Baixe Lodos Ativados e outras Notas de aula em PDF para Tratamento de Água, somente na Docsity!
Universidade Federal do Rio Grande do Sul Instituto de Pesquisas Hidráulicas Departamento de Obras Hidráulicas IPH 02058 Tratamento de Água e Esgotos Engenharia Hídrica
LODOS ATIVADOS
Professor Gino Gehling
Agradecimento : O prof. Gino agradece ao prof. Antônio D. Benetti pela cessão do arquivo fonte deste capítulo, gerado por ele para a disciplina IPH 02050 da Engenharia Civil. O mesmo recebeu ajustes de formatação ao padrão da disciplina IPH 02058 ( Tratamento de Água e Esgoto ), oferecida pela primeira vez à Engenharia Hídrica no primeiro semestre de 2016.
Julho de 2017
15. LODOS ATIVADOS
15.1. INTRODUÇÃO
No tratamento biológico de esgotos, microorganismos, principalmente bactérias, utilizam a matéria orgânica presente para realizarem seus metabolismos. Uma parcela da matéria orgânica é oxidada, com a liberação de energia que se encontra armazenada nas ligações químicas. Esta energia, disponibilizada, é usada para converter outra parcela da matéria orgânica em novo material celular ( Figura 1 ). Catabolismo e anabolismo referem-se, respectivamente, à reação de oxidação e a síntese de material celular. Os processos de anabolismo e catabolismo, combinados, constituem o metabolismo.
Figura 1 : Esquema de utilização de matéria orgânica.
No processo de lodos ativados, uma cultura suspensa de microrganismos aeróbios é usada para o tratamento de esgotos. Em um tanque, a cultura de microrganismos e os esgotos entram em contato, com a introdução de oxigênio através de aeradores. Os microrganismos crescem e formam flocos, os quais são separados em um decantador secundário. Além de bactérias, os flocos contêm partículas inorgânicas e polímeros excretados pelos microrganismos. Estes polímeros aglomeram os vários constituintes do floco. Uma parcela significativa dos microrganismos retorna ao tanque de aeração, via recirculação dos sólidos sedimentados no decantador secundário ( Figura 2 ).
Doador de elétrons
Produtos finais da reação
Células ativas microbianas Resíduos celulares
Produção de energia
Síntese celular
Aceptor de elétrons
Crescimento Decaimento
fe
fs
Oxidação
c ) S = KS; a equação (2) fica igual a 2 2
max max
^
S
S
A constante de saturação ou meia-velocidade é igual à concentração de substrato para a qual a taxa de crescimento específico é igual à metade da taxa de crescimento específico máxima. A Figura 3 mostra a forma da curva representada pela Equação 2.
Taxa de Crescimento Específico
0,
0,
0,
0,
0,
1,
1,
1,
1,
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 475 500 Substrato (mg DBO/L)
max/
max
Figura 3 : Taxa de crescimento específico.
A substituição da Equação (2) em (1) resulta em:
K S
S X
dt
dX S
max V B
V
Taxa Líquida de formação de sólidos suspensos voláteis no reator
Uma parcela dos sólidos formados é consumida por respiração endógena ou morre devido a várias causas. Esta parcela é denominada de Decaimento Bacteriano ou Endógeno e é expressa pela Equação (4):
d V d
V (^) k X dt
dX (^)
XV = concentração de SSV presentes no reator, [mg/L] kd = coeficiente de decaimento bacteriano, [mg XV destruídos/mg XV presentes.dia]
A taxa líquida de formação de sólidos é dada pela subtração da taxa de decaimento bacteriano da taxa bruta de formação de sólidos ( Equações 5 e 6 )
V d V L
V (^) X k X dt
dX
d V S
max V L
V (^) k X K S
S X
dt
dX
Coeficiente de produção celular Y
O coeficiente de produção celular corresponde à razão entre a massa de sólidos produzidos no reator e a massa de substrato utilizado.
massasubstratoutilizado
Y massasólidosformada , [mg X V formado/mg DBO utilizado]
Pode-se expressar a taxa bruta de formação de sólidos no reator através do produto entre o coeficiente de produção celular e taxa de substrato utilizado (Equação 7)
dt
dS Y dt
dX B
V
dt
dS = taxa de utilização de substrato, [mg DBO/Ldia]
Da mesma forma, pode-se calcular a taxa líquida de formação de sólidos:
d V L
V (^) k X dt
dS Y dt
dX
Assim, há duas maneiras de expressar a taxa bruta e líquida de formação de sólidos.
