Tratamento de Águas Residuárias II

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Universidade Federal de Viçosa
Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas
Departamento de Engenharia Civil
CIV 447 - Tratamento de águas residuárias II
Apostila de Aulas
Prof. Ann H. Mounteer
Viçosa 
CIV 447 – Tratamento de Águas Residuárias II
2018
34
INDICE
INTRODUÇÃO	1
LODOS ATIVADOS	2
I. INTRODUÇÃO	2
II. MODELAGEM DO PROCESSO	3
III. VARIÁVEIS DE PROJETO, OPERAÇÃO E CONTROLE	10
IV. VARIANTES DO PROCESSO	15
V. PRINCÍPIOS E SISTEMAS DE AERAÇÃO	18
VI. ROTEIRO DE DIMENSIONAMENTO DO TANQUE DE AERAÇÃO	22
VII. SEPARAÇÃO DE SÓLIDOS – DECANTADOR SECUNDÁRIO	24
VIII. TRATAMENTO E DISPOSIÇÃO FINAL DO LODO	28
IX. CONTROLE E MONITORAMENTO DO PROCESSO	30
REMOÇÃO BIOLÓGICA DE NUTRIENTES	34
REATORES AERÓBIOS DE LEITO FIXO (BIOFILME)	41
TRATAMENTO TERCIÁRIO (AVANÇADO)	47
REFERÊNCIAS	52
INTRODUÇÃO 
Tratamento aeróbio – fluxo de carbono (Corg)
Biomassa (lodo biológico)
(SSV)
Corg (DBO, DQO, COT) 
+ O2 + biomassa
degradação
30 a 50% do Corg
síntese celular
50 a 70% do Corg
respiração endógena:
- % é (condições operacionais)
- resulta na estabilização do lodo
CO2, Corg remanescente, NH3, SO42-...
Características dos processos aeróbios
Elevadas taxas de crescimento de microrganismos (O2 como aceptor de elétrons)
Elevadas taxas de remoção de matéria orgânica
Elevada produção de lodo biológico (oportunidades para aproveitamento energético e de nutrientes)
Principais processos aeróbios de tratamento de águas residuárias
	Forma de crescimento
	Sistema
	Principais variantes
	disperso (floco microbiano)
	Lodos ativados
	alta taxa
convencional
contato/estabilização
aeração prolongada
	
	Sistemas simplificados de lodos ativados 
	valo de oxidação
reator sequencial em batelada
	
	Biorreator a membranas
	-
	
	Lagoa aerada
	-
	aderido (biofilme)
	Filtro biológico 
	Filtro percolador 
Filtro/biofiltro aerado submerso
Reator de biofilme e leito móvel
	
	Biodisco
	
LODOS ATIVADOS
I. INTRODUÇÃO
Unidades essenciais dos sistemas de lodos ativados
reator biológico (tanque de aeração)
dispositivos de mistura, aeração
decantador secundário
dispositivos de recirculação, retirada e tratamento do lodo excedente
Histórico
1913 a 1915 – Adern e Lockett apresentaram uma série de trabalhos “Experiências sobre a oxidação de esgoto sem a intervenção de filtros I, II, III”, na Real Sociedade de Londres
1914 – foi concedida a 1a patente comercial na Inglaterra
1915 – Frank, EUA, patenteou o termo “activated sludge”
1920s – 1940s – guerra de patentes EUA/Inglaterra atrasou disseminação do processo
1938 – 203 plantas já tinha sido instaladas nos EUA
Hoje em dia é o sistema mais utilizado no mundo
Principais vantagens e desvantagens do processo de lodos ativados
Vantagens
Apresenta elevada eficiência de remoção de DBO5
Possui alta flexibilidade de condições operacionais
Trata eficientemente esgotos com altas e baixas cargas orgânicas
Permite operar com diferentes quantidades de biomassa no tanque de aeração 
Pode ser projetado com regime hidráulico de fluxo em pistão, mistura completa, células de mistura completa em série, ou em batelada
Trata eficientemente esgoto doméstico e efluente de diversas tipologias industriais
Possível incorporar remoção de nutrientes (N e P) ao processo, com inclusão de zonas anóxica e, ou anaeróbia
Apresenta requisitos de área relativamente baixos
Desvantagens
Tem alto custo de implantação e operação devido à necessidade de sistemas de aeração e mecanização para recirculação e descarte do lodo
Problemas de separação de sólidos no decantador secundário são comuns
Lodo excedente precisa de tratamento e disposição final adequados
II. MODELAGEM DO PROCESSO 
Balanço de massa
Balanços de massa dos sólidos (X) e substrato (S) são a base para o projeto do reator biológico (tanque de aeração). Os balanços de massa incluem as vazões para as massas de sólidos ou substrato que entram e saem do sistema e os termos apropriados para as taxas de reação (produção e, ou consumo) de sólidos ou substrato dentro do sistema. Os balanços são expressos em unidades de massa por tempo (ex. kg d-1).
O sistema para os balanços de massa de sólidos e substrato no processo de lodos ativados é definido como:
S0 = concentração de DBO ou DQO total (solúvel + particulada) no afluente, g m-3
X0 = concentração de sólidos em suspensão inertes e não biodegradáveis no afluente, g m-3
S = concentração de DBO ou DQO solúvel no reator, g m-3
X = concentração de sólidos em suspensão no reator, g m-3
Xe = concentração de sólidos em suspensão no efluente, g m-3
Xr = concentração de sólidos em suspensão no lodo recirculado, g m-3
V = volume do reator, m3
Q = vazão afluente, m3 d-1
Qr = vazão de recirculação, m3 d-1
Qex = vazão de lodo excedente, m3 d-1
Balanço: acúmulo no reator = entrada – saída + produção – consumo
Balanço de substrato: 
Balanço de sólidos: 
Tempos de detenção hidráulica () e de residência celular (c)
Devido à recirculação de sólidos os tempos de detenção (retenção) hidráulica ( ou TDH) e de residência celular, ou idade do lodo (c), se tornam independentes:
Esta expressão pode ser simplificada para: , assumindo Xe << Xr
Simplificações geralmente assumidas para balanços de massa no dimensionamento e análise do processo de lodos ativados são:
Reações bioquímicas de remoção de substrato (-dS/dt) e crescimento de biomassa (dX/dt) ocorrem apenas no reator biológico (tanque de aeração)
Biomassa (sólidos, X) está presente apenas no reator biológico
Sistema opera no estado estacionário (Q, S0, S, X não variam com o tempo)
Considerar Qex << Q, portanto Q - Qex Q
Considerar Xe << X, portanto Xe 0 (às vezes essa simplificação é feita para X0 também; deve se avaliar a possibilidade de assumir X0 0 caso a caso)
No estado estacionário, a biomassa retirada = biomassa produzida, portanto:
Caracterização dos sólidos em suspensão
As diferentes formas de sólidos em suspensão no reator biológico são:
Xa representa a biomassa (os sólidos) metabolicamente ativa, responsável pela remoção de substrato; Xa = faXV, onde fa = fração ativa dos SSV (fa < 1)
Xb representa a biomassa ativa que pode ser degradada na fase de decaimento (respiração endógena); Xb = fbXV, onde fb = fração biodegradável dos SSV (Xb < Xa)
fb = fb´fa, onde fb´= fração de sólidos biodegradáveis na biomassa recém formada (c 0). 
Geralmente, adota-se fb´ = 0,8, ou seja, considera-se que 80% dos sólidos orgânicos na biomassa nova são biodegradáveis
O dimensionamento, a operação e o controle dos sistemas de lodos ativados costumam ser feitos pressupondo que Xa XV. No entanto, na modelagem mais exata como, por exemplo, a da operação no estado dinâmico, deve-se considerar Xa = faXv.
Cinética das reações bioquímicas 
Para completar o balanço de massa de sólidos e substrato, precisamos utilizar as expressões matemáticas que descrevem a produção e, ou consumo dos mesmos no reator.
A produção de sólidos depende, em grande parte, da produção de biomassa ativa, composta, principalmente, de bactérias quimiorganoheterotróficas, e representada por dXa/dt ou dXH/dt, e descrita pela cinética de 1ª ordem, sendo a taxa líquida de crescimento igual à taxa de crescimento bruto menos a taxa de respiração endógena. A taxa de crescimento pode ser expressa em função da biomassa ou do substrato:
(biomassa):	
e sabendo que varia com S (cinética de saturação): 
(substrato): 	
A remoção do substrato, também descrita pela cinética de 1ª ordem, leva em consideração apenas a taxa de crescimento bruto da biomassa ativa, responsável pela remoção de substrato:
(biomassa):	
(substrato):	 
onde: 	Xa = biomassa ativa, g m-3
Xb = biomassa biodegradável, g m-3
Xv = SSV no reator, g m-3
S0 = substrato inicial, g m-3 DBO ou DQO
S = substrato final, g m-3 DBO ou DQO 
fb = fração biodegradáveldos SSV
kd = coeficiente de respiração endógena, d-1 
KS = coeficiente de meia saturação, g m-3 DBO ou DQO
 = taxa específica de crescimento, d-1
max = taxa específica máxima de crescimento, d-1 
 = tempo de detenção hidráulica, d-1 
Y = coeficiente de rendimento celular, g SSV produzido/gDBO ou DQO removido
Por convenção, valores reportados de coeficientes cinéticos (ex. max, kd) são para a temperatura de 20ºC. Para qualquer outra temperatura, corrija-se o valor utilizando a equação van´t Hoff-Arrenhius: 
coeficienteTº = coeficiente20º(T – 20)
Valores típicos de coeficientes cinéticos no tratamento aeróbio de esgotos domésticos
	Coeficiente
	Faixa
	Valor típico
	max, d-1
	2 a 13
	6
	KS, g DBO m-3
	25 a 50
	40
	kd, d-1
	0,06 a 0,2
	0,12
	Y, g SSV produzidos/g DBO5 removidos
	0,4 a 0,8
	0,6
	 (coeficiente de temperatura)
	para corrigir max
	1,03 – 1,08
	1,07
	para corrigir kd
	1,03 – 1,08
	1,04
Relação entre c e coeficientes cinéticos 
c é um dos principais parâmetros de dimensionamento e controle dos sistemas de lodos ativados. A relação entre c e os coeficientes cinéticos de crescimento ( e kd) é:
Sendo assim, a operação a maior c permite estabelecer e manter populações de bactérias com taxas específicas líquidas de crescimento (µ - kdfb) menores.
Concentração de sólidos no tanque de aeração 
Os sólidos no reator incluem a biomassa ativa (Xa), o detrito celular produzido pela respiração endógena (Xnb), e os sólidos inertes e não biodegradáveis no afluente (X0,i X0,nb), quando esses últimos não são desconsiderados. 
Obs.: Os sólidos biodegradáveis no afluente (X0,b) são considerados parte do substrato (S0) e portanto, não são considerados como parte dos sólidos no reator.
Concentração de biomassa ativa, Xa
A única fonte de biomassa ativa, Xa, é pelo crescimento mediante consumo do substrato, S0. 
A concentração de Xa pode ser calculada a partir do balanço de massa de substrato no reator:
mas: 	no estado estacionário, acúmulo = 0,
não há produção de substrato, e 
consumo = = 
Portanto, o balanço fica: ou 
Substituindo por , e rearranjando: 
Substituindo por , tem-se a concentração ativa de sólidos no reator: 
Pela expressão, observa-se que a concentração de biomassa no tanque de aeração aumenta com o aumento do c em relação ao e com o aumento da quantidade de substrato removida (S0–S).
Concentração de sólidos não biodegradáveis, Xnb
A concentração de Xnb pode ser calculada a partir do balanço de massa dos mesmos no sistema. A concentração é afetada pela quantidade no afluente (X0,nb), pela quantidade descartada com o lodo excedente e pela quantidade de detrito celular produzida na respiração endógena. 
mas: 	no estado estacionário, acúmulo = 0,
Xe,nb 0,
pela definição de c, ,
produção = , onde fD = fração da biomassa que não é biodegradável e se torna detrito celular; fD = 1-fb´ 
Portanto, o balanço fica: 	 
Substituindo por , incluindo a expressão para Xa e rearranjando: 
Concentração de sólidos em suspensão voláteis, Xv
A concentração de sólidos em suspensão voláteis (SSV) no reator é a soma da biomassa ativa e dos sólidos não biodegradáveis no esgoto bruto e produzidos pela respiração endógena no reator:
, ou
A fração ativa dos SSV, a qualquer c, , 
 e, se assumir X0,nb 0, 
A fração biodegradável dos SSV, a qualquer c, fb = = fb´fa e 
Produção de sólidos, PX 
A quantificação da produção de sólidos (kg/d) é de grande importância para o controle do processo, no que tange à operação do decantador secundário e ao descarte de lodo em excesso. 
A carga (kg/d) de sólidos produzidos é a carga que deve ser retirada, para manter o processo estável:
Pela sua definição, o c fornece uma expressão que permite calcular a produção (e descarte) de lodo no processo de lodos ativados:
 
