Apostila Te%F3rica ST405

8/2/2019 Apostila Te%F3rica ST405

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ST 405-Química Sanitária e Laboratório de Saneamento II

Profª Maria Aparecida Carvalho de Medeiros

CARACTERIZAÇÃO DAS ÁGUAS RESIDUÁRIAS

1. Caracterização da quantidade de esgotos

1.1 PreliminaresOs esgotos oriundos de uma cidade e que contribuem à estação de tratamento de esgotos sãobasicamente originados de três fontes distintas:

- esgotos domésticos (incluindo residências, instituições e comércio)- águas de infiltração - despejos industriais (diversas origens e tipos de industrias).

No Brasil adota-se predominantemente o sistema separador de esgotamento sanitário, o quesepara as águas pluviais em linhas de drenagem independentes e que não contribuem à ETE. Emoutros paises, no entanto, adota-se o sistema combinado, no qual os esgotos e as águas pluviais sãoveiculados conjuntamente pelo mesmo sistema. Neste caso, o dimensionamento da ETE tem de levarem consideração a parcela correspondente às águas pluviais. No presente texto considera-se apenas ostrês componentes listados acima.

Para a caracterização, tanto quantitativa, dos esgotos afluentes à ETE, é necessária a análiseem separado de cada um destes três itens.

1.2 Vazão doméstica

1.2.1 PreliminaresO conceito de vazão doméstica engloba usualmente os esgotos oriundos dos domicílios, bem como deatividades comerciais e institucionais normalmente componentes de uma localidade. Valores maisexpressivos originados de fontes pontuais significativas devem ser computados em separado, eacrescentados aos valores globais.

Normalmente a vazão doméstica de esgotos é calculada com base na vazão de água darespectiva localidade. Tal, por sua vez, é usualmente calculada em função da população de projeto ede um valor atribuído para o consumo médio diário de água de um indivíduo, denominado Quota Per Capita (QPC).

Antes de se apresentar as fórmulas e os parâmetros de calculo, é importante observar que parao projeto de uma estação de tratamento de esgotos não basta considerar apenas a vazão média. Énecessária também a quantificação dos valores mínimos e máximos de vazão, por razões hidráulicas ede processo.

Figura 1.1 Sistema de esgotamento separador e combinado.

1.2.3 Vazão média de esgotos

De maneira geral, a produção de esgotos corresponde aproximadamente ao consumo de água.No entanto, a fração de esgotos que adentra a rede de coleta pode variar, devido ao fato de que parteda água consumida pode ser incorporada à rede pluvial (ex.: rego de jardins e parques). Outros fatoresde influência em um sistema separador absoluto são: a) a ocorrência de ligações clandestinas dosesgotos à rede pluvial, b) ligações indevidas dos esgotos à rede pluvial e c) infiltração.



A fração da água fomecida que adentra a rede de coleta na forma de esgoto é denominada coeficientede retorno (R: vazão de esgotos/vazão de água). Os valores típicos de R variam de 60% a 100%,sendo que um valor usualmente adotado tem sido o de 80% (R= 0,8).

O cálculo da vazão doméstica média de esgotos é dado por:

Q dméd = Pop. QPC. R (m3 /d)1000

ou

Q dméd = Pop. QPC. R (L/s)86400

onde:Q dmédia = vazão doméstica média de esgotos (m3/d ou l/s)QPC = quota per capita de águaR = coeficiente de retorno esgoto/água

1.2.4 Variação da vazão. Vazões máxima e mínima

O consumo de água e a geração de esgotos em uma localidade variam ao longo do dia(variações horárias),ao longo da semana (variações diárias) e ao longo do ano (variações sazonais).

A figura 1.3 apresenta um hidrograma típico da vazão afluente a uma ETE, ao longo do dia.Pode-se observar os dois picos principais: o pico do inicio da manhã (mais pronunciado) e o pico doinicio da noite (mais distribuído). A vazão média diária é aquela na qual as áreas acima e abaixo dovalor médio se igualam.



Figura 1.3 Hidrograma típico da vazão afluente a uma estação de tratamento de esgotos

Tem sido pratica correspondente a adoção dos seguintes coeficientes de variação da vazão média deágua (CETESB, 1978; Azevedo Neto e AlvarezO, 1977).

