SEGUNDA PROVA 20172 - GABARITO (1)

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UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL 
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA 
CURSO DE ENGENHARIA AMBIENTAL 
DISCIPLINA: TRATAMENTO BIOLÓGICO DE EFLUENTES – AMB0255A 
PERÍODO LETIVO: 2017/02 NRO DE CRÉDITOS: 06 
PROFESSOR: LADEMIR LUIZ BEAL – PARTE TEÓRICA 
SEGUNDA PROVA 
 
1) Explique como são os sistemas de aeração por difusores e por aeração superficial 
mecânica. Comente suas diferenças. 
RESPOSTA: 
Difusores: 
• São localizados e uniformemente distribuídos no fundo do tanque de aeração ou 
próximo ao fundo. O ar é fornecido por meio de um compressor, instalado na sala de 
compressores. O ar é transportado através de tubulações até os difusores. Muitas 
vezes são utilizados simples sopradores. 
• Os difusores podem ser classificados de fixos ou móveis. A vantagem do difusor 
móvel é que sua limpeza e/ou manutenção pode ser efetuada sem o esvaziamento do 
tanque de aeração. No sistema fixo, os difusores somente podem ser limpos quando 
o tanque é esvaziado completamente. 
• Quanto aos materiais empregados na sua fabricação podem ser classificados como 
porosos cerâmicos (pratos ou tubos cerâmicos), porosos não cerâmicos e difusores 
não porosos (bocais ou orifícios). 
Sistema de aeração superficial mecânica 
• Os aeradores mecânicos ou superficiais podem ser montados sobre uma base fixa ou 
flutuante. 
• Por este sistema o líquido é agitado e lançado para a atmosfera produzindo pequenas 
partículas e filmes delgados que irão entrar em contato com o ar oxigenando-se. 
Existe uma variante que é a introdução de ar diretamente para o meio líquido por 
efeito Venturi. Os aeradores podem ser montados fixos (em tanques com 
profundidade da ordem de 3,5 a 4,5 m) ou sobre flutuadores (mais utilizados em 
lagoas aeradas). 
 
 
2) Para um mesmo efluente ao ser aplicada a mesma condição de remoção de matéria 
orgânica, ao serem comparados um processo de lodos ativados convencional e um 
processo de lagoa aerada, o segundo processo requer uma potência de aeração maior. 
Por que? 
RESPOSTA: 
A demanda de oxigênio em ambos os processos é a mesma, porém o volume do reator 
aeróbio em um processo de lodos ativados é menor do que o reator aeróbio em um sistema 
de lagoas aeradas. Assim, quando há a conferência da densidade de potência mínima, para 
garantir a mistura, verifica-se que este parâmetro de projeto é atendido no reator aeróbio de 
lodos ativados e não o é no reator aeróbio de lagoas aeradas, pois o volume do reator deste 
processo é maior. Assim, deve-se aumentar a potência de aeração no sistema de lagoas 
aeradas para garantir a mistura. 
 
3) Tu és responsável pela operação de uma Estação de Tratamento de Efluentes que 
utiliza processo de Lodos Ativados de uma indústria. A direção da indústria apresenta um 
plano de expansão da produção e pede um diagnóstico do processo de Lodos Ativados para 
verificar a necessidade de ampliação ou não deste processo. Como seria este diagnóstico? 
Explique porque tomaria cada ação no diagnóstico e a consequência destas no processo. 
Obrigatoriamente deverão ser utilizadas equações para apoiar a resposta. 
RESPOSTA: 
 
No início do diagnóstico, em primeiro lugar, deverá ser conhecida a nova vazão de 
tratamento. Pode-se partir da premissa que todas as outras características do efluente bruto 
permanecerão constantes, ou seja, não haverá mudanças nos parâmetros. 
 
Com a nova vazão, se houver um processo de coagulação, floculação e sedimentação 
ou flotação, esse deverá ser avaliado para verificar se a eficiência permanecerá a mesma. 
 
Em relação ao processo de lodos ativados, haverá, independentemente da eficiência 
da etapa primária de tratamento um aumento da carga orgânica e de nitrogênio. Dessa forma, 
deve-se estabelecer a nova produção de biomassa e lodo, utilizando as equações abaixo: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Com esses resultados pode-se estabelecer se as unidades de tratamento/desidratação 
do lodo são suficientes para a nova vazão de operação. 
 
A idade do lodo não mudará, visto que esta não depende da vazão de efluente, mas 
sim do tipo de processo de lodo ativado a ser adotado. 
 
