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PROCESSOS DE LODOS ATIVADOS HISTORICO: Foi desenvolvido na Inglaterra em 1914 A eficiência de LD depende da floculação biológica e separação do liquido Sistema constituído de massa biológica que cresce e flocula é mantido constantemente em contato com o efluente e a biomassa através da agitação e presença contínua de oxigênio. O oxigênio é geralmente proveniente de bolhas de ar injetadas através de difusores dentro da mistura lodo e líquido sob condições de turbulência. Ou por aeradores mecânicos de superfície CONCEITO: Transferência de Oxigênio A transferência de oxigênio do AR para o meio líquido se processa em três fases: 1. As moléculas de oxigênio do ar se transferem para a superfície do líquido que se torna saturado (Cs), forma-se uma interface composta de moléculas de água com a extremidade negativa voltada para a fase gasosa e a positiva para a fase líquida; 2. As moléculas de oxigênio atravessam esta interface, no sentido do meio líquido, por difusão 3. Sob agitação elevada, o oxigênio é misturado no meio líquido por difusão e convecção. Transferência de Oxigênio A concentração do oxigênio é função da: • Temperatura • Característica do meio líquido • Pressão barométrica A velocidade de transferência é dada pela expressão: ( ) ( ) ( ) ( ) agitação) de nível o com e líquida camada da mudança da rapidez a com cresce e varia líquida massa a para típico ecoeficient : líquido meio no de ãoconcentraç : dissolvido de saturação de ãoconcentraç : linterfacia superfície : tempo de unidade na atransferid de massa : ( / / / 2 2 2 22 L L k LmgOC LmgOCs mA hkgOON ( ) (1) CCsAkN L -= . Expressando a equação (1) em relação ao volume do sistema: ( ) ( )ak aV A A CC V Ak d d V N L LSL t c global ecoeficient o determina se e artifício o se-Usa . de valor o determinar pode se não prática, Na (2) =® -== ( )( ) ( ) ( ) ( ) consttakCCn dtak CC d CCak dt d LLS L LS c LSL c +-=- = - -= . . l (3) Coeficiente de Transferência de Oxigênio ( ) linterfacia área : massa de ncia transferêde ecoeficient : 1)-(h global ncia transferêde ecoeficient : . : a k ak akprodutoak L L LL ® Determinação Experimental ( ) ( ) ( ) líquido no dissolvido oxigênio de ãoconcentraç : gás o com equilíbrio em líquida fase na dissolvido oxigênio de ãoconcentraç : (1) saturação de ãoconcentraç a tendo aumenta, água na dissolvido oxigênio de ãoconcentraç a sulfato, a oxidado ntecompletame é sulfito o Quando - r.catalisado como atua que cobalto, de presença na sódio de sulfito de excesso de adição da através água da çãodesoxigena a se-Faz - :transiunte regime em , do ãodeterminaç Para C C CCak dt d C SONa ak S SL c S L -= : 32 Determinação Experimental ( ) ( ) ( ) líquido no dissolvido oxigênio de ãoconcentraç : gás o com equilíbrio em líquida fase na dissolvido oxigênio de ãoconcentraç : (1) saturação de ãoconcentraç a tendo aumenta, água na dissolvido oxigênio de ãoconcentraç a sulfato, a oxidado ntecompletame é sulfito o Quando - r.catalisado como atua que cobalto, de presença na sódio de sulfito de excesso de adição da através água da çãodesoxigena a se-Faz - :transiunte regime em , do ãodeterminaç Para C C CCak dt d C SONa ak S SL c S L -= : 32 DINÂMICA MICROBIOLÓGICA ØÁ Medida que passa o tempo ocorre um processo de substituição Seqüencial de microrganismos Øsucessão ecológica. DINÂMICA MICROBIOLÓGICA ØNo