K1 = 1,2 (coeficiente do dia de maior consumo)K2 = 1,5 (coeficiente da hora de maior consumo)K3 = 0,5 (coeficiente da hora de menor consumo)Assim, as vazões máxima e mínima de água podem ser dadas pelas fórmulas:

Qdmáx= Qdméd. K1. K2= 1,8 Qdméd

Q dmín = Q dméd . K3 = 0,5 Q dméd

Caso haja condições de se efetuar medições de vazão, de forma a se compor o hidrogramacobrindo as variações sazonais, deve-se adotar os dados específicos obtidos para situação em estudo.Os coeficientes K1, K2 e K3 são generalizados, podendo não reproduzir com fidelidade a variação devazão na localidade em análise. Valores super ou subdimensionais afetam diretamente o desempenhotécnico e econômico da estação em processo.

SÓLIDOS NOS ESGOTOSFigura 2.1 Sólidos nos esgotos

Principais características das águas residuarias

Os quadros 2.1, 2.2 e 2.3 apresentam as principais caracteristicas físicas, químicas e biológicasdos esgotos domésticos.



Quadro 2.1 Principais características físicas dos esgotos domésticos Parâmetro Descrição

- ligeiramente superior à da água de abastecimento- Variação conforme as estações do ano (mais estável que atemperatura do ar

Temperatura - influência na atividade microbiana- influencia na solubilidade dos gases- influencia na viscosidade do líquido

Cor - esgoto fresco: ligeiramente cinza- esgoto séptico: cinza escuro ou preto

Odor - esgoto fresco: odor oleoso, relativamente desagradável.-esgoto séptico: odor fétido, devido ao gás sulfídrico ea outros produtos da decomposição.

-despejos industriais: odores característicos

Turbidez - causada por uma grande variedade de sólidos em suspensão- esgotos mais frescos ou mais concentrados: geralmente maiorturbidez





Em termos práticos, usualmente não há necessidade de se caracterizar a matéria orgânica emtermos de proteínas, gorduras, carboidratos etc. Ademais, há uma grande dificuldade na determinaçãolaboratorial dos diversos componentes da matéria orgânica nas águas residuárias, face àmultiplicidade de formas e compostos em que a mesma pode se apresentar. Neste sentido, podem seradotados métodos diretos ou indiretos para a determinação da matéria orgânica:. Métodos indiretos: medição do consumo de oxigênio

- Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO)- Demanda Última de Oxigênio (DBOu)- Demanda Química de Oxigênio (DQO). Métodos diretos: medição do carbono orgânico

- Carbono Orgânico Total (COT)

a) Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO)O principal efeito ecológico da poluição orgânica em um curso d'água é o decréscimo dos teores deoxigênio dissolvido. Da mesma forma, no tratamento de esgotos por processos aeróbios, éfundamental o adequado fornecimento de oxigênio para que os microrganismos possam realizar osprocessos metabólicos conduzindo à estabilização da matéria orgânica. Assim, surgiu a idéia de se

medir a "força" de poluição de um determinado despejo pelo consumo de oxigênio que ele traria, ouseja, uma quantificação indireta da potencialidade da geração de um impacto, e não a medição diretado impacto em si.Essa quantificação poderia ser obtida mesmo através de cálculos estequiométricos baseados nasreações de oxidação da matéria orgânica. Assim, no caso do substrato ser, por exemplo, a glicose(C6H1206), poder-se-ia calcular, na equação da respiração, a quantidade de oxigênio requerida paraoxidar a dada quantidade de glicose. Tal se constitui no princípio da Demanda Teórica de Oxigênio(Dte O).



Na prática, no entanto, um obstáculo se apresenta como de difícil transposição: o esgoto possui

uma grande heterogeneidade na sua composição, e tentar estabelecer todos os seus constituintes para,a partir das reações químicas de cada um deles, calcular a demanda resultante de oxigênio, étotalmente destituído de praticidade. Ademais, extrapolar os dados para outras condições não seriapossível.