Taxa de remoção de substrato
A partir da Equação (7) pode-se escrever a Equação (9)
B
V dt
dX Y
dt
dS
A remoção de substrato está associada ao crescimento bruto da biomassa. Substituindo as Equações (1) e (2) em (9),
dt Y XV
dS
K S
S X
dt Y
dS S
V
1 ^ max
Chamando k = max/Y = máxima taxa específica de remoção de substrato,
Tempo de residência celular - c
Corresponde ao tempo médio de residência das bactérias dentro do reator (tanque de reação). É dado pela razão entre a massa de organismos no reator e a massa de organismos removidos por dia.
e e exc R
c (^) Q X Q X
V X
Balanço de massa de SSV
A análise a seguir será feita considerando-se um reator biológico de mistura completa com recirculação. Massa de sólidos entrando, menos a massa saindo, mais a produção = acumulação
V dt
dX k X) dt
dS Q 0 X 0 (QexcXRQeXe)V(Y d v^ (17)
Sendo:
X 0 = concentração de SSV no afluente (efluente do tratamento primário); X = concentração de SSV no tanque de aeração (reator); Xe = concentração de SSV no efluente do tratamento secundário; XR = concentração de SSV no lodo do decantador secundário e na linha de reciclagem.
O termo referente à produção na Equação (17) é dado pelo produto entre o volume do reator e a taxa líquida de formação de sólidos (Equação 8). Se considerarmos condições permanentes ou estacionárias, o termo de acumulação na Equação (17) será igual a zero, uma vez que não haverá variação na concentração de XV no reator ao longo do tempo. Para evitar muitos subscritos, X passa a denotar concentração de SSV no tanque de aeração.
Pode-se também assumir que a concentração de sólidos no afluente ao tanque, X 0 , é desprezível em relação à concentração de sólidos no interior do tanque, X. A Equação (17) fica:
k X dt
dS Y V
Q X Q X
d exc R e e (18)
Substituindo-se a Equação (11) na Equação (18), tem-se:
k X K S
X S
Y
Y^1
V
Q X Q X
d S
exc R e e max
k X K S
X S
V
Q X Q X
d S
exc R e e max
Dividindo-se ambos os lados da Equação (19) por X,
d S
exc R e e max k K S
S
V X
Q X Q X
O lado esquerdo da Equação (20) é o inverso do tempo de detenção celular; no lado direito, substituindo max = Yk, a Equação (20) fica:
d c S
k K S
Y k S
Manipulação algébrica da Equação (21) permite calcular o valor da concentração do substrato (DBO) no efluente do reator como uma função do tempo de detenção celular e dos parâmetros cinéticos Y, k, KS e kd.
c d
S d c Y k k
S K k
15.4. CONCENTRAÇÃO DE SÓLIDOS SSV NO TANQUE DE AERAÇÃO
Dividindo-se a Equação (18) por X, tem-se:
d exc R e e k dt
dS X
Y
V X
Q X Q X
Em um intervalo de tempo t,
S S
t
S
dt
dS (^)
^0. O termo do lado esquerdo corresponde ao
inverso do tempo de residência celular. A Equação (23) fica:
d c
k
S S
X
Y
^
Manipulação algébrica da Equação (24) permite calcular o valor da concentração de sólidos suspensos voláteis no reator como função dos parâmetros cinéticos Y, kd, dos tempos de detenção hidráulica e celular, e das concentrações de DBO afluente e efluente do reator (Equação 25)
d c
c k
Y S S
X
A Tabela 1 apresenta as equações descritivas de S e X para sistemas com reciclo e sem reciclo. Fica ao aluno o exercício de demonstrar as equações para o sistema sem reciclo.
Tabela 1 : Comparação dos sistemas com reciclo e sem reciclo.
Sistema Sem Reciclo de Sólidos Sistema Com Reciclo de Sólidos
kd c
X Y S S
d c
c k
X Y S S
d
S d Y k k
K k S
c d
S d c Y k k
K k S
P (^) X Y(S 0 S)QkdXV (28)
Sendo:
PX = produção diária de SSV, [kg /dia] Q = vazão afluente, [m^3 /dia]
Na Equação 28, suprimiu-se o subscrito V. A primeira parcela da Equação (28) corresponde à produção bruta de SSV, e a segunda, a parcela decaída por respiração endógena. Substituindo-se o valor de X da Equação (25) na Equação (28), tem-se: V 1 k
Y S S
P Y (S S) Q k d C
C 0 X 0 d
Substituindo-se V/ = Q,
Q 1 k
Y S S
P Y (S S) Q k d C
0 X 0 d C
Colocando-se em evidência o termo Y S (^) o S Q,
d C
d C X (^01) k
k P Y (S S) Q 1 (30)
A manipulação algébrica da Equação (30) resulta em:
S S Q k
P Y
d c
X ^1 ( 0 )^ (31)
O termo kd c
Y
corresponde ao coeficiente de produção celular observado, Yobs.
d c
obs (^) k
Y Y
Sólidos voláteis representam 70% a 80% dos sst. Portanto, a produção total de lodo será Px dividido pela fração de SSV em relação aos SST.