inicio da aeração surgem as bactérias que são diretamente responsáveis pala oxidação da M.O. do efluente. Através de enzimas extra- celulares solubilizam a M.O. e assimilando este material através da membrana celular. ØA população de bactérias no inicio segue a fase logarítima . DINÂMICA MICROBIOLÓGICA ØEm seguida surgem os protozoários flagelados que também se alimentam de M.O. em solução. Conforme o tipo de resíduo, fungos podem predominar. ØNessa fase o metabolismo bacteriano é intenso e a remoção de M.O. (DBO) é Máxima. Á medida que o tempo passa novas mudanças vão ocorrendo tanto no aspecto físico-químico quanto biológico. DINÂMICA MICROBIOLÓGICA ØSem o aumento do número de bactérias surgem os primeiros protozoários livres – natantes que se alimentam de partículas orgânicas em suspensão, principalmente bactérias. ØNa verdade não existe separação dessas fases, porque a morte de células, lise, processo de degradação e solubilização da M.O. estão ocorrendo simultaneamente em todos os instantes. DINÂMICA MICROBIOLÓGICA ØA presença de muitas bactérias ativas (movimento Browniano) e grande quantidade de ciliados livres natantes em intensa movimentação e agitação indica um ambiente rico em alimento (Alto nível energético). Ø Nesse estágio de alto nível energético é suficiente para manter os microrganismos totalmente dispersos, evitando o processo de floculação. DINÂMICA MICROBIOLÓGICA ØConforme a M.O. vai sendo consumida e novas células produzidas, a relação A|M cai rapidamente chegando ao ponto do alimento tornar-se limitante decaindo as populações bacterianas DINÂMICA MICROBIOLÓGICA ØE os protozoários livres natantes sofrem um acentuado decréscimo, morrem formando cistos deixando de se reproduzir. Este fenômeno promove as condições para a formação dos primeiros flocos, fase de declínio de crescimento. DINÂMICA MICROBIOLÓGICA Ø Nessa fase, o mais baixo nível energético do meio não pode mais suportar grandes populações de ciliados livres natantes que demandam muita energia principalmente para sua locomoção, DINÂMICA MICROBIOLÓGICA Ø Assim sendo, são substituído naturalmente por ciliados fixos por apresentarem um tipo de locomoção limitada, exigem menos energia para sua sobrevivência. Estes são microrganismos indicadores universais de condições ótimas de floculação. DINÂMICA MICROBIOLÓGICA ØEste estágio coincide com o início da fase endógena, caracterizada pela intensa formação de flocos com grande poder de sedimentação. Os flocos são formados basicamente por uma biomassa bacteriana imobilizada carente de energia vivendo de suas próprias reservas. DINÂMICA MICROBIOLÓGICA Ø Com o passar do tempo, os ciliados fixos são substituídos por rotíferos, vermes e nematóides que se alimentam de pedaços de flocos formados . TANQUE DE AERAÇÃO ETE PARQUE NOVO MUNDO SOPRADOR DE AR ETE PARQUE NOVO MUNDO TANQUE DE AERAÇÃO ETE SUZANO SISTEMAS DE AERAÇÃO POR AERADORES SUPERFICIAIS SISTEMAS DE AERAÇÃO POR AERADORES SUPERFICIAIS DECANTADOR SECUNDÁRIOETE ABC PROCESSO DE LODO ATIVADO MODELAÇÃO MATEMÁTICA ØO reator biológico comporta-se como um reator de mistura completa ØPresença de oxigênio ØMacro e micro-nutrientes em excesso ØCultura microbiana heterogênea ØMicrorganismos (Quantificação): SSV ØSubtrato (Quantificação): DBO5,20 ØSubstrato: Matéria orgânica biodegradável PROCESSO DE LODOS ATIVADOS Tanque de Aeração Decantador Secundário