A solução encontrada foi a de se medir em laboratório o consumo de oxigênio que um volumepadronizado de esgoto ou outro líquido exerce em um período de tempo pré-fixado. Foi, assim,introduzido o importante conceito da Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO). A DBO retrata a

quantidade de oxigênio requerida para estabilizar, através de processos bioquímicos, a matériaorgânica carbonâcea. É uma indicação indireta, portanto, do carbono orgânico biodegradável.

A estabilização completa demora, em termos práticos, vários dias (cerca de 20 dias ou mais paraesgotos domésticos). Tal corresponde à Demanda Última de Oxigênio (DBOu). Entretanto, para evitarque o teste de laboratório fosse sujeito a uma grande demora, e para permitir a comparação dediversos resultados, foram efetuadas algumas padronizações:- convencionou-se proceder à análise no 5° dia. Para esgotos domésticos típicos, esse consumo doquinto dia pode ser correlacionado com o consumo total final (DBOu);- determinou-se que o teste fosse efetuado à temperatura de 20°C, já que temperaturas diferentesinterferem no metabolismo bacteriano, alterando as relações entre a DBO de 5 dias e a DBO última.Tem-se, desta forma, a DBO padrão, expressa por DBO5

20 . Neste texto, sempre que se referir à DBO

simplesmente, está se implicitamente referindo à DBO padrão.Simplificadamente, o teste da DBO pode ser entendido da seguinte maneira: no dia da coleta,determina-se a concentração de oxigênio dissolvido (OD) da amostra. Cinco dias após, com a amostramantida em um frasco fechado e incubada a 20°C, determina-se a nova concentração, já reduzida,devido ao consumo de oxigênio durante o período. A diferença entre o teor de OD no dia zero e nodia 5 representa o oxigênio consumido para a oxidação da matéria orgânica, sendo, portanto, a DBO5.Assim, por exemplo, a amostra de um curso d'água apresentou os seguintes resultados (ver Figura2.3):

Há organismos adaptados funcionalmente para as diversas condições de respiração, distinguindo-

se os seguintes de fundamental importância no tratamento de esgotos:

• organismos aeróbios estritos: utilizam apenas o oxigênio livre na sua respiração• organismos facultativos: utilizam o oxigênio livre (preferencialmente) ou o nitrato como

aceptores de elétron• Organismos anaeróbios estritos: utilizam o sulfato ou o dióxido de carbono omo aceptores de

elétron, não podendo obter energia através da respiração aeróbia



Pelo fato de ser liberada mais energia através das reações aeróbias que através das reações

anaeróbias, os organismos aeróbios se reproduzem mais rapidamente e a estabilização aeróbia damatéria orgânica se processa a taxas mais rápidas que a anaeróbia. Sendo a taxa de reprodução maiornos organismos aeróbios, a geração de lodo é também maior.

As principais reações para a geração de energia que ocorrem em condições aeróbias, anóxicas eanaeróbias são:

• Condições aeróbias: (1.1)

C6H1206 + 6 O2 6CO2 + 6H2O

• Condições anóxicas: redução de nitratos (desnitrificação): (1.2)

2N03- -N+2H+ N2+2,502+H20

• Condições anaeróbias: redução dos sulfatos (dessulfatação): (1.3)

CH3COOH + S042- + 2H+

H2S + 2 H2O + 2 C02

• Condições anaeróbias: redução de CO2 (metanogênese hidrogenotrófica)(1.4)

4H2+CO2 CH4+2H20

• Condições anaeróbias: metanogênese acetotrófica (1.5)

CH3COO CH4 + CO2

A Figura 1.2. ilustra as principais rotas de decomposição da matéria orgânica na presença dosdiferentes aceptores de elétrons.



2- PROCESSOS DE CONVERSÃO DAS MATÉRIAS CARBONÁCEA ENITROGENADA

2.1. Conversão da matéria carbonácea

2.1.1. Conversão aeróbiaA equação geral da respiração aeróbia pode ser expressa como: (2.1)

C6 H12 06 + 6 02 6 CO2 + 6 H20 + EnergiaMatéria orgânica

Tal equação é geral e simplificada, sendo que na realidade ocorrem diversas etapas intermediárias.

