considerações efetuadas a seguir, pode-se, por simplicidade, é limitada pela quantidade de substrato disponível: caso este aumente, a taxa de considerar 0 mg/l. crescimento da população bacteriana crescerá, segundo a cinética de Monod, até um Dois balanços de massa podem ser efetuados, um para o substrato e outro para a limite máximo dado por (ver Capítulo "Princípios do Tratamento Biológico", biomassa. Tais balanços de massa são essenciais para o dimensionamento do reator Volume 2). Assim, para uma dada carga de substrato, a concentração de biomassa biológico, sendo detalhados em itens seguintes. não consegue passar acima de um valor máximo. Pelo fato de não haver retenção da biomassa no sistema, este fluxograma sem Pelo fato de não haver retenção dos sólidos no sistema, este fluxograma sem recir- decantação secundária e sem recirculação de sólidos não caracteriza um sistema de culação de lodo não pode se considerado como de um sistema de lodos ativados. lodos ativados. 3.1.3. Reator com decantação e com recirculação 3.1.2. Reator com decantação e sem recirculação o lodo acumulado até um certo período no fundo do decantador secundário é Ao se analisar a Figura 3.1, observa-se que os sólidos biológicos formados e constituído, em sua maioria, por bactérias ainda ativas do ponto de vista da capacidade presentes no reator saem no efluente, apresentando a mesma concentração que de assimilar a matéria orgânica. Deste modo, é atrativa a idéia de se utilizar estas no reator. Ora, estes sólidos são, em análise, matéria orgânica e, bactérias para auxiliarem na remoção da matéria orgânica dentro do princípio de que, caso fossem lançados no corpo receptor sofreriam um processo de estabilização, da quanto maior a concentração de biomassa, mais substrato é utilizado ou, em outras mesma maneira que as outras formas de matéria orgânica. Assim, mesmo que por um palavras, mais DBO é removida. Portanto, caso se retorne o lodo sedimentado, lado a DBO solúvel possa ter sofrido uma apreciável redução no reator, a DBO em de maior concentração (ou "lodo ativado") ao reator, o sistema poderá assimilar suspensão, representada pelos sólidos biológicos no efluente, pode ser responsável uma carga muito maior de DBO. Esta recirculação tem também o importante papel por uma deterioração da qualidade do mesmo. de aumentar o tempo médio que os microrganismos permanecem no sistema, como Baseado neste conceito, é importante a anexação de uma unidade de decantação visto no Item 3.4. A recirculação da biomassa é o princípio básico do sistema de após o reator, de forma a reter os sólidos biológicos, visando impedir que atinjam o lodos ativados. corpo receptor na mesma concentração em que se encontravam no reator. o sistema Este terceiro fluxograma caracteriza, portanto, um sistema típico de lodos ativados de com decantação pode ser como exibido na Figura 3.2. fluxo contínuo. Há outras formas de retenção da biomassa no sistema, como através de reatores de fluxo intermitente (reatores por batelada e variantes). A Figura 3.3 REATOR DECANTADOR SECUNDÁRIO ilustra a concepção de um sistema de lodos ativados de fluxo contínuo. AFLUENTE EFLUENTE Xo Xe So S S Q Q Q = concentração de sólidos em suspensão efluente (mg/l ou Fig. 3.2. Reator biológico seguido de unidade de decantação (sem recirculação do lodo) 28 Lodos Ativados Principios da remoção da carbonácea em sistemas de lodos ativados 29</p><p>DECANTADOR 3.2. REPRESENTAÇÃO DO SUBSTRATO E DOS SÓLIDOS REATOR SECUNDÁRIO AFLUENTE EFLUENTE Xo Xe So 3.2.1. Representação dos sólidos microbianos (biomassa) S Para maior clareza e auto-suficiência, repetem-se no presente item alguns tópicos abrangidos no Item 1.5 do Capítulo 3 do Volume 2 da série (von Sperling, 1996b). A unidade de massa das células microbianas é normalmente expressa em termos de sólidos em suspensão (SS), uma vez que a biomassa é constituída de sólidos que S se encontram suspensos no reator (no caso de crescimento disperso). Entretanto, nem Qr toda a massa de sólidos participa da conversão do substrato orgânico, havendo uma Qex LODO RECIRCULAÇÃO EXCEDENTE fração inorgânica que não desempenha funções em termos do tratamento biológico. Assim, a biomassa é também expressa em termos de sólidos em = vazão de recirculação suspensão voláteis (SSV). Estes representam a fração orgânica da biomassa, já que Qex vazão de lodo excedente a matéria orgânica pode ser volatilizada, ou seja, convertida a gás por combustão (oxidação). concentração de sólidos em suspensão no lodo recirculado (mg/l ou No entanto, nem toda a fração orgânica da biomassa é ativa (Eckenfelder, 1980; Fig. 3.3. Reator biológico com recirculação de sólidos (sistema de lodos ativados) Marais & Ekama, 1976; Grady & Lim, 1980; IAWPRC, 1987). Assim, os sólidos em suspensão voláteis podem ser ainda divididos em uma fração ativa e uma fração não ativa. A fração ativa é a que tem real participação na estabilização do substrato. A valor de é mais elevado que o de X, ou seja, o lodo recirculado possui uma principal limitação à utilização dos sólidos ativos no projeto e controle operacional de maior concentração de sólidos em suspensão, o que possibilita aumentar a concen- uma estação relaciona-se à dificuldade da sua medição. Existem processos indiretos, tração de SS no reator. baseados em DNA, ATP, proteínas e outros, mas nenhum se compara à simplicidade A recirculação dos sólidos pode ser feita via bombeamento do lodo do fundo do da determinação direta dos sólidos em suspensão voláteis. decantador secundário (sistemas de fluxo contínuo) ou através de outros procedi- Além da consideração da atividade da biomassa, os sólidos podem ser inter- mentos operacionais de retenção de sólidos no reator (sistemas de fluxo intermitente). pretados também com relação à sua biodegradabilidade. Nem todos os sólidos em Na Figura 3.3 existe ainda uma outra linha de fluxo, correspondente ao lodo suspensão voláteis são biodegradáveis, havendo uma fração biodegradável e uma excedente. Tal se enquadra dentro do conceito de que a produção de biomassa (cres- fração não biodegradável dos sólidos cimento bacteriano) deve ser compensada por um descarte em quantidade equivalente Em resumo, adota-se a seguinte distribuição dos sólidos em suspensão no reator: à produção, para que o sistema se mantenha em equilíbrio. Caso não houvesse este descarte, a concentração de sólidos no reator iria aumentando progressivamente, estes sólidos iriam sendo transferidos para o decantador secundário, até um ponto em que decantador tornar-se-ia sobrecarregado. Nesta situação, o decantador não mais seria capaz de transferir os sólidos para o fundo, e o nível da manta de lodo no mesmo iria se elevando, até um ponto em que os sólidos começariam a sair no efluente, deteriorando a sua qualidade. Assim, em termos simplificados, pode-se dizer que a produção diária de sólidos (ver Item 3.3) deve ser contrabalançada pelo descarte de uma quantidade equivalente (massa por unidade de tempo). lodo excedente pode ser descartado da linha de recirculação (como mostrado na Figura 3.3) ou diretamente do reator. A destinação do lodo excedente é normalmente (a) o encaminhamento para decantador primário, onde se integrará ao lodo primário, sofrendo tratamento conjunto com mesmo (em estações menores), ou (b) o encaminhamento separado para o tratamento da fase sólida. 30 Lodos Ativados Principios da remoção da matéria carbonácea em sistemas de lodos ativados 31</p><p>Quanto à fração orgânica do que a DBO afluente, devido à elevada concentração de matéria orgânica em suspensão representada pela população microbiana. A qualidade do efluente final Solidos em suspensão inorgânicos do sistema de tratamento depende de (a) DBO solúvel: desempenho do reator; (b) (fixos) ou X) Quanto a biodegradabilidade: DBO em suspensão: desempenho da unidade de decantação final. Sólidos em suspensão Solidos em biodegradáveis (SSb ou Xb) suspensão totais No presente texto, adota-se a DBO5 como variável representativa da matéria (SS ou X) Sólidos em suspensão inertes ou não biodegradáveis carbonácea, em consonância com a maior parte da literatura mundial e nacional. No (SSnb ou Xnb) entanto, modelos mais recentes têm se baseado na DQO. Os princípios básicos são Solidos em suspensão orgânicos (SSV ou Xv) mesmos, devendo ser alterados apenas os valores dos coeficientes e das taxas de Quanto à atividade: processo. Sólidos em suspensão ativos (SSa ou Xa) Sólidos em suspensão 3.3. PRODUÇÃO DE SÓLIDOS BIOLÓGICOS não ativos (SSna ou Xna) Um maior detalhamento desta distribuição encontra-se no Item 3.8. 3.3.1. Produção bruta (em função do substrato) 3.2.2. Representação da matéria carbonácea crescimento bacteriano se processa em decorrência da remoção de substrato. Quanto mais alimento for assimilado, maior a taxa de crescimento bacteriano. Tal A matéria orgânica pode ser considerada como sendo parte em solução, relação pode ser expressa como: correspondente aos sólidos orgânicos dissolvidos (em sua maioria rapidamente e parte em suspensão, relativa aos sólidos suspensos no meio taxa de crescimento = Y. (taxa de remoção de substrato) líquido (lentamente biodegradáveis). Em termos da matéria carbonácea, o presente texto adota a DBO5 como a variável representativa do Em decorrência, são ou adotadas as seguintes formas de representação do substrato (matéria Substrato afluente So afluente). Representa a DBO5 total (DBO solúvel + = Y dt (3.1) dt DBO em suspensão) afluente ao reator. Mesmo em sistemas dotados de decantação primária, em torno de 1/3 dos sólidos onde: em suspensão não são removidos nesta etapa, adentrando o reator. Neste, os sóli- dos em suspensão são adsorvidos ao floco, e convertidos em sólidos solúveis pelo X, = concentração de sólidos em suspensão SSV mecanismo da hidrólise, sofrendo após tal as reações de oxidação. Portanto, tanto Y = coeficiente de produção celular (massa de sólidos em suspensão voláteis os sólidos solúveis quanto os sólidos em suspensão afluentes ao reator devem ser produzidos por unidade de massa de DBO removida) (g/g) computados como substrato afluente a ser removido. = concentração de DBO5 total afluente = concentração de DBO5 solúvel efluente Substrato efluente S efluente). Representa a DBO5 solúvel efluente do = reator. tempo (d) Muito embora o efluente do reator possa conter uma elevada concentração de Observa-se haver, portanto, uma relação linear entre a taxa de crescimento bac- sólidos em suspensão (sólidos biológicos constituintes da biomassa), estes sólidos teriano e a taxa de utilização de substrato, ou de remoção da DBO. são posteriormente removidos na etapa posterior de decantação (ex: decantação valor de Y pode ser obtido em testes de laboratório com o esgoto a ser tratado. secundária ou lagoas de decantação). No dimensionamento do reator, não há sentido Para o tratamento aeróbio de esgotos domésticos, o Y para as bactérias hetero- em se computar a DBO total efluente do mesmo, pois esta pode ser muito maior tróficas responsáveis pela remoção da matéria carbonácea varia de: 32 Lodos Ativados Principios da remoção da matéria carbonácea em sistemas de lodos ativados 33</p><p>Y: 0,4 a 0,8 g SSV/g DBO5 removida S (3.3) sendo a faixa de 0,5 a 0,7 g/g mais comum. Outros sistemas podem ter diferentes valores de Y. A estabilização anaeróbia de substratos orgânicos libera menos energia e, portanto, o valor do coeficiente Y taxa de crescimento específico máxima é menor, indicando uma menor produção de biomassa. As bactérias nitrificantes concentração do substrato limitante (autotróficas quimiossintetizantes) não extraem a sua energia do carbono orgânico, constante de saturação, a qual é definida como a concentração do substrato mas da oxidação de compostos inorgânicos. Assim, elas também apresentam menores para a qual (g valores de Y comparados com os organismos heterotróficos (Arceivala, 1981). Os valores de e usualmente utilizados na modelagem matemática de 3.3.2. Produção bruta (em função da concentração de biomassa) sistemas aeróbios são (Metcalf & Eddy, 1991): o texto a seguir encontra-se apresentado de forma mais detalhada no Item 5.3.1 do Capítulo 3 do Volume 2 desta série (von Sperling, 1996b). crescimento bacteriano pode ser expresso em função da própria concentração de bactérias em um dado instante no reator. A taxa de crescimento líquido é igual à taxa de crescimento bruto menos a taxa de mortandade das bactérias. 