Esgoto tratado Lodo em excesso Volume de controle Q,S0,X0 (Q - QD),Se,Xe QD,Xr V,X Qr,Xr Balanço de massa de substrato em torno do tanque de aeração: Q . So + Qr . Se - (Q + Qr) . Se - V . dS/dt = 0 Definindo-se a taxa específica de utilização do substrato, U:massa de substrato (KgDBO) consumido por diaU = ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ Þmassa de células (KgSSV) no reator U = (dS/dt)/X Þ dS/dt= U . X \ Q .So + Qr . Se - Q . Se + Qr . Se - V . U . X = 0 ÞQ . (So - Se)U = ¾¾¾¾¾¾V . X Q . So(A/M) = ¾¾¾V . X CONTROLE DO PROCESSO DE LODO ATIVADO Baixa concentração de DBO5,20 solúvel no efluente final Controle da idade do lodo Baixa concentração de SST no efluente final •Operação adequada dos decantadores secundários •Controle da sedimentabilidade do lodo IVL 1000. )/( )/(min30dim ÷ ø öç è æ = lmgtotaissuspensãoemSólidos lmlementáveisseSólidosIVL Significado físico: Volume ocupado (em ml) por 1 grama de lodo biológico RELAÇÃO A/M E SEDIMENTABILIDADE DO LODO 0 50 100 150 200 250 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 A/M (kg DBO/kg SSV.dia) IV L (m l/g ) Má sedimentabilidade do lodo Boa sedimentabilidade Má sedimentabilidade do lodo Tempo Médio de Retencao Celular (Idade do Lodo) massa de células (KgSSV) no tanque de aeração qc = ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ massa de células (KgSSV) descarregadas por dia V . X qc = ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ Qd . Xr + (Q - Qd) . Xe Desprezando-se as perdas com o efluente final: V . X qc = ¾¾¾ Qd . Xr Considerando-se a retirada de lodo diretamente do tanque de aeração: V . X V qc = ¾¾¾ Þ qc = ¾¾ Qd . X Qd Balanço de massa de microrganismos (SSV) no sistema: Q . Xo – [ Qd . Xr + (Q - Qd) . Xe ] + V . dX/dt = 0 Onde dX/dt representa o crescimento global de microrganismos Crescimento biológico: massa de células (KgSSV) produzidas por dia m = ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ massa de células (KgSSV) no reator Decaimento por metabolismo endógeno: massa de células (KgSSV) destruídas por dia kd = ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ Þ massa de células (KgSSV) no reator Crescimento Líquido: m¢ = m - kd dX / dt = ( m - kd ) . X – [ Qd . Xr + (Q - Qd) . Xe ] + V . X . ( m - kd ) = 0 [ Qd . Xr + (Q - Qd) . Xe ] m - kd = ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ Þ 1 / qc = m - kd V . X Coeficiente de síntese celular, Y: m = Y . U Þ 1 / qc = Y . U - kd So - Se U = ¾¾¾¾ Þ td . X So - Se 1 / qc = Y . ¾¾¾¾ - kd td . X Modelo Simplificado para lodo ativado Ø Considera-se reator biológico completamente misturado sob condições estacionárias. ØSistema ideal: (1) todo material biodegradável é utilizado no reator biológico. (2) o decantador é um separador perfeito das fases sólidas e líquidas, não descarregando sólidos em suspensão no efluente. Modelo Simplificado para lodo ativado Ø Estado estacionário: vazão constante com concentração e composição do material orgânico e variáveis, com vazão constante de descarga de lodo de excesso. Modelo Simplificado para lodo ativado Ø. ØÁgua residuaria em contato com o lodo ocorre: Ø A) metabolismo: o material biodegradável do afluente é removido da fase liquida e metabolizado pelo lodo. Ocorre a incorporação de parte do material biodegradável (anabolismo) enquanto o restante é oxidado (catabolismo). Modelo Simplificado para lodo ativado