X
X X, T f
P
P (33)
T
v x (^) X
X
f (34)
Sendo Xv e XT, respectivamente, concentração de SSV e SST.
15.6. VAZÃO DE LODO EXCEDENTE – Qexc
A vazão de lodo excedente (Qexc) pode ser calculada através de rearranjo da Equação (16).
e e exc R
c (^) Q X Q X
V X
R
e e exc c X
Q X
V X
Q
Em geral, pode-se assumir na Equação (35), que Qe Q ou Xe 0. Neste caso, a equação fica
c R
exc (^) X
V X
Q
15.7. VAZÃO DE RECIRCULAÇÃO - QR
Uma maneira de calcular a taxa de recirculação r é através de um balanço de massas de sólidos na região do tanque de aeração.
Figura 5 : Balanço de sólidos no reator. Q (^) 0 X 0 QR XR ( Q 0 QR ) X (37)
Considerando que X 0 é desprezível com relação a X e XR,
Q 0 (^) X QR X QR XR Q 0 X QR ( XR X )
X X
X
Q
Q
r R
R
15.8. REQUERIMENTO DE OXIGÊNIO
No tratamento biológico, uma parcela da matéria orgânica é utilizada para liberação de energia através de uma reação de oxidação-redução na qual gás oxigênio recebe elétrons cedidos pelo carbono da matéria orgânica. Outra parte da matéria orgânica é utilizada para síntese de novo material celular ( Figura 1 ). Substrato (DBO) + O 2 CO 2 + H 2 O + energia Substrato (DBO) + energia síntese de material celular (C 5 H 7 O 2 N) Necessita-se saber a quantidade diária de O 2 que deve ser fornecida ao sistema para o dimensionamento do sistema de aeração. Pode-se calcular a massa equivalente de DBO da quantidade de lodo produzido no sistema e a abatermos da quantidade total de DBO utilizada.
A quantidade de DBO equivalente a um mol de material celular é dada pela Equação (39)
C 5 H 7 O 2 N 5 O 2 5 CO 2 2 H 2 O NH 3 (39)
Q 0 X 0
QRXR
(Q 0 + QR) X
Vem do DS
CS = concentração de saturação de oxigênio dissolvido no líquido, em equilíbrio com a atmosfera, [mg/L]; C = concentração real de oxigênio dissolvido no líquido, [mg/L]
Pela Equação (43), observa-se que tanto mais distante o sistema estiver do equilíbrio, maior será a velocidade de transferência de oxigênio do ar para a água. A integração da Equação (43) resulta:
t t
t
L
C C
C C S
K a dt C C
t dC
0 (^ )^0
e kLa t C C
C C
S
S t
0
kLa t (C (^) S Ct) (CS C 0 ) e
A diferença no lado esquerdo da Equação (46) corresponde ao déficit de oxigênio no tempo t enquanto que a diferença no lado direito corresponde ao déficit inicial de oxigênio. A concentração de oxigênio no tempo t é dado pela Equação (47). kLa t Ct CS CS C e
O coeficiente kLa na Equação (46) pode ser calculado através de regressão não-linear. Alternativamente, a Equação (46) pode ser linearizada tomando-se o logaritmo natural de ambos os lados:
ln (Cs Ct)ln CsC 0 kLat (48)
A Equação 48 é uma reta com intersecção no eixo das ordenadas em ln (Cs – Ct) e declividade
kLa.
A solubilidade do oxigênio na água é baixa, sendo as necessidades de oxigênio no sistema de
lodos ativados muito maiores do que a quantidade de oxigênio que poderia ser transferido
através de uma interface “normal”, sem turbulência. Este problema é resolvido através do
aumento das interfaces de contato líquido-ar. Os dois principais métodos de se aumentar as
interfaces são (1) introdução de bolhas no líquido e (2) agitação do líquido com criação de
gotas que são expostas à atmosfera. Os sistemas de aeração utilizam estes dois princípios para
aumentar a taxa de transferência de oxigênio.