25 a 100 A taxa de crescimento bruto de uma população bacteriana é função do seu massa ou concentração em um dado instante. Matematicamente, tal relação pode ser expressa como: 3.3.3. Decaimento bacteriano dX As relações apresentadas no item anterior correspondem ao crescimento bruto dt (3.2) da biomassa. No entanto, como as bactérias permanecem no sistema de lodos ativados por mais de um ou dois dias, passa a atuar também a etapa de metabolismo Tal implica em que parte do material celular seja destruído por alguns dos onde: mecanismos atuantes na etapa de respiração endógena. Para se obter a taxa líquida de crescimento, deve-se descontar, portanto, esta perda, a qual é também função da = concentração de biomassa no reator, representada por SSV ou massa de bactérias. A rigor, deve-se considerar apenas a fração = taxa de crescimento específica biodegradável da biomassa, já que a fração orgânica inerte, não biodegradável, não t = tempo (d) sujeita ao decaimento bacteriano. A taxa de decréscimo pode ser expressa como uma reação de primeira ordem A taxa de crescimento, tal como expressa pela Equação 3.2, é para o crescimento da forma: sem limitação de No entanto, o crescimento bacteriano é função da disponibilidade de substrato no Quando o substrato apresenta-se em baixa concentração, a taxa de crescimento é proporcionalmente reduzida. A matéria (3.4) carbonácea é, no tratamento de esgotos, usualmente o fator limitante do crescimento. A taxa de crescimento específico deve ser expressa, portanto, em função da concentração de substrato. Monod, em seus clássicos estudos com culturas bacterianas, apresentou tal relação segundo a seguinte fórmula empírica: concentração de SSV biodegradáveis (mg/l) coeficiente de respiração endógena Para o tratamento aeróbio de esgotos domésticos típicos, varia segundo a seguinte faixa: 34 Lodos Ativados Principios da remoção da matéria carbonácea em sistemas de lodos ativados 35</p><p>0,06 a 0,10 mgSSV/mgSSV.d técnicos, usualmente direcionados para lodos ativados do tipo convencional. No entanto, a sua inclusão é importante no sentido de se obter um modelo unificado, 3.3.4. Produção líquida para lodos ativados convencional, quanto para aeração prolongada. Tal se deve fato de que a fração biodegradável fb assume valores diferentes em cada situação endógena Ao se incluir (Equação os termos 3.4), a da produção produção líquida bruta de de sólidos sólidos (Equação passa a ser: 3.1) e da respiração (como explicado no Item 3.8). Ainda como da utilização do conceito da fração biodegradável, deve-se atentar para o fato de que os valores de apresentados no presente texto Crescimento bacteriano expresso em termos da taxa de remoção de pressupõem a utilização deste conceito. Outros textos, que não utilizam fb, usualmente apresentam valores de ligeiramente inferiores. dt dt (3.5) Exemplo 3.1 Crescimento bacteriano expresso em termos da concentração de biomassa: Calcular a produção de sólidos em um reator de lodos ativados, nas seguintes condições: dX, = dt (3.6) DBO total afluente: So = 200 mg/l DBO efluente: S = 10 mg/l tempo de detenção hidráulica no reator: 0,2 d ou volume do reator: V = 8.000 m3 concentração de sólidos em suspensão voláteis no reator: Xy = 3.000 mg/l dX, dt S coeficiente de produção celular: Y = 0,7 mgSSV/mg removida (3.7) coeficiente de respiração endogena: Kd = 0,08 fração biodegradável: fb 0,72 (assumido a correta determinação de fb encontra-se no Item 3.8) Em condições finitas de tempo, a Equação 3.5 pode ser reescrita da seguinte maneira, para representar a produção de sólidos por unidade de tempo: Solução: A X At = Y. t Através da Equação 3.8: (3.8) AX gSSV 1 = 0,7 (200-10) 0,08 At 0,2d As Equações e são utilizadas na forma de derivada em modelos dinâmicos do sistema de lodos ativados (ver Item 6, Capítulo 3, Volume 2 da série). gSSV 0,72 .3000 Apesar de se estar lidando com duas variáveis aparentemente diferentes (X, e Xb) gSSV nas equações acima, deve ficar claro que a parcela da produção é realmente relativa aos sólidos voláteis totais e a parcela da destruição diz respeito apenas aos só- lidos voláteis à degradação, ou seja, sólidos biodegradáveis (Xb). Como ou apresentado no Item 3.8, a concentração de Xb pode ser obtida multiplicando-se X, por um fator (fb), que representa a fração biodegradável dos sólidos em suspensão Assim, o conceito de fração biodegradável é omitida em diversos 36 Lodos Ativados Principios da remoção da matéria carbonácea em sistemas de lodos ativados 37</p><p>Independentemente da existência ou não de recirculação, pode-se utilizar o con- ceito da idade do lodo. Desta maneira, tem-se os dois casos (Arceivala, 1981): Como o volume do reator é de 8.000 a produção líquida global é: Reator de mistura completa, sem recirculação (Figura 3.1) 0,492 Tempo de detenção hidráulica Portanto, a produção líquida de sólidos biológicos no sistema (expressos V (3.10) como SSV), em função da utilização do substrato, é de 3936 kgSSV por Nos cálculos acima, observa-se que 665 é a produção bruta e 173 g/ Q é a destruição por respiração endógena. A produção líquida é aproxi- madamente 74% da produção bruta. Idade do lodo = (3.12) 3.4. TEMPO DE DETENÇÃO HIDRÁULICA E TEMPO DE RESIDÊNCIA CELULAR Num sistema com recirculação de sólidos, como o de lodos ativados, os sólidos ou são separados e concentrados no decantador secundário, retornando posteriormente ao reator. o líquido, por outro lado, apesar da recirculação (a qual é interna ao sistema), (3.13) não sofre variação quantitativa, a menos da retirada da vazão de lodo excedente, a qual pode ser considerada desprezível no cômputo geral (Qex 0). Portanto, o que se retém no sistema são apenas os sólidos, devido à separação e Assim, os sólidos permanecem mais tempo no sistema do que o líquido, o que gera a necessidade da caracterização dos conceitos de tempo de residência celular e tempo Comparação de t com de detenção hidráulica. (3.14) tempo de detenção hidráulica t é dado por: tempo de detenção hidráulica = volume de líquido no sistema Assim, num sistema de mistura completa sem recirculação, a idade do lodo é volume de líquido retirado do sistema por unidade de tempo (3.9) igual ao tempo de detenção hidráulica. Como o volume de líquido que entra é o mesmo que sai, pode-se Reator de mistura completa, com recirculação (Figura 3.3) Tempo de detenção hidráulica V = (3.10) V (3.10) t Da mesma forma, o tempo médio de residência celular (ou tempo de retenção celular, ou ainda idade do lodo), é dado por: idade do lodo massa de sólidos no sistema = massa de sólidos retirada do sistema por unidade de tempo (3.11) 38 Lodos Ativados Principios da remoção da matéria em sistemas de lodos ativados 39</p><p>Idade do lodo 1</p><p>Analisando-se as Equações 3.20 e 3.21, observa-se que ambas são similares, e que: A influência dos sólidos do esgoto afluente foi desconsiderada. Esta é uma hipótese simplificadora adotada na maioria dos textos, mas pode se afastar da realidade, principalmente em sistemas de aeração prolongada (sem decantação primária e (3.22) com menor produção de sólidos biológicos). Nos dimensionamentos efetuados no Capítulo 8, os SS do esgoto afluente são levados em consideração, aproximando-se mais da realidade de uma estação de tratamento de esgotos. Caso se leve o decaimento por respiração endógena em consideração, a fórmula anterior pode ser expressa como: Valores típicos da idade do lodo são: 1 lodos ativados convencional: a 10 dias = (3.23) aeração prolongada: 18 a 30 dias Já o tempo de detenção hidráulica varia em torno de: Em toda a análise deste item, foram adotadas as seguintes hipóteses simplifica- doras: lodos ativados convencional: 6 a 8 horas 0,3 dias) As reações ocorrem apenas no As reações de oxidação da aeração prolongada: = 16 a 24 horas (0,67 a 1,0 dias) matéria orgânica e de crescimento celular no decantador secundário podem ser desprezadas, quando comparadas com as que ocorrem no reator. erro decorrente desta simplificação pode ser considerado como desprezível. Exemplo 3.2 A biomassa é assumida como estando presente apenas no reator. No cálculo da Calcular a idade do lodo no sistema de lodos ativados descrito no Exemplo idade do lodo, foram desconsiderados os sólidos presentes no decantador secundário 3.1. Dados: e na linha de recirculação. Tal é apenas uma questão de convenção, e normalmente se considera apenas a massa no reator devido à maior simplicidade associada a este procedimento (medição apenas da concentração de SS no reator). Caso se incorpore também o componente da massa de sólidos presente no decantador secundário, tal = (calculado no Exemplo 3.1) deve ser explicitado claramente ao se apresentar o valor da idade do lodo. = 3936 kgSSV/d (calculado no Exemplo 3.1) A operação se processa segundo estado Esta hipótese é grande- mente simplificadora da real situação que ocorre em uma estação de tratamento Solução: de esgotos, em que o verdadeiro estado estacionário nunca chega a ocorrer. A contínua variação das características do afluente (ao longo das horas do dia) Pela Equação 3.20: por si só já é responsável pela predominância do estado dinâmico na operação, com a ocorrência de acúmulos de massa no reator e decantador No V.X, = = entanto, caso se analise o sistema numa ampla escala de tempo, estas variações passam a ter menor importância. Assim, pode-se dizer que, para efeito de projeto ou planejamento da operação em longos horizontes, a hipótese do estado permanente pode ser aceita. Por outro lado, para a operação da estação numa escala de curto ou prazo, a predominância do estado dinâmico deve ser levada em consideração, e as relações acima não podem ser usadas como tal. No estado dinâmico, a massa de = 3 lodo produzido não é igual à massa descartada, o que altera a interpretação do At 0,492 kgSSV.d conceito da idade do Como comparação, no mesmo Exemplo 3,1, tempo de detenção é de 0,2 dias, ou 4,8 horas. 42 Lodos Ativados Principios da remoção da matéria em sistemas de lodos ativados 43</p><p>3.5. TEMPO DE VARRIMENTO CELULAR Sistemas de biomassa suspensa, sem recirculação o tempo que uma célula bacteriana permanece no sistema de tratamento (0c) deve ser superior ao tempo necessário para a mesma se duplicar. Caso contrário, a célula Neste caso, (=t) deve ser maior que ou igual a Tal condição deve ser será varrida do sistema antes que tenha tido tempo de se multiplicar, conduzindo a satisfeita no caso, por exemplo, de lagoas aeradas de mistura completa. Nestas, uma progressiva redução da concentração de biomassa no reator, até o colapso do essencial assegurar-se que o tempo de detenção hidráulica mínimo não seja inferior ao tempo de duplicação da bactéria, em condições de temperatura crítica. Como visto no Capítulo 1 do Volume 2 (von Sperling, 1996b), as bactérias se No dimensionamento de unidades como lagoas em série, o tamanho mínimo de reproduzem por fissão binária, sendo a taxa de crescimento expressa pela Equação cada lagoa é ditado por este aspecto. 3.24: Sistemas de biomassa suspensa, com recirculação > = dt (3.24) Nestes sistemas, a vazão de recirculação pode ser ajustada, de forma a manter enquanto o tempo de detenção hidráulica t pode ser mantido mínimo (mínimo ou volume do reator). Conseqüentemente, a recirculação do lodo torna-se uma maneira de se aumentar sem necessariamente aumentar-se t. (3.25) Para a remoção da matéria carbonácea, o tempo de residência celular das bacté- rias heterotróficas é usualmente bem superior ao tempo mínimo. Para a oxidação da A integração desta equação dentro dos limites de 0 e t conduz a: amônia, no entanto, deve-se ter maior cuidado no projeto, já que a taxa de reprodução das bactérias nitrificantes é bem lenta, e elas correm o risco de ser varridas do sistema caso a vazão afluente aumente substancialmente, ou caso a sua taxa de reprodução (3.26) se reduza, devido a alguma restrição onde: 3.6. RELAÇÃO ALIMENTO/MICRORGANISMO = número, ou concentração de bactérias num tempo t Um relação amplamente utilizada pelos projetistas e operadores de estações de = ou concentração de bactérias no tempo t = 0 tratamento (dentro de certos limites) é a assim chamada carga de lodo, ou relação A/M (alimento/microrganismo), ou ainda F/M (food-to-microorganism ratio). Tal Esta é a fase de crescimento exponencial, a qual, se plotada num papel logarítmico, baseia-se no conceito de que a quantidade de alimento ou substrato disponível por fornece uma reta. tempo de duplicação é aquele em que ou seja: unidade de massa dos microrganismos é relacionada com a eficiência do sistema. Assim, pode-se entender que, quanto maior a carga de DBO fornecida a um valor In (3.27) unitário de biomassa (elevada relação A/M), menor será a eficiência na assimilação deste substrato mas, por outro lado, menor será também o volume requerido para Assim, o tempo de duplicação tdup é dado por: o reator. Inversamente, quanto menos DBO for fornecida às bactérias(baixa rela- ção A/M), maior será a avidez pelo alimento, implicando numa maior eficiência In2 0,693 na remoção da DBO, conjuntamente com o requisito de um maior volume para o (3.28) reator. Na situação em que a quantidade de alimento fornecida é bem baixa, passa a prevalecer o mecanismo de respiração endógena, característico dos sistemas de aeração prolongada. As considerações aqui são também distintas para os sistemas com e sem recirculação (Arceivala, 1981): A carga de alimentos fornecida é dada por: A (3.29) 44 Lodos Ativados Princípios da remoção da matéria em sistemas de lodos ativados 45</p><p>ao passo que a massa de microrganismos é calculada como: A rigor, a relação A/M não tem nenhuma correspondência com a remoção da matéria orgânica que realmente ocorre no reator, já que A/M se constitui apenas na M = (3.30) representação da carga aplicada (ou disponível). A fórmula que expressa a relação entre o substrato disponível e o removido é a da taxa de utilização de substrato (U). onde: Nesta, ao invés de se incluir apenas So, inclui-se a relação So-S: Q = vazão afluente So = concentração de DBO5 afluente (3.33) V = volume do reator = concentração de sólidos em suspensão onde: Desta forma, a relação A/M é expressa como: S = concentração de DBO5 efluente A M V.Xv (3.31) Assim, pode-se dizer que: U = (A/M).E (3.34) onde: onde: A/M = carga de lodo (gDBO5 fornecidos por dia/g SSV) E = eficiência do sistema na remoção de substrato = A relação A/M é por vezes expressa em termos de sólidos em suspensão totais (SST), ao invés de SSV. Deve-se ter sempre precaução ao se analisar valores, para não Devido ao fato de que as eficiências de remoção de substrato nos sistemas de se misturar notações e formas de expressão. Há uma relação entre SSV e SS, a qual lodos ativados são elevadas, próximas à unidade, pode-se dizer que U A/M. é função da idade do lodo. Elevadas idades do lodo implicam em maiores remoções da fração orgânica, representada pelos sólidos em suspensão fazendo com A relação A/M assume geralmente os seguintes valores: que seja menor a relação SSV/SS. No Item 3.8 apresenta-se a metodologia para determinação da relação SSV/SS em um sistema de lodos ativados, em função da idade do Em termos gerais, tem-se as seguintes faixas de valores médios: lodos ativados convencional: A/M = 0,3 a 0,8 aeração prolongada: A/M = 0,08 a 0,15 lodos ativados convencional: SSV/SS = 0,70 a 0,85 aeração prolongada: SSV/SS = 0,60 a 0,75 Atualmente, para o dimensionamento do volume do reator, se utiliza mais o conceito da idade do lodo do que o da relação A/M. No entanto, pelo fato de A/M haver sido amplamente utilizado ao longo de décadas, constando de diversas A relação Q/V na Equação 3.31 pode ser substituída por 1/t, permitindo uma outra referências e devido também à sua simplicidade, é interessante o seu maneira