De posse da produção de biomassa, calcula-se a nova demanda de oxigênio, visto que 
a carga de matéria orgânica e nitrogenada aumentou, utilizando a seguinte equação: 
 
 
 
 
 
 Em seguida calcula-se a potência de aeração, utilizando uma das duas equações 
seguintes: 
 
 
( ) ( )
nb
cdn
xn
cd
codd
cd
O
SSVX QSSV
k
NOQY
k
SSQYkfSSQY
P +
+
+
+
−
+
+
−
=   111,
( )ooSSTX SSVSSTQD
CBA
P −++++=
85,085,085,0
,
( ) ( )
000.1
57,4
42,1
000.1
00
2
NNQ
P
f
SSQ
mO x
−
+−

−
=








−





= 1
.41,8
..
283,0
e
soar
p
p
E
TRM
P
 
 
 
𝑃 =
𝑚𝑂2
𝑁
 
 
 Caso a potência seja igual ou inferior àquela instalada, não haverá a 
necessidade de aumento de potência de aeração. Caso a potência calculada seja maior 
do que àquela instalada deve-se investir em aumento do sistema de aeração. 
 
 Também deve-se corrigir a relação A/M. Como haverá um aumento de vazão 
o numerador da equação irá aumentar (veja equação abaixo). Para corrigí-lo, pode-se 
estabelecer duas condições: 
1) Aumentar a concentração de SSV no reator, se as condições operacionais 
permitirem ou 
2) Aumentar o volume do reator aeróbio. 
 
 
 
 
 
Para aumentar a concentração de SSV no reator aeróbio, deve-se obrigatoriamente, 
analisar a capacidade de bombeamento do reciclo do processo de lodos ativados. Caso a 
capacidade da bomba seja inferior ao desejado deve-se proceder a substituição. 
 
Também deve-se verificar o tempo de detenção hidráulico. Caso esse diminua muito 
(uma redução maior do que 20%) deverá ser providenciada um aumento no volume deste 
reator. Para tanto, duas possibilidades existem: 
1) Aumento da altura do reator, caso o sistema de aeração for por difusão e o sistema 
de aeração permitir operar com a profundidade desejada ou 
2) Construção de um novo reator ou aumento do existente. 
 
4) Faça o gráfico e explique a relação entre A/M x IVL e suas consequências em um 
processo de lodos ativados. 
RESPOSTA: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A relação A/M x IVL apresentada no gráfico indica que o valor de IVL é mínimo 
quando A/M é aproximadamente 0,45. Na faixa de 0,3 a 0,6 o processo de lodo ativado é dito 
A/M 
IVL 
0,6 0,3 
 




 −
= −20
20
0 024,1
T
s
Lw
C
CC
NN
XV
QxS
M
A

= 0
convencional. Este processo apresenta uma boa capacidade de sedimentação da biomassa, 
requerendo assim tempos de detenção hidráulica no sedimentador de, no máximo, 3 horas. 
Para valores de A/M menores que 0,3 e maiores que 0,6 ocorre um aumento nos 
valores de IVL, indicando uma perda na capacidade de sedimentação. Quando isso ocorre 
em processos convencionais pode ocorrer fenômenos denominados de bulking e foaming, 
onde há uma reprodução exagerada dos microrganismos filamentosos, reduzindo 
sobremaneira a capacidade de sedimentação. Assim, ocorrerá uma flotação da biomassa, 
provocando a perda desta (wash out) e uma redução substancial da qualidade do efluente 
tratado. 
Porém, a relação A/M x IVL pode representar diversos processos de lodos ativados. 
Existem processos como aeração prolongada que ocorrem em relações de A/M menores que 
0,3. Neste caso o sedimentador deverá ter um tempo de detenção hidráulica maior do que nos 
processos convencionais e uma taxa de aplicação menor. Também existem processos com 
relação A/M maiores que 0,6 que devem ter o mesmo cuidado.UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL 
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA 
CURSO DE ENGENHARIA AMBIENTAL 
DISCIPLINA: TRATAMENTO BIOLÓGICO DE EFLUENTES – AMB0255A 
PERÍODO LETIVO: 2017/02 NRO DE CRÉDITOS: 06 
PROFESSOR: LADEMIR LUIZ BEAL – PARTE PRÁTICA 
SEGUNDA PROVA 
 