A própria composição da matéria orgânica simplificada e neste caso a fórmula molecular da glicose éassumida como representativa da matéria orgânica carbonácea. Analisando-se a reação, podem serdestacados os seguintes aspectos, todos de importância no tratamento de esgotos (Branco, 1976):

• a estabilização da matéria Orgânica (coversão a produtos inertes, como gás carbônico e

água);

• a utilização de oxigênio;

• a produção de gás carbônico;

• a liberação de energia.



A Equação 2.1 pode ser expressa, de uma forma genérica, para um composto orgânico de fórmulamolecular CxHyOz, da seguinte forma, a qual permite calcular o consumo de oxigênio e a produção degás carbônico (van Haandel e Lettinga ,1994):

CxHyOz +1/4 (4x + y - 2z) 02 XC02 +y/2 H20 (2.2)

Como referido, as Equações 2.1 e 2.2 são genéricas, enfocando apenas a oxidação da matériaorgânica carbonácea. Outros elementos (como nitrogênio, fósforo, potássio etc) frequentementefazem parte da composição da matéria orgânica, a qual é mesmo assim passível de sofrer oxidaçõesbioquímicas.

Como já comentado, os principais agentes responsáveis pela estabilização aeróbia da matériacarbonácea contida nos esgotos são os organismos decompositores, representados em sua maioria porbactérias heterotróficas aeróbias e facultativas.

2.1.2. Conversão anaeróbia

A conversão da matéria carbonácea em condições anaeróbias processa-se da seguinte forma:

C6 H12 06 3 CH4 + 3 C02 + Energia (2.3)Matéria orgânica

Da mesma forma, tal equação é geral e simplificada, representando apenas o produto final deetapas intermediárias. Nela podem ser destacados os seguintes aspectos:

• a não exclusividade da oxidação. Se, por um lado, o carbono do CO2 se apresenta em seumais elevado estado de oxidação (+4), o oposto ocorre com o CH 4, onde o carbono se

encontra em seu estado mais reduzido (-4), podendo ser posteriormente oxidado (por

exemplo, por combustão - o metano é inflamável);

• a não utilização de oxigênio;

• a produção de metano e gás carbônico;

• a liberação de energia (inferior à da respiração aeróbia).

A matéria orgânica foi apenas convertida a uma forma mais oxidada (C02) e em outra forma maisreduzida (CH4). No entanto, a maior parte do CH4 é desprendida para a fase gasosa, resultando emuma efetiva remoção da matéria orgânica.

A Equação 2.3 pode ser expressa de uma forma genérica, para um composto orgânico CxHyOz como (van Haandel e Lettinga, 1994):

CxHyOz + 4X – Y – 2Z H2O 4X –Y + 2Z CO2 + 4X+ Y – 2Z CH4 (2.4)4 8 8

A conversão anaeróbia desenvolve-se em 2 etapas:



• Fase acidogênica: conversão da matéria orgânica a ácidos orgânicos, realizada por bactériasdenominadas acidogênicas. Nesta etapa não há remoção de matéria orgânica, mas apenasconversão da mesma.

• Fase metanogênica:convesão dos ácidos orgânicos a metano, gás carbônico e água, realizadapor bactérias denominadas metanogênicas. A matéria orgânica é novamente convertida, maspelo fato do CH4 ser tranferido para a atmosfera, tem-se a remoção da matéria orgânica.

Antes da etapa de acidogênese, os compostos orgânicos complexos (carboidratos, proteínas e lipídios)necessitam ser convertidos a compostos orgânicos simples, através do mecanismo de hidrólise.

A Figura 2.1 ilustra a sequência de etapas envolvidas na digestão anaeróbia da matéria orgânica.Maiores detalhes sobre os processos de estabilização anaeróbios encontram-se no volume

componente desta série, relativo aos sistemas anaeróbios.

2.2. Conversão da matéria nitrogenada

2.2.1. Oxidação da matéria nitrogenada

Outro importante processo de oxidação no tratamento dos esgotos é o referente as formasnitrogenadas. A amônia é transformada em nitritos e estes em nitrato, no fenômeno denominadonitrificação.

Os microrganismos envolvidos neste processo são autótrofos e quimiossintetizantes (ouquimioautótrofos), para os quais o gás carbônico é a principal fonte de carbono. e a energia é obtidaatravés da oxidação de um substrato inorgânico, como a amônia, a formas mineralizadas.