de se apresentar a relação A/M: conhecimento. Analisando-se a Equação 3.33 vê-se que, uma vez definido um valor de projeto para A/M (ou U), adotado um valor para e conhecidas a vazão Q e as concentrações A (3.32) afluente e efluente S (desejada) de DBO, pode-se calcular o volume necessário = M para o reator. o rearranjo da fórmula conduz a: 46 Lodos Ativados da remoção da matéria em sistemas de lodos ativados 47</p><p>(3.35) Exemplo 3.4 Calcular o volume do reator de um sistema de lodos ativados tipo prolongada, sendo dados: ) Exemplo 3.3 ilustra a utilização dos conceitos de A/M e U para a análise da de operação de uma estação existente, enquanto o Exemplo 3.4 apresenta U U = 0,12 (adotado) ) um parâmetro de projeto, para o cálculo do volume do reator. = (dado de projeto) So = 340 mg/l (dado de projeto) S = 5 mg/l (desejado) Exemplo 3.3 Xv = 3.500 mg/l (adotado) Calcular os valores de A/M e U no sistema de lodos ativados descrito no Exemplo 3.1. Dados: Solução: So = 200 Pela Equação 3.35: 335 S = 10 = 0,2 d / (340 = 3988 m = 3.000 3.500gSSV 12kgDBO4 / kgSSV.d Solução: a) Cálculo de A/M 3.7. RELAÇÃO ENTRE A TAXA DE UTILIZAÇÃO DO Pela Equação 3.32: SUBSTRATO (U) E A IDADE DO LODO No estado estacionário, não há acúmulo de sólidos no sistema, fazendo com q A = So = a seguinte relação seja válida: M 0,2 3000 gSSV taxa de produção de sólidos = taxa de remoção de sólidos A/M 0,33 kgDBO5/kgSSV.d (lodo biológico gerado) = (lodo excedente descartado) b) Cálculo de U Pela Equação 3.8, tem-se: Pela Equação 3.33, substituindo Q/V por 1/t: (3.3 M = gSSV / At Na Equação 3.8, o termo foi representado como Xb (concentração de SS biodegradáveis). Ver o Item 3.8 para o conceito de fb (fração biodegradável d sólidos em suspensão Comparando-se com o Exemplo 3.2. vê-se que, neste caso, a taxa de Dividindo-se por utilização de substrato U igual a corresponde a uma idade do lodo de 6.1 dias. Esta idade do lodo pode ser também obtida como mostrado no Exemplo 3.5 (Item 3.7). (3.3 Lodos Ativados Princípios da remoção da matéria carbonácea em sistemas de lodos ativados</p><p>o primeiro membro da Equação 3.37 é, segundo a Equação 3.20, igual a Assim: (3.38) termo entre parênteses é, segundo a Equação 3.33, a taxa de utilização de Este valor de igual a 6,1 d foi o mesmo obtido no Exemplo 3.2. substrato (U). Portanto, no estado estacionário, tem-se: As Equações 3.39 e 3.40 são apresentadas em diversos textos sem a fração biode- Y.U (3.39) gradável fb. Nestes casos, o decaimento bacteriano é expresso diretamente em termos dos sólidos em suspensão No entanto, na realidade, apenas a fração biodegradável dos SSV é sujeita à degradação por respiração endógena. Assim, o Como U=(A/M).E, a Equação 3.39 pode ser também expressa como: correto é se expressar o decaimento em termos de ou de já que A razão da consideração de Xb é reforçada ainda pela seguinte consideração. Em sistemas com uma idade do lodo elevada, como na aeração prolongada, caso se houvesse representado as Equações 3.39 e 3.40 sem fb, poder-se-ia gerar certas inde- (3.40) terminações (não aparentes nos textos convencionais, pelo fato da maior parte destes se dedicar aos lodos ativados com idade do lodo convencional). Ao se substituir Y e por valores típicos expressos na literatura, e ao se adotar valores de A/M represen- As Equações 3.39 e 3.40 permitem, portanto, correlacionar e U (ou A/M) nos tativos da aeração prolongada, obtém-se um valor negativo para (produção líquida sistemas de lodos ativados, uma vez adotados os valores dos coeficientes Y e Kd. de lodo negativa). Tal incongruência ocorre devido ao fato de que os valores de Y e Assim, conhecido pode-se calcular U (ou A/M), ou vice-versa. expressos na literatura dizem respeito principalmente a determinações efetuadas para sistemas de lodos ativados convencional. Uma solução para tal problema é a adoção de valores dos coeficientes advindos de testes de laboratório nas condições Exemplo 3.5 operacionais próximas às esperadas na prática. A principal discrepância encontrada nos sistemas com uma elevada idade do lodo se deve ao fato de que, dada a baixa Calcular a idade do lodo para o sistema de lodos ativados convencional do disponibilidade de substrato prevalecente no meio, ocorre uma predominância da Exemplo 3.3, onde se obteve U Os dados são também respiração endógena, o que faz com que a fração biodegradável dos sólidos voláteis os mesmos do Exemplo 3.1, ou seja: decresça. Assim, quanto maior a idade do lodo, maior a fração inerte dos sólidos (em razão da própria digestão aeróbia que ocorre no reator) e, em decorrência, menor a Y = 0,7 gSSV/gDBO5 removida fração biodegradável. o cálculo de fb encontra-se apresentado no Item 3.8. = A seleção do valor de deve também refletir o tipo de representação da biomassa. fb = 0,72 Os valores de usualmente reportados na literatura dizem respeito ao decaimento de Neste texto, ao se representar o decaimento em termos dos sólidos biode- Solução: gradáveis, Kd assume valores mais elevados que os usuais da literatura, já que será Através da Equação 3.39, tem-se: posteriormente multiplicado por fb. Em um sistema de lodos ativados convencional, ao se multiplicar os valores propostos de fb e Kd, obtém-se resultados correspondentes aos valores usuais de na literatura. A presente abordagem, apresentada por Eckenfelder (1989), permite a generali- zação do sistema de lodos ativados, tanto para a modalidade convencional, quanto para a aeração prolongada. Há ainda modelos mais sofisticados, como os da IAWPRC 50 Lodos Ativados da remoção da matéria carbonácea em sistemas de lodos ativados 51</p><p>(1987) e IAWQ (1995), os quais, devido à sua complexidade, fogem ao escopo Para diversos valores de e da idade do lodo, o Quadro 3.1 apresenta os valores mais introdutório deste de fb resultantes da aplicação da Equação 3.43. 3.8. DISTRIBUIÇÃO DOS SÓLIDOS NO TRATAMENTO Quadro 3.1. Fração biodegradável dos SSV (fb) de acordo com a Equação 3.43, para diversos valores de e Como já visto, os sólidos em suspensão totais são compostos de uma fração inorgânica (fixa) e de uma fração orgânica (volátil) 0c (dias) Kd (3.41) 4 0,77 0,76 0,75 0,74 8 0,74 0,72 0,70 0,68 Por outro lado, uma outra divisão deve ser ainda estabelecida, devido ao fato de 12 0,71 0,68 0,66 0,63 que nem todos os sólidos em suspensão voláteis são biodegradáveis. Nos sólidos 16 0,69 0,65 0,62 0,59 há uma fração que é não biodegradável (inerte) (Xnb), resultante do resíduo 20 0,67 0,63 0,59 0,56 da respiração endógena, e uma fração biodegradável Assim, tem-se: 24 0,65 0,60 0,56 0,52 28 0,63 0,57 0,53 0,50 (3.42) 32 0,61 0,55 0,51 0,47 Os valores de fb são utilizados em diversas fórmulas, tais como as relacionadas à A recirculação do lodo conduz a uma acumulação, tanto da fração inorgânica produção de lodo, consumo de oxigênio pela biomassa e demanda de oxigênio pelos quanto da fração não biodegradável no sistema, já que as mesmas não são sólidos em suspensão no efluente. afetadas pelo tratamento biológico. Quanto maior a idade do lodo, menor é a relação Os valores apresentados no Quadro 3.1 dizem respeito apenas aos sólidos bio- Tal pode ser entendido ainda pelo fato de que nas maiores idades do lodo lógicos produzidos no reator. o esgoto bruto contribui também com sólidos fixos e predomina a respiração endógena, com maior auto-oxidação do material celular, ou não biodegradáveis e biodegradáveis. Valores aproximados das principais seja, uma estabilização do próprio lodo. relações no esgoto bruto são (WEF/ASCE, 1992; Metcalf & Eddy, 1991): Eckenfelder (1989) comenta que, dos sólidos voláteis logo após serem produzidos cerca de 20% são inertes e 80% são biodegradáveis. Com a sua permanência Esgoto bruto: no reator a relação decresce. A relação (= fb) pode ser expressa como (Eckenfelder, 1989): SSV/SST = 0,70 - 0,85 SS;/SST = 0,15 0,30 (3.43) 0,6 = 0,4 onde: fb = fração biodegradável dos SSV gerados no sistema submetidos a A carga relativa à contribuição destes sólidos do esgoto bruto deve ser levada uma idade do lodo em consideração, principalmente as frações inorgânica e não biodegradável, as = fração biodegradável dos SSV imediatamente após a sua geração no quais não sofrem transformações na etapa biológica. A carga dos sólidos biode- sistema, ou seja, com = 0. Tal valor é tipicamente igual a 0,8 (= 80%). gradáveis não necessita ser levada em consideração separadamente, já que estes sólidos serão adsorvidos nos flocos biológicos no reator, onde serão hidrolisados e posteriormente degradados, gerando novos sólidos biológicos e um consumo 52 Lodos Ativados Principios da remoção da matéria carbonácea em sistemas de lodos ativados 53</p><p>de oxigênio. Como essa contribuição já é incluída nos sólidos biológicos gerados Em decorrência, a produção de sólidos fixos é: devido à DBO afluente, os SSb do esgoto bruto não necessitam ser computados se- paradamente. Em sistemas com decantação primária, deve-se descontar a fração dos Pxi Px bruta bruta (3.48) sólidos do esgoto bruto que são removidos por sedimentação, e que não adentram o reator biológico. A fração ativa dos sólidos ou seja, aquela que é realmente responsável Nem todos os sólidos produzidos são biodegradáveis. Imediatamente após pela degradação da matéria orgânica carbonácea, é dada por (IAWPRC, 1987; WPCF/ a produção a carga de sólidos biodegradáveis produzidos é igual ao produto ASCE, 1992): dos sólidos voláteis produzidos (Pxv) pela fração de biodegradabilidade dos sólidos recém formados (fb'). Foi visto acima que valores típicos de estão em torno de 0,8. A determinação pura desta carga de sólidos biodegradáveis recém formados tem (3.44) pouco valor prático, já que os sólidos sempre permanecem no reator por um tempo maior do que A título de ilustração, apresenta-se a fórmula para o seu cálculo: onde: Pxb recém formados = (3.49) fração ativa dos sólidos em suspensão voláteis Devido ao tempo de permanência dos sólidos no reator (0c), a fração de biodegra- A fração fa pode ser também expressa como: dabilidade fb diminui. Assim, a produção bruta de sólidos biodegradáveis submetidos a um tempo de detenção é igual a Pxv bruta vezes a fração de biodegradabilidade (3.45) fb. Como visto acima, fb é função de (Equação 3.43). Alguns modelos matemáticos (IAWPRC, 1987) expressam a cinética da remoção da matéria orgânica carbonácea em termos dos sólidos em suspensão ativos. No bruta (3.50) entanto, no presente livro se adota a versão mais convencional de se expressar os sólidos por meio de SSV. A produção de sólidos voláteis não biodegradáveis (inertes ou endógenos) é obtida Durante o tratamento, há a criação e destruição de sólidos. Apresentam-se a por diferença entre a produção bruta de e a produção bruta de seguir as diversas fórmulas relacionadas à criação e destruição dos vários tipos de sólidos presentes no reator (excluindo-se os sólidos do esgoto afluente). A produção bruta de sólidos em suspensão (Pxv) é advinda da multipli- (3.51) cação do coeficiente específico de produção celular pela carga de DBO5 removida: Caso se deseje calcular a produção bruta da fração ativa dos sólidos = esta é dada por: (3.46) Dos sólidos em suspensão recém formados no reator, aproximadamente 90% são (3.52) orgânicos e 10% são inorgânicos (fixos) (Metcalf & Eddy, 1991). Assim, nos sólidos biológicos recém formados, tem-se a relação SSV/SST=0.9. Com esta Devido à respiração endógena, parte dos sólidos biodegradáveis é destruída relação, pode-se estimar a carga de SST recém produzido (produção bruta de sólidos no reator. A carga de sólidos biodegradáveis destruídos é função da idade do lodo, sem incluir a destruição): sendo dada por: Pxb destruída = (3.53) bruta (3.47) 54 Lodos Ativados Principios da remoção da matéria carbonácea em sistemas de lodos ativados 55</p><p>A produção líquida de sólidos biodegradáveis é, portanto: Caso se deseje levar em consideração os sólidos presentes nos esgotos afluente deve-se acrescentar a cada uma das cargas de sólidos biológicos produzidos a carg dos sólidos afluentes (sólidos inorgânicos e sólidos não biodegradáveis). Com (3.54) comentado acima, não é necessário somar a contribuição dos sólidos do esgoto afluente, devido ao fato de que os mesmos já se encontram incluídos A produção líquida de sólidos é igual à produção líquida de sólidos bio- DBO afluente, a qual compreende tanto as frações de DBO5 solúvel e DBO5 e degradáveis mais a produção de sólidos orgânicos não biodegradáveis: suspensão (esta resultante dos sólidos biodegradáveis afluentes). Assim, transformação da DBO5 total em sólidos biodegradáveis já incorpora, indiretament (3.55) a contribuição dos sólidos biodegradáveis do esgoto afluente. o Exemplo 3.6 sintetiza as relações descritas acima, para sistemas de lod ativados convencional e para aeração prolongada, respectivamente. Para efeito A produção líquida de sólidos voláteis pode ser obtida também através da comparação, o ponto de partida em ambos os casos é a remoção de uma carga utilização do conceito da produção específica observada (Yobs). Yobs já leva em DBO igual a 100 kgDBO5/d. Assim, os valores de produção e destruição, bem como consideração a destruição dos sólidos biodegradáveis, sendo expresso por meio de: distribuição dos sólidos, encontram-se referenciados a um valor de 100 unidades. E ambas as situações, analisam-se apenas os sólidos biológicos formados no reator, Y se levando em consideração a contribuição dos sólidos do esgoto afluente. A (3.56) dos sólidos afluentes é analisada no Item 3.19 e nos exemplos do Capítulo 8. Assim, a produção líquida de SSV pode ser também dada por: Exemplo 3.6 (3.57) Calcular a distribuição dos sólidos em suspensão no reator dos sistemas de tratamento: (a) lodos ativados convencional, com idade do lo A produção líquida de sólidos totais é igual à produção líquida de sólidos voláteis de 6 dias e (b) aeração prolongada, com idade do lodo de 22 dias. Descon mais a produção líquida de sólidos inorgânicos: derar os sólidos do esgoto afluente. Admitir que a carga de DBO5 removi seja de 100 kg/d. Adotar: = (3.58) Y = 0,6 gSSV/gDBO5 removida A relação SSV/SST final no reator é obtida através de: Relação SSV/SS nos sólidos 0,9 gSSV/SS fb SSV/SST = (Pxv líquida)/(Px líquida) (3.59) Solução: A porcentagem de destruição dos sólidos biodegradáveis é dada por: a) Lodos ativados convencional A carga de DBO5 removida é igual a 100 kgDBO5/d. Assim: % destruição Xb = 100.