onde: 	PX = sólidos produzidos (e descartados) diariamente, kg d-1
X = sólidos no tanque de aeração, kg m-3
V = volume do tanque de aeração, m3
c = tempo de residência celular, d
Uma vez que 1/c representa a fração de sólidos descartada por dia (ex. se c = 10d, 1/10 dos sólidos deve ser descartado por dia), e o tanque de aeração contém uma mistura homogênea de biomassa (Xa) e outros sólidos (Xnb, Xi), a expressão para PX pode ser utilizada para calcular a produção de qualquer fração de sólidos no sistema (ex. totais, voláteis, biodegradáveis), e, portanto, a quantidade que deve ser descartada por dia.
Produção de biomassa ativa, PXa:
 , e lembrando que , 
 Produção de sólidos não biodegradáveis inclui:
a carga de sólidos não biodegradáveis no esgoto bruto, PX0,nb = Q.X0,nb 
a produção de sólidos não biodegradáveis no reator, PXnb 
 e lembrando que ,
 
Produção de SSV, PXv, inclui:
 a carga de sólidos não biodegradáveis no esgoto bruto, PX0,nb = Q.X0,nb 
a produção de sólidos não biodegradáveis no reator, PXnb
a produção de biomassa ativa no reator, PXa
 
Produção de sólidos totais, XT (SST), PXT , inclui:
a carga de sólidos não biodegradáveis no esgoto bruto, Q(X0,T – X0,V) = Q.X0,i 
a carga de sólidos não biodegradáveis no esgoto bruto, Q.X0,nb 
a produção de biomassa ativa no reator, PXa
a produção de sólidos não biodegradáveis no reator, PXnb
Adota-se para a relação entre XV e XT (SSV/SST) na biomassa recém-formada o valor de 0,9, ou seja, 90% da biomassa nova produzida no reator são sólidos voláteis e 10% são sólidos inertes (elementos minerais). Dessa forma: 
O afluente contribui apenas sólidos inertes (inorgânicos), X0,i e sólidos não biodegradáveis, X0,nb, uma vez que os sólidos biodegradáveis, X0,b, são contabilizadas como substrato particulado (S0 = DBOtotal = DBOparticulada (Xb) + DBOsolúvel). Um resumo dos valores tipicamente adotados para as relações entre as diferentes frações de sólidos no esgoto doméstico bruto e na biomassa recém-formada é:
	Relação
	Esgoto bruto*
	Biomassa nova
	Fração de sólidos suspensos voláteis (SSV) nos sólidos suspensos totais
	
	0,7 a 0,85
	0,9
	Fração de sólidos suspensos fixos (SSF) nos sólidos suspensos totais
	
	0,15 a 0,30
	0,1
	Fração de sólidos suspensos não-biodegradáveis (SSnb) nos sólidos suspensos voláteis (SSV) 
	
	0,4
	0,2 (fD)
	Fração de sólidos suspensos biodegradáveis (SSb) nos sólidos suspensos voláteis (SSV) 
	
	0,6
	0,8 (fb´)
Obs: No esgoto bruto, Xb é contabilizada na DBO de entrada, e não na carga de sólidos Por exemplo, um esgoto doméstico com carga de 10 kg SST/d, contribuirá de 1,5 a 3 kg/d Xi e 4 kg/d Xnb ao reator. Também contribuíra 6 kg/d de Xb, que serão quantificados como parte da DBO de entrada (S0).
A relação entre XV e XT (SSV/SST) no reator, sob qualquer condição de operação (c) pode ser calculada como PXv/PXT
Rendimento observado, Yobs
O rendimento celular observado é a relação entre a produção líquida de sólidos (a produção mensurável) e a carga de substrato removida
Produção de sólidos = PXv ou PXT, para o rendimento é expressa em SSV ou SST
Substrato removido = Q(S0 – S), S expresso como DBO ou DQO
Yobs , expresso como g SSV produzido/ g substrato removido é: 
, e se considerar X0,nb = 0, 
Roteiro de cálculo da produção de sólidos em qualquer c:
Adotar valores para fb´e kd. Corrigir kd para as temperaturas do mês mais frio e mais quente.
Determinar fb para cada condição (c e temperatura): 
Calcular a produção de biomassa ativa:
 		
Calcular a produção de sólidos não biodegradáveis: 
	
Calcular a produção de sólidos voláteis:
Calcular a produção de sólidos totais: 
Determinar XV/XT no reator = PXv/PXT. 
III. VARIÁVEIS DE PROJETO, OPERAÇÃO E CONTROLE
Tempo de residência celular, c 
c precisa ser suficientemente longo para garantir a manutenção da biomassa, ou seja, c > tempo de duplicação (aumento de X 2X). Pela cinética de crescimento de 1ª ordem temos:Para garantir a manutenção das células, é necessário que . Por exemplo, considerar as seguintes populações de bactérias:
	População
	 típico, d-1*
	c mínimo, d
	Bactérias heterotróficas
	2
	0,35
	Bactérias nitrificantes
	0,2
	3,5
 *valor exato depende das espécies e condições ambientais do reator
c mínimo necessário para manter uma concentração constante de sólidos é calculado para a condição S = S0: 
, e 
Quanto maior c, maior a taxa de respiração endógena e a estabilização da biomassa no reator, e, consequentemente, menor a produção de sólidos no processo.
A escolha de c determina o tipo de processo, convencional ou de aeração prolongada
Convencional, c tipicamente entre 5 e 10d
Aeração prolongada, c tipicamente entre 18 e 30d
Essa escolha é feita com base na vazão e cargas a serem tratadas e será discutida em item posterior.
Concentração de sólidos no reator
Quanto maior a concentração de sólidos no reator, maior a quantidade de biomassa disponível para remover o substrato, e, portanto, menor o tempo de detenção hidráulica necessária para atingir determinada eficiência de remoção e, consequentemente, menor o volume do tanque de aeração necessário. 
Maiores concentrações se sólidos apresentam maiores requisitos de oxigênio e nutrientes e maiores áreas para decantação secundária.
Limites práticos para a concentração de sólidos mantidos do tanque de aeração giram em torno de 5000 a 6000 gSSV m-3
Recirculação do lodo 
A recirculação do lodo do fundo do decantador secundário para o tanque de aeração garante a manutenção da concentração de biomassa desejada no tanque de aeração. A vazão de recirculação depende da razão de recirculação, R = Qr/Q.
R pode ser determinada pelo balanço de massa de sólidos no tanque de aeração:
acúmulo =entrada – saída + produção – consumo
no estado estacionário: 	acúmulo = 0
produção (crescimento) = consumo (descarte) 
entrada = QX0 + QrXr
saída = (Q + Qr)X
e se X0 = 0, balanço é: 0 = QrXr - (Q + Qr)X, portanto, 
Quanto maior Xr no fundo do decantador secundário, menor precisa ser R para manter uma concentração X de biomassa no tanque de aeração.
Papel de Qr e Qex
Qr controla o balanço de massa entre o tanque de aeração e o decantador secundário
Qex controla a massa total de sólidos no sistema, e controla c
DBO5 solúvel (S) e total no efluente
DBO5,total = DBO5,solúvel (S) + DBO5,particulada (Xe,b)
DBO5,total é definida com base nos requisitos legais (< 60 mg L-1). Se estabelecer valor aceitável de Xe,V, pode determinar DBOparticulada nos Xe,b = fb. Xe,V, e descontar essas para determinar a DBOsolúvel (S) aceitável no efluente
Dessa forma, DBO5,total,e – DBO5,particulada,e (Xe,b) = S de projeto para dimensionamento da etapa biológica. (O valor de S determina a eficiência do tratamento). 
Sabendo que a célula bacteriana é representada estequiometricamente pela fórmula C5H7O2N, a demanda de O2 para estabilizar Xe,b pode ser determinada com base na equação da oxidação da biomassa: C5H7O2N + 5O2 5CO2 + NH3 + 2H2O, ou seja, 1 mol de Xb (113g) demanda 5 mols de O2 (160g), tem-se:
 = DBOúltima dos Xb
Lembrando que em esgotos domésticos, DBO5 dos Xb pode ser quantificada: 
DBO5 dos Xv = e DBO5 dos XT: = 
A concentração mínima de S que pode ser alcançada pode ser calculada a partir da equação que descreve a taxa líquida de crescimento (assumindo Xa = XV):
Explicitando S: 	
S mínima será alcançada quando c , e 1/c 0: 
Volume do reator (tanque de aeração) 
O dimensionamento do tanque de aeração parte do pressuposto que Xa XV, e utiliza a equação de crescimento de biomassa:
Explicitando V:			 
	Q, S0:
	dados de entrada
	S, c, Xv:
	variáveis de projeto
	Y, kd:
	variáveis cinéticas / estequiométricas
	fb:
	calculada (com base em c, kd)
V depende de: 
Carga orgânica removida [Q(S0 – S)]
Concentração de sólidos mantida no reator, XV
Tempo de residência celular, c (e, consequentemente, kd e fb)
V não depende do tempo de detenção hidráulica, . 
Obs.: V = Q. é utilizado apenas para avaliar a estabilidade hidráulica do processo.
Variáveis operacionais
A relação alimento/microrganismo (A/M) tem sido utilizada para dimensionamento, mas hoje em dia é mais utilizada para comparar operação de sistemas projetados com base no c. A/M expressa a carga de substrato alimentada por unidade de biomassa no reator, 
A taxa de utilização de substrato (U) expressa a carga de substrato removida por unidade de biomassa no reator, 
Se considerar a eficiência de remoção de substrato, , tem-se 
Relação entre U e c:
, ou 
Carga orgânica volumétrica, , kg DBO (m3 d)-1
Requisitos de oxigênio (RO) 
ROtotal = ROC + RON 
ROC = demanda carbonácea, kg/d
RON = requisitos de oxigênio para oxidação do NKT, kg/d
ROC = demanda carbonácea
Requisitos de oxigênio para:
oxidação da DBO de entrada (para síntese)
estabilização de biomassa (na respiração endógena)
Parte da DBOúltima é removida por incorporação na biomassa e a parte da biomassa biodegradável (Xb) que é removida no lodo descartado não sofre degradação oxidativa, e, portanto, é descontado no cálculo do ROC: ROC = DBOúltima removida – DBOúltima do lodo descartado 
Sabendo que: 	DBOúltima removida = 1,46.DBO5 removida; 
lodo descartado = lodo produzido = PXb; e
DBOúltima do lodo descartado = 1,42 gO2/gXb
Tem-se que: 	ROC = 1,46.Q.(S0 – S) – 1,42.PXb , onde PXb = fb´.PXa, ou
ROC aumenta com o aumento de c
ROC independe de X0
Deve-se incluir um fator de segurança (FS) para picos de Qmáx e DBO5,máx
RON = demanda nitrogenada
As formas reduzidas de nitrogênio (NKT = Norg + NH4+) são oxidadas por um grupo específico de bactérias quimiolitoautotróficas aeróbias estritas, as bactérias nitrificantes. Essas bactérias apresentam atividade baixa, que aumenta com o aumento da temperatura. A nitrificação, ou oxidação bioquímica do NKT, ocorre em 2 etapas, realizadas por diferentes espécies nitrificantes:	
2NH4+ + 3O2 2NO2- + 4H+ + energia
2NO2- + O2 2NO3- + energia 
Reação global:	NH4+ + 2O2 NO3- + 2H+ + energia
A reação global da nitrificação mostra que 1 mol de N (14 g) demanda 2 mols de O2 (64 g), ou seja, 1 g N consome 64/14 = 4,57 g O2, portanto, RON = 4,57.Q.NKT.
A demanda nitrogenada assume 100% de nitrificação, o que pode ocorrer ou não, dependendo das condições operacionais do processo.
Os requisitos totais de O2: 
onde: 	Q = vazão, m3 d-1
S0 = substrato inicial, kg m-3 DBO (particulada e solúvel)
S = substrato final, kg m-3 DBO (solúvel)
NKT = concentração inicial de nitrogênio orgânico + amônio, kgN m-3
Y = coeficiente de rendimento celular, kgSSV/kgDBO
kd = coeficiente de decaimento, d-1
fb’= fração biodegradável dos sólidos (biomassa ativa) recém formados
fb= fração biodegradável dos sólidos no reator
1,46 = fator de conversão de DBO5 a DBOúltima
4,57 = fator de conversão de nitrogênio a DBOúltima
1,42 = fator de conversão de sólidos biodegradáveis a DBOúltima
A NBR12209 recomenda os seguintes limites para que o O2 não se torne limitante ao tratamento:
	Sistema
	kg O2/kg DBO5
	O2, mg l-1
	c < 18 d ou U > 0,15 kg DBO5 (kg SSV d) -1
	1,5
	2,0
	c 18 d ou U 0,15 kg DBO5 (kg SSV d) -1
	2,5
	1,5
	Com nitrificação, sem desnitrificação
	3,0
	1,5
Requisitos de nutrientes
Para sustentar uma elevada taxa de crescimento de biomassa e, consequentemente, uma elevada taxa de remoção de substrato, deve-se fornecer uma quantidade suficiente dos principais nutrientes minerais constituintes das células (N e P) e, portanto, nutrientes retirados do sistema com o descarte do lodo excedente devem ser repostos. O lodo descartado é composto de biomassa ativa (Xa) e detrito celular (Xnb), contendo diferentes proporções de nutrientes
biomassa ativa, Xa 12,3% N e 2,6% P
detrito celular, Xnb 7% N e 1% P
O lodo descartado é igual ao lodo produzido (PXv). A fração ativa (fa) do lodoé e a fração de detrito celular (fD) é , portanto, os requisitos podem ser calculados conforme segue. 
Requisito de nitrogênio, kg N/d:	 
Requisito de fósforo, kg P/d:	 
Devem ser descontadas as cargas de N e P que entram no esgoto bruto dos requisitos quantificados, para determinar a quantidade de nutrientes a ser adicionada. Ureia [(NH2)2CO], ácido fosfórico (H3PO4)2 e mono fosfato de amônio (MAP - NH4H2PO4) são tipicamente utilizados para fornecer N e P.
Sistemas que operam com menor c e maior produção de lodo têm maiores requisitos. Requisitos típicos são: 
	Sistema
	c, d
	DBO5, kg d-1
	N, kg d-1
	P, kg d-1
	Convencional
	4-10
	100
	4,3-5,6
	0,9-1,2
	Aeração prolongada
	18-30
	100
	2,6-3,2
	0,5-0,6
	 