A transformação da amônia em nitritos é efetivada através de bactérias, como as do gênero Nitrosomonas, de acordo com a seguinte reação:

Nitrosomonas

2 NH4+ - N + 3 02 2NO2

- - N+ 4H+ + 2H2O (2.5)

A oxidação dos nitritos a nitratos dá-se principalmente pela atuação de bactérias, como as dogênero Nitrobacter, sendo expressa por:

Nitrobacter

2 NO2- - N + O2 2 NO3

- - N (2.6)

A reação global da nitrificação é a soma das equações 2.5 e 2.6:

NH4+ - N + 202 NO3

- - N +2H+ + H2O (2.7)

Nas reações 2.5 e 2.6 (bem como na reação global 2.7), deve-se notar os seguintes pontos:

• Consumo de oxigênio livre. Este consumo é geralmente referido como demanda nitrogenada.

• Liberação de H + , consumindo a alcalinidade do meio e possivelmente reduzindo o pH.





Continuação Tabela 2.7







AMOSTRAGEM DE DESPEJOS INDUSTRIAIS

Qualquer planejamento de tratamento de despejos industriais baseia-se em informações obtidaspor amostragem. Todas as decisões com relação ao projeto se apóiam nesta fase. Desta maneira oprograma de amostragem deverá ser realizado criteriosamente com os cuidados que cada caso requer.A obtenção de bons resultados dependerá de certos detalhes tais como:- que a amostra tomada seja verdadeiramente representativa do despejo:- que sejam utilizadas técnicas de amostragem adequadas:

- que se condicione as amostras até serem analisadas.Em processo "batch" a formação de amostra composta pode induzir a resultados errôneos, a menosque a amostragem seja feita com freqüência muito grande, possivelmente contínua, ou o fluxo seja"alisado" por técnica de equalização.

As amostras poderão se coletadas de maneira fortuita ou compacta, maual ou automaticamente.

AMOSTRAGEM FORTUITA

Estas amostras poderão ser coletadas manual ou automaticamente. A automação é necessáriaquando é feita urna coleta em intervalos regulares de tempo. A amostragem fortuita é utilizada nosseguintes casos:

- quando o despejo objeto da amostragem não flui continuamente como é o caso de descargas detanques: urna amostra ao acaso desta descarga é suficiente para se obter as características;- quando as características dos despejos são relativamente constantes:- quando é necessário determinar se uma amostra composta mascara condições extremas de um

despejo. É o que ocorre, por exemplo, com uma possível variação de pH. Uma amostra compostapode ter o pH neutro, enquanto que as parcelas que a constituíram podem apresentar uma larga faixade variação de pH. Um exemplo típico é o caso dos curtumes onde, pela manhã, o pH apresenta-sealto (em torno de 13) e à tarde cai para cerca de 4,5.

Amostras fortuitas são também necessárias no caso de se analisarem gases dissolvidos, clororesidual, sulfatos solúveis, temperatura e pH.



AMOSTRAGEM COMPOSTA

A fim de se minimizar o número de amostras a ser analisado, é usual misturarem-se diversasamostras individuais. A quantidade de amostras individuais que pode ser adicionada à mistura total,depende da vazão na hora em que a amostra foi tomada. Por exemplo, para cada quatro litros porminuto de vazão ao longo do tempo da amostragem, I ml é adicionado na amostra composta.

A quantidade total da amostra composta depende do número e tipo de análises a serem feitas. Aquantidade mínima situa-se em torno de 2 litros. A quantidade mínima de uma amostra individual

seria de 200 ml se a amostra fosse coletada em um intervalo de tempo de 1 hora. Quando aamostragem é contínua (em intervalo de cerca de 3 a 5 minutos) a quantidade mínima de amostradeverá ser em torno de 25 mL.

As amostras compostas podem ser formadas com base no fluxo ou no tempo.

FluxoA quantidade de amostras coletadas ou adicionadas à mistura durante período de amostragem é

proporcional à vazão dos despejos no tempo de amostragem.

TempoUm outro dispositivo para amostragem composta é a coleta de amostra com um volume fixado depois

que uma certa quantidade de despejo tenha passado pelo ponto de amostragem.