(Pxb bruta) (3.60) A porcentagem de destruição dos sólidos é expressa por meio de: Cálculo de fb (Equação 3.43) % destruição = 100.(Pxb bruta) (3.61) 56 Lodos Ativados da remoção da matéria carbonácea em sistemas de lodos ativados</p><p>0,8 Relação SSV/SST (Equação 3.59) = SSV/SST = 0,87 (87%) Percentagem de destruição dos sólidos biodegradáveis (Equação 3.60) Produção bruta de sólidos em suspensão (Equação 3.46) % destruição Xb = 100.(Pxb destruída)/(Pxb bruta) = 100 x 16,8 / 43,2 = bruta = = = 60,0 kgSSV/d 39% Produção bruta de sólidos totais (Equação 3.47) Percentagem de destruição dos sólidos voláteis (Equação 3.61) Px bruta = (SSV/SS) = = 66,7 kgSST/d % destruição Xv = 100.(Pxb bruta) = 100 x 16,8 / 60,0 = 28% Produção de sólidos inorgânicos (Equação 3.48) b) Aeração prolongada Pxi = Px bruta bruta = 66,7 60,0 = A carga de DBO5 removida é igual a 100 kgDBO5/d (idem item a). Produção bruta de sólidos biodegradáveis submetidos a um tempo de Assim: residência (Equação 3.50) = Pxb bruta = Cálculo de fb (Equação 3.43) Carga de sólidos biodegradáveis destruidos (Equação 3.53) 0,8 Pxb destruída = (Pxb bruta). = 43,2 x (0,09x6) / (1+0,72x0,09x6) = x 0,39 = Produção bruta de sólidos em suspensão voláteis idem item a Produção de sólidos biodegradáveis (Equação 3.54) Pxb = Pxb bruta - Pxb destruída = = 26,4 Produção bruta de sólidos totais - idem item a Produção de sólidos voláteis não biodegradáveis (Equação 3.51) Px bruta = 66,7 kgSST/d Produção de sólidos inorgânicos idem item a Produção líquida de sólidos voláteis (Equação 3.55) 43,2 kgSSV/d Produção bruta de sólidos biodegradáveis submetidos a um tempo de Produção líquida de sólidos totais (Equação 3.58) residência (Equação 3.50) Px líquida = + = 49,9 kgSST/d Pxb bruta = 58 Lodos Ativados Principios da remoção da matéria carbonácea em sistemas de lodos ativados 59</p><p>Carga de sólidos biodegradáveis (Equação 3.53) c) Resumo Lodos ativados Pxb destruída = bruta). = 43,2 x (0,09x22) / Produção líquida (kg/d) 6 dias) SS biodegradáveis 26,4 SS não biodegradáveis 16,8 Produção líquida de sólidos biodegradáveis (Equação 3.54) SS (biodeg+ não biodeg) 43,2 SS inorgânicos 6,7 Pxb SS totais 49,9 Relação (%) 87 Produção de sólidos não biodegradáveis (Equação 3.51) Destruição dos SS biodegradáveis (%) 39 Destruição dos SS volateis (%) 28 = bruta - Pxh bruta d) Esquema da produção de sólidos Produção líquida de sólidos (Equação 3.55) Ver figura anexa. Produção de sólidos totais (Equação 3.58) Px líquida = Relação SSV/SST (Equação 3.59) SSV/SST = = = 0,81 (81%) Percentagem de destruição dos sólidos biodegradáveis (Equação 3.60) % destruição = 100.(Pxb bruta) = = 93% Percentagem de destruição dos sólidos voláteis (Equação 3.61) % destruição = 100.(Pxb 53% 60 Lodos Ativados da remoção da matéria carbonácea em sistemas de lodos</p><p>Produção de sólidos (kg/d) e) Comentários Exemplo 3.6 exemplo demonstra a maior produção de sólidos em sistemas de lodos LODOS ATIVADOS CONVENCIONAL ativados convencional, comparada à produção de sistemas de aeração Kd Pxb liquida 26,4 prolongada. Carga de DBO5 removida Q.(So-S) 100 Caso houvessem sido considerados os sólidos inorgânicos e inertes do Pxb bruta = 43,2 esgoto bruto, os valores de produção total teriam sido diferentes, assim Pxv bruta = 60 como a relação SSV/SS (ver Item 3.19 e exemplos no Capítulo 8). Px bruta Pxnb 16,8 sistema de aeração prolongada proporciona uma elevada digestão dos bruta sólidos (93% de eficiência na remoção dos sólidos biodegradáveis e 53% na remoção dos sólidos produzidos), comparado com o lodos ativados Pxi convencional (39% de eficiência na remoção dos sólidos biodegradáveis Produção final e 28% na remoção dos sólidos produzidos). SS biodegradáveis = 26,4 kg/d SS voláteis não biodegradáveis = 16,8 kg/d SS 43,2 kg/d 3.9. CONCENTRAÇÃO DE SÓLIDOS EM SUSPENSÃO NO REATOR SS totais 49,9 kg/d Em itens anteriores foi apresentada a concentração de sólidos no reator, tendo AERAÇÃO PROLONGADA sido adotado um determinado valor para a mesma. No presente item examina-se em Pxb liquida = 2,4 maior detalhe os aspectos de projeto relacionados com o conceito de Carga de DBO5 removida Para se obter a concentração de SSV no tanque de aeração (SSVTA) de um sistema Q.(So-S) 100 Pxb bruta = 34,2 com pode-se rearranjar a Equação 3.38, de forma a se ter: Pxv bruta = 60 =0.9 Xv = Px bruta = 66,7 Pxnb 25,8 (3.62) bruta 60 Pxi 6,7 Esta equação é de grande importância na estimativa da concentração de SSV em Produção final um determinado sistema, uma vez conhecidos ou estimados os demais parâmetros e SS voláteis biodegradáveis = 2,4 kg/d variáveis. A análise desta equação permite ainda interessantes considerações sobre SS não biodegradáveis = 25,8 kg/d a influência da recirculação do lodo na concentração de SSV no reator. SS 28,2 kg/d Num sistema sem recirculação, foi visto que Desta forma, a Equação 3.62 SS inorgânicos se reduz a: SS kg/d = (3.63) 62 Lodos Ativados Principios da remoção da matéria carbonácea em sistemas de lodos ativados 63</p><p>AO Observa-se que a diferença entre ambas as equações é o fator o qual a) Sistema sem recirculação exerce um efeito multiplicador sobre a Equação 3.63, no sentido de aumentar a concentração de sólidos em suspensão no reator. Como comentado no Item 3.10, Pela Equação 3.63: em um projeto, qualquer aumento em implica numa diminuição proporcional do volume necessário para o reator. Exemplo 3.7 ilustra a vantagem da recirculação 0,6 = em termos da redução do volume do reator, sendo esta a concepção norteadora do 1 sistema de lodos ativados. Valores típicos de num sistema de lodos ativados são: b) Sistema com recirculação lodos ativados convencional = 1.500 a 3.500 Pela Equação 3.62: aeração prolongada = 2.500 a 4.000 5d = 2.560 0,25d A concentração máxima de SSTA (sólidos em suspensão totais) no reator é geralmente limitada a 4.500-5.000 mg/l. Sistemas de aeração prolongada tendem a ter uma maior concentração de SSTA do que o sistema de lodos ativados conven- c) Comentários cional. Naturalmente que quanto maior a concentração de SS (ou SSV) no reator, maior a disponibilidade de biomassa para assimilar o substrato afluente, resultando Observa-se que, no sistema com recirculação do lodo, a concentração de SSV na necessidade de menores volumes do reator (para uma dada eficiência). Algumas é de 2.560 mg/l, bastante superior à da opção sem recirculação, em que SSV questões de ordem prática no entanto, os limites mencionados. Dois aspectos é igual a 128 A relação entre as duas concentrações é: são de grande importância: Concentrações de SSTA acima de um certo limite exigem unidades de decantação 2560 mg/l / 128 mg/l = 20 secundária de maiores Grandes áreas de decantação secundária Esta é a mesma relação entre os tempos de detenção hidráulica nos reatores passariam a ser necessárias para grandes cargas de SS afluente às mesmas, o que dos dois sistemas: poderia deixar de compensar, em termos econômicos, a redução no volume do reator. 5 20 A transferência de oxigênio a toda a biomassa fica prejudicada na presença de valores bem elevados de SSTA. Em outras palavras, pode-se dizer que, para as mesmas características do afluente e do efluente, o volume do reator do sistema com recirculação é 20 vezes inferior ao do sistema sem recirculação. Exemplo 3.7 Calcular a concentração de SSV no reator, para as seguintes condições: 3.10. CÁLCULO DO VOLUME DO REATOR sistema sem recirculação, t = = 5 dias (ex: lagoa aerada de mistura Na Equação 3.62, ao se substituir t por V/Q, e se explicitar V, tem-se: completa) sistema com recirculação, t dias e = 5 dias (ex: lodos ativados convencional) V (3.64) = Solução: 64 Lodos Ativados da remoção da matéria carbonácea em sistemas de lodos ativados 65</p><p>DA UFLA Por meio desta equação, pode-se calcular o volume do reator, conhecendo-se V Q e So, propondo-se uma concentração desejada para a DBO solúvel efluente S, t 0,36 = h assumindo-se Y e Kd, determinando-se fb e adotando-se valores adequados para Q e A Equação 3.64 pode ser utilizada, tanto na condição de sistema com recirculação, quanto sem recirculação. No último caso, ao se adotar t, o volume do reator pode b) Aeração prolongada ser calculado diretamente pela fórmula V=t.Q. No entanto, o cálculo da concentração de sólidos deve ser feito pela Equação 3.63. Fração biodegradável fb (Equação 3.43) fb 0,8 3.8 Calcular o volume do reator nos seguintes sistemas: Volume do reator lodos ativados convencional, = 6 d; Xv = 2.500 mg/l aeração prolongada, = 22 d; = 3.000 mg/l V 3000x(1+0,09x0,57x22) Dados gerais: = 1.500 (dado de projeto) So = 300 mg/l (dado de projeto, admitindo-se a inexistência de decan- tação primária nos dois sistemas, para efeito de comparação) S = 5 mg/l (desejado; DBO Y = 0,7 (assumido) = 0,09 (assumido) Observa-se que o sistema de aeração prolongada implica em maiores volumes fb' = 0,8 (adotado) do reator, comparado ao lodos ativados convencional, devido à maior idade do No entanto, o acréscimo não é diretamente proporcional à relação Solução: entre as idades do lodo. a) Lodos ativados convencional Fração biodegradável fb (Equação 3.43) Um importante aspecto a ser observado na Equação 3.64 é que o dimensiona- mento do volume do reator é função da idade do lodo e não do tempo de detenção fb 0,8 hidráulica t. Desta forma, t não deve ser utilizado no dimensionamento do reator por meio da fórmula V=t.Q, = mas tão somente para se avaliar condições de estabilidade hidráulica e de resistência a cargas de choque. Caso o sistema seja sem recirculação, naturalmente pode-se utilizar o conceito de que Uma maneira clara de se entender a razão de se utilizar e não t pode ser advinda do seguinte comentário. Um despejo possuindo uma elevada vazão, mas uma reduzida 2500x(1+0,09x0,72x6) concentração de DBO, pode implicar no mesmo volume do reator que um despejo com baixa vazão mas alta concentração de DBO, desde que as cargas de DBO sejam as mesmas (carga = vazão X concentração = No entanto, uma vez obtidos os mesmos volumes, os tempos de detenção serão essencialmente diferentes, uma Tempo de detenção hidráulica 66 Lodos Ativados Principios da remoção da matéria carbonácea em sistemas de lodos ativados 67</p><p>vez que as vazões diferem entre Um dimensionamento com base apenas no tempo 3.11. REMOÇÃO DE SUBSTRATO de detenção hidráulica levaria, neste caso, a volumes do reator diferentes entre si, Tal como expresso no Item 3.3.4, tendo por base a cinética de Monod, a taxa de induzindo a super ou subdimensionamentos, e a diferentes eficiências dos sistemas. crescimento bacteriano é dada por: o Exemplo 3.9 ilustra este aspecto. dt = (3.65) Exemplo 3.9 onde: Calcular o volume do reator e o tempo de detenção hidráulica para um despejo industrial num sistema de lodos ativados convencional. Adotar os = taxa de crescimento específica máxima mesmos parâmetros do Exemplo 3.8 e comparar os resultados com o item S = concentração do substrato limitante (mg/l). No caso do tratamento para "a" do referido exemplo. Dados do despejo industrial: remoção da DBO, o nutriente limitante é a própria matéria orgânica. K, = constante de saturação, a qual é definida como a concentração do subs- = 300 trato para a qual (mg/l). = 1.500 mg/l S = 25 mg/l (para se manter a mesma eficiência do Exemplo 3.8) Ver o Item 3.3.2 para os valores usuais para e para o processo de lodos ativados. Solução: Dividindo-se ambos os membros da Equação 3.65 por e sabendo-se que (ver Equação3.20), tem-se: Volume do reator (Equação 3.64) V = 0,7x6x300x(1500-25) (3.66) Rearranjando-se esta equação de forma a se explicitar S (DBO solúvel efluente), Tempo de detenção hidráulica tem-se: S = (3.67) Comparando com o esgoto doméstico do Exemplo 3.8, o volume do reator é mesmo (535 mas o tempo de detenção do Exemplo 3.8 é 5 vezes menor Esta é a equação geral para a estimativa da DBO solúvel efluente de um reator de mistura completa. Como no caso de reatores de mistura completa S é geralmente (0,36 dias). Os volumes do reator são os mesmos devido ao fato de que as muito menor do que (ver Item 5.3, Capítulo 3, Volume 2 (von Sperling, 1996b), cargas de DBO são iguais (a vazão industrial é cinco vezes menor, mas a pode-se substituir, no denominador da equação de Monod, simplesmente por concentração é cinco vezes maior). Os tempos de detenção são diferentes em S. Nestas condições, prevalece a cinética de primeira ordem. Com tal substituição, a virtude da vazão industrial ser cinco vezes inferior. Desta forma, fica patente a importância de se dimensionar sistema pela idade do lodo e não pelo tempo Equação 3.67 pode ser apresentada da seguinte forma simplificada: de detenção Para o cálculo do volume do reator o que importa, em última análise, é a carga de DBO, e não a vazão ou concentração em si. = (3.68) Um interessante aspecto nas Equações 3.67 e 3.68 é que, num sistema de mistura completa no estado estacionário, a concentração de DBO efluente S independe da 68 Lodos Ativados Principios da remoção da matéria carbonácea em sistemas de lodos ativados 69</p><p>concentração afluente (Arceivala, 1981). Tal se justifica pelo fato de K e Exemplo 3.10 serem constantes, e assim S depende apenas da idade do lodo Isto pode ser entendido pelo fato de que, quanto maior a DBO afluente, maior a produção de sólidos Calcular a concentração de DBO solúvel efluente dos sistemas descritos no biológicos e, em decorrência, maior a concentração de biomassa Assim, quanto Exemplo 3.8: mais alimento, maior a disponibilidade de bactérias para Deve-se ressal- tar que esta consideração é aplicável tão somente no estado estacionário. No estado lodos ativados convencional: 6 dias dinâmico, os aumentos de DBO no afluente não são imediatamente acompanhados aeração prolongada: 0c=22 dias do correspondente