 
1) Calcule a quantidade de biomassa gerada por dia, potência de aeração, volume do reator, 
tempo de detenção hidráulica, relação A/M e taxa de utilização específica de substrato para 
as seguintes condições: Q = 8.500 m3/d; SSV = 4.000 mg/L; Y = 0,7 mgSSV/mgDBO5; kd = 
0,06 d-1, DBO5 = 859 mg O2/L; E = 95%; E =0,7; pe = 1,0 bar; os = 1,6 bar; R = 8,314 
kJ/kmol oK; T = 20 oC; c =20 d; [NTK]o = 60 mg/L; [NTK]e = 0 mg/L; f =0,68; Eficiência 
de transferência de O2 =12%. 
2) 
RESPOSTA: 
 
 
a) Vazão mássica diária 
 
 
𝑃𝑋,𝑆𝑆𝑉 =
8.500𝑥0,7𝑥(859 − 42,95)
(1 + 0,06𝑥20)𝑥1.000
= 2.207,044𝑘𝑔𝑆𝑆𝑉/𝑑 
 
 
b) Potência de aeração 
 
 
 
 
 
𝑚𝑂2 =
8.500𝑥(859 − 42,95)
0,68𝑥1.000
− 1,42𝑥2.207,044 +
4,57𝑥8.500𝑥(34,034 − 0)
1.000
= 8.388,70 𝑘𝑔
𝑂2
𝑑
= 349,53 𝑘𝑔𝑂2/ℎ 
 
 
𝑚𝑂2 =
349,53
0,12
= 2.912,744𝑘𝑔 𝑂2/ℎ 
 
𝑄𝑜2 =
2.912,744
32
𝑥24,04 = 2.188,2 𝑚3. ℎ−1 
( )
( ) 10001, x
SSQY
P
cd
O
SSVX +
−
=
( ) ( )
000.1
57,4
42,1
000.1
00
2
NNQ
P
f
SSQ
mO x
−
+−

−
=
𝑄𝑎𝑟 =
2.188,2
0,21
= 10.420 𝑚3. ℎ−1 
 
 
 
𝑀𝑎𝑟 =
1,2𝑥10.420
3.600
= 3,473 𝑘𝑔. 𝑠−1 
 
𝑃 =
3,473𝑥8,314𝑥293,15
8,41𝑥0,7
𝑥 [(
1,6
1,0
)
0,283
− 1] = 204,57 𝑘𝑊=274,22 hp 
 
c) Taxa de utilização de substrato 
 
1
𝜃𝑐
= 𝑌𝑈 − 𝑘𝑑 
 
1
20
= 0,7𝑈 − 0,06 𝑈 =
0,15714𝑘𝑔𝐷𝐵𝑂5
𝑘𝑔𝑆𝑆𝑉.𝑑
 
 
d) Volume do reator 
𝑉𝑟 =
𝑄(𝑆𝑜 − 𝑆)
𝑈𝑥[𝑆𝑆𝑉]
=
8.500𝑥859𝑥0,95
0,15714𝑥4.000
= 11.035𝑚3 
 
 
e) Tempo de detenção hidráulico 
 
𝜃ℎ =
𝑉
𝑄
=
11.035
8.500
= 1,298𝑑 = 31,16 ℎ 
 
f) Relação A/M 
 
𝐴
𝑀
=
𝑄𝑋𝑆𝑜
𝑉𝑟𝑥𝑆𝑆𝑉
 
 
𝐴
𝑀
=
8.500𝑋859
11.035𝑥 4.000
= 0,1654 𝑘𝑔 𝐷𝐵𝑂5𝑥𝑘𝑔𝑆𝑆𝑉
−1. 𝑑−1 
 
 
 
3) Calcule a quantidade de biomassa gerada por dia, potência de aeração, volume do reator, 
tempo de detenção hidráulica, dimensões da lagoa aerada para as seguintes condições: Q = 
10.500 m3/d; densidade de potência: 15 W/m3; SSV = 4.000 mg/L; Y = 0,6 mgSSV/mgDBO5; 
kd = 0,06 d
-1, DBO5 = 350 mg O2/L; No = 1,2 kg O2/CV.h; Cs: 8,56 mg O2/L; Cw: 7,5 mg 
O2/L; Cl ; 2,0 mg O2/L; T = 20 
oC; Tw: 20 oC; h =6 d; : 1,04; K20: 5 d-1; Hu: 3,0 m, Borda 
livre: 0,5 m; [NTK]o = 60 mg/L; [NTK]e = 0 mg/L; f =0,68; flagoas: 0,5; Eficiência de 
transferência de O2 =12%; ϴ =1,07; O percentual de nitrogênio para síntese de novas células 
é de 10%. 
RESPOSTA: 
 
1) Tempo de detenção hidráulica 
O tempo de detenção hidráulica é de 6 dias. 
 