B) decaimento: ocorre o decaimento do lodo ativo. Parte do lodo que sofreu decaimento é oxidado por substâncias inorgânicas enquanto o restante permanece como resíduo endógeno. Modelo Simplificado para lodo ativado . C) biofloculação: o material particulado e não biodegradável do afluente não é afetado pela atividade do lodo, mas é removido fisicamente da fase líquida pela floculação. O material floculado é o lodo inerte. Van Haandel e Marais(1999) PROCESSO DE LODO ATIVADO CONVENCIONAL Grade Caixa de areia Decantador Primário Tanque de Aeração Decantador Secundário Adensamento Digestão Secagem Lodo “Seco” Rio Água retirada do lodo PROCESSO DE LODO ATIVADO COM AERAÇÃO PROLONGADA Grade Caixa de areia Tanque de Aeração Decantador Secundário Adensamento Secagem Lodo “Seco” Rio Água retirada do lodo Decaimento Bacteriano )( veisbiodegradá SSV de ãoconcentraç : )1( endógena respiração de ecoeficient : (1) 1- - -= mgLx diak xk dt dx b d bd b Produção Líquida em Termos de Substrato ( ) ( ) (3) :finitas condições Em (2) bd v bd v kk t ssy T x xk dt ssdy dt dx . . 0 0 - - = D D - - = Crescimento em termos de biomassa mgSSVmgSSf f fxx xkx sk s dt dx xkx dt dx bb b bvb bdv s v bdv v /72,0 sólidos de velbiodegradá fração : (6) . (5) . (4) . max = = - + = -= m m Relação entre a taxa de utilização (U) e θc Substituindo a equação (6) na equação (3): ( ) ( ) ( ) (9) (8) (7) bd vc bd vv v vvbd v fk tx ssy fk x ssy x Tx xxfk t ssy T x - - = - - = DD - - = D D 0 0 0 1 / :. q Relação entre a taxa de utilização (U) e θc ( ) bd c v vv fkYU U xV ssQU tx s xv Qs M A .1 :(9) na (11) equação a doSubstituin substrato do utilização de taxa: (11) . (10) . 0 00 -= - = == q Relação entre a taxa de utilização (U) e θc (13) .1 (12) bd c fkE M AY E M AU -÷ ø öç è æ= ÷ ø öç è æ= q Distribuição dos sólidos no tratamento v b v i vi x x x x xxx relação a menor a maior Quanto orgânico volátil, fração : inorgânica fração : cq += Decaimento Bacteriano )( veisbiodegradáSSV de ãoconcentraç : )( endógena respiração de ecoeficient : (1) 1 1 - - -= mgLx diak xk dt dx b d bd b Produção Líquida em Termos de Substrato ( ) ( ) (3) :finitas condições Em (2) bd v bd v kk t ssy T x xk dt ssdy dt dx . . 0 0 - - = D D - - = Crescimento em termos de biomassa mgSSVmgSSf f fxx xkx sk sy dt dx xkyx dt dx bb b bvb bdv s v bdv v /72,0 . . . max = = - + = -= sólidos de velbiodegradá fração : (6) (5) (4) Relação entre a taxa de utilização (U) e θc Substituindo a equação (6) na equação (3): ( ) ( ) ( ) (9) (8) (7) bd vc bd vv v vvbd v fk tx ssy fk x ssy x Tx xxfk t ssy T x - - = - - = DD - - = D D 0 0 0 1 / :. q Concentração de sólidos em suspensão no reator(sistema com recirculação) ( ) ÷ ø öç è æ + - = TDHfK SSYx c cbd v q q..1 0 Kb: coeficiente de respiração endógena(0,06 a 0,10 dia -1 ) Fb: Fração biodegradável dos SSV Concentração de sólidos em suspensão no reator ( ) TDHfK SSYx dd v ..1 0 + - = Num sistema sem recirculação (TRC=TDH) Cálculo do volume do reator ( ) ( )cbdv c fKx SSQYV q q ..1. ... :reator do Volume 0 + - = 1- DESLOCAMENTO (Flocos Pontuais) Lodo Disperso: Não ≠ sobrenadante / lodo 2- LODO FLUTUA (Densidade) Densidade N2 → Flocos menos denso • Produto Anaeróbico: CO2 H2S • Ciliados pedunculados, rotiferos nematóides, fungos saprófitos (mortos) PROBLEMAS: Sedimentações os Flocos PROBLEMAS: Sedimentações os Flocos 3- INTUMESCIMENTO ZOOGLEANO Intumescimento filamentosos Intumescimento não filamentoso Flocos com grande quantidade.