aumento da biomassa, já que o aumento se processa lentamente. Desta forma, até que um novo estado de equilíbrio seja atingido (se é que será atin- Adotar gido), a qualidade do efluente em termos de DBO estará deteriorada. Uma outra forma de se obter o valor de S é através do rearranjo da Equação 3.64, Solução: utilizada para o cálculo do volume do reator. Quando todos os termos são conhecidos, pode-se explicitar S. Deve-se notar que, para esgotos tipicamente domésticos, S é a) Lodos ativados convencional usualmente baixo, principalmente em sistemas de aeração prolongada. Nestas condi- ções, qualquer desvio na estimativa de S poderá conduzir a erros relativos elevados. Pela Equação 3.67: No entanto, tais erros não devem ser significativos, já que o interesse está apenas, em última análise, na faixa de valores de S, e não numa estimativa exata. S = A concentração mínima de substrato solúvel que pode ser atingida em um sistema é quando a idade do lodo tende a infinito. Nestas condições, o termo 1/0c é igual a Substituindo-se 1/0g por 0 na equação geral 3.67, obtém-se a Equação 3.69, que Obs: caso houvesse sido utilizada a fórmula simplificada para cinética de define a DBO solúvel efluente mínima atingível (Smin). Em um sistema de tratamento, primeira ordem (Equação 3.68), ter-se-ia obtido S = 6,9 mg/l. caso se necessite obter um valor inferior a Smin, tal não será possível com um reator de mistura completo único (Grady & Lim, 1980). Smin independe da existência de b) Aeração prolongada recirculação, sendo função apenas dos coeficientes cinéticos. Pela Equação 3.67: Smin (3.69) fb S = Conforme já afirmado, para esgotos predominantemente domésticos, a DBO solúvel efluente é essencialmente baixa, podendo ser mesmo considerada desprezível Obs: caso houvesse sido utilizada a fórmula simplificada para cinética de (comparada à DBO afluente) em cálculos mais expeditos. A exceção é para sistemas primeira ordem (Equação 3.68), ter-se-ia obtido com idade do lodo bem reduzida d), em que S pode ser representativa. c) Comentários Em ambos os casos, as fórmulas geral e simplificada produzem valores bem similares. As concentrações de DBO solúvel efluente são baixas nos dois sistemas. No tratamento de esgotos domésticos por lodos ativados, esta é a situação mais 70 Lodos Ativados Principios da remoção da matéria carbonácea em sistemas de lodos ativados 71</p><p>No sistema de aeração prolongada, devido à maior idade do lodo, a pode-se determinar o parâmetro fb, ou seja, estimar qual fração dos SSV presentes concentração de DBO solúvel efluente é menor. Deve-se relembrar que no efluente do tratamento é biodegradável e que irá, portanto, representar a DBO estes valores são para condições de estado estacionário, e que o sistema dos sólidos em suspensão. Uma vez conhecida esta fração biodegradável, deve-se de lodos ativados convencional é mais susceptível às variações de carga determinar qual o consumo de oxigênio necessário para estabilizar esta fração. Para do afluente (as quais podem gerar uma deterioração do efluente durante tanto, utiliza-se a Equação 3.71, relativa à estabilização do material celular, repre- os transientes). sentado pela fórmula Há que se comentar ainda que, no Exemplo 3.8, estimou-se que a DBO efluente S seria igual a 5 mg/l nos dois sistemas. No presente exemplo, + CO2 + NH3 + H2O + Energia (3.71) PM=113 PM=160 observa-se que há um ligeiro desvio com relação a esta estimativa. Pode- se refazer o cálculo do volume do reator, até a convergência dos valores. Uma outra opção é calcular-se qual a DBO admissível no efluente, em função dos valores desejados de DBO5 total e SS no efluente (ver Item Assim, segundo a relação estequiométrica entre os pesos moleculares (PM), são 3.12). No entanto, a diferença destas duas abordagens com relação aos necessários 160 g de oxigênio para a estabilização de 113 g de sólidos biodegradáveis. cálculos diretos deverá ser bem pequena. Esta relação é, portanto: = 1,42 gO2/g sólidos biodegradáveis (3.72) 3.12. DBO SOLÚVEL E DBO TOTAL DO EFLUENTE Todos os cálculos efetuados para o dimensionamento do reator, ou para a deter- A demanda última de oxigênio dos sólidos biodegradáveis é igual a este minação da DBO efluente, foram feitos admitindo-se que S fosse a DBO efluente consumo de O2. Assim, em outros termos: solúvel, ou seja, a demanda bioquímica de oxigênio causada pela matéria orgânica dissolvida no meio líquido. Esta DBO poderia ser considerada a DBO total efluente do sistema, caso a unidade de sedimentação final removesse 100% dos sólidos em DBO dos sólidos biodegradáveis = 1,42 (3.73) suspensão afluentes a ele. No entanto, vale lembrar que a concentração destes sólidos a atingirem o decantador secundário é da ordem de 3.000 a 5.000 mg/l. Assim, é Em esgotos domésticos típicos, a relação entre DBO5 e DBO é aproximada- de se esperar que nem todos eles sejam removidos, e que uma fração residual saia mente constante. Como já visto no Volume 1 desta série (von Sperling, 1996a), a com o efluente. Como esses sólidos efluentes são, em sua maioria, matéria orgânica relação é usualmente adotada como 1,46. Em assim sendo, a relação (representada pela biomassa), os mesmos causarão ainda uma demanda de oxigênio, é igual ao recíproco de 1,46, ou seja, = 1/1,46 = 0,68 ao atingirem o corpo receptor. Essa demanda é simplificadamente denominada de Isto significa que, ao se atingir o quinto dia do teste da DBO, DBO em suspensão (ou DBO particulada). Assim, no final de uma estação 68% da matéria orgânica originalmente presente foi estabilizada, ou seja, 68% do de lodos ativados, tem-se: consumo total de oxigênio ocorre até o quinto dia. Desta forma, a relação 3.73 pode ser expressa como: DBO5 total efluente (mg/l) = DBO5 solúvel efluente (mg/l) + em suspensão efluente (mg/l) (3.70) DBO5 dos SS biodeg = 0,68 (3.74) A DBO solúvel pode ser estimada pelas Equações 3.67 ou 3.68. Para o cálculo da DBO em suspensão, algumas considerações devem ser efetuadas. Os sólidos a exercerem uma demanda de oxigênio são apenas os sólidos biodegradáveis, já que os Para se expressar esta demanda de oxigênio em termos dos sólidos em suspensão sólidos inorgânicos e os inertes não se constituem em substrato orgânico assimilável basta multiplicar a Equação 3.74 por fb Os valores de fb podem pelas bactérias. Com base na Equação 3.43, e conhecidos os parâmetros do processo, ser obtidos através das relações apresentadas no Item 3.8. Assim: 72 Lodos Ativados da remoção da matéria carbonácea em sistemas de lodos ativados 73</p><p>DBO5 dos SSV 1,0 fb O Exemplo 3.11 ilustra o cálculo completo para a estimativa da DBO5 total de um sistema de lodos ativados. (3.75) Para tornar ainda mais realística e prática esta equação, é interessante expressar os Exemplo 3.11 sólidos efluentes não como sólidos em suspensão mas sim como sólidos em suspensão totais. Isto porque, na rotina de controle operacional e na determinação do Para o sistema de lodos ativados convencional descrito no Exemplo 3.8, desempenho do sistema de tratamento, costuma-se medir a performance do decantador calcular as concentrações de DBO em suspensão, solúvel e total do efluente. secundário pela concentração efluente dos sólidos em suspensão totais. No Item 3.6 Admitir que o valor de projeto para a concentração de SS no efluente é igual foram apresentados valores da relação SSV/SST, e no Item 3.8 foi demonstrado como a 30 mg/l. calcular esta relação. Para o sistema de lodos ativados convencional, SSV/SST varia de 0,70 a 0,85, enquanto que para a aeração prolongada, SSV/SST varia de 0,60 a Dados já obtidos nos Exemplos 3.8 e 3.10: 0,75. A dos sólidos em suspensão totais passa a ser: 8 mg/l fb= 0,72 DBO5 dos SS efluentes = (SSV/SST).f6 (3.76) Solução: Com base nos valores de fb apresentados no Quadro 3.1 e nos valores típicos da relação SSV/SST apresentados no parágrafo acima, e aplicando-se a Equação 3.76, a) DBO5 dos sólidos em suspensão efluentes do decantador secundário obtém-se as seguintes faixas de valores típicos: Adotar a relação SSV/SS igual a 0,8 (ver acima). A DBO em suspensão é calculada pela Equação 3.76: Lodos ativados convencional: 0,45 a 0,65 mgDBO5/mgSST Aeração prolongada: 0,25 a 0,50 mgDBO5/mgSST DBO5 em suspensão = (SSV/SS) fb = 0,58 mgDBO5/mgSS Estudos experimentais conduzidos por von Sperling (1990) e Fróes (1996) em Para os 30 mg/l de sólidos em suspensão efluentes, a em suspensão dois sistemas de aeração prolongada conduziram a uma relação na faixa de 0,21 a efluente do sistema é: 0,24 mgDBO5 por cada mgSS, situada próximo ao limite inferior da faixa A determinação da DBO5 do efluente final, é, portanto, essencialmente dependente 30 0,58 mgDBO5/mgSS = 17 mgDBO5/l da estimativa da concentração dos sólidos em suspensão efluentes do decantador Infelizmente não há ainda critérios racionais que possam ser aplicados b) Resumo das concentrações de DBO5 efluentes com segurança para se obter a estimativa dos sólidos efluentes, já que o número de variáveis envolvidas na performance do decantador secundário em termos de DBO solúvel = 8 mg/l (calculada no Exemplo 3.10) clarificação é bastante elevada. Há alguns critérios empíricos que correlacionam a DBO em suspensão = mg/l taxa de aplicação de sólidos no decantador e outras variáveis com a concentração de SS efluente, mas estas relações são extremamente específicas para cada estação. DBO total =8+17=25 mg/l Normalmente os projetistas assumem uma concentração de SS efluente a ser adotada no projeto (igual ou inferior ao padrão de SS no efluente), e através dela determinam Caso se desejasse uma DBO5 total efluente de, por exemplo, 20 mg/l, ter-se-ia a DBO5 em suspensão. Com base num valor desejado de DBO5 total no efluente, e dois caminhos. primeiro seria reduzir a concentração de SS efluente, de com a DBO5 em suspensão estimada, obtém-se por diferença o valor da DBO5 solúvel forma a diminuir a DBO5 em suspensão. segundo seria permitir um valor a ser obtida. Com este valor pode-se dimensionar a etapa biológica do tratamento. máximo para a DBO5 solúvel igual a 3 mg/l (= 20-17 mg/l). Neste caso, o dimensionamento do volume do reator poderia ser recalculado. 74 Lodos Ativados Principios da remoção da matéria carbonácea em sistemas de lodos ativados 75</p><p>c) Eficiência do sistema na remoção de DBO oxidação da DBO e da amônia, mas também pela digestão aeróbia da biomassa. A digestão da fração biodegradável pode ser parcial ou praticamente total, dependendo A eficiência do sistema na remoção da DBO é dada por: da idade do lodo adotada. No Exemplo 3.6 (distribuição dos sólidos) foi visto que o sistema de aeração prolongada em questão possui uma elevada eficiência na remoção dos sólidos biodegradáveis gerados no sistema (93%), o que resultou numa eficiência DBO5 afluente de 53% na remoção dos sólidos Essa eficiência é comparável à obtida por meio da digestão em separado do lodo. Teoricamente, para um determinado tipo de biomassa, pode-se determinar a idade Em termos de remoção da DBO5 a eficiência é: do lodo que conduz à destruição total dos sólidos biodegradáveis formados. Este E = 100.(300-8)/300 valor de pode ser obtido através da apresentada a seguir. A produção bruta de sólidos voláteis no reator é igual a (Equação 3.46): Em termos de remoção da DBO5 total, a eficiência global é: bruta = Y.Q.(So-S) (3.46) E = 100.(300-25) 92% A produção bruta de sólidos biodegradáveis é obtida da equação acima multiplicada pela fração de biodegradabilidade fb (Equação 3.50). Portanto: No cálculo do volume do reator, bem como da eficiência da remoção da DBO, bruta = (3.50) S é considerado como a DBO solúvel efluente, e a DBO total afluente (ver Item 3.2.2). Isto porque os sólidos em suspensão orgânicos, responsáveis pela DBO em Por outro lado, a destruição dos sólidos biodegradáveis é dada por (Equação suspensão afluente, são adsorvidos nos flocos de lodo ativado, sofrendo a partir 3.53): sucessivas transformações a substratos mais simples, até tornarem-se disponíveis Pxb destruída = (3.53) para síntese, quando são então removidos por mecanismos similares aos que atuaram na DBO solúvel. Assim, a DBO em suspensão afluente gerará também crescimen- Para que haja destruição completa de todos os sólidos biodegradáveis gerados, to bacteriano e uma demanda de oxigênio, apenas com um período de defasagem a produção de sólidos deve ser igual à destruição. Assim: com relação à DBO solúvel. Em modelos dinâmicos tal defasagem deve ser levada em consideração, mas em modelos no estado estacionário, ela não traz nenhuma produção de Xb = destruição de Xb influência. Esta é a razão de se considerar como a DBO total afluente. Um outro aspecto é que, caso o sistema possua decantação primária, como o de lodos ativados = (3.77) convencional, parte da DBO afluente é removida, correspondente à fração sedi- mentada dos sólidos em suspensão voláteis. Estes sofrerão subsequente processo de Fazendo-se as simplificações necessárias em na Equação 3.77, chega-se a: digestão em separado, e não adentrarão o reator. A eficiência de remoção da DBO5 pela decantação primária varia de 25% a 40%, ou seja, a DBO afluente ao reator é (3.78) 60% a 75% da DBO do esgoto bruto. No entanto, fb é função de Utilizando-se a fórmula 3.13. ESTABILIZAÇÃO DO LODO NO REATOR (Equação 3.43), e substituindo-se fb na Equação 3.78, obtém-se, após rearranjos: Além da remoção da matéria carbonácea e nitrogenada, um objetivo adicional da etapa biológica pode ser a estabilização do lodo no próprio reator. Tal é o caso dos = (3.79) sistemas de aeração prolongada, os quais não possuem digestão separada do lodo excedente. As elevadas idades do lodo são responsáveis, portanto, não apenas pela 76 Lodos Ativados Principios da remoção da matéria carbonácea em sistemas de lodos ativados 77</p><p>Para valores de fb' tipicamente iguais a 0,8, a Equação 3.79 pode ser ainda rear- lodo superiores ao valor limite, a destruição é total (na realidade, a componente de ranjada para a seguinte forma simplificada: destruição torna-se maior do que a de produção). Para uma dada idade do lodo, o percentual de remoção dos