O coeficiente global de transferência de oxigênio é obtido através de teste padronizado. O
ensaio é realizado em água limpa, temperatura de 20C e concentração inicial de oxigênio
dissolvido de 0,0 mg/L. O ensaio consiste nas seguintes etapas:
1 o) O oxigênio dissolvido na água é inteiramente removido através da adição de sulfito de sódio (Na 2 S) à água; 2 o) A água é reoxigenada com o aerador até próximo da concentração de saturação; 3 o) A concentração de oxigênio dissolvido é monitorada ao longo do tempo.
As informações obtidas com o teste são as concentrações de oxigênio dissolvido para os tempos t. Com a Equação (48) prepara-se um gráfico com ordenadas ln (Cs – Ct) versus t. A declividade da reta corresponde ao coeficiente kLa.
15.9.2 Aeradores mecânicos Os aeradores mecânicos podem ser de superfície ou submersos. Os aeradores de superfície consistem de hélices submersas ou parcialmente submersas associadas a motores que acoplados sobre estruturas fixas ( Figura 6 ) ou flutuantes ( Figura 7 ). Aeradores superficiais são encontrados com potências na faixa de 0,75 a 100 kw (1 a 150 hp). A agitação das hélices forma gotículas de esgoto aumentando a transferência de oxigênio do ar para o líquido. A turbulência no líquido permite também a introdução de ar dentro da massa líquida.
Uma vez que se conheça a quantidade de oxigênio que deve ser fornecida no tanque de aeração, precisa-se conhecer a capacidade de transferência de oxigênio do aerador, expressa em termos de massa de O 2 transferida por unidade de tempo. Este dado é fornecido pelo fabricante do equipamento.
ln(Cs-Ct)
t
kL,a
A eficiência de aeradores de superfície geralmente é expressa em termos de unidade de potência, encontrando-se na faixa entre 1,20 a 2,40 kg O 2 /kwh (Metcalf & Eddy, 2003). Capacidade ou Eficiência de oxigenação (EO) é a razão entre a taxa de transferência de oxigênio (N) por unidade de potência do aerador.
P
N
EO (54)
Correções da equação de transferência de oxigênio para as condições de campo (reais de
operação)
Correção para temperatura
O coeficiente global de transferência de oxigênio padrão é medido à temperatura de 20C. A Equação (55) expressa a correção do coeficiente de transferência de oxigênio para temperaturas diferentes de 20C. T 20 K (^) L a(T) KLa( 20 ) (55)
Sendo um coeficiente que varia entre 1,015 a 1,040. Um valor típico de é 1,024 tanto para difusores como para aeradores mecânicos (Metcalf & Eddy, 2003).
Correção das características do esgoto, geometria do tanque e intensidade de mistura:
O coeficiente kLa é influenciado pelas características do esgoto, geometria do reator e intensidade de mistura. As condições no teste padrão são diferentes das condições reais de campo.
L água
L esg (k a )
(k a) (56)
Valores típicos de são 0,6 a 1,2 para aeradores mecânicos e 0,4 a 0,8 para ar difuso.
Correção da concentração de saturação:
O esgoto contém sais dissolvidos, sólidos em suspensão e agentes tensoativos que diminuem a solubilidade do oxigênio em relação à água limpa.
C (água)
C (esg) S
S (57)
Sendo: CS (esg)= concentração de saturação de oxigênio no esgoto a temperatura T; CS (água) = concentração de saturação de oxigênio na água limpa a temperatura T;
Os valores de variam entre 0,7 a 0,98, sendo o valor de 0,95 usualmente utilizado. Correção para a concentração de oxigênio dissolvido no tanque de aeração
A concentração de oxigênio dissolvido no tanque de aeração é mantida na faixa de 1, a 2,0 mg/L.
C (água)(T)
C (esg) C (esg) C (água)(T) C
C (esg)(T) C (esg) f S
S L S o
S L
Já que a Co inicial de oxigênio dissolvido no teste padrão é igual à zero, tem-se:
Correção para altitude: fH
1 H
C
f C ' s
H s^ ^ Cs^ fHC's (59)
sendo: Cs = concentração de saturação na altitude H a temperatura T; C’s = concentração de saturação no nível do mar a temperatura T
Equação que relaciona a transferência de oxigênio nas condições de campo com a transferência de oxigênio em condições padrões Sejam N e No, respectivamente, as taxa de transferência de oxigênio de um aerador mecânico em condições de campo e em condições padrões (água limpa; T = 20oC; p = 1,0 atm e concentração inicial de O 2 dissolvido na água igual a zero mg/L).