FREQÜÊNCIA DE AMOSTRAGEM

A freqüência de amostragem depende da vazão e das características dos despejos. Na amostragemfortuita é de uma/hora. Quando os resultados dos exames indicarem baixa variabilidade, a amostrafortuita pode ser tomada ao longo de intervalos de duas, quatro, oito, dezesseis ou mesmo24 horas. Para alta variabilidade de concentração de despejos é desejável a instalação de umamostrador automático.

O tempo para a formação de amostras compostas também depende da variação da vazão. Para altavariabilidade, as amostras individuais para composição seriam coletadas com uma frequência de 3

minutos até 1 hora. O tempo máximo para a composição de uma amostra composta é controlado pelacapacidade de armazenar a amostra individual convenientemente. porém não deverá ser superior a 24horas. Quando as análises são para a determinação de critérios de projeto para tratamento biológico,tais como DBO, DQO ou COT, a amostra composta deverá ser armazenada por um período de 8 a 12horas quando as características dos despejos são constantes, ou 2 a 4 horas em caso contrário.A Tabela 3.1 apresenta uma sugestão para os tempos máximos de armazenagem.

Tabela 3.1 - Tempos máximos de armazenagem

Parâmetros Alta Variabilidade Baixa Variabilidade

DBO 4 horas 12 horasDQO ou COT 2 horas 8 horasSS 8 horas 24 horasAlcalinidade ou Acidez 1 hora 8 horaspH con tínua 4 horasNitrogênio e Fósforo 24 horas 24 horasMetais pesados 4 horas 24 horas

PRECAUÇÕES NECESSÁRIAS NO MANUSEIO DAS AMOSTRAS



- A amostra deve ser coletada onde o fluxo de despejo seja bem misturado (no medidor Parshallou em qualquer ponto onde haja turbulência). Devem ser evitados locais situados a montante devertedores devido a sedimentação de sólidos.

- As amostras deverão ser tomadas no centro do canal onde a velocidade é mais alta e asedimentação de sólidos é mínima.

- No caso de análises de gases dissolvidos ou substâncias voláteis não deverá ser introduzido arpara provocar turbulência no despejo, prática normalmente adotada para evitar sedimentação.

- Cuidados especiais deverão ser tomados no caso de análises de líquidos não miscíveis como,

por exemplo, mistura de óleo e água. Em locais onde o óleo flutua, é simples obter uma amostra doóleo para análise, porém, é difícil determinar a quantidade de óleo flutuante por dia. Um métodocomumente utilizado para estimar o volume total, é conduzir o despejo a um "recipiente". Apósseparar os dois fluidos, é possível medir a espessura da camada de Óleo e assim medir o volumepresente.

- O volume de amostra obtido deverá ser suficiente para realizar todas as análises requeridas etambém para repetir qualquer análise duvidosa. A Tab. 3.2 discrimina o volume mínimonecessário para análises mais comuns. O valor mais baixo é para despejos concentrados. Ovolume mínimo de uma amostra tomada ao acaso deve ser l a 2 litros. Porções individuaispara uma amostra composta devem ser, no mínimo, de 25 a 100 ml. Dependendo dafrequência de amostragem e do volume de amostras individuais, a amostra composta total

estaria entre 2 a 4 litros.- As amostras devem ser armazenadas de maneira a assegurar que as características a seremanalisadas não sejam alteradas. Em alguns casos a refrigeração pode ser necessária. Quandoa armazenagem de uma amostra interfere com uma análise particular, é preferível tornaramostras separadas para as análises que podem necessitar de técnicas aprimoradas depreservação.

- Cada amostra deve ser rotulada com cartão de identificação, contendo as seguintesinformações:• Designação ou locação de coleta de amostra;• Data e tempo de coleta;• Indicação da amostra composta ou fortuita com tempo apropriado e informação de

volume;• Notação da informação que pode variar, antes que as análises de laboratório sejam

feitas, devendo incluir temperatura, pH e aspecto.

AMOSTRAGEM BACTERIOLÓGIC A

A amostragem bacteriológica deve ser obtida em garrafas de boca larga com uma capaciciade de,no mínimo, 300 ml e equipadas com rolha de vidro. As garrafas deverão ser esterilizadas. Um meiopara assegurar estas exigências seria o aquecimento em forno por duas horas a 170°C. As garrafasnão devem estar completamente cheias para que a mistura possa ser agitada antes das análises.

