II Lista de exercícios_sofia (1)

Prévia do material em texto

Universidade Federal de Alagoas 
Centro de Tecnologia 
Graduação em Engenharia Ambiental 
 
Lista de Exercícios da disciplina de Tratamento de Águas Residuárias 1 
Período: 2013.1 
Data da distribuição: 30/07/2013 Data de entrega: 08/08/2013 
Professor: Marcio Gomes Barboza 
 
Discente:Sofia Melo Vasconcellos Nota:____________ 
 
1. Disserte sobre sistemas de flotação por ar dissolvido (FAD) para tratamento de 
águas residuárias. 
2. Disserte sobre tanque de equalização. 
3. Disserte sobre a realização de ensaio de sedimentação floculenta em coluna. 
4. Disserte sobre decantadores circulares mecanizados. 
5. Disserte sobre, pelo menos, dois modelos hidrodinâmicos de reatores. 
6. Apresente a equação de balanço de massa do reator (lagoa de estabilização do tipo 
facultativa), em regime de mistura completa, com fluxo contínuo e cinética de 
primeira ordem. Apresente um desenho esquemático. 
7. Apresentar a equação de balanço de massa de um reator de lodos ativados(tem 
recirculação), em regime de mistura completa, com fluxo contínuo e cinética de 
primeira ordem. Apresente um desenho esquemático. 
8. Determinar a eficiência de remoção de matéria orgânica um reator da questão 
anterior, sabendo que o coeficiente cinético é de 0,30 d
-1
 e o tempo de detenção 
hidráulica é de 10 d. 
9. Das concepções de sistemas de tratamento abaixo, teoricamente qual é a mais 
eficiente, sabendo que os coeficientes cinéticos são iguais? Demonstre. 
a. Um reator de mistura completa tempo de detenção T. 
b. Três reatores em série, cada um com tempo de detenção T/3. 
c. Um reator com fluxo do tipo pistão. 
 
 
 
 
 