Água adensada • FUNGOS NÃO SÃO DESEJÁVEIS • Estímulos de Fungos • Filamentos • Intumescimento (bulking) • Lodo sedimenta muito devagar, adensa mal só uma fração do sobrenadante mostra-se limpos. ·pH baixo ·Despejos com carboidratos ·Teor de O2 baixo ·Falta de Nutrimento Filamento (bac/ml) Flocos Características 101 a 102 Peq. Diâm. < 50 µm Lodo disperso (pint-point) 102 a 106 Peq. Diâm. < 50 µm Provável intumescimento de lodo Médio a grande > 100 a 300 µm Lodo em boas condições 106 a 108 Peq. e médio < 100 µm Muito provável intumescimento. > 108 Grande diâm. > 150 µm Intumescimento do lodo - Q So Xav V F = f M = IVL 200 100 50 0,5 1 3 3 0,30 0,60 1,00 F/M 1.Má decantabilidade 2.Boa decant. lodo floculento 3.Má decantabilidade Organismos filamentos: (Intumescimento) IVL = Teor de lodo X 1000Conc. Lodo seco IVL < 100 Índice de Mohlman ou IVL Def.: como o volume em ml ocupado por 1 grama de lodo Após 30mm de sedimentação MICRORGANISMOS CARACTERÍSTICAS DO PROCESSO Predominância de flagelados e rizópodes Lodo jovem característico de início de operação ou TRC* baixo Predominância de flagelados Deficiência de aeração, má depuração e sobrecarga orgânica Predominância de ciliados pedunculados e livres Boas condições de depuração Presença de Arcella (rizópode com teca) Boa depuração Presença de Aspidisca costata (ciliado livre) Nitrificação Presença de Trachelophyllum (ciliado livre) TRC* alto Presença de Vorticella microstoma (ciliado pendunculado) e baixa concentração de ciliados livres Efluente de má qualidade Predominância de anelídeos do Gên. Aelosoma Excesso de oxigênio dissolvido Predominância de filamentos Intumescimento do lodo ou bulking filamentoso ** (*) Tempo de retenção celular, dia. (**) Para caracterizar o intumescimento do lodo é necessário avaliar os flocos Agrupamento de organismos de diversos gêneros presentes em sistemas de lodos ativados (VAZOLLÉR et al., 1989) GRANDES GRUPOS GÊNEROS FREQUENTES Classe Ciliata a) Ciliados livres-natantes Paramecium, Colpidium, Litonotus, /trachelophyllum, Amphileptus, Chilodonella b) Ciliados pedunculados Vorticella, Opérculária, Epstylis, Charchesium e as suctórias Acineta e Podophrya c) Ciliados livres, predadores do floco Aspioisca, Euplotes, Stylonychia. Oxytricha Classe Mastigophora – flagelados Bodo Cercobado, Mona sp, Olcomona sp, Eu plena sp, Cercomona sp, Peranema Classe Sarcodina – amebas Amoeba, Arcella, Actinophrys, Vanhlkampfi, Astramoeba, Difflugia, Cochliopodium Classe Rotífera – rotíferos Philodina, Rotaria, Epidhanes Classe Nematoda – nematóides Rhabditis Filo Anelida – anelídeos Aelosoma Ciclo típico de um SBR padrão para nitrificação. (USEPA, 1992) PERÍODOS CONDIÇÕES FINALIDADE ENCHIMENTO Entrada do Efluente no SBR Com aeração Tempo: metade do tempo de ciclo Fornecer água residuária bruta ao SBR REAÇÃO Interrupção da vazão afluente Com aeração Tempo: tipicamente: 1 a 2 horas Remoção Biológica de DBO e Nitrificação SEDIMENTAÇÃ O Interrupção da vazão afluente Interrupção da aeração Tempo: ± 1 hora Sedimentação de sólidos Suspensos promovendo a separação: sólidos e sobrenadante DESCARGA Interrupção da vazão afluente Interrupção da aeração Efluente é descarregado Descarga do efluente do reator, 10 a 50% do volume do reator é decantado dependendo das condições hidráulicas e configurações