Durante a amostragem, a boca da garrafa deverá ser colocada na direção da corrente e a rolhadeve ser protegida de contaminação. As amostras devem ser armazenadas a 4°C, imediatamente apósa amostragem e, no transporte, as garrafas devem permanecer em caixas de gelo.

Preservaçâo das amostras

As amostras deverão ser analisadas tão logo seja possível após a coleta, dado que certos produtosquímicos sofrem modificações com o passar do tempo, tais como:

- cations metálicos podem precipitar-se como hidróxidos ou formar complexos;



- a valência dos íons pode mudar por oxidação ou redução;- cations metálicos podem ser adsorvidas na superfície do vidro, plástico ou recipiente de

quartzo.As características das amostras podem ser modificadas, também, pela atividade microbiológica;

- as células podem aumentar a DBO ou DQO;- a produtividade de células pode modificar a DBO e DQO;- o conteúdo de nitrogênio e fósforo orgânico pode ser alterado.

As amostras compostas precisam ser preservadas de tal modo que as características a serem medidas

não se alterem em quantidade e qualidade. Métodos especiais de coletas são algumas vezesnecessários para evitar estas alterações. Por exemplo, deve-se eliminar o ar dos recipientes quando seanalisam: 02, C02, NH3, H2S, cloro livre, pH, dureza, S02, NH4, Fe, acidez e alcalinidade. Na prática,isto significa que o ar não deve entrar nas garrafas e que as mesmas devem ser completamente cheias.O pH será sempre determinado imediatamente depois que a amostra tenha sido coletada e o conteúdode oxigênio deve ser determinado no local ou ser fixado com sulfato manganoso e iodeto de potássiocomo no método Winkler.

O procedimento usual para a armazenagem consiste em se colocar as amostras em umrefrigerador. A Tabela 3.3 apresenta informações para a armazenagem e a aplicação de refrigeração econgelamento para diversas características de despejos. Se a DQO não pode ser medida por váriosdias, é recomendado que o pH seja ajustado numa faixa entre 3 e 5. Preservativos que não

influenciem as análises devem ser adicionados imediatamente após a tomada de amostra.

Tabela 3.3 - Condições de refrigeração e congelamento de amostras

Condições de Armazenamento Análises

Refrigeração a 4°C Congelamento

Sólidos totais - -

Sólidos em suspensão Até diversos dias -

Sólidos em suspensãoVoláteis

Até diversos dias -

DQO Até diversos dias -

DBOAté diversos dias num sistemacomposto de amostragem

Adaptação.Deve-seUtilizar sementede esgotofresco

COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS DAS ANÁLISES

De posse dos resultados das análises dos efluentes, pode-se passar à interpretação global dosmesmos. É claro que já se deve saber de suas origens e o porquê de suas características.

Como sabemos, a matéria orgânica é medida, por tentativas, através dos seguintes testes:• sólidos voláteis (g de matéria volátil por litro de despejo);• demanda bioquímica de oxigênio (g de oxigênio dissolvido gastos na oxidação de 1 litro de

despejo);• demanda química de oxigênio ou o antigo OC (g de oxigênio gastos na oxidação de 1 litro de

despejo);



• estabilidade relativa:• demanda de cloro (g de cloro por litro de despejo).

Pela sua representatividade, pode-se considerar, a DBO e a DQO, como as chaves de interpretaçãoinicial e de direcionamento na escolha dos tipos possíveis de tratamento.

a) A DQO é pouco maior que a DBO ( DQO ÷ DBO < 2)*

No caso em que os valores da DBO e da DQO estejam próximos, tem-se uma alta possibilidade deque o despejo seja de características tais que permita o seu tratamento em unidades convencionais(fossas sépticas, filtros biológicos, lodos ativados convencionais, valos e células de aeração, lagoas,etc.). Parte-se, pois, da premissa, confirmada pela baixa relação, de que praticamente toda a matériaorgânica seja biodegradável e que sua remoção seja o objetivo do tratamento.(*) Se possível DBO20 , se não DBO5

Não existe maneira ideal de fixar um quociente único, fixo. O número 2 é simplesmente orientadorServiriam como confirmação da premissa da biodegradabilidades, a ocorrência de algumas dasseguintes situações:

- o despejo bruto, depois de deixado envelhecer, deverá ficar com o seu pH reduzido (parte-se da idéia de que o despejo já tenha microrganismos capazes de iniciar a degradação);

- o OD, se inicialmente existente, deverá diminuir, podendo até desaparecer;- para a situação em questão, o fato da matéria orgánica estar solúvel ou em suspensão, ésecundário para todos os tipos de tratamento biológico (com excessão da "estabilização porcontato" que é mais adequada para o caso da matéria orgânica estar em suspensão).