1. 
A flotação é um processo que envolve três fases: líquida, sólida e gasosa. É utilizado para 
separar partículas suspensas ou materiais graxos ou oleosos de uma fase líquida. A separação é produzida 
pela combinação de bolhas de gás, geralmente o ar, com a partícula, resultando num agregado, cuja 
densidade é menor que a do líquido e, portanto, sobe à superfície do mesmo, podendo ser coletada em 
uma operação de raspagem superficial. 
Entre as várias de se introduzir bolhas de ar necessárias para fazer a separação sólido-líquido por 
flotação, está a flotação por ar dissolvido, que consiste em provocar a produção de bolhas através da 
supersaturação do líquido, com ar, podendo ser realizada a vácuo ou a pressão. 
 Na flotação a vácuo por ar dissolvido, o liquido é primeiramente saturado com ar a pressão 
atmosférica e então é aplicado vácuo ao líquido, e são formadas as bolhas de ar. 
 No caso da flotação por pressurização, o ar é injetado na entrada de uma câmara de saturação, 
enquanto o líquido se encontra sob pressão. No interior dessa câmara ocorre a dissolução de ar na massa 
líquida pressurizada, sendo, em seguida, o líquido exposto a condições atmosféricas. A redução brusca de 
pressão provoca o desprendimento do ar na forma de minúsculas bolhas, que aderem às partículas em 
suspensão, flutuando à superfície. 
Este tipo de pressurização pode ocorrer de 3 formas: pressurização total do efluente, 
pressurização parcial, ou com recirculação. A mais utilizada é esta última, onde ocorre a pressurização de 
uma parcela do afluente já clarificado, recirculando e misturando a mesma com o afluente. 
2. 
A vazão de uma água residuária em uma unidade industrial pode variar amplamente dependendo 
do tipo e variedades de processos e em função das etapas especificas dos processos. Dessa forma, os 
tanques de equalização tem a finalidade de regular essas vazões, além de homogeneizar o efluente. Pode 
ocorrer de duas formas: na linha de todo o processo, onde todo o fluxo passa pelo tanque de equalização; 
e fora da linha de processo, onde apenas uma fração do fluxo acima de uma fração pré-determinada é 
direcionada para o tanque de equalização. 
3. 
A decantação floculenta é caracterizada por um aumento gradual da velocidade de decantação do 
corpo em suspensão. Este fenômeno acontece quando os sólidos em suspensão interagem entre si ligando-
se por adsorção ao hidróxido do metal em forma de gel, aumentam a sua massa obrigando a uma queda 
acelerada. Trajetória curvilínea com a concavidade voltada para baixo. Esse mecanismo é denominado de 
varredura. 
Este tipo de decantação acontece na camada superior da decantação primária devido à remoção 
dos sólidos em suspensão no esgoto bruto, na camada superior de decantadores secundários e na remoção 
de flocos químicos de águas e efluentes. Este processo é tanto mais acelerado, quando mais densa for a 
distribuição de partículas em suspensão (existe uma concentração de partículas em suspensão, a partir da 
qual a decantação torna-se retardada ou zonada). 
Para avaliar a capacidade de decantação de um determinado efluente é importante submete-lo a 
testes em coluna estática de sedimentação. Estas colunas deverão ter uma altura superior a 2,5m para 
permitir avaliar os fenômenos que acontecem nos decantadores reais. O diâmetro deverá ser de 0,15m 
para que o ensaio não seja perturbado pelo efeito de parede que um tubo de diâmetro inferior a este pode 
provocar. 
4. 
No floculador, a água é agitada em velocidade controlada para aumentar o tamanho dos flocos 
para, em seguida, a água passar para os decantadores, onde os flocos maiores e mais pesados possam se 
depositar. Essas águas, são encaminhadas para os decantadores, onde após processada a sedimentação, a 
água já decantada é coletada por calhas superficiais separando-se do material sedimentado junto ao fundo 
das unidades constituindo o lodo, onde predominam impurezas coloidais, matéria orgânica, hidróxido de 
Alumínio (ou de Ferro) e impurezas diversas. 
Esses lodos são mais ou menos instáveis, dependendo principalmente da fração de matéria 
orgânica de que ele seja composto, e precisam ser retirados e dispostos adequada e periodicamente. 
Quando se trata de água bruta de má-qualidade, especialmente por excesso de matéria orgânica, o lodo 
deve ser retirado antes que entre em processo de fermentação. 
Os processos de retirada de lodo dos decantadores podem ser mecanizados ou não. No caso de 
instalações de grande capacidade e que produzem grandes quantidades de lodo, ou em casos em que se 
deseja economizar água com o descarte do lodo, prevalecem os mecanizados, que podem ter várias 
formas, como a circular, que pode ser vista na figura abaixo: 
 
Decantador circular, com raspagem mecanizada. 
5. 
Um estudo hidrodinâmico é de fundamental importância para a otimização da geometria dos 
reatores biológicos. A modelagem matemática tem a finalidade de simular os fenômenos físicos 
envolvidos com o escoamento da fase líquida, tornando-se um ferramenta útil para o projeto e aumento de 
escala destes reatores. 
Foram escolhidos dois trabalhos que avaliaram modelos hidrodinâmicos em reatores: 
 
Carvalho,K.Q.; Salgado, M.T.; Passig, F.H.; Hidrodinâmica de reator UASB submetido à variação 
cíclica de vazão. Eng. Sanit. Ambient. vol.13 no.2 Rio de Janeiro Apr./June 2008. 
Neste trabalho, um reator UASB em escala piloto (160 l) foi usado com o objetivo de estudar seu 
comportamento hidrodinâmico quando submetido a variações cíclicas senoidais da vazão afluente. Os 
ensaios foram realizados com traçador eosina Y para as condições operacionais: vazão média afluente 
constante e igual a 16 l.h
-1
 e tempo de detenção hidráulica de 10 h (ensaios 1 e 2), e para vazão afluente 
submetida à variação senoidal de 40% (ensaios 3 e 4) e de 60% (ensaio 5). 
A variação da concentração do traçador no efluente foi ajustada pelos modelos teóricos de 
dispersão de fluxo e de reatores em série. O reator UASB apresentou comportamento similar ao de reator 
de mistura completa para vazão média afluente constante e similar ao reator de fluxo pistonado com a 
aplicação das variações senoidais cíclicas, sendo que o modelo de pequena dispersão apresentoumelhor 
ajuste matemático. 
Salgado, M. T. (2008). Modelo matemático para avaliação hidrodinâmica em reatores tubulares 
operando em regime não-permanente. Tese (Doutorado). Escola de Engenharia de São Carlos, 
Universidade de São Paulo, São Carlos, 2008. 
 