sólidos biodegradáveis = dado pela Equação 3.60, ao passo que o percentual de remoção dos sólidos voláteis (3.80) obtido por meio da Equação 3.61. Ao se analisar a eficiência de um processo de digestão do lodo, usualmente se utiliza o conceito de percentagem de destruição As Equações 3.79 e 3.80 permitem a determinação teórica do valor limite de dos sólidos voláteis. A título de comparação, as eficiências típicas de redução dos em que todos os sólidos biológicos biodegradáveis produzidos são atra- sólidos voláteis na digestão anaeróbia do lodo variam de 45 a 60%, e na digestão vés do mecanismo de digestão aeróbia no reator. Assim, nos sólidos em suspensão aeróbia (separada), variam de 40 a 50% (Metcalf & Eddy, 1991). As fórmulas voláteis permanece apenas a fração não biodegradável (inerte, ou endógena), e nos apresentadas a seguir não levam em consideração os sólidos presentes no esgoto sólidos em suspensão totais permanece apenas a fração inorgânica (fixa) e a fração afluente ao reator. inerte. Nestas condições, o lodo excedente não requer nenhuma digestão adicional em separado. A oxidação da matéria orgânica carbonácea prossegue, pois os sólidos ativos encontram-se em maiores concentrações do que os sólidos biodegradáveis % destruição de 100 (3.82) (ver Equações 3.44 e 3.45). Para valores típicos de Kd, tem-se os seguintes valores limites de segundo a equação simplificada 3.80: % destruição de SSV 100 (3.83) Quadro 3.2. Valores da idade do lodo para se atingir a estabilização total da fração biodegradável dos sólidos em suspensão gerados, em função do coeficiente de respiração endógena Os Quadros 3.3 e 3.4 apresentam os valores calculados da percentagem de redução Kd 0,05 0,07 0,09 0,11 de SSb e SSV, respectivamente, para vários valores de e Kd. 45 32 25 20 Quadro 3.3. Percentagem de remoção dos sólidos em suspensão biodegradáveis formados no reator Como seria de se esperar, quanto maior o coeficiente de decaimento bacteriano Kd, menor a idade do lodo requerida para a completa estabilização dos sólidos bio- Percentagem de remoção de (%) degradáveis. (dias) A comprovação dos cálculos acima pode ser feita através do Exemplo 3.6, relativo 4 17 23 28 33 à distribuição dos sólidos no tratamento. Caso se adote uma idade do lodo igual ao 8 31 40 48 55 valor limite, poderá ser visto que a destruição dos sólidos biodegradáveis será igual 12 42 53 63 72 à sua produção. 16 52 65 76 86 A título de complementação, o valor da taxa de utilização de substrato que conduz à total estabilização é dado por: 20 60 75 87 99 24 68 84 98 - 28 75 92 - (3.81) 32 81 100 - Para idades do lodo inferiores ao valor limite, a digestão dos sólidos biodegra- dáveis é incompleta, embora possa ser em termos práticos suficiente (no sentido de dispensar digestão complementar em separado). Por outro lado, para idades do 78 Lodos Ativados da remoção da matéria carbonácea em sistemas de lodos ativados 79</p><p>Quadro 3.4. Percentagem de remoção dos sólidos em suspensão voláteis formados no reator BALANÇO DE MASSA DOS SÓLIDOS EM SUSPENSÃO NO SISTEMA Percentagem de remoção de SSV (%) (dias) REATOR DECANTADOR SECUNDÁRIO 4 13 18 21 24 AFLUENTE EFLUENTE 8 23 29 33 37 Xo Xe 12 30 37 42 46 Q Q Qex V 16 36 42 47 51 20 40 47 51 55 24 44 50 55 Qu Xr 28 47 53 Xr 32 49 55 Qr Xr Qex RECIRCULAÇÃO LODO EXCEDENTE 3.14. RECIRCULAÇÃO DO LODO ATIVADO 3.4. Itens componentes do balanço de massa no sistema de lodos ativados Para se ter uma elevada concentração de sólidos no reator e uma idade do lodo maior que o tempo de detenção hidráulica > t), é necessária a recirculação do lodo ou a sua retenção, de alguma forma, no sistema. Os processos de retenção do A razão de recirculação é definida como: lodo podem ser adotados em sistemas com operação intermitente, tipo batelada. o sistema de recirculação do lodo através de bombeamento é o mais utilizado, sendo (3.84) típico nos processos de tratamento de fluxo contínuo por lodos ativados convencional e aeração prolongada. O balanço de massa em um reator de mistura completa operando no estado es- A quantidade do lodo a ser recirculado depende fundamentalmente da qualidade tacionário conduz a: do lodo sedimentado no decantador secundário: quanto mais concentrado for este lodo, menor poderá ser a vazão de recirculação, para que se atinja uma determinada Acumulação = Entrada - Saída + Produção Consumo concentração de sólidos no reator. Em outras palavras, uma boa decantabilidade e adensabilidade do lodo no decantador secundário, resultando num lodo de retorno com Neste balanço de massa, tem-se os seguintes aspectos específicos: uma maior concentração de SS, implicam na redução da vazão a ser recirculada. Esta análise acerca-se, no entanto, de uma maior complexidade, já que a própria vazão de Acumulação = 0 (não há acúmulos de massa no estado permanente) fundo do decantador secundário (usualmente igual à vazão do lodo de retorno mais a Produção = Consumo (o crescimento bacteriano é igual à retirada de lodo excedente) vazão de lodo excedente) influi na concentração do lodo sedimentado. Uma análise Entrada = Carga SS esgoto bruto + Carga SS lodo recirculado detalhada destas diversas interações encontra-se apresentada no Capítulo 6. Saída = Carga SSTA A Figura 3.4 apresenta os itens componentes do balanço de massa na etapa bio- lógica do sistema de lodos ativados. A carga de SS no esgoto bruto é pequena, comparada com a carga no lodo recirculado Desprezando-se a carga de SS no esgoto bruto, tem-se o balanço de massa resultante no reator: Entrada = Saída = (3.85) 80 Lodos Ativados Principios da remoção da matéria carbonácea em sistemas de lodos ativados 81</p><p>Rearranjando-se a Equação 3.85, obtém-se: Conhecida a razão de recirculação, pode-se calcular Qr através de rearranjo da Equação 3.84: R = (3.86) A razão de se ter trabalhado com SS ao invés de SSV no exemplo é que, na Através de rearranjo da Equação 3.86, pode-se obter a fórmula que expressa maioria das vezes, na rotina operacional da estação, as concentrações de em função de X e de R, no estado estacionário: sólidos são determinadas como SS, por simplicidade. No entanto, nos cálculos que envolvem etapas biológicas (reator), é interessante considerar-se SSV, por questão de uniformização e maior coerência. Neste exemplo, a concen- (3.87) tração de SS no reator, igual a 3.125 mg/l, corresponde a SSV de 2.500 mg/l (relação SSV/SS igual a 0,8). Caso o balanço de massa houvesse sido realizado no decantador secundário, os resultados obtidos seriam os mesmos: A concentração de sólidos em suspensão no lodo de retorno depende das carac- Entrada = Saída de decantabilidade e adensabilidade do lodo, da concentração de SSTA, além da própria vazão de saída do fundo do decantador. Valores médios típicos de (3.88) NS situam-se em torno de: A Equação 3.86 assume que não há processos bioquímicos de produção e consumo de massa no decantador, considera como desprezível a saída de sólidos do decantador SS no lodo de retorno: 6.000 a 12.000 mg/l através do efluente final (sobrenadante) e considera que (ou seja, a vazão Qex é desprezível). A Equação 3.88 é idêntica à Equação 3.85, podendo ser deduzidos a Os valores de SS no lodo de retorno podem apresentar uma grande variabilidade partir dela os valores de R (Equação 3.86) e (Equação 3.87). ao longo do dia, fora da faixa apresentada, em função da variação da carga de sólidos afluente ao decantador. Os fatores influentes na qualidade do lodo são relacionados a diversos parâmetros Exemplo 3.12 de projeto e operacionais. Alguns aspectos importantes são discutidos aqui (Arceivala, 1981; Eckenfelder, 1980; Ramalho, 1977): Calcular a razão de recirculação necessária para se manter uma concen- Idades do lodo bem reduzidas podem implicar num crescimento bacteriano com tração de SS no reator do Exemplo 3.8 igual a 3.125 mg/l, sabendo-se que o tendência a ser disperso, ao invés de floculento. lodo de recirculação possui uma concentração média de SS igual a Idades do lodo bem elevadas podem resultar num floco constituído predominante- mg/l, obtida através de medições. Calcular também a vazão de recirculação, mente de um resíduo da respiração endógena bastante mineralizado, com pequena considerando-se que a vazão afluente é igual a 1.500 capacidade de floculação. Determinadas condições ambientais no reator, como baixos teores de OD, podem Solução: conduzir à predominância de microrganismos do tipo filamentoso, pelo fato destes Pela Equação 3.86: apresentarem uma área superficial por unidade de volume relativamente elevada. Estes microrganismos, no entanto, geram um floco com decantabilidade, dando origem ao chamado intumescimento do lodo ("bulking sludge"). X X 3.125 0,45 Um reator de fluxo em pistão é capaz de produzir um lodo com melhor decanta- bilidade (predominância das bactérias formadoras de floco sobre as filamentosas) que um reator de mistura completa. 82 Lodos Ativados Principios da remoção da matéria carbonácea em sistemas de lodos ativados 83</p><p>Usualmente, quando se mantém a idade do lodo dentro da faixa usual, a aeração Valores típicos adotados na rotina operacional de estações operando nas nossas é suficiente, e determinados parâmetros de qualidade do esgoto bruto estão dentro condições são: de limites aceitáveis, o lodo deve flocular bem e apresentar boa decantabilidade e compacidade no decantador secundário. Em decorrência, a razão de recirculação Razão de recirculação: pode ser menor. No Capítulo 6 comenta-se que as características de decantabilidade do lodo podem ser expressas através de parâmetros como o Índice Volumétrico de Lodo (IVL) e a velocidade de sedimentação da interface. No entanto, o projeto deve prever uma capacidade de bombeamento em torno de Tradicionalmente, adotava-se nos dimensionamentos a razão de recirculação R=1,5, para situações em que se tornar necessário o aumento de Qr em torno de 0,5, com base em sistemas operando em climas temperados, nos quais A ampliação da capacidade de uma estação de tratamento existente pode ser se desejava atingir uma boa compactação do lodo no decantador secundário. Mais obtida através do aumento da capacidade de recirculação, ao invés de se expandir o recentemente, no entanto, a tendência tem sido a de se adotar valores mais elevados volume do reator. Tal se aplica principalmente no caso do sistema possuir um baixa de R. Uma primeira razão é a de que as concentrações de SS no reator têm sido concentração de SSV no reator. Através do aumento de R (e/ou decréscimo na vazão adotadas com valores mais elevados. Um outro importante aspecto para países de de lodo excedente), pode-se obter um aumento em SSV, até os limites práticos recém clima tropical, é que é bem provável a ocorrência de nitrificação no reator (efeito de comentados (e desde que a capacidade de oxigenação seja suficiente para o novo caráter positivo). Por outro lado, é também provável a ocorrência de valor mais elevado da respiração da biomassa). A determinação do novo valor de R no decantador secundário (efeito de caráter negativo, quando ocorre no decantador). não pode ser obtida diretamente da Equação 3.86, através do novo valor de X. Isto A corresponde à transformação do nitrato a nitrogênio gasoso. As se deve ao fato de que um aumento em R pode implicar num decréscimo em X bolhas de são desprendidas pelo lodo de fundo e, no seu movimento ascendente, Deve ficar bem claro que a recirculação do lodo afeta tão somente a idade do aderem ao lodo, carreando-o para a gerando o assim denominado lodo lodo, mantendo inalterado o tempo de detenção hidráulica. o balanço de massa do ascendente. As são a elevação da concentração de SS no efluente líquido permanece constante (entrada = saída), ao contrário do lodo, o qual é retido final, resultando na sua deterioração em termos de SS e DBO em suspensão. Para no sistema. Num sistema com uma razão de recirculação R=1 cada molécula evitar tal efeito, deve-se efetuar a recirculação do lodo com maior rapidez, de forma de água tem, probabilisticamente, a chance média de passar duas vezes pelo reator a reduzir a e seus efeitos (Marais & Ekama, 1976). Como o lodo é (uma passagem inicial e outra com a recirculação). Como a vazão de entrada no recirculado mais rapidamente, tendo menos chance de se adensar, a concentração de reator está dobrada o tempo de detenção em cada passagem é reduzido sólidos no lodo removido no fundo é mais reduzida, que implica na necessidade de à metade (t/2). No entanto, no balanço global, após as duas passagens, o tempo total uma maior razão de recirculação. A Figura 3.5 ilustra esquematicamente a influência será igual a t, independente, portanto, da razão de recirculação. da vazão de recirculação (ou mais precisamente da vazão de retirada pelo fundo Qu) Um outro aspecto que deve ficar bem claro é o da interação entre a vazão de na concentração de SS no lodo de retorno, no nível da manta de lodo e no tempo de recirculação a vazão de lodo excedente Qex, e a idade do lodo. As vazões Qr e detenção do lodo no decantador secundário. estão intimamente ligadas, já que ambas compõem a vazão de saída do fundo do decantador secundário (Qu). Assim: INFLUÊNCIA DA VAZÃO DE FUNDO NA CONCENTRAÇÃO DO LODO, NÍVEL DA MANTA DE LODO E NO TEMPO DE DO LODO NO DECANTADOR SECUNDÁRIO (3.89) manta de lodo alta manta de lodo Independente do tipo de remoção do lodo excedente (diretamente do reator ou da babca linha de recirculação), a contribuição líquida do lodo recirculado será sempre igual tempo de detenção tempo de detenção Duas situações podem ocorrer: do lodo elevado do lodo reduzido Qu Xr Qu Vazão de fundo Qu fixa. Nestas condições, ao se aumentar Qr está-se automati- reduzido elevado elevado reduzido camente diminuindo Ao se reduzir Qex, a idade do lodo no sistema aumenta, Fig. 3.5. Influência de Qu na concentração de SS no lodo de retorno, no nível da manta de lodo e no já que foi reduzida a quantidade de lodo removida do sistema (diminuição do tempo de detenção do lodo no decantador secundário denominador da Equação 3.16). 