IV. VARIANTES DO PROCESSO
Fluxo em pistão
Convencional – conceito original; efluente primário e lodo biológico reciclado do decantador secundário entram no tanque de aeração e são misturados por aeração mecânica ou difusores de ar. Sistemas novos têm aeração decrescente, para acompanhar o decréscimo da carga orgânica ao longo do reator. Geralmente precedido de tratamento primário.
Alta taxa - modificação do sistema de fluxo em pistão convencional; apresenta baixa concentração de lodo biológico e elevada carga orgânica. Caracterizado por baixo tempo de detenção hidráulica, elevada razão de recirculação de lodo, elevada razão alimento/microrganismo (gDBO/gSSV.d). Sistemas de alta taxa apresentam efluente com qualidade inferior ao sistema de mistura completa ou fluxo em pistão convencional. Geralmente precedido de tratamento primário.
Contato/estabilização – utiliza 2 reatores/compartimentos, um para o tratamento do efluente e outro para a estabilização do lodo biológico. O efluente entra no tanque de contato, com baixo tempo de detenção hidráulica e menor concentração de lodo biológico do que no tanque de estabilização. DBO rapidamente biodegradável é removida na zona de contato e DBO coloidal e particulada se adere ao floco biológico e é estabilizada na zona de estabilização. Geralmente precedido de tratamento primário.
Alimentação escalonada – modificação do sistema de fluxo em pistão convencional, com adição do efluente em 3 a 4 pontos ao longo do reator, para equalizar a relação A/M (DBO/SSV), e assim reduzir picos de demanda de oxigênio. Permite grande flexibilidade de operação. Pode-se operar com gradiente de concentração de lodo biológico, de maior a menor, na medida em que efluente for adicionado. Pode ser operado na forma de contato/estabilização. Geralmente precedido de tratamento primário.
Oxigênio puro – reator fechado, com 3 a 4 estágios; efluente primário, lodo reciclado e oxigênio de alta pureza são adicionados no primeiro estágio. A elevada pressão parcial de oxigênio aumenta a transferência de fase (gás líquido), e permite operar com maior concentração de lodo biológico, maior carga orgânica e menor tempo de detenção hidráulica do que o sistema convencional. Principais vantagens são o menor requisito de área e menor volume de gases malcheirosos liberados (onde controle de odor é exigido).
Mistura completa – desenvolvido na década de 1960, para efluentes industriais com concentrações mais elevadas de matéria orgânica, substâncias tóxicas, etc., do que esgotos domésticos. Efluente e lodo reciclado são tipicamente adicionados em diversos pontos no tanque de aeração, que contém concentrações de O2 e lodo biológico uniformes. Geralmente precedido de tratamento primário.
Aeração prolongada 
Convencional - parecido com o sistema de fluxo em pistão convencional, mas opera na fase de respiração endógena, que requer baixa carga orgânica e elevados tempos de detenção hidráulica e de residência celular (c). Uso predominante em comunidades de pequeno porte; geralmente não é precedido de tratamento primário, mas pode ser. A taxa de aplicação hidráulica do decantador secundário é menor do que no sistema convencional para suportar melhor as variações de vazão típicas de pequenas comunidades. O lodo em excesso retirado do sistema é relativamente bem estabilizado (mas pode precisar de estabilização adicional para permitir reúso). 
Valo de oxidação – canal circular ou oval equipado com aeradores mecânicos de eixo horizontal, que direcionam o escoamento e misturam o efluente e lodo biológico ao longo do reator; possui tempo de detenção hidráulica relativamente longo. Não precedido de tratamento primário. Configuração leva a minimização de custo de operação quando sistema é limitado pela energia necessária para suspender a biomassa, e não pela energia necessária para fornecer oxigênio. Aeração é feita por aeradores de eixo horizontal, também responsável pela circulação horizontal do efluente. Pode operar em batelada, com fluxo semi-contínuo ou contínuo (necessita de decantador secundário).
Reator sequencial em batelada – ideal quando tem fluxo intermitente de efluentes (ex. processos industriais). Único reator opera como tanque de aeração e decantador secundário, com as fases de operação: enchimento, reação (aeração), sedimentação, esvaziamento e repouso. Pode ser operado como convencional ou de aeração prolongada. Permite a remoção biológica de nutrientes.
Biorreator a membranas (BRM, MBR) - substituição do decantador secundário por cassetes com módulos de membranas de microfiltração, dentro do tanque de aeração, ou em tanque externo. Excelente qualidade do efluente final, devido à detenção de sólidos pelas membranas. 
Critérios de projeto típicos para as principais variantes 
	Variante
	Regime1
	c, d
	, h
	SSTTA2
	A/M3
	Qr/Q4
	Convencional
	FP
	3-15
	4-8
	1000-3000
	0,2-0,4
	0,25-0,75
	Alta taxa
	FP
	0,5-2
	1,5-3
	200-1000
	1,5-2
	1-1,5
	Contato/
estabilização
	FP
	5-10
	0,5-1/
2-4
	1000-3000/
6000-10000
	0,2-0,6
	0,5-1,5
	Alimentação escalonada
	FP
	3-15
	3-5
	1500-4000
	0,2-0,4
	0,25-0,75
	Oxigênio puro
	FP
	1-4
	1-3
	2000-5000
	0,5-1
	0,25-0,5
	Mistura completa
	MC
	3-15
	3-5
	1500-4000
	0,2-0,6
	0,25-1
	Aeração prolongada 
	FP
	20-40
	20-30
	2000-5000
	0,04-0,1
	0,5-1,5
	Valo de oxidação
	FP
	15-30
	15-30
	3000-5000
	0,04-0,1
	0,75-1,5
	Reator sequencial em batelada
	B
	10-30
	12-40
	2000-5000
	0,04-0,1
	-
	Biorreator a membranas
	MC
	5-20
	4-6
	4000-8000
	0,2-0,4
	-
1 FP = fluxo em pistão; MC = mistura completa; B = batelada
2 SSTTA = sólidos em suspensão totais no tanque de aeração, g m-3
3 A/M = kg DBO (kg SSV.d)-1
4 Qr/Q = razão de recirculação
Comparação entre processos convencional e de aeração prolongada
				