Neste trabalho foi aplicado um modelo matemático simulando a hidrodinâmica de reatores 
tubulares com dispersão para avaliar o efeito da variação de vazão afluente sobre os parâmetros 
hidrodinâmicos. As simulações foram efetuadas considerando vazão e volume constantes, vazão e volume 
variáveis e vazão variável e volume constante. 
 
Foi investigada a influência de dois tipos de ensaios estímulo-resposta, pulso e degrau, para 
aplicação de modelos matemáticos e determinação das curvas de distribuição do tempo de residência 
(DTR) experimentais. Teoricamente ambos devem fornecer os mesmos resultados embora o ensaio em 
pulso costume apresentar maior sensibilidade experimental. 
 
Conforme esperado, ambos os ensaios apresentaram os mesmos resultados finais. Também 
foram avaliados os traçadores empregados nos dois tipos de ensaios estímulo-resposta, pulso e degrau. 
Foram empregados três traçadores diferentes - verde de bromocresol, azul de bromofenol e eosina Y que 
proporcionaram curvas com diferentes características. 
 
Como ferramenta auxiliar da modelação foram estudas a determinação das curvas DTR 
experimentais com auxílio de duas técnicas distintas. Para calibrar o modelo matemático proposto foram 
utilizados dados de reatores em escala de bancada com diferentes configurações submetidas a variações 
de vazões afluentes. 
 
 Os dados de um reator UASB em escala piloto - submetido a variações cíclicas de vazão afluente 
de 40 e 60% - foram empregados para calibrar e verificar o modelo matemático proposto. Os resultados 
encontrados com o modelo matemático proposto nesta pesquisa demonstraram que a variação de vazão 
afluente não deve ser negligenciada. 
 
O modelo utilizado representou adequadamente o reator UASB. Seus resultados, quando 
comparados aos modelos matemáticos que não consideram a variação de vazão, mostraram que para 
flutuações de vazão elevadas, vazões com valores até 60% maiores do que a vazão média, os valores dos 
coeficientes de difusão diferem significativamente em função das hipóteses empregadas no 
desenvolvimento do modelo matemático. 
 
 
 
6. 
A forma geral para o balanço de massa em um reator de fluxo contínuo e mistura completa, é 
dada pela equação 
 
Assumindo a cinética de remoção de primeira ordem e que não ocorre acúmulo de matéria no interior do 
reator: 
 
Resolvendo a equação em função da concentração teremos: 
 
Quando reatores de mistura completa são utilizados em série, o mesmo princípio é utilizado para o 
dimensionamento. Se dois reatores são utilizados o segundo pode ser dimensionado pela equação a 
seguir: 
 
Assumindo a cinética de primeira ordem (rc = -kC) e resolvendo a equação em função de C2: 
 
Sabendo que C1,como sendo: 
 
Combinando as duas equações acima obtemos o valor de C2 em função de Co 
 
A seguir, esquema de um reator de mistura completa, e fluxo contínuo. 
 
 
 
 
 
 
7. 
 
 
 
8. Para reatores de mistura completa, a equação para a concentração é a seguinte: 
 
 
 
 
 
 
 
E a da eficiência: 
 
 
 
 
Como k=0,3 e T=10, temos: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
9. Para reatores de mistura completa, a equação para a concentração é a seguinte: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Para reatores com fluxo em pistão, a equação para a concentração é a seguinte: 
 
 
 
 
 
Para reatores com em série, a equação para a concentração é a seguinte: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Com n sendo o número de reatores. 
 
E o cálculo da eficiência, feito da mesma forma para todos: 
 
 
 
 
 
Supondo as condições da questão anterior, onde k = 0,30 d
-1
 e T=10, para melhor visualização dos 
resultados. Temos: 
 
Reator de mistura completa: 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ef (%)=66,67 
 
Reator fluxo em pistão: 
 
 
 
 
 
 
Ef (%)=95 
 
3 reatores em série: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ef (%)=57,82 
 
10. REFERENCIAS