2) Volume do reator 
h =6 d; 
Q = 10.500 m3/d 
 
𝑉 = 𝑄𝑥𝑡 
 
𝑉 = 10.500𝑥6 = 63.000𝑚3 
3) Dimensões da lagoa 
 
Hu: 3,0 m; 
Borda livre: 0,5 m 
Ângulo do talude: 450 
 
𝐴1
2⁄
=
𝑉
𝐻𝑢
=
63.000
3,0
= 21.000 𝑚2 
 
𝐷1
2⁄
= √
4𝑥𝐴1
2⁄
𝜋
= √
4𝑥21.000
𝜋
= 163,157 𝑚 
 
𝐷𝑏𝑎𝑠𝑒 = 𝐷1
2⁄
− 2𝑥1,5 = 163,157 − 3,0 = 160,157 𝑚 
 
𝐷𝑛𝑎 = 𝐷1
2⁄
+ 2𝑥1,5 = 163,157 + 3,0 = 166,157 𝑚 
 
𝐷𝑏𝑙 = 𝐷1
2⁄
+ 2𝑥1,5 + 2𝑥0,5 = 163,157 + 3,0 + 1,0 = 167,157 𝑚 
 
Dimensões: 
Borda livre: 0,5 m; 
Altura útil: 3,0 m; 
Altura total: 3,5 m; 
Diâmetro na base da lagoa: 160,157 m; 
Diâmetro ao nível da água: 166,157 m e 
Diâmetro na borda livre: 167,157 m. 
 
BASE QUADRADA 
𝐶1
2⁄
=√(A_(1⁄2)/)= √21.000 = 144,91 𝑚 
 
𝐶𝑏𝑎𝑠𝑒 = 𝐶1
2⁄
− 2𝑥1,5 = 144,91 − 3,0 = 141,91 𝑚 
 
𝐶𝑛𝑎 = 𝐶1
2⁄
+ 2𝑥1,5 = 144,91 + 3,0 = 147,91 𝑚 
 
𝐶𝑏𝑙 = 𝐶1
2⁄
+ 2𝑥1,5 + 2𝑥0,5 = 144,91 + 3,0 + 1,0 = 148,91 𝑚 
 
 
4) Quantidade de biomassa gerada por dia 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LOmg
xK
S
S
h
e /29,11
165
350
1.
2
0 =
+
=
+
= 
 
 
 
 
5) Potência de aeração 
 
Correção de No 
 
 
 
 
 
Cálculo da massa de O2. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Cálculo da potência 
 
Cálculo da potência utilizando a densidade de potência 
 
𝑃 = 𝑑𝑝𝑥𝑉𝑟 = 15𝑥63.000 = 945.000𝑊 = 1.266,76𝐶𝑉 
 
 
( )
cd
O
SSVX
SSQY
P
+
−
=
1
,
( )
606,01
3506,0500.10
,
x
Sx
P SSVX
+
−
=
( )
dkgSSV
x
x
P SSVX /024,569.1
606,01
29,113506,0500.10
, =
+
−
=
hCVkgOxx
x
x
C
CC
NN T
s
Lw ./617,08,0024,1
56,8
0,25,71
2.1024,1 2
)2020(20
20
0 =




 −
=




 −
= −− 
( ) ( )
000.1
57,4
42,1
000.1
00
2
NNQ
P
f
SSQ
mO x
−
+−

−
=
( ) ( )
dkgOmO /13,164.5
000.1
0057,45500.1057,4
024,569.142,1
000.168,0
29,11350500.10
22 =
−
+−

−
=
LISTA DE EQUAÇÕES 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
𝜇 = 𝑌𝑈 − 𝑘𝑑 𝜇 =
𝑃𝑋,𝑆𝑆𝑉
[𝑆𝑆𝑉]𝑥𝑉
 
 
TL = [Qr / (Q + Qr)] x 1.000; IM = TL/Xa = [Qr/((Q + Qr) x Xa)]x 1.000 
 
 r = Xa/(Xu - Xa) AT= AB + 0,85x0,833xAV 
 
1.
0
+
=
h
e
K
S
S
 h
hd
e
kY
k
S


..
.1+
=
 
( )
hd
e
av
k
SSY
X
.1
0
+
−
=
 QAf
TQTfA
T iaw
+
+
=
...
 ( )2020. −= TT KK  








−





= 1
.41,8
..
283,0
e
soar
p
p
E
TRM
P
Xθ
SS
U

−
= 0
( )
100
E
M
A
U

=
X
S
M
A

=

0
( ) ( )
000.1
57,4
42,1
000.1
00
2
NNQ
P
f
SSQ
mO x
−
+−

−
=
eeww
r
c
XQXQ
XV
+

=
( ) ( )
nb
cdn
xn
cd
codd
cd
O
SSVX QSSV
k
NOQY
k
SSQYkfSSQY
P +
+
+
+
−
+
+
−
=   111,
 




 −
= −20
20
0 024,1
T
s
Lw
C
CC
NN
( )ooSSTX SSVSSTQD
CBA
P −++++=
85,085,085,0
,