	Parâmetro
	Convencional
	Aeração prolongada
	Eficiência, %
	DBO5
	85-93
	93-98
	
	N
	30-40
	15-30
	
	P
	30-45
	10-20
	
	Coliformes
	60-90
	65-90
	Requisitos
	Área, m2/hab
	0,2-0,3
	0,25-0,35
	
	Potência, W/hab
	1,5-2,8
	2,5-4,0
	Lodo a tratar, m3/(hab.ano)
	1,1-1,5
	0,7-1,2
	Custo de implantação, US$/hab
	60-120
	40-80
Fonte: (Von Sperling, 2002)
V. PRINCÍPIOS E SISTEMAS DE AERAÇÃO
Funções de aeração
Introduzir O2
Manter biomassa em suspensão
Métodos de aeração
Aeração mecânica – aeradores causam grande turbilhonamento, expondo gotículas de água ao ar
manutenção mais fácil do que difusores de ar, por serem superficiais
oxigenação controlada pelo nível do vertedor ou eixo do aerador
tipos de aeradores mecânicos
aeradores de eixo vertical – tanque de aeração limitado até 3,5 a 4,5m de profundidade útil
baixa rotação, fluxo radial
fixos –- apoiados a pilares ou passarelas
20 a 60 rpm 
criam ressalto hídrico
alta rotação, fluxo axial 
flutuantes –- ancoradas às margens
900 a 1400 rpm
bombeamento ascensional até difusor aspersão
aeradores de eixo horizontal –1,5m de profundidade útil
utilizados em valos de oxidação 
fixos às laterais do valo
20 a 60 rpm
proporcionam movimento circulatório do líquido
curvas relacionam rpm e profundidade de imersão com capacidade de oxigenação, kg O2 (m.h)-1Baixa rotação, fluxo radial
	Alta rotação, fluxo axial
	Eixo horizontal
Tipos de aeradores mecânicos superficiais
Ar difuso – introduzir ar ou O2 no líquido
Tanque de aeração limitado a 4,5 a 6 m de profundidade útil
melhor transferência de oxigênio (maior área superficial entre fases) 
problemas com colmatação / manutenção dos difusores
interno – sujeira no ar de entrada; filtro de ar pode minimizar problema
externo – biofilmes; requer manutenção/limpeza periódica
classificação:
bolhas finas < 3mm – pratos, discos, tubos porosos
bolhas médias 3-6 mm – membranas ou tubos perfurados
bolhas grossas > 6mm – orifícios, bocais ou injetores
	
	Tipos de difusores
	Sistema de ar difuso
Cinética de aeração
Transferência de gás – 3 etapas
moléculas de O2 se transferem para superfície do líquido
moléculas de O2 atravessam interface por difusão
sob agitação, O2 se mistura no meio líquido por difusão e convecção
Velocidade de transferência: , g m-3 h-1
onde: 	ODr = concentração de oxigênio dissolvido no reator, g m-3
ODs = concentração de saturação de oxigênio dissolvido, g m-3
KLa = coeficiente global de transferência de O2, h-1
rM = taxa de consumo de OD pelos microrganismos, g m-3 h-1
 No estado estacionário, , portanto, , ,
Os valores de rM são facilmente determinados por respirometria, o que permite a determinação do KLa. 
Fatores que afetam aeração
Temperatura
ODs cai com aumento da temperatura (valores tabelados)
KLa aumenta com aumento da temperatura: KLa,T = KLa,20.(T-20), = 1,024
Altitude: =ODs cai com aumento da altitude, 
onde:	fH = fator de aeração
ODs,H= OD de saturação na altitude H
ODs,0m = OD de saturação no nível do mar
H = altitude, m
Características do esgoto - presença de sais, agentes tensoativos, sólidos suspensos afeta ODs
 = 0,7 a 0,98 (valor tipicamente adotado = 0,95)
Intensidade de mistura e geometria do reator afetam taxa de transferência global, KLa
 = 0,6 a 1,2 para aeração mecânica; = 0,4 a 0,8 para ar difuso
Taxa de transferência de O2 no campo e em condições padrão
A taxa de transferência de O2 nas condições padrão, TTOp, representa a massa de O2 que pode ser transferida em água limpa, isenta de OD, a 20ºC, no nível do mar (H = 0 m) pelo aerador; a determinação é realizada em tanque de teste, com volume V.
		onde:	ODs,20 = concentração de saturação de OD a 20C, g m-3, 0m
KLa = coeficiente global de transferência de O2, h-1
V = volume do reator, m3
1000 = fator de conversão de g para kg
A taxa de transferência de O2 nas condições de operação em campo, TTOc, representa a quantidade de O2 transferida (kg h-1) ao esgoto (contendo salinidade, surfactantes, etc.), à temperatura e altitude de operação, no reator real. A TTOc é igual aos requisitos de oxigênio (ROC + RON). O valor da TTOc é utilizado para calcular a TTOp necessária e dimensionar o sistema de aeração. Deve-se determinar a TTOp necessária para o mês mais frio e mês mais quente, e dimensionar o sistema para o valor maior.
onde: ODs,T = concentração de saturação de OD no nível do mar, na temperatura do reator
 
Eficiência de oxigenação, EO 
Valores de EO são fornecidos pelo fabricante dos aeradores para determinar a potência necessária para a TTOp requerida. 
		
onde: P = potência consumida, kW
Valores de EO variam com o tipo de aerador. 
	Aerador
	EO padrão, kg O2 (kW.h)-1
	Mecânico
	Baixa rotação, fluxo radial
	1,5 – 2,2
	
	Alta rotação, fluxo axial
	1,2 – 2,0
	
	Eixo horizontal
	1,2 – 2,0
	Difusor
	Bolhas finas
	1,2 – 2,0
	
	Bolhas médias
	1,0 – 1,6
	
	Bolhas grossas
	0,6 – 1,2
Aeradores estão disponíveis com potências variando de 1 a 150 cavalos (1 Cv = 0,735 kW)
Densidade de potencia consumida, DP
DP = P/V, W.m-3
onde: P = potência, W
V = volume do reator, m3
Quanto maior a DP, maior a quantidade de SS que se mantêm dispersos
Para lodos ativados recomenda-se DP > 10 W.m-3
Dimensionamento do sistema de aeração
Quantificar ROtotal, kg O2 d-1 = TTOc 
Estabelecer OD a manter no reator (1,5 a 2 mg O2 l-1)
Adotar valores de KLa, , , ODs,T - variáveis e coeficientes de aeração 
Calcular TTOp
Selecionar tipo de aeração (mecânica ou ar difuso) e selecionar EO do sistema de aeração (com dados do fabricante)
Calcular potência total requerida, P = TTPp/EO, kW
Determinar número e a disposição de aeradores no tanque com base na potência total, no regime hidráulico e no tipo de aeração
Perfil de substrato (S) e oxigênio dissolvido (OD) no reator
para reator com regime hidráulico que se aproxima de mistura completa, se a potência de aeração for distribuída de forma homogênea no tanque de aeração, haverá um equilíbrio entre a concentração de substrato e de OD.
para reator com regime hidráulico que se aproxima de fluxo em pistão, se a potência de aeração for distribuída de forma homogênea no tanque de aeração, haverá um excesso de OD na saída do reator, e, possivelmente, faltará OD na entrada do reator.
Para sistemas com regime hidráulico de fluxo em pistão, pode ser distribuir a potência dos aeradores para igualar a demanda de OD, com gradiente da entrada até a saída do reator, na variante conhecida com aeração decrescente.
	Variante
	Perfil de S e OD no reator
	Mistura completa
Alimentação escalonada
	 
	Fluxo em pistão: 
Convencional 
Aeração prolongada convencional
	
	Fluxo em pistão: 
Aeração decrescente
Reator sequencial em batelada
	
VI. ROTEIRO DE DIMENSIONAMENTO DO TANQUE DE AERAÇÃO
Dados de entrada a levantar
Características do esgoto bruto: Q, S0, X0, NKT0
45-60 g DBO5 (hab.d)-1
50-70 g SST (hab.d)-1
Eficiência requerida (lembrar que DBO5,e = DBO5 dos Xe,b + S
Temperatura média do mês mais frio e mês mais quente
Variáveis de projeto a escolher
c 
diretriz inicial
< 20.000 hab. – aeração prolongada
20.000 a 100.000 hab. – estudo técnico-econômico
>100.000 hab. – convencional
refinamento
pré-dimensionamento para volumes, áreas e potências requeridas
estudo econômico da melhor alternativa
Xv = SSVTA 
XT,e = SS no efluente final (< 100 mg L-1)
Qr/Q
regime hidráulico do reator
sistema de aeração (mecânica ou ar difuso)
Coeficientes adotados
Y, kd, kd
fb’
Xv/XT e Xb/XT dos sólidos recém-formados e dos sólidos no esgoto bruto
O2/Xb, DBOúltima/DBO5
KLa, , , ODs,T
Resumo de valores típicos de coeficientes cinéticos e estequiométricos
	Coeficiente
	Descrição
	Unidade
	Faixa
	Valor típico
	Y
	coef. de produção celular
	gSSV
gDBO5
	0,4 – 0,8
	0,6
	kd
	coef. de respiração endógena
	gSSV
gSSV.d
	0,06 - 0,2
	0,12
	
	coef. temperatura para kd
	-
	1,03- 1,08
	1,04
	fb'
	fração biodegradável de biomassa nova
	gSSb
gSSV
	-
	0,80
	Xv/XT
reator
	fração volátil dos solídos em suspensão de biomassa nova
	gSSV
gSST
	-
	0,90
	Xv/XT 
esgoto bruto
	fração volátil dos solídos em suspensão no esgoto bruto
	gSSV
gSST
	0,7 - 0,85
	0,80
	fb = Xb/XV
	fração biodegradável dos solídos em suspensão volátieis do esgoto bruto
	gSSb
gSSV
	-
	0,60
	02/Xb
	DBO dos sólidos biodegradáveis
	gDBOu
gSSb
	-
	1,42
	DBOu/DBO5
	relação DBO última / DBO5
	gDBOu
gDBO5
	1,2 - 1,5
	1,46
Obs. Correção de temperatura: kT = k20(T – 20) para coeficientes cinéticos
Dados resultantes
fb no reator
Produção de sólidos, PX
Volume do reator, que por sua vez define o tempo de detenção hidráulica
XT no reator e relação Xv/XT no reator
Requisitos de nutrientes
Requisitos de oxigênio
DBO total no esgoto tratado
Carga de lodo excedente que deve ser descartado
Taxa de utilização de substrato, U e relação alimento/microrganismo, A/M
TTOc, TTPp e potência de aeração requerida 
Diretrizes da NBR 12209 
c: 	2 a 40 d
A/M: 	0,07 a 1,1 kg DBO5 (kg SSV d) -1
U: 	0,06 a 1,0 kg DBO5 (kg SSV d) -1
XT: 	1500 a 6000 mg l-1
 	 1 h quando c < 18 d ou U > 0,15 kg DBO5 (kg SSV d) -1
 15 h quando c 18 d ou U 0,15 kg DBO5 (kg SSV d) -1Detalhes construtivos do tanque de aeração
Manter relação comprimento/largura adequada para permitir distribuição homogênea dos aeradores e respeitar regime hidráulico
Profundidade útil é função do sistema de aeração:
Aeração mecânica – 3,5 a 4,5 m
Aeração por difusores – 4,5 a 6 m
Para aeração mecânica, o número de aeradores deve ser:
≥ 2 para Q de 20 a 50 L s-1
≥ 3 para Q > 50 L s-1
Incluir borda livre 0,5 m para evitar transbordo de efluente em períodos de geração de espuma ou intumescimento do lodo
Se Q > 250 l s-1, deve dividir em 2 tanques em paralelo (paredes comuns)
Entrada do esgoto no fundo evita liberação de H2S
Saída geralmente por vertedores na extremidade oposta à da entrada
Incluir dispositivos de quebra de espuma que possa formar na superfície (eventualmente adiciona anti-espumante no ponto de retorno de lodo reciclado)
Incluir dispositivo de drenagem por bombas submersíveis ou descarga de fundo
Em caso de interferência do lençol freático, deve ter mecanismo de aliviar sub-pressão quando o tanque estiver vazio.
VII. SEPARAÇÃO DE SÓLIDOS – DECANTADOR SECUNDÁRIO
Papéis do decantador secundário 
Clarificação de efluente - separação e sedimentação do lodo (SST)
Adensamento dos XT até a concentração desejada (Xr) 
Quanto maior Xr, menor Qr e Qex para reciclar e descartar determinadas quantidades de lodo
Valor de Xr que pode ser obtido é função da qualidade do floco biológico
OBS.: NBR 12209/2011 determina adotar Xr 10000 mg/L
Controle operacional deve contemplar tanque de aeração e decantador em conjunto para garantir boa formação de floco e boa sedimentabilidade (decantabilidade)
Tipos de sedimentação no decantador secundário
Zonal (impedida) – as partículas se mantêm em posições fixas e sedimentam por gravidade como uma unidade, devido à sua elevada concentração, formando uma interface entre a massa de sólidos (manta de lodo) e o líquido clarificado
Compressão – ocorre no fundo do decantador, apenas por compressão devido ao peso das partículas 
Análise de decantabilidade do lodo
Transferir amostra homogênea do esgoto/lodo do tanque de aeração para coluna de ensaio.
Acompanhar Ht, a altura da interface formada entre esgoto e lodo ao longo do tempo. 
	