do SBR REPOUSO Interrupção da vazão afluente Interrupção da aeração Descarga de lodo Em sistemas de tanques múltiplos, permite findar um ciclo e começar um outro. Descarga de lodo de excesso Tempo total do ciclo: 4 a 6 horas pH e ALCALINIDADE ALC: É a capacidade da solução neutralizar ácido ou absorver H+ Em processos Biológicos pH 6 a 8 ALC. A bicarbonato é responsável pelo controle do pH conforme H2O + CO2 H2CO3 H+ + HCO3- HCO3- + OH- H2O + CO32- pH = pKa + Log [HCO3-] [H2CO3] Onde: pKa = Log 1 K Ka: const. De equilíbrio termodinâmico de reação; A alcalinidade a HCO3- fornece Capacidade Tampão (junto a fosfato) A Capacidade de Tamponamento de Alc. A Acetato na faixa pH = 3,75 a 5,75 p/Anaeróbio na Titulação de Alc. Por Titulação pH=4,0 Inclui Alc. HCO3 e 85% de Alc. A Acetato 1 mol HAC = 60g Eq = 60 1g HAC = 50 = 0,833 1 mol CACO3 = 100g Eq = 50 60 ALCHCO3 = AT – 0,708 AV AT = AlcHCO3 + 0,85 x 0,83AV Tipo de Organismo Fonte de Carbono Fonte de Energia Doadores de Elétrons Fotolitotrófico C02 Luz Composto Inorgânico H2O; H2S; S Fotoganotrófico Composto Orgânico Luz Composto Orgânico Quimiolitotrófico C02 Reações de Oxirredução Composto Inorgânico H2; S; NH3; Fe2+ Quimiorganotrófico Composto Orgânico Reações de Oxirredução Composto Orgânico Glucose Tipos de bactérias Reações Fonte de carbono Doador de elétron Aceptor de elétron Produtos Heterotrófica aeróbia Oxidação aeróbia Composto orgânico Composto orgânico O 2 C O 2 ; H 2 O Autotrófica aeróbia Nitrificação C O 2 NH 4 + N O 2 - O 2 N O 2 - ; NO 3 - Oxidação do enxofre C O 2 H 2 S, S 0 S 2 O 3 - 2 O 2 S O 4 2 - Heterotrófica facultativa Desnitrificação Composto orgânico Composto orgânico N O 2 ,NO 3 - N 2 ; CO 2 ; H 2 O Heterotrófica anaeróbia Fermentação ácida Composto orgânico Composto orgânico Composto orgânico AGV;acetato, propionato,butirato Redução do sulfato Composto orgânico Composto orgânico S O 4 H 2 S; CO 2 ; H 2 O Metanogênica Composto orgânico AGV C O 2 Metano Fonte: Metcalf & Eddy, 2003. 4 2 2 22 3 2 4 2 NitrosomonasNH O NO H H O Energia+ - ++ ¾¾¾¾¾® + + + 2 2 32 2 NitrobacterNO O NO Energia- -+ ¾¾¾¾® + 4 2 3 22 2NH O NO H H O Energia + - ++ ¾¾® + + + Fatores ambientais OD – 2 a 3 mg/l Temperatura pH - 7,5 a 8,0 Nitrato na Zona anaeróbia – reduz a % Parâmetros de projeto Idade de lodo TRC TDH Métodos de tratamento de lodo SSV Características do efluente Fatores Influentes na Remoção Biológica de Fósforo Fração de P nos Sólidos Suspensos mg P/ mg SS, situa-se em torno de 2 a 7% Pf – fator de propensão de remoção de fósforo em excesso Pf= (Frb .DQO – 25) . Fan Fan- Fração de massa de lodo anaeróbia Frb- fração rapidamente biodegradável Fa- fração ativa Kd – coeficiente de respiração endógena Fa= 1/ 1+0.2 Kd . Oc PROCESSO DE LODOS ATIVADOS COM AERAÇÃO PROLONGADA EM BATELADA Grade Caixa de areia Tanque deAeração Decantador Secundário Adensamento Secagem Lodo “Seco” Rio Água retirada do lodo LODOS ATIVADOS EM BATELADAS N.A. mín. Espera Enchimento Reação Sedimentação Retirada de efluente tratado Esgoto brutoReator Ar + agitação Efluente tratado Líquido Sólidos Retirada de lodo de excesso Altura de segurança LODOS ATIVADOS EM BATELADAS REATOR 1 REATOR 2 Enchimento + reação Reação Sedimentação Retirada de Efluente tratado Espera Enchimento + reação Reação Sedimentação Retirada de Efluente tratado Espera
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