84 Lodos Ativados Principios da remoção da matéria carbonácea em sistemas de lodos ativados 85</p><p>Aumento da vazão de fundo Qu. Ao se aumentar mantendo-se Qex fixa, a vazão líquido = Produção bruta de - Destruição de Xb de fundo Qu aumenta. A massa total de sólidos no sistema permanece, no entanto a mesma, já que a retirada de sólidos do sistema não foi alterada (Qex fixa). Houve (3.90) apenas uma maior transferência de sólidos do decantador secundário para o reator, devido ao aumento de Assim, a massa de sólidos no reator aumenta, mas a massa no sistema (reator + decantador secundário) permanece a mesma. Caso a idade do O mesmo valor pode ser encontrado também através da utilização do conceito lodo seja computada apenas em termos da massa de sólidos no reator, haverá um do coeficiente de produção observado (Yobs), o qual traduz diretamente a produção aparente aumento da idade do lodo (aumento do numerador da Equação 3.16). Por líquida de lodo. Yobs e Pxv podem ser obtidos através das Equações 3.91 e 3.92: outro lado, caso a idade do lodo seja computada em termos da massa de sólidos no sistema (reator + decantador secundário), não haverá alteração na mesma (o numerador e o denominador na Equação 3.16 permanecem inalterados). (3.91) De uma maneira simplificada, pode-se entender da seguinte forma o papel de Qr e Qex no sistema de lodos ativados (Takase & Miura, 1985): (3.92) A vazão de lodo de retorno afeta o balanço de sólidos entre o reator e o decan- tador secundário. A vazão de lodo excedente Qex afeta a massa total de sólidos no sistema (reator + Para se obter a produção de lodo excedente em termos de SST (Px), deve-se mul- decantador secundário). tiplicar Pxv pela relação SSV/SST. Valores típicos desta relação foram apresentados no Item 3.6, e no Item 3.8 foi apresentada uma metodologia para determinação da É essencial a compreensão de que o projeto e a operação do sistema de lodos relação SSV/SS em função da idade do lodo, desconsiderando-se os sólidos presentes ativados pressupõem uma visão integrada do reator e do decantador secundário. A no esgoto afluente. etapa biológica é essencialmente dependente da etapa de remoção sólido-líquido. É fundamental, portanto, a compreensão dos fenômenos de sedimentação e adensa- mento, descritos no Capítulo 6. Exemplo 3.13 3.15. PRODUÇÃO E RETIRADA DO LODO EXCEDENTE Para o sistema de lodos ativados convencional descrito no Exemplo 3.8, calcular a produção de lodo. Dados dos exemplos 3.8, 3.10 e 3.11: 3.15.1. Produção de lodo Q = 6 dias Y=0,7 Como amplamente comentado, uma quantidade de lodo equivalente aos SSV So = 300 mg/l = produzidos diariamente, correspondente à reprodução das células que se alimentam S 8 mg/l fb 0,72 do substrato, deve ser descartada do sistema, para que este permaneça em equilíbrio SSV/SS = 0,80 (produção de sólidos = descarte de sólidos). Uma pequena parte deste lodo sai com o efluente (sobrenadante) do decantador secundário, mas a maior parte é extraída Desconsiderar os sólidos do esgoto através do lodo excedente (Qex). lodo excedente deve ser posteriormente dirigido à fase de tratamento e disposição final do lodo. Solução: A produção líquida de lodo excedente (expresso em termos de SSV) foi ana- lisada em detalhes no Item 3.8. Uma maneira alternativa de se apresentar a produção a) Cálculo da produção de lodo segundo a Equação 3.90 líquida pode ser obtida através de rearranjo da Equação 3.55 (produção líquida de SSV) e da Equação (relativa ao cálculo do volume do reator). Assim, pode ser expresso como: 86 Lodos Ativados Principios da remoção da carbonácea em sistemas de lodos ativados 87</p><p>Considerar-se os sólidos do esgoto bruto, em um sistema sem decantação primária x 10-3 kg/g - 0,09 0,72 No Quadro 3.5 apresentam-se diferentes combinações dos coeficientes Y e Kd (Y elevado com Kd baixo e vice-versa). A relação SSV/SS é relativamente pouco sensível aos coeficientes Y e Kd (na faixa mostrada no quadro), sendo apresentada no Quadro 3.5 como valores únicos intermediários. Já a produção de lodo secundário é mais sensível, sendo discriminada em função de três possíveis combinações de Em termos de SST, tem-se: coeficientes (o primeiro par resulta na menor produção de lodo, contraposto ao último par, em que a produção de lodo é a maior). = (220 kg/d) / (0,8) = 275 kgSS/d b) Cálculo da produção de lodo segundo as Equações 3.91 e 3.92 Quadro 3.5. Relação SSV/SS no reator e produção de lodo secundário por unidade de DBO5 removida no reator removida), em função da existência de 0,7 sólidos no afluente, da existência de decantação primária, dos coeficientes Y e = e da idade do lodo Relação SS no Decant. Coeficientes Idade do lodo (d) = (300-8) x 10-3 kg/g = 220 kgSSV/d afluente Y (g/g) 2 6 10 14 18 22 26 30 SSV/SS Não Não 0,5-0,7 0,07-0,09 0,89 0,87 0,85 0,84 0,83 0,82 0,81 0,81 Em termos de SST, tem-se: (g/g) Sim Sim 0,5-0,7 0,07-0,09 0,79 0,76 0,75 0,73 0,72 0,71 0,71 0,71 Sim Não 0,5-0,7 0,07-0,09 0,75 0,73 0,71 0,70 0,69 0,69 0,68 0,68 = Não Não 0,5 0,09 0,50 0,42 0,37 0,33 0,31 0,29 0,28 0,28 (kgSS/ 0,6 0,08 0,60 0,51 0,45 0,41 0,38 0,36 0,34 0,34 Observa-se, portanto, que os valores de Pxve Px obtidos pelas Equações 3.90 kgDBO5rem) 0,7 0,07 0,71 0,61 0,55 0,50 0,47 0,44 0,42 0,40 e 3.92 são idênticos. No Exemplo 3.6, relativo ao cálculo da distribuição Sim Sim 0,5 0,09 0,83 0,75 0,70 0,67 0,65 0,63 0,63 0,63 dos sólidos no tratamento, poder-se-ia ter obtido a produção diária de SSV 0,6 0,08 0,96 0,87 0,81 0,78 0,75 0,73 0,71 0,71 0,7 0,07 1,04 0,95 0,88 0,84 0,80 0,78 0,76 0,74 através da utilização direta da fórmula simplificada de Sim Não 0,5 0,09 1,08 1,00 0,95 0,92 0,90 0,88 0,88 0,88 0,6 0,08 1,23 1,14 1,09 1,05 1,02 1,00 0,98 0,98 0,7 0,07 1,29 1,20 1,13 1,08 1,06 1,03 1,01 0,99 Valores hachurados: valores mais usuais em estações de lodos ativados com fluxo- Os sólidos presentes no esgoto bruto (sólidos inorgânicos e sólidos não biodegra- gramas típicos dáveis) contribuem também para a produção de lodo excedente. A metodologia de Contribuições per capita: DBO=50 g/hab.d; SS=60 g/hab.d cálculo da relação SSV/SS e da produção de lodo secundário encontra-se apresentada Eficiências de remoção no decantador primário: DBO=30%; SS=60% no exemplo geral constante do Capítulo 8. Caso se deseje aproximações iniciais, pode-se utilizar os valores do Quadro 3.5, calculado para esgotos predominante- mente domésticos, utilizando-se o modelo apresentado neste capítulo, bem como a A utilização do Quadro 3.5 é como exemplificado a seguir. Uma estação de lodos metodologia exemplificada no Item 3.19. ativados convencional, que receba esgotos domésticos contendo sólidos em suspensão, o Quadro 3.5 apresenta as seguintes alternativas com relação à consideração dos que compreenda um decantador primário, e que tenha sido projetada com idade do sólidos no esgoto bruto e à existência de decantadores primários, nos quais aproxi- lodo de, por exemplo, 6 dias, terá uma relação SSV/SS igual a 0,76 e uma geração madamente 60% dos sólidos em suspensão e 30% da DBO são removidos: de lodo entre 0,75 e 0,95 kgSS/kgDBO5 removida (dependendo dos coeficientes Y e adotados). Já uma estação por aeração prolongada, também contendo sólidos no Não se considerar os sólidos no esgoto bruto (como é feito na maioria dos dimensio- namentos) Considerar-se os sólidos do esgoto bruto, em um sistema com decantação primária 88 Lodos Ativados Principios da remoção da matéria carbonácea em sistemas de lodos ativados 89</p><p>afluente, mas sem decantação primária, e que tenha sido projetada para uma idade Extração do lodo excedente da linha de recirculação. A concentração do lodo do lodo de 26 dias, terá a relação SSV/SS igual a 0,68 e a geração de lodo entre 0,88 excedente é igual à concentração de SS no lodo de retorno (SSLR). Caso se deseje e 1,01 kgSS/kgDBO5 removida. manter a idade do lodo constante, a vazão Qex pode ser obtida através de rearranjo Exemplo 3.6 apresentou a de cálculo para a estimativa da Equação 3.16: da produção de sólidos sem levar em consideração os sólidos no esgoto Neste exemplo, para uma carga de DBO5 removida de 100 kgDBO5/d, foi estimada a produção de 43,2 kgSSV/d no sistema com idade do lodo de 6 dias. Portanto, a relação (3.94) calculada foi de 43,2/100 = 0,43 kgSSV/kgDBO5 removida. A relação SSV/SS calculada no exemplo foi de 0,87. Desta forma, a produção específica de SS pode ser expressa como 0,43/0,87 = 0,49 kgSS/kgDBO5 removida. Tal valor encontra-se dentro A retirada do lodo excedente da linha de retorno implica numa vazão Qex menor da faixa expressa no Quadro 3.5, para sistemas sem SS no afluente e sem decantação do que a necessária no controle hidráulico (X,/X vezes menor). Assim, a vazão de primária, com idade do lodo de 6 dias (faixa de 0,42 a 0,61 kgSS/kgDBO5 a variação lodo a ser tratado é menor (a carga = concentração x vazão é a mesma). Por outro dos valores é devida aos diferentes valores adotados para Y e valor de SSV/ lado, o controle hidráulico é mais simples, não necessitando da determinação da SS calculado de 0,87 é idêntico ao apresentado no Quadro 3.5. concentração de SS no reator e na linha de retorno. No controle hidráulico, caso se o Quadro 3.5 mostra a grande importância de se considerar os sólidos afluentes deseje manter uma idade do lodo de, por exemplo, 20 dias, basta retirar como lodo no cálculo da produção de lodo secundário. Os valores da produção de lodo apresen- excedente 1/20 do volume do reator por dia. tados são bastante similares à prática alemã, apresentada por Orhon &Artan (1994). Nesta referência, sistemas de lodos ativados convencional, com relação SS/DBO5 afluente ao reator de 0,7 (típica de sistemas com decantação primária) apresentam Exemplo 3.14 uma produção de lodo na faixa de 0,82 a 0,92 kgSS/kgDBO5 aplicada (idades do lodo variando de 10 a 4 dias, respectivamente). Já os sistemas de aeração prolongada, com Para sistema de lodos ativados descrito no Exemplo 3.13, determinar a quan- uma relação SS/DBO5 afluente ao reator de 1,2 (típica de sistemas sem decantação tidade de lodo excedente a ser removida diariamente. Analisar as alternativas primária) resultam numa produção de lodo em torno de 1,00 kgSS/kg DBO5 aplicada de (a) remoção do lodo diretamente do reator e (b) remoção do lodo da linha (idade do lodo de 25 dias). de recirculação. Desconsiderar a influência dos sólidos do afluente. o Exemplo 3.18, constante do Item 3.19, apresenta a utilização do Quadro 3.5 para a estimativa da produção de sólidos de um sistema de lodos ativados, contendo Dados dos Exemplos 3.11, 3.12 e 3.13: sólidos no esgoto afluente. Q = no reator) V (SS na linha de recirculação) 3.15.2. Retirada do lodo excedente 6 dias (SS no efluente final) No sistema de lodos ativados, o lodo excedente pode ser removido de dois locais distintos. Caso se desconsidere os sólidos no afluente, a concentração e a vazão do Solução: lodo excedente, as quais variam em função do ponto de extração, podem ser dadas de acordo com: a) Remoção do lodo excedente diretamente do reator (controle hidráulico) Extração do lodo excedente diretamente do reator (ou do efluente do reator). Tal opção Vazão diária a ser (Equação 3.93): é denominada controle hidráulico do sistema. A concentração do lodo excedente é igual à concentração de SS no reator (SSTA). Caso se deseje manter a idade do lodo / d constante, a vazão Qex pode ser obtida por meio de rearranjo da Equação 3.17: (3.93) 90 Lodos Ativados Princípios da remoção da matéria carbonácea em sistemas de lodos ativados 91</p><p>Carga a ser extraída Quadro 3.6. Aspectos relativos à remoção do lodo excedente do sistema de lodos ativados Modalidade Aspectos da remoção do lodo Qex.X = = kgSS/d lodo secundário excedente necessita de uma estabilização posterior, efetuada na Tal valor é, como seria esperado, igual à produção de lodo excedente (calcu- etapa de tratamento da fase sólida. lada no Exemplo 3.13), já que o sistema se encontra em no estado lodo pode ser retirado diretamente do reator (menor concentração de SS, maior Lodos Qex) ou da linha de lodo de retorno (maior concentração de SS, menor Qex). estacionário (produção = remoção). ativados convencional lodo excedente pode ser removido contínua ou intermitentemente. lodo excedente pode ser enviado separadamente à etapa de tratamento da fase b) Remoção de lodo excedente da linha de recirculação do lodo sólida (incluindo digestão) ou retornado ao decantador primário, para sedimentação e tratamento conjunto com lodo Vazão diária a ser extraida (Equação 3.94): lodo secundário já se encontra em grande parte estabilizado, não necessitando de etapa posterior de digestão. Aeração lodo pode ser retirado diretamente do reator ou da linha de lodo de retorno. 