	
	1 –zonal (Z)
2 – transição (T)
3 – compressão (C) 
Índice volumétrico do lodo, IVL
O IVL é uma medida empírica da decantabilidade do lodo que quantifica o volume (mL) ocupado por g de lodo decantado, após 30 min
Limitações do método
Dois lodos com diferentes velocidades iniciais podem apresentar mesmo IVL
O valor do IVL é influenciado pelo valor de X:
 	e 
Para poder comparar IVLs de lodo com diferentes teores de SST, pode-se quantificar o IVL padronizado, IVLA3,5, ajustando o X a 3500 mg SS L-1; e agitando suavemente (1-2 rpm) durante a decantação. 
IVL e decantabilidade do lodo
	Decantabilidade
	IVL
	IVLA3,5
	Ótima
	0 - 50
	0 - 40
	Boa
	50 – 100
	40 - 80
	Média
	100 – 200
	80 - 100
	Ruim
	200 - 300
	100 - 120
	Péssima
	> 300
	> 120
Dimensionamento do decantador secundário baseado na teoria de fluxo limite de sólidos
O dimensionamento do decantador secundário se faz pela determinação da maior área entre a necessária para a clarificação do esgoto e a necessária para o adensamento do lodo até a consistência desejada (Xr). 
A área necessária depende da velocidade de sedimentação da interface esgoto/manta de lodo 
A área necessária para o adensamento depende do fluxo limite de sólidos que pode ser transportado para o fundo do decantador. 
Fluxo de sólidos, G = kg SS/m2.h (carga/área)
No estado estacionário o fluxo de sólidos para o fundo do decantador tem 2 componentes:
Gg = fluxo por gravidade, Gg = X.v, onde v = velocidade de sedimentação zonal 
Gu = fluxo pela retirada do fundo, Gu = Xr.u, onde u = Qu/A, velocidade de retirada do fundo
Determinação de Gg
Realizar ensaios em coluna para determinar a velocidade de sedimentação (vi) para diferentes valores de X (Xi, mg/L), sendo vi = H/tempo na região de sedimentação zonal da curva. 	
Elaborar gráfico de Xi.vi (Gg) versus X, para obter a relação entre v e X, v = voe-k,X.
Com a regressão obtida, elaborar gráfico de fluxo por gravidade, Gg = X.v
	
	
	
	(1)
	(2)
	(3)
Determinação de Gu
Gu é uma função linear da concentração X com inclinação igual à u, a velocidade de retirada do fundo.
 
Fluxo total, GT = Gg + Gu = Xivi + Xiu
GL, O fluxo limite de sólidos que pode ser processado no decantador é determinado traçando uma tangente do ponto mínimo local na curva GT ao eixo das ordenadas (G).
Xr (concentração de sólidos que será obtida no fundo do decantador) é determinada traçando uma reta vertical do ponto de interseção da tangente (GL) ao eixo das abscissas (X). 
Com base no GL determinado, a área necessária para garantir o adensamento é:
onde:	A = área superficial do decantador secundário, m2
X = concentração de SST na entrada do decantador (= X no tanque de aeração), g/m3
Q = vazão de entrada do tanque de aeração, m3/d
Qu = vazão de fundo do decantador secundário (Qr + Qex)
Para evitar sobrecarga em termos de clarificação, TAH < v, e área necessária para clarificação é: 
Para evitar sobrecarga em termos de adensamento Ga < GL ou Ga = G0, e área necessária para adensamento é:
Adota-se a área maior entre Ac e Aa para o dimensionamento do decantador.
Diretrizes:
	Sistema
	TAH, m3 (m2.h)-1
	Ga, kg (m2.h)-1
	
	Qméd
	Qmáx
	Qméd
	Qmáx
	WEF, Metcalf & Eddy:
	
	
	
	
	Convencional
	0,67 - 1,33
	1,67 - 2,67
	4,0 - 6,0
	10
	Aeração prolongada
	0,33 - 0,67
	1,00 -1,33
	1,0 - 5,0
	7
	ABNT (NBR 12209):
	
	
	
	
	c<18d ou A/M>0,15kgDBO5/ kgSSTVA.d
c>18d ou A/M<0,15kgDBO5/ kgSSTVA.d
	 1,17
 0,67
	 6,0
 5,0
Detalhes construtivos do decantador secundário
Profundidade lateral (sem borda livre) 
	Diâmetro (m)
	Profundidade (m)
	
	mínima
	recomendada
	< 12
	3,0
	3,3
	12-20
	3,3
	3,6
	20-30
	3,6
	3,9
	30-40
	3,9
	4,2
	> 40
	4,2
	4,5
	ABNT
	> 0,5*
	> 3,5**
*remoção não-mecanizada do lodo; **remoção mecanizada do lodo
Tempo de detenção hidráulica > 1,5 h p/ Qmed
Vertedores de saída 
vertedores em V - menor influência de diferença de nível
comprimento requerido - taxa de vertedor: < 12 m3 (m.h)-1
Decantador horizontal 
comprimento/profundidade: < 10 a 15
comprimento/altura mínima água: 4:1
largura/altura mínima água: 2:1
comprimento/largura: > 2:1 
velocidade do dispositivo de remoção de lodo: 20 mm/s
Decantador circular 
diâmetro: 10 a 40 m
diâmetro/profundidade: 10
velocidade do dispositivo de remoção de lodo: 40 mm/s
Fundo 
declividade de fundo: 1:12 - remoção por raspadores
fundo plano - remoção por sucção
VIII. TRATAMENTO E DISPOSIÇÃO FINAL DO LODO
Obs.: O lodo em excesso retirado do sistema é considerado estável, para fins de desidratação e disposição final se c > 18d ou U < 0,15kgDBO5/(kg SSVTA.d)
Digestão do lodo
Digestor aeróbio
Profundidade entre 2,5 e 10m
TDH ≥ 12d para lodo biológico, ≥ 18d para lodo misto (primário e biológico)
Taxa de aplicação de sólidos ≤ 3,5 kg/m3.d
Requisitos de oxigênio ≥ 2,3 kgO2/kg SSV digerido
OD ≥ 2 mgO2/L
Para aeração mecânica, DP ≥ 25W/m3
Para ar difuso, taxa de aplicação do ar ≥ 1,2m3 ar/(h.m3 do reator)
Digestor anaeróbio
Para X > 500mg/L, deve usar digestor com homogeneização 
recirculação do volume total do lodo em ≤ 8h
misturador com DP ≥ 1W/m3 para digestor convencional (taxa de aplicação de SSV ≤ 1,2 kg/m3.d)
misturador com DP ≥ 5W/m3 para digestor de alta taxa (taxa de aplicação de SSV entre 1,2 e 6 kg/m3.d)
TDH
≥ 45d para digestor não homogeneizado
≥ 30d para digestor convencional homogeneizado
≥ 18d para digestor de alta taxa, aquecido
Adensador por gravidade
Profundidade ≥ 3m
TDH ≤ 24h
Taxa de aplicação de sólidos e teor de SS, para dimensionamento
Assumir recuperação máxima de 90% dos SS no lodo afluenteao adensador
	Tipo de lodo
	Taxa de aplicação hidráulica m3/m2.d
	Taxa de aplicação de sólidos, kg SS/m2.d
	Consistência lodo adensado (%)
	Lodo ativado
	 8
	 30
	 3
	Lodo misto
	 12
	 50
	 5
Desaguamento (Desidratação) do lodo – natural ou mecanizada
Desaguamento mecânico – critérios de dimensionamento
Gerais
Massa de sólidos secos do lodo a desaguar, kgSST/d
Densidade do lodo
Vazão de lodo, m3/d
Teor de sólidos do lodo digerido, %
Teor de sólidos final desejado, %
Condicionante adicionado, % (p/p) ou kg/d e quantidade retida no lodo, %
Período de operação da unidade, h/d e d/semana
Específicos
Filtro prensa de placas (lodo estabilizado)
Densidade e volume da torta
Tempo (min) e número de ciclos de prensagem (ciclos/d)
Dimensões e número de placas (fornecedor)
Filtro esteira (lodo estabilizado)
Massa de sólidos secos do lodo a desaguar, kgSST/d
Capacidade da esteira, kg SST/m.h (fornecedor)
Largura da esteira, m (fornecedor)
Centrífuga (lodo cru ou estabilizado)
Massa de sólidos secos do lodo a desaguar, kgSST/d
Capacidade de transporte do lodo úmido, m3/h (fornecedor)
Captura de sólidos = 
Desidratação natural 
leito de secagem
lagoa de secagem 
Comparação entre métodos 
	Unidade
	Tipo de lodo
	Sólidos, %
	Recuperação de sólidos, %
	Leito de secagem
	
	40-50
	90-98
	Filtro de esteira*
	lodo misto, via anaeróbia
	15-20
	85-95
	
	via aeróbia
	13-20
	
	Filtro prensa*
	lodo misto, via anaeróbia
	25-40
	90-95
	
	via aeróbia
	20-25
	
	Centrífuga
	lodo misto, via anaeróbia
	18-30
	90-95
	
	via aeróbia
	15-20
	
	
	lodo misto ou 2ario cru
	15-20
	
*apenas lodo estabilizado (digerido)
IX. CONTROLE E MONITORAMENTO DO PROCESSO 
Controle operacional
Oxigênio dissolvido 
tentar manter suprimento de oxigênio próximo ao consumo
medir pelo menos 2 vezes/dia, no tanque de aeração e no decantador 
Alternativas de operação
Vazão de recirculação (Qr) pode ser mantida:
constante
proporcional a Q
variada em função do IVL
variada em função do nível da manta de lodo 
Manter SS no tanque de aeração constante
Manter idade do lodo (c) constante
Manter carga de lodo (A/M) constante
Programa de monitoramento operacional
	Local
	Parâmetro
	Freqüência
	Tipo
	Efluente bruto
	DBO e DQO
	semanal
	composta
	
	SS e SSV
	semanal
	composta
	
	NKT
	semanal
	composta
	
	pH
	diária
	pontual
	
	Alcalinidade
	semanal
	pontual
	
	Coliformes termotolerantes
	semanal
	pontual
	Efluente primário
	DBO e DQO
	semanal
	composta
	
	SST
	semanal
	composta
	Reator
	Temperatura
	diária
	pontual
	
	OD
	contínua
	pontual
	
	SST
	diária
	pontual
	
	SSV
	semanal
	pontual
	
	NO3-
	semanal
	pontual
	
	IVL
	diária
	pontual
	Linha de retorno
	SST
	diária
	composta
	Efluente final
	DBO
	semanal
	composta
	