Para se saber se a matéria orgânica está em solução ou em suspensão poder-se-ia fazer o teste daDBO da amostra bruta e da amostra decantada (por exemplo 2 horas) ou verificar-se a matéria volátil(SV) está em sua maior parte, na forma de SS ou SO ou seja, a relação entre SSV e SDV.

b) A DQO é sensivelmente maior que a DBO ( DQO _ >> 2)DBO

A situação mostrada pela análise, indica a presença, nos despejos, de grande quantidade de matéria

orgânica não atacável biologicamente.Duas serão as alternativas:

1ª Alternativa

Se a matéria orgânica não atacável biologicamente não tiver maior importância sanitária(celulose, por exemplo) e houver interesse (quase sempre há) de remover a parte biodegradável, entãopode-se pensar em usar os tratamentos convencionais de esgotos sanitários.

O efluente do tratamento terá baixa DBO e a DQO será reduzida apenas parcialmente no quecorresponde a sua parte biodegradável. Parte da matéria orgânica não-biodegradável e que esteja emsuspensão, poderá ser também removida pela floculação que naturalmente ocorre nos tratamentosbiológicos. A matéria não-biodegradável em solução, praticamente não será atacada. O efluente do

tratamento poderá ter ainda uma alta DQO mas isso não preocupará pelo fato que essa matéria nãoputrescível não causará dano ao rio.

2ª AlternativaSe a matéria orgânica não biodegradável de um despejo for um dos óbices, a sua disposição, poucacoisa poderá ser feita com tratamentos biológicos. Ter-se-á que partir para tratamentos físicos ouquímicos específicos e não obrigatoriamente utilizados nas estações de tratamento convencionais deesgotos sanitários.



Obs:

1) Os números 2 e 0,8 são meramente orientativos.

2) A escolha entre filtros biólogicos e lodos ativados (e seus processos modificados) para despejos que podem

receber substâncias tóxicas ou com variação muito rápida de características, deve levar em consideração a

maior “estabilidade” de resultados dos filtros biológicos. Estes são mais “inertes” a choques, por duas razões

principais:a sua massa de lodo(e, portanto, quantidade de microrganismos) é maior que os processos de lodos

ativados, absorvendo melhor as sobrecargas ou efeitos danosos; a exposição do lodo ou líquido em tratamento

nos filtros biológicos é gradual (superficial), permitindo a regeneração da película atacada pela ação de tóxicos

(desde que a ação tóxica seja rápida). Nos lodos ativados a exposição do lodo é total.







Princípios de sedimentação

1. INTRODUÇÃO

A sedimentação é uma operação física de separação de partículas sólidas com densidade superior àdo líquido circundante. Em um tanque em que a velocidade de fluxo da água é bem baixa, aspartículas tendem a ir para o fundo sob a influência da gravidade. O líquido sobrenadante torna-se em

consequência clarificado, enquanto as partículas no fundo formam uma camada de lodo, e sãoremovidas conjuntamente com ele. A sedimentação é uma operação unitária de grande importânciaem diversos sistemas de tratamento de esgotos.

São as seguintes as principais aplicações da sedimentação no tratamento de esgotos:

. Tratamento preliminar. Remoção da areia (sedimentação de partículas inorgânicas de maioresdimensões)

- Caixa de areia

. Tratamento primário. Decantação primária (sedimentação dos sólidos em suspensão do esgotobruto)

- Tanques convencionais, com remoção frequente do lodo

- Fossas sépticas

. Tratamento secundário. Decantação final (remoção dos sólidos biológicos)

- Decantadores secundários nos sistemas de lodos ativados