10.000 prolongada lodo pode ser removido ou intermitentemente. lodo excedente é usualmente enviado diretamente ao tratamento da fase sólida, já que estações por aeração prolongada costumam não ter tratamento primário. Devido à maior concentração do lodo removido a vazão de lodo excedente Qox é bem menor do que na alternativa de extração direta do reator (Qex 89 3.16. REQUISITOS DE OXIGÊNIO Carga a ser extraida 3.16.1. Preliminares No tratamento biológico aeróbio, o oxigênio deve ser fornecido para satisfazer às seguintes demandas: Tal valor é, como seria esperado, igual à produção de lodo excedente (calculada no Exemplo 3.13) e igual à carga a ser pelo reator na alternativa oxidação da matéria orgânica carbon "a" menos de diferenças devido a arredondamentos). oxidação do carbono orgânico para fornecer energia para a síntese bacteriana respiração endógena das células bacterianas Os resultados obtidos neste exemplo não são, no entanto, realisticos, por nitrificação desconsiderarem a carga de sólidos no afluente e no efluente final. Os exemplos constantes do Capitulo 8 levam em consideração a influência, tanto dos sólidos Em sistemas com biológica, pode-se levar em ação a no esgoto afluente, quanto dos sólidos efluentes do decantador secundário, economia de oxigênio advinda da na produção e retirada de lodo excedente. presente item dedica-se à análise dos aspectos relativos ao consumo de oxigênio. Os aspectos relacionados ao fornecimento de oxigênio encontram-se abordados no item relativo aos sistemas de aeração (Capítulo 5). Há duas maneiras de se calcular os requisitos de oxigênio para a satisfação da Um resumo das alternativas relacionadas à extração e encaminhamento do lodo demanda carbonácea. Ambas as formas são equivalentes e e con- excedente encontra-se no Quadro 3.6. duzem aos mesmos valores: Método baseado na demanda carbonácea total e na remoção de lodo excedente Método baseado na demanda para a síntese e para a respiração endogena A demanda para a nitrificação é baseada em relações estequiométricas com a oxidada. Apesar do presente capítulo abordar apenas a remoção da matéria 92 Lodos Ativados da remoção da matéria carbonácea em sistemas de lodos ativados 93</p><p>carbonácea, o consumo de oxigênio para a nitrificação deve ser também levado em RO S) (3.97) consideração, já que em nossas condições de temperatura, a nitrificação ocorre quase que sistematicamente em sistemas projetados para a remoção de DBO. Substituindo-se na equação acima pelo lado direito da Equação 3.92 (a qual 3.16.2. Demanda carbonácea expressa Pxy em termos de Yobs), obtém-se, após rearranjo, uma outra forma de se representar o consumo de oxigênio: a) Método baseado na demanda carbonácea total e na remoção de lodo excedente O fornecimento de oxigênio para a demanda carbonácea deve ser igual ao consumo 1,42.Y de oxigênio pela DBO última removida pelo sistema. Esta demanda corres- (3.98) ponde à demanda total para a oxidação do substrato e para a respiração endógena da biomassa. A DBO última, por seu lado, é igual à DBO5 multiplicada por um fator de conversão que se situa em torno de 1,2 a 1,6. Um valor usualmente adotado é o de DBO,/DBO5 igual a 1,46. Desta forma, a massa de oxigênio requerida por dia pode ser dada em função da carga de DBO5 removida: Exemplo 3.15 Com base nos dados do Exemplo 3.6 (relativo à distribuição dos sólidos no RO (3.95) tratamento), estimar o consumo de oxigênio para a estabilização da matéria carbonácea no sistema de lodos ativados convencional dias) e na onde: aeração prolongada dias). RO = requisito de oxigênio Dados: Q = vazão afluente So = concentração de DBO5 afluente (DBO total) = 100,0 kg/d S concentração de DBO5 efluente (DBO solúvel) Pxv (lodos ativados convencional) 1,46 fator de conversão 28,2 (aeração prolongada) fator de conversão (g/kg) Solução: No sistema de lodos ativados, no entanto, parte da matéria orgânica afluente é convertida a novas células. equivalente a essas células produzidas é descartado Lodos ativados convencional (Equação 3.97) do sistema (produção = descarte em um sistema no estado estacionário). Por essa razão, deve-se descontar, no consumo de oxigênio, a fração relativa ao consumo de RO = 1,42x43,2 = 84,7 kgO2/d oxigênio dessas células, a qual não será realizada dentro do Como demons- trado pelas Equações 3.71 e 3.72 (Item 3.12), cada 1 g de células consome 1,42 Aeração prolongada (Equação 3.97) de oxigênio para a sua estabilização. Assim, a Equação 3.95 pode ser expandida e RO = escrita literalmente como: Como seria de se esperar, a aeração prolongada incide em um maior RO removida 1,42.(sólidos produzidos) (3.96) consumo de oxigênio, comparado com o sistema de lodos ativados conven- (kg/d) (kg/d) (kg/d) cional. Neste exemplo, a diferença se deve à menor retirada de lodo excedente. Caso o sistema de lodos ativados convencional A massa de sólidos em suspensão voláteis produzida por dia (Pxv) é dada pelas decantação primária (como é usual), a carga de afluente ao tratamento Equações 3.90 ou 3.92. Assim, o consumo de oxigênio para a estabilização da matéria biológico seria menor, resultando num consumo de oxigênio ainda menor. orgânica carbonácea pode ser expresso através de (Metcalf & Eddy, 1991): 94 Lodos Ativados da remoção da matéria carbonácea em sistemas de lodos ativados 95</p><p>b) Método baseado na demanda para a oxidação do substrato e para a res- Quadro 3.7. Demanda carbonácea de oxigênio por unidade de DBO5 removida piração endógena (kgO2/kgDBO5 rem), para diferentes valores de Y e A demanda para a oxidação da matéria orgânica carbonácea pode ser dividida em seus dois componentes principais: Coeficientes Idade do lodo (d) demanda para a síntese Y (g/g) Kd 2 6 10 14 18 22 26 30 demanda para a respiração endógena 0,5 0,09 0,84 0,95 1,02 1,07 1,10 1,13 1,14 1,14 0,6 0,08 0,70 0,83 0,91 0,97 1,01 1,05 1,07 1,07 0,7 0,07 0,57 0,70 0,80 0,86 0,91 0,95 0,98 1,01 A equação do consumo pode ser obtida por meio de rearranjo da Equação 3.97. Assim, caso se substitua Pxv pelo lado direito da Equação 3.90, o seguinte Com relação ao Quadro 3.7, comentam-se os seguintes aspectos: desenvolvimento: consumo de oxigênio para satisfação da demanda carbonácea cresce com a idade do lodo. RO (kg/d) = - A faixa de idade do lodo mais reduzida é mais sensível aos valores dos coeficientes (3.97) Y e Kd. Já na aeração prolongada, a variação na demanda de oxigênio em função RO (kg/d) = - - dos coeficientes Y e é menor. (3.99) A estimativa do consumo de oxigênio para estabilização da matéria carbonácea não depende da consideração da presença ou não de sólidos no esgoto afluente. RO (kg/d) = (3.100) Os valores apresentados são para condições médias de vazão e carga, não levando em consideração a necessidade de segurança para condições de pico (ver exemplos do Capítulo 8 para tal). A equação acima pode ser expressa da seguinte forma simplificada: (kg/d) = (3.101) Exemplo 3.16 Com base nos dados do Exemplo 3.6 (relativo à distribuição dos sólidos no onde: tratamento), estimar o consumo de oxigênio para a estabilização da matéria carbonácea no sistema de lodos ativados convencional dias) e na aeração a' = 1,46 1,42.Y prolongada dias). = Dados: Esta equação proporciona uma forma bem conveniente de se expressar consumo = fb = 0,72 (lodos ativados convencional) de oxigênio através de seus dois componentes principais: sintese (primeiro termo do Y=0,6 fb = 0,57 (aeração prolongada) lado direito) e respiração da biomassa (segundo termo do lado direito). Por exemplo, Kd em um sistema existente, o resultado da manipulação da concentração da biomassa no consumo total de oxigênio pode ser diretamente avaliado. Solução: Com relação aos valores dos coeficientes, deve-se ter em mente que b' é função de fb, ou seja, indiretamente, de Em decorrência, sistemas de aeração prolongada devem possuir menores valores de b'. No entanto, como o volume V do reator é bem maior nestes sistemas, o termo da direita (respiração da biomassa) é maior do que nos sistemas de lodos ativados convencional. De forma a permitir determinações expeditas da demanda carbonácea média, o Quadro 3.7 apresenta valores da relação RO/DBO removida, para diferentes com- binações dos valores de Y e Kd. 96 Lodos Ativados Principios da remoção da matéria carbonácea em sistemas de lodos ativados 97</p><p>a) Lodos ativados convencional sintese: 60,8 kgO2/d (idem item a) respiração da biomassa: 45,3 Cálculo de a' (Equação 3.101) total: = Relação removida: Cálculo de b'(Equação 3.101) RO/DBO5 = = 1,06 kgO2/kgDBO5 rem (bastante similar ao apresentado no Quadro 3.7 notar diferença nos valores de Y kgO2/kgSSV.d c) Resumo Cálculo de (Equação 3.64) Variante Consumo de O2 (kg/d) 0,6x100,0 259,2 kgSSV Síntese Respiração Total 1+0,72x0,09x6 Convencional 60,8 23,8 84,6 Aeração prolongada 60,8 45,3 106,1 Cálculo do consumo de O2 Observa-se, portanto, que o maior consumo de oxigênio na aeração prolon- sintese: = = 60,8 kgO2/d gada é devido à respiração da biomassa. Nota-se também que os consumos respiração da biomassa: kgO2/d totais são os mesmos obtidos no Exemplo 3.15 (a menos de diferenças de - total: arredondamento). Pode-se também calcular o consumo de O2 para a respi- ração da biomassa multiplicando-se o fator de 1,42 pela carga de sólidos Relação removida: biodegradáveis RO/DBO5 = 84,6/100,00 = 0,85 kgO2/kgDBO5 rem (bastante similar ao apresentado no Quadro 3.7 notar diferença nos valores de Y e consumo de oxigênio calculado segundo as abordagens descritas acima diz b) Aeração prolongada respeito às condições estacionárias médias de operação. Durante os horários de pico, a vazão afluente máxima normalmente coincide com a concentração de DBO5 Cálculo de a'(idem item a) afluente máxima (Metcalf & Eddy, 1991; von Sperling, 1994c). Desta forma, a carga afluente de DBO5 máxima é vezes superior à carga 0,608 kgO2/kgDBO5 média. No entanto, o pico de consumo de oxigênio não coincide necessariamente com o pico de carga de DBO5, estando amortecido e defasado em algumas horas. A Cálculo de 3.101) razão disto é que a DBO solúvel é imediatamente assimilada, ao passo que a DBO em suspensão requer um certo tempo para que seja hidrolisada (sem consumo de 0,073 kgO2/kgSSV.d oxigênio) e posteriormente assimilada (Clifft & Andrews, 1981). Ao se calcular o consumo total de oxigênio deve-se levar em consideração um fator de o Cálculo de (Equação 3.64) qual esteja associado aos picos da carga afluente ou à vazão máxima. 0,6x100,0 620,1 kgSSV 3.16.3. Demanda para nitrificação A nitrificação corresponde à oxidação da amônia a nitrito e este, posteriormente, a nitrato. Esta oxidação implica em consumo de oxigênio, o qual deve ser computado Cálculo do consumo de O2 nos requisitos totais de oxigênio. nitrogênio orgânico, também presente no esgoto 98 Lodos Ativados da remoção da matéria carbonácea em sistemas de lodos ativados 99</p><p>BIBLIOTECA DA UFLA bruto, não sofre nitrificação diretamente, mas é inicialmente convertido a amônia, 3.16.4. Recomendações da NBR-570 resultando na sua subsequente nitrificação. Assim, considera-se que o nitrogênio A NBR-570 faz as seguintes recomendações para o cálculo dos requisitos de orgânico e o amoniacal sejam passíveis de gerarem consumo de oxigênio no processo oxigênio e da concentração de oxigênio a ser mantida no tanque (texto original de nitrificação. A soma do nitrogênio orgânico e do nitrogênio amoniacal é definida adaptado e convertido a quadro): com NTK (Nitrogênio Total Kjeldahl). Os princípios da nitrificação, bem como as condições para a sua ocorrência, estão abordados no Capítulo 9. Para os objetivos do presente item, é suficiente saber que, Quadro 3.8. Requisitos de oxigênio e concentração de OD no reator, segundo a NBR-570 estequiometricamente: Sistema kg por kg DBO5 Concentração de afluente ao reator OD no reator (mg/l) 1 g NTK requer 4,57 g O2 para conversão a Lodos ativados convencional 1,5 2,0 Aeração prolongada 2,5 1,5 Sistema com nitrificação, mas sem 3,0 1,5 Assim: 3.17. REQUISITOS DE NUTRIENTES RO (kg/d) (3.102) Os microrganismos responsáveis pela estabilização da matéria orgânica neces- sitam de outros nutrientes, além do carbono, para as suas atividades metabólicas. onde: Os principais nutrientes são normalmente o nitrogênio e o fósforo, além de outros elementos em concentrações diminutas. NTK = nitrogênio total Kjeldahl, igual ao nitrogênio orgânico mais o Para que o sistema de tratamento remova a DBO ou, em outras palavras, o car- nitrogênio amoniacal (mgN/l) bono orgânico, é necessário que este seja o nutriente limitante no meio, e os demais nutrientes estejam presentes em concentrações acima da mínima requerida pelos Na realidade, pode-se considerar que no esgoto bruto o NTK represente o nitro- microrganismos. No esgoto doméstico tal condição é usualmente satisfeita, enquanto gênio total afluente, uma vez que normalmente são desprezíveis as concentrações de que em um certo despejo industrial pode haver falta de determinado nutriente, con- nitrito e nitrato no afluente. Assim, o NTK é o nitrogênio potencialmente oxidável duzindo a que a biomassa não se desenvolva como desejado. Em várias situações, é a nitrato. vantajoso misturar-se os esgotos domésticos e industriais na rede pública de coleta, As bactérias responsáveis pela nitrificação possuem um crescimento bem lento fazendo com que, após a mistura e diluição, o afluente à ETE seja auto-suficiente sendo, além disso, bastante sensíveis a variações das condições ambientais. Por em termos de requisitos de nutrientes. conseguinte, a ocorrência de nitrificação está sujeita à satisfação de alguns crité- A quantidade de N e P requerida depende da composição da biomassa. Expres- rios mínimos. No sistema de lodos ativados convencional, em países tropicais, as sando-se a composição típica de uma célula bacteriana em termos das fórmulas em- chances de ocorrência da nitrificação são bastante elevadas, mesmo em sistemas de C5H7O2N ou (Metcalf & Eddy, 1991), tem-se que(a biomassa lodos ativados com baixas idades do lodo, em virtude das elevadas temperaturas que sintetizada no tratamento contém aproximadamente 12,3% de nitrogênio e 2,6% de aceleram a taxa de crescimento das bactérias nitrificantes. Portanto, mesmo que seja fósforo. o resíduo celular após a respiração endógena possui em torno de 7% de apenas a título de segurança, recomenda-se a inclusão do consumo de oxigênio para nitrogênio e 1% de fósforo (Eckenfelder, 1980, 1989). a nitrificação nos requisitos totais. Na modalidade de aeração prolongada, face às Segundo Eckenfelder (1980, 1989), o nitrogênio requerido é igual ao nitrogênio maiores idades do lodo, que permitem com folga o crescimento das bactérias nitri- removido do sistema através do lodo excedente. As principais frações são o nitrogê- ficantes, pode-se considerar que a nitrificação ocorra sistematicamente, a menos que nio presente na biomassa ativa que sai do sistema na forma de lodo excedente, mais haja algum impedimento de ordem ambiental (como baixo oxigênio dissolvido). nitrogênio presente no não ativo da respiração endógena. Levando em A implica em economia de oxigênio. No entanto, para que a mesma consideração as porcentagens supra citadas da composição celular, pode-se estimar ocorra de maneira expressiva, é necessária a sua inclusão como um dos objetivos do o requisito de nitrogênio: projeto da estação. A presença de condições anóxicas é essencial para a ocorrência da 100 Lodos Ativados Principios da remoção da matéria carbonácea em sistemas de lodos ativados 101</p>