	DQO
	semanal
	composta
	
	SST e SSV
	semanal
	composta
	
	NKT, NH4+, NO3-
	semanal
	composta
	
	pH
	diária
	pontual
	
	Coliformes termotolerantes
	semanal
	pontual
 Principais problemas operacionais dos sistemas de lodos ativados
Elevada concentração de sólidos em suspensão no efluente secundário
lodo ascendente 
desnitrificação no fundo do decantador secundário gera N2
condições sépticas no fundo do decantador gera biogás
presença de emulsão de óleos ou graxas 
lodo intumescido
baixa concentração de OD no reator
pH < 6,5
baixa relação A/M na entrada do reator
falta de nutrientes
esgoto séptico afluente ao reator 
elevada concentração de DBO rapidamente biodegradável
lodo pulverizado
 insuficiência de bactérias filamentosas
falta de nutrientes
aeração excessiva
elevada relação A/M na entrada do reator
lodo disperso
 aeração excessiva
baixo c
baixo pH no reator
baixa concentração de OD no reator
presença de substâncias tóxicos no efluente
elevada carga orgânica
sobrecarga de sólidos no decantador secundário (fluxo de sólidos aplicado > fluxo limite)
sobrecarga hidráulica no decantador secundário (TAH > vs da interface da manta de lodo)
formação de espuma / escuma na superfície do decantador secundário
aeração excessiva
presença de bactérias filamentosas em excesso
presença de detergentes não biodegradáveis
Elevada concentração de DBO no efluente
elevada concentração de DBO particulada
 elevada concentração de SS no efluente final (discutido em 3.i.)
elevada concentração de DBO solúvel
 baixa concentração de OD no reator
baixa concentração de SSTTA 
Qex excessiva
Qr insuficiente
perda de sólidos no decantador secundário devido à má decantabilidade
elevada carga e, ou variação de carga de DBO na entrada do reator
inibição por substâncias tóxicas
falta de nutrientes
variação de temperatura
pH do efluente não ajustado entre 6,5 e 8,5
elevada concentração de amônio no efluente secundário
inibição de crescimento de bactérias nitrificantes
baixa concentração de OD no reator
baixa temperatura no reator
baixo pH no reator
presença de substâncias tóxicos no efluente
baixa concentração de SSTTA (discutido no item 3.b.ii.)
elevada carga de amônio na entrada do reator
Monitoramento microbiológico 
Observações microscópicas da microbiota no tanque de aeração ajudam a diagnosticar causas de problemas operacionais 
Floco Microbiano
formada por bactérias formadoras de flocos e filamentosas
o floco bem formado garante sua boa decantabilidade
estrutura
macroestrutura – bactérias filamentosas
microestrutura – bactérias formadoras de flocos
floco ideal 
equilíbrio entre filamentosas e formadoras de floco
floco forte e grandefloco bem formado
Separação de sólidos - principal problema operacional do sistema de lodos ativados é a má formação do floco no tanque de aeração, levando à dificuldade de separação/adensamento dos sólidos no decantador secundário:
	Problema
	Causa
	Crescimento disperso
	Microrganismos não formam flocos
	Intumescimento viscoso
	Excesso de exopolímeros gelatinosos
	Floco pulverizado
	Pouca ou nenhuma bactéria filamentosa
	Intumescimento filamentoso
	Excesso de bactérias filamentosas
	Lodo ascendente 
	Desnitrificação no decantador secundário libera N2, flocos aderem às bolhas de gás e sobem
	Espuma/escuma
	Presença de bactérias filamentosas, ex. Nocardia, Microthrix parvicella ou tipo 1863
Quando ocorre o intumescimento filamentoso (excesso de bactérias filamentosas), a identificação do tipo de filamento presente no lodo serve para indicar qual condição operacional está inadequada: 
	Filamento
	Condição inadequada
	Sphaerotilis natans, Haliscomenobacter hydrossis
	OD baixo 
	Microthrix parvicella, Nocardia
	Relação DBO/SSV baixa 
	Beggiatoa, Thiothrix
	Presença de sulfetos (septicidade)
	Fungos
	pH baixo
	Thiothrix
	Deficiência de nutrientes
Diferenças fisiológicas entre bactérias formadoras de flocos e filamentosas ajudam a definir estratégias de controle do equilíbrio entre os dois grupos:
	Característica fisiológica
	Formadora de floco
	Filamentosa
	Taxa de assimilação substrato
	Elevada
	Reduzida
	Taxa de crescimento
	Elevada
	Reduzida
	Taxa de respiração endógena
	Elevada
	Reduzida
	Decréscimo da taxa de crescimento em baixa concentração de substrato
	Significativo
	Moderado
	Resistência ao estresse nutricional
	Reduzida
	Elevada
	Decréscimo da taxa de crescimento em baixa concentração de OD
	Significativo
	Moderado
	Formação de reservas intracelulares
	Elevada
	Reduzida
	Utilização de NO3- como aceptor de e-
	Sim
	Não
	Reservas de P
	Sim
	Não
Controle de filamentosas
Químico – agentes oxidantes, ex. cloro, peróxido de hidrogênio
Seletores biológicos – favorecem crescimento das bactérias formadoras de flocos
seletor cinético – aeróbio, elevada A/M:
seletor metabólico: anaeróbio ou anóxico (como na remoção biológica de nutrientes)
critérios de dimensionamento dos seletores
A/M> 5 g DQO solúvel/(g SST.d)
TDH – 10 a 30 min
S solúvel na saída do seletor < 60 mg DQO l-1
Microrganismos eucariontes nos lodos ativados
Protozoários 
Eucariontes unicelulares
importante no polimento do efluente 
alimentam-se de matéria orgânica, bactérias, outros protozoários
Classificação:
Ciliados - livre natantes; predadores de flocos; fixos ou pedunculados 
Flagelados 
Amebas
Micrometazoários – eucariontes multicelulares
Rotíferos 
Nematóides
Anelídeos
Tardígrados
A proporção relativa de organismos eucariontes presentes no tanque de aeração serve como indicador da eficiência do sistema de lodos ativados
 Eucariontes indicadores 
	Grupo
	Diagnóstico
	Pequenos flagelados
	Fraca depuração
	Flagelados grandes
	Carga orgânica baixa 
	Pequenos ciliados livre natantes
	c baixo ou lodo pouco oxigenado
	Grandes ciliados livre natantes
	Floco jovem e carga orgânica elevada
	Ciliados predadores de flocos
	Floco bem formado
	Ciliados Fixos
	Boa depuração
	Amebas com teca
	Carga orgânica muito baixa
	Amebas pequenas
	Carga orgânica elevada e de difícil degradação
	Micrometazoários
	c elevada
Proporção relativa de eucariontes e eficiência do sistema
REMOÇÃO BIOLÓGICA DE NUTRIENTES
Introdução
Águas – padrão classe 2 (Re. CONAMA 357/2005)
N-NO3- < 10 mg l-1
N-amoniacal total 
< 3,7 mg l-1 p/ água com pH 7,5
< 0,5 mg l-1 p/ água com pH > 8,5
P < 0,03 mg l-1 em ambiente lêntico
< 0,05mg l-1 em ambiente intermediário
< 0,1 mg l-1 em ambiente lótico
Nutrientes no esgoto
	Parâmetro
	Cont. per capita, g/(hab.d)
	Concentração
	Nitrogênio total
	8
	50 mg N l-1
	Nitrogênio orgânico
	2,5 a 5
	15 a 30 mg N l-1
	Nitrogênio amoniacal
	3,5 a 7
	20 a 40 mg N-NH4+ l-1
	Nitrato
	0 a 0,5
	0 a 2 mg N-NO3- l-1
	Fósforo total
	2,5
	5 a 25 mg P l-1
	Fósforo orgânico
	0,3 a 1,5
	2 a 8 mg P l-1
	Fósforo inorgânico
	0,7 a 3,0
	4 a 17 mg P l-1
Nitrificação 
Cinética da nitrificação 
Função da taxa de crescimento das bactérias nitrificantes (dXN/dt)
Nmax = taxa específica máxima de crescimento de bactérias nitrificantes (0,3 a 0,7 d-1)
KN = coeficiente de meia-saturação para amônia (0,5 a 1,0 mg NKT L-1)
kd,N = taxa de decaimento das bactérias nitrificantes (0,04 a 0,16 d-1)
c necessário para garantir a nitrificação: 
Fatores ambientais que afetam N (taxa específica de crescimento das bactérias nitrificantes) 
Temperatura 
temperatura ótima = 25 a 35C
N,T = N,,20.(T-20) 
Nmax,20: 0,3 a 0,7 d-1 
N = 1,10
pH 
pH ótimo 7,2 a 8,0
para pH de 6,2 a 7,2: N,pH = N,7,2.[1 -0,83.(7,2 – pH)]
pH < 6 – pouca atividade nitrificante
OD
recomenda-se manter OD > 1,5 mg L-1
KO = coeficiente de meia-saturação para OD (0,4 a 1,0 mg O2 L-1)
OD < 0,2 mg L-1 não ocorre nitrificação
Efeitos dos fatores ambientais sobre N são multiplicativos:
Substâncias tóxicas 
a baixa diversidade de espécies de bactérias nitrificantes torna o processo mais sensível à presença de substâncias tóxicas
listas de substâncias inibidoras disponíveis na literatura (fenóis, solventes orgânicos, metais, benzeno...)
Taxa de nitrificação
NKT oxidado é proporcional à taxa de crescimento bruto de bactérias nitrificantes, XN:
, g NKT oxidado/(m3.d)
onde: 	N = taxa específica de crescimento das bactérias nitrificantes, d-1 
	YN = coeficiente de rendimento celular das bactérias nitrificantes (0,05 a 0,1 g XN/g NKT oxidado)
	fN = fração das bactérias nitrificantes na biomassa total
	onde: 	XN/t = YNNKT oxidado 
			NKT oxidado = Q(NKTo – NKTe) – 0,12 PXv 
				PXV = XV/t
				XV/t = XV/c
	onde:	Q = vazão, m3/d
		NKT0 = NKT que entra no reator, g/m3
		NKTe = NKT que sai do reator, g/m3
		V = volume do reator, m3
Requisitos de alcalinidade para a nitrificação
Alcalinidade no pH do tratamento biológico (pH6-8) está na forma de HCO3-
1 mol (14g) de NKT (ou NH4+) oxidado produz 2 mols de H+ que consomem 2 mols de HCO3- (122g), ou seja, cada mg de N oxidado, consome 8,7 mg HCO3- (2H+ + 2HCO3 2H2O + 2CO2)
Consumo de alcalinidade, expressa como mg/l CaCO3:
portanto 1 mg N-NH4+ oxidado consome 7,1 mg CaCO3 L-1
Consumo de alcalinidade na nitrificação resulta em queda de pH, que por sua vez, resulta em queda da taxa de nitrificação. Portanto, deve-se garantir alcalinidade suficiente no reator (pode ser necessário adicionar alcalinizante), para evitar seu consumo total. A alcalinidade disponível no esgoto bruto é 
110 a 170 mg CaCO3 L-1 
20 a 30 mg CaCO3/(hab.d)
Requisitos de oxigênio para a nitrificação:
RON = 4,57.NKT oxidado = 4,57[Q(NKTo – NKTe) – 0,12 PXv]
Desnitrificação 
Conversão de NO3- a N2, utilizando o nitrato como aceptor final de e- no catabolismo oxidativo de matéria orgânica biodegradável
Realizada por bactérias quimiorganoheterotróficas:
com substrato fornecida pela água residuária (matéria orgânica biodegradável solúvel, DBOS, representada estequiometricamente por C10H19O3N): 
C10H19O3N + 10NO3- 10CO2 + 5N2 + NH3 + 10OH- + 3H2O + energia
com substrato fornecida pelo decaimento endógeno (matéria orgânica biodegradável da respiração endógena representada estequiometricamente por C5H7O2N): 
C5H7O2N + 4NO3- 5CO2 + 2N2 + NH3 + 4OH- + energia
com substrato fornecida por fonte exógena (tipicamente metanol ou acetato é adicionado):
5CH3OH + 6NO3- 5CO2 + 3N2 + 7H2O + 6OH- + energia
5CH3COOH + 8NO3- 10CO2 + 4N2 + 6H2O + 8OH- + energia
Vantagens de promover a desnitrificação
nitrificação provavelmente vai ocorrer, portanto desnitrificação no tanque de aeração evita geração de N2 no fundo do decantador secundário, que resultaria em lodo ascendente (carreado pelas bolhas de N2, um gás muito pouco solúvel)
economia de O2 - parte da matéria orgânica é removida utilizando NO3- como aceptor final de e-, em substituição ao O2
economia de alcalinidade 
1 mol NO3- gera 1 mol OH- que neutraliza 1 mol H+ gerado na nitrificação
economia teórica de 50%, uma vez que 2 mols H+ são gerados na nitrificação, mas estimativa prática é de 3 mg CaCO3 L-1, portanto nitrificação + desnitrificação consome 7,1 – 3 = 4,1 mg CaCO3 L -1
Cinética de desnitrificação
onde: 	S = matéria orgânica biodegradável, g DBO m-3
KS = coeficiente de meia-saturação para substrato, g DBO m-3
NO3- = concentração de nitrogênio na forma de nitrato, g N m-3
KNO3 = coeficiente de meia-saturação para nitrato, g N m-3
(normalmente KNO3 << NO3-, e segundo termo é desprezado)
Taxa específica de desnitrificação, 
	Fonte da matéria orgânica 
	Posição da zona anóxica
	TDE
	Esgoto bruto – pré-destnitrificação
	a montante da zona aerada
	0,03-0,11
	Respiração endógena – pós-desnitrificação
	a jusante da zona aerada
	0,015-0,045
Fatores ambientais que afetam a desnitrificação
OD - inibição diretamente proporcional a OD
completamente inibida a OD = 1 mg l-1
Modelo USEPA, IAWQ: 
KOI = coeficiente de inibição para OD, mg l-1
KOI = 0,2 mg l-1 para biomassa na superfície do floco; = 2 mg l-1 para biomassa no interior do floco 
Temperatura 
temperatura ótima = 35 a 45°C
TDET = TDE20(T-20); = 1,03 -1,20 (1,09)
pH 
pH ótimo 7,0 – 7,5
TDE a pH 6 = 40%-80% da TDE máxima 
TDE a pH 8 = 70-90% da TDE máxima 
Substâncias tóxicas - inibição indireta devido à inibição da nitrificação
Sistemas para remoção biológica de nitrogênio (uso de seletores metabólicos anóxicos)
Pré-desnitrificação (processo Ludzack-Ettinger modificado)
Pós-desnitrificação
Bardenpho 4 estágios
Valo de oxidação
Reator seqüencial em batelada
Critérios de projeto para a remoção biológica de nitrogênio
	Parâmetro
	Pré-desnitrificação
	Pós-desnitrificação
	Bardenpho 4 estágios
	Valo de oxidação
	SSVTA, mg l-1
	3000-4000
	2000-4000
	3000-4000
	2000-4000
	c, d
	7-20
	10-30
	10-20
	20-30
	TDH total, h
	5-15
	7-15
	8-20
	18-30
	TDH zona anóxica, h
	1-3
	-
	1-3
	variável
	TDH zona aeróbia,h
	4-12
	5-10
	4-12
	variável
	TDH 2a zona anóxica, h
	-
	2-5
	2-4
	-
	TDH 2ª zona aeróbia final, h
	-
	-
	0,5-1
	-
	Razão de recirculação do lodo, %
	50-100
	100
	50-100
	50-100
	Razão de recirculação do efluente, %
	100-200
	-
	200-400
	-
Fonte: Metcalf e Eddy, 2003
Vantagens e desvantagens dos processos de remoção biológico de nitrogênio
	Processo
	Vantagens
	Desvantagens
	Pré-desnitrificação
	Economiza energia; remoção de DBO antes da zona aeróbia
Alcalinidade produzida antes da nitrificação
Inclui seletor que melhora IVL
Fácil de adaptar em sistemas existentes
Ntotal final < 8 mg l-1
	Capacidade de remoção de N depende da recirculação do efluente
Controle de OD necessário para recirculação do efluente
	Reator em batelada
	Processo flexível e fácil de operar
Não há perda de SS
Ntotal final < 8 mg L-1
	Requer reatores em paralelo
Critérios de projeto mas complexos
	Bardenpho 4 estágios
	Ntotal final < 5 mg L-1
	Requer reatores de maiores volumes
Secundo tanque anóxico tem baixa eficiência
	Pós-desnitrificação com adição de carbono
	Ntotal final < 5 mg L-1
	Maior custo operacional devido à adição de metanol
Remoção de Fósforo	
Requer alternância de zonas anaeróbias e aeróbias
na zona anaeróbia 
ácidos orgânicos voláteis (AOVs) são produzidos por pelas bactérias heterotróficas fermentativas 
organismos acumuladores de P (OAPs) assimilam AOVs e os transformam em polihidroxibutirato (PHB), uma forma de reserva de carbono, cuja síntese requer energia (OAPs pertencem aos gêneros Agrobacterium, Aquaspirillum, Acidovorax, Sphingomonas, entre outros)
OAPs hidrolisam polifosfato para fornecer energia e liberam fosfato ao meio 
na zona aeróbia
oxidação do PHB gera a energia utilizada para o crescimento dos OAPs
OAPs assimilam fosfato e o armazena na forma de polifosfato, em grânulos de volutina
P é removido com o lodo excedente (P representa 2 a 7% da massa celular)
Tratamento do lodo deve evitar condições anaeróbias
alternativas de tratamento incluem flotação; digestão aeróbia; desidratação contínua
lodo retirado é rico em P, e deve-se considerar seu potencial reaproveitamento como fertilizante
Fatores ambientais que afetam a remoção de P
OD - deve ser maior que 1,5 mg L-1 na zona aeróbia e = 0 na zona anaeróbia
Temperatura - menor taxa de liberação de P em temperatura baixa vão requer maior TDH para garantir fermentação suficiente
Presença de nitrato (NO3-) reduz eficiência na zona anaeróbia porque a matéria orgânica será oxidada utilizando NO3- como aceptor final de e- e não fermentada a AOVs
pH ótimo 7,5 a 8,0
c - quanto maior c, menor a quantidade de lodo excedente, portanto menor a remoção de P
DBO do esgoto – precisa de DBO5 solúvel elevada na zona anaeróbia para garantir fermentação (recomenda DBO5 solúvel/P > 15:1)
Estimativa da quantidade de P removido com o lodo excedente
Fator de aptidão do sistema para remover fósforo: Pf = (frb.DQO – 25).fan
onde: 	frb = fração rapidamente biodegradável da DQO 
(frb = 15 a 30 % da DQO do esgoto bruto ou 20 a 35% do esgoto primário)
DQO = DQO do esgoto bruto ou primário
fan = fração mássica do lodo anaeróbio (tipicamente 0,1 a 0,25)
Fração de P na biomassa ativa (Water Research Commission, África do Sul,1984):
onde: 	Xa = faXV, e 
Fração de P nos SSV no lodo excedente: P/XV = fa(P/Xa)
Relação do fósforo removido no lodo excedente por unidade de DBO removida:
P/DBO = Yobs(P/XV) = 
onde: 	P/XV = fração de P nos SSV, mg P/mg SSV
Y = coeficiente de rendimento celular 
fb = fração biodegradável dos SSV = 
Quantidade de fósforo removido, 
Processos para remoção biológica de nutrientes (N e P) – seletores metabólicos
A2O - Anaeróbio/Anóxico/Aeróbio
UCT – Universidade da Cidade de Cabo (Cape Town)
Bardenpho 5 estágios 
Reator seqüencial em batelada
Critérios de projeto para remoção de fósforo (e nitrogênio)
	Parâmetro
	A2O
	UCT
	Reator em batelada
	Bardenpho 5 estágios
	SSVTA, mg l-1
	2000-4000
	2000-4000
	20-40
	2000-4000
	c total, d
	5-25
	10-25
	3000-4000
	10-20
	c aeróbia, d
	 5
	 5
	 6
	 8
	TDH anaeróbia, h
	0,5-1,5
	1,0-2,0
	1,5-3
	0,5-1,5
	TDH anóxica, h
	0,5-1
	2,0-4,0
	1-3
	1-3
	TDH aeróbia, h
	4-8
	4-12
	2-4
	4-12
	TDH 2a anóxica, h
	-
	-
	-
	2-4
	TDH aeróbia final, h
	-
	-
	-
	0,5-1
	Razão de recirculação do lodo
	0,25-1
	0,5-1
	