K a(esg)(T) [C (esg)(T) C (esg)] V
N
L S L (60)
K a(água)( 20 ) [C (água)( 20 ) C (água)] V
N
L S o o (^) (61)
Fazendo-se a razão entre as Equações (60) e (61), tem-se:
K a(água)( 20 ) [C (água)( 20 ) C (água)
K (a)(esg)(T) [C (esg)(T) C (esg)] N
N
L S o
L S L o
Fazendo-se as substituições das Equações (55) e (57) na Equação (62), e considerando que Co(água) é zero, tem-se:
K a(água)( 20 ) C (água)( 20 )
K (a)(esg)( 20 ) [ C (água)(T) C (esg)] N
N
L S
S L
(T 20 ) L o
(63)
Substituindo-se a Equação (56) na Equação (63),
C (água)( 20 )
[ C (água)(T) C (esg)] N
N
S
S L (T 20 )
o
(64)
Observar que, se o reator está instalado na altitude H, o valor de CS(água)(T) do numerador deverá ser corrigido de acordo com a Equação (59).
Fornecedores de aeradores usualmente fornecem a Capacidade ou Eficiência de Oxigenação para as condições padrões (Equação 65).
P
N
EO o (65)
A potência requerida para os sopradores de ar em sistema de ar difuso pode ser calculado pela Equação (61) (Metcalf & Eddy, 2003; Jordão e Pessôa, 2011).
p
p 8 , 41 E
M R T
P
0 , 283
e
ar 0 s (67)
sendo: P = potência do compressor, kW; Mar = massa de ar por unidade de tempo, kg/s R = constante geral dos gases, 8,314 kJ/kmolK T 0 = temperatura absoluta na entrada do compressor, K 8,41 = constante, kg/kmol E = eficiência do compressor, 0,70 a 0, Pe = pressão absoluta na entrada do compressor, atm ps = pressão absoluta na saída do compressor, atm
Figura 8: Tanque de aeracão com fluxo em pistão e difusores de ar (Fonte: Metcalf & Eddy, 2003).
A massa de ar por unidade de tempo, Mar na Equação (67), é calculada através da Equação (68). M (^) ar arQar (68)
sendo: ar = 1,20 kg/m^3 ; Qar = vazão de ar (m^3 /min) A pressão absoluta na saída do compressor, ps, deve ser suficiente para vencer a altura da coluna d´água no tanque de aeração e as perdas de carga nas tubulações, difusores e
compressor. Os princípios de cálculo são aqueles já estudados em Mecânica dos Fluidos. Segundo Jordão e Pessôa (2011), estas perdas podem variar entre 1,2 a 1,4 vezes a profundidade da água no tanque. Cabe lembrar que a pressão atmosférica corresponde a uma altura de nível d´água de 10,34 m.
Von Sperling (1997) sugere o uso da Equação (69) para cálculo da potência requerida por sopradores de ar.
Q g d H P g i (69)
sendo: P = potência do compressor [kw] Qg = vazão do gás (ar) [m^3 /s] = densidade do líquido [kg/m^3 ] g = aceleração da gravidade [m/s^2 ] di = profundidade de imersão dos difusores [m] H = perda de carga no sistema de distribuição de ar [m] = eficiência do motor e do soprador
As eficiências de transferência de oxigênio padrão dos difusores variam entre 10 – 30% (bolhas finas), 6 – 15% (bolhas médias) e 4 – 8% (bolhas grossas) (von Sperling, 1997). A vazão por difusor varia entre 5 a 25 m^3 /h (Jordão e Pessôa, 2011).
Exemplo: No exemplo anterior, calcular o número de difusores de bolhas finas requeridos para suprir a vazão de ar para o sistema de lodos ativados. Considere que a eficiência de transferência de oxigênio do difusor é 15% e a vazão de ar por difusor é 15 m^3 /h.
Vazão de ar a ser suprido
0 , 15 m ar
1 m ar 1000 L
1 m mol
22 , 4 L
kg
1000 g 32 gO
1 molO 0 , 21 m O
1 m ar dia
Q 1950 kgO 3
3 3
2
2 2 3
3 ar^2
Qar = 43.333 m^3 ar/dia 43350 m^3 ar/dia = 30 m^3 ar/min.
Valor semelhante seria obtido se usássemos o peso do oxigênio no ar e sua densidade.
0 , 15 m ar
1 m ar 1 , 3 kgar
1 m ar 0 , 232 kgO
1 kgar dia
kgO Q (^19503)
3 3
2
2 ar^ = 43.103 m
(^3) ar/dia
A vazão por difusor é de 15 m^3 /h; assim, o número de difusores deverá ser
120 difusores
60 min
15 m
min
m Número difusores (^303)
3