	0,5-1
	Razão de recirculação aeróbia p/anóxica
	1-4
	1-3
	-
	2-4
	Razão de recirculação anóxica p/ anaeróbia
	-
	2-4
	-
	-
Fonte: Metcalf e Eddy, 2003
REATORES AERÓBIOS DE LEITO FIXO (BIOFILME)
Tipos
Filtro biológico percolador (FBP)
Filtro aerado submerso (FAS)
Biofiltro aerado submerso (BAS)
Biodiscos ou reatores biológicos de contato (RBC)
Filtro biológico percolador 
Conceito: reator com enchimento (pedra britada ou plástico) sobre o qual o efluente percola. É sempre precedido por unidades de remoção de sólidos grosseiros (grade), areia (desarenador) e sólidos em suspensão (decantador primário) e seguidos de decantador secundário.
Principais componentes do FBP
dispositivo de distribuição do esgoto
aspersores fixos ou móveis
meio suporte
material inerte, com arranjo que permite circulação de esgoto e ar
pedra britada
95% entre 5 e 8 cm (brita n° 4)
H 3m
suporte plástico 
projetos mais novos
H 12 m
ventilação natural
aberturas para drenagem com área 15% da área do fundo
extremidades do drenos em contato com o ar com área 1% da área do fundo
sistema de drenagem no fundo que garante circulação do ar
declividade 1%
vmin = 0,6 m/s
drenos e canaletas com seção molhada 50% da seção transversal, para Q + Qr
Decantador primário (NBR 12209)
Taxa de aplicação hidráulica ≤ 36 m3/m2.d
Taxa de escoamento no vertedor de saída ≤ 380 m3/(d.m do vertedor)
Classificação baseada em cargas aplicadas
carga hidráulica (TAH), m3(m2.d)-1
carga orgânica volumétrica, kg DBO (m3.d)-1
	Carga Aplicada
	Tipo de suporte
	
	Pedra
	Plástico
	
	Baixa taxa
	Alta taxa
	
	Hidráulica, m3/(m2.d)
	 5
	 50*
	10 -75*
	Orgânica, kg DBO/(m3.d)
	 0,3
	 1,2
	 3
* Inclui vazão de recirculação
Critérios de carga
Eficiência de remoção de matéria orgânica é função de c, um parâmetro de difícil determinação em sistema com crescimento aderido (biofilme) 
Ambientes bioquímicos no biofilme
Critérios utilizados são:
carga orgânica volumétrica, kg (m3.d)-1
carga orgânica por área superficial do meio suporte, kg (m2.d)-1
	Aplicação
	Carga
	Qualidade efluente
	Tratamento secundário
	0,3-1 kg DBO/m3.d
	15-30 mg DBO l-1
	Remoção DBO + nitrificação
	0,1-0,3 kg DBO/m3.d
	<10 mg DBO l-1
	
	0,2-1,0g NKT/m2.d*
	<3 mg N-NH4+ l-1
	Tratamento terciário - pós-nitrificação
	0,5-2,5 g NKT/m2.d*
	0,5-3 mg N-NH4+ l-1
	Remoção parcial DBO
	1,5-4,0 kg DBO/m3.d
	40-70% remoção DBO
*área do meio suporte
Propriedades físicas de meios suporte
	Material
	Tamanho, cm
	Ps kg/m3
	As m2/m3
	Vazios, %
	Uso*
	Pedra 
	3-8
	1250-1450
	60
	50
	 C, CN, N
	PVC conv.
	60x60x120
	30-80
	90
	>95
	C, CN, N
	PVC alta As
	60x60x120
	65-95
	140
	>94
	N
	PVC randômico
	variável
	30-60
	98
	80
	C, CN, N
	PVC randômico, alta As
	variável
	50-80
	120
	70
	N
*Uso: C – remoção DBO; CN – remoção DBO e nitrificação; N – nitrificação
Recirculação – recirculação do efluente (não da biomassa) para amortizar variações de vazão, melhorar operação, garantir molhamento da superfície.
Obrigatória em filtros de alta taxa
Vantagens da recirculação
matéria orgânica recirculada semeia filtro com variedade de organismos
vazão recirculada amortece as variações de cargas
recirculação diminui as possibilidades de acúmulo de esgoto e colmatação do filtro
recirculação ao decantador primário tende a reduzir a formação de escuma
problemas de odor e moscas são minimizados
Parâmetros de recirculação
R= razão de recirculação = Qr/Q, valores típicos 0,5 a3,0 (< 5, NBR 12209)
Fator de recirculação da matéria orgânica:
Configurações típicas:
Taxa de aplicação superficial – lâmina de líquido aplicado sobre leito por revolução do braço distribuidor (mm/volta)
menor taxa resulta em maior remoção de DBO, menos problemas com moscas, etc.
maior taxa resulta em maior eficiência de molhamento, maior agitação e arraste de biomassa; biofilme menos espessa e mais aeróbio
	Carga DBO, kg (m3.d)-1
	Aplicação, mm/volta
	Descarga, mm/volta
	0,25
	10-30
	≥ 200
	0,5
	15-45
	≥ 200
	1,0
	30-90
	≥ 300
	2,0
	40-120
	≥ 400
	3,0
	60-180
	≥ 600
	4,0
	80-240
	≥ 800
velocidade do braço distribuidor, rpm 
R = Qr/Q
N = número braços distribuidores
D = aplicação, m/volta
q = taxa de aplicação hidráulica, m3 (m2.min)-1
Dimensionamento 
Critério do NRC (USEPA) - eficiência de remoção = (R, carga de DBO)
	Filtro único
	Filtro de duplo estágio
	
	
E1,20 e2,20 = eficiência de remoção de DBO, no 1º e 2º filtro a 20C, %
ETotal = E1 + E2(1 - E1/100) = eficiência global a 20C, %
ETotal, T = E20(1,035)T-20
W1 e 2 = carga orgânica aplicada, no 1º e 2º filtro, kg/d
W2 = (1 - E1/100).W1
V = volume do meio filtrante, m3 
F = fator de recirculação
Critério do Eckenfelder
Taxa de remoção do substrato (1ª ordem)
	
	onde: k´ = taxa de remoção, d-1
S = concentração do substrato, mg DBO5 L-1
 t = tempo de detenção hidráulica, d
TDH, a carga hidráulica e a profundidade se relacionam:
	
	onde: C, n = constantes relacionadas ao meio suporte
D = profundidade do meio suporte, m
q = carga hidráulica aplicada, m3/m2.d
Xv, a biomassa, é proporcional à superfície específica do meio suporte:
	
 
	onde: Av = superfície específica do meio suporte, m2/m3
k´´ = constante de proporcionalidade
A relação entre eficiência, profundidade e carga hidrúlica é:
	
	onde: K = coeficiente dependente do meio suporte 
Para determinar os valores de K e n 
realizar ensaios a diferentes cargas hidráulicas (q) e várias profundidades (D) do meio suporte e determinar eficiência (S/S0) 
elaborar o gráfico de log(S/S0) versus D e determinar os valores das inclinações, i = K/qn
	
	S/S0 = exp(-KD/qn)
log(S/S0) = -KD/qn
inclinação = K/qn
elaborar o gráfico de log(q) versus log(i); a inclinação é n
	
	i = K/qn
nlogi = logK – nlogq
inclinação = n
Elaborar o gráfico de log(S/S0) versus D/qn; a inclinação é K
	
	S/S0 = exp(-KD/qn)
log(S/S0) = -KD/qn
Inclinação = K
Filtro aerado submerso
Variantes
fluxo descendente
fluxo ascendente
Meio suporte 
H 1,6 m
superfície específica < 250 m2/m3
Cargas orgânicas
volumétrica ≤ 1,8 kg dbo/(m3.d)
superficial ≤ 15 kg DBO/(m2.d)
Carga de N para nitrificação
carga N-NH4+ ≤ 1 g N/(m2.d)
Aeração 30 Nm3 ar/kg DBO
Biofiltro aerado submerso
Necessita apenas decantador primário 
Variantes
fluxo descendente
fluxo ascendente
leito fluidificado
Meio suporte 
H 1,6 m
superfície específica > 350 m2/m3
tamanho 2 a 6 mm (areia/argila)
Cargas orgânicas
volumétrica 4 kg DBO/(m3.d)
superficial 15 kg DBO/(m2.d)
Aeração 30 Nm3 ar/kg DBO
Retrolavagem p/ remoção de sólidos acumulados 
Intervalos 24 h
TAH > 600m3/m2.d
lodo de lavagem tipicamente enviado para decantador primário
 Vantagens do BAS
baixos requisitos de área, unidades compactas
trata eficientemente águas residuárias de baixa carga
sem problemas operacionais de separação de sólidos
esteticamente atrativo
Desvantagens do BAS
controle relativamente complexo
economia de escala limitada
custo de instalação relativamente elevado
Exemplos de sistemas proprietários
Biocarbone
	Remoção DBO
	Remoção DBO, nitrificação
	Pós-nitrificação
	kgDBO (m3.d)-1
	kgDBO (m3.d)-1
	kgN (m3.d)-1
	3,5 -4,5
	2-2,75
	1,2-1,5
Biofor
	
	
	Remoção DBO
	Pós-nitrificação
	Carga
	kgDBO (m3.d)-1
	5-6
	-
	
	kgN (m3.d)-1
	-
	1,5-1,8
	TAH
	m3 (m2.h)-1 
	5-6
	10-12
Processos Híbridos
Filtro biológico + lodos ativados
filtro biológico
estabilidade e resistência a cargas de choque 
eficiência e baixos requisitos de energia para remoção parcial de DBO
age como seletor para melhorar decantabilidade do lodo no TA
lodos ativados garante elevada qualidade do efluente final
	Processo
	Filtro
kgDBO (m3.d)-1
	Lodos ativados
	
	
	TDH, h
	c, d
	SSTTA, mg l-1
	TAH decantador, 
m3 (m2.h)-1
	1
	0,3-1,2
	0,2-1
	0,3-2
	1000-3000
	1,8-3
	2
	1,2-4,8
	0,2-1
	2-7
	2500-4000
	2-3,5
Reator de biofilme e leito móvel (MBBR)
material suporte, peças sintéticas (carriers) dispersas no TA
aumento de X no TA 
menor requisito volumétrico do TA
aumento de taxa de nitrificação
possibilidade de desnitrificação dentro do biofilme
	Carga orgânica, kgDBO (m3.d)-1
	TDH, h
	Área biofilme, m2/m3
	TAH decantador, m3 (m2.h)-1
	
	anóxico
	aeróbio
	
	
	1-1,4
	1-1,2
	3,5-4,5
	200-250
	0,5-0,8
Reator UASB + filtro (percolador ou submerso) - sólidos do filtro estabilizados no reator UASB 
	Qualidade do esgoto tratado
	Parâmetro 
	Concentração, mg L-1 
	Eficiência, % 
	SS 
	10 
	95 
	DBO 
	10 
	95 
	DQO 
	50 
	88 
TRATAMENTO TERCIÁRIO (AVANÇADO)
Constituintes típicos de águas residuárias tratadas biologicamente e seus impactos nos corpos receptores
	Constituinte residual
	Efeito
	Sólidos coloidais e suspensos inorgânicos e orgânicos
	SST
	Assoreamento 
	
	
	Proteção de bactérias contra ação de agentes desinfetantes
	
	Coloides
	Turbidez
	
	Matéria orgânica particulada
	Pode consumir O2
	
	
	Proteção de bactérias contra ação de agentes desinfetantes
	Sólidos biológicos
	Bactéria, (oo)cistos, vírus
	Doenças de veiculação hídrica
	Matéria orgânica dissolvida
	Carbono orgânico total
	Pode consumir O2
	
	Compostos orgânicos refratários
	Tóxicos, cancerígenos (POPs)
	
	Compostos orgânicos voláteis
	Tóxicos, cancerígenos 
	
	
	Precursores de oxidantes fotoquímicos
	
	Fármacos
	Afetam espécies aquáticas (disreguladores endócrinos)
	
	Surfactantes
	Geram espuma, interferem na coagulação
	Matéria inorgânica dissolvida
	Amônia
	Tóxica a peixes 
Eutrofização
	
	
	Conversão a nitrato consome O2
	
	
	Aumenta demanda de cloro
	
	Nitrato
	Methemoglobinemia
	
	
	Eutrofização
	
	Fósforo (Fosfato)
	Eutrofização
	
	
	Interfere com coagulação
	
	
	Interfere com abrandamento pelo processo cal-soda
	
	Cálcio e magnésio
	Dureza
	
	Cloretos
	Sabor
	
	Sólidos dissolvidos totais
	Interferem com processos agrícolas e industriais
Seleção de processo depende de 
Uso previsto para o efluente tratado
Compatibilidade das operações e processos
Disponibilidade de métodos para dispor da forma final dos resíduos (sólidos, líquidos, gases)
Viabilidade econômica
Processos usados no tratamento terciário
Processos incorporados aos sistemas de lodos ativados
Lagoas de maturação
Aplicação no solo
Processos físico-químicos
Desinfecção
Precipitação química
Adsorção em carvão ativado
Troca iônica
Membranas filtrantes
Processos oxidativos avançados
Desinfecção
Cloro 	
inativação de bactérias, vírus
remoção de N: Cl2 + NH3 N2
potencial formação de organoclorados
Necessidade de remover cloro residual antes de lançar no corpo receptor, tipicamente feito com SO2 
SO2 + HOCl + H2O Cl- + SO42- + 2H+
Aplicação de 1-1,2 mg SO2 /mgCl2 residual 
UV
inativação de bactérias, vírus
evita formação de compostos organoclorados
não há residual desinfetante
Ozônio
Também utilizado para remoção de cor, substâncias recalcitrantes
evita formação de compostos organoclorados
não há residual desinfetante
Precipitação química
Remoção de P (PO43-)
adição de sais metálicos (Al, Fe): Al3+ + PO43- AlPO4(s); Fe3+ + PO43- FePO4(s)
no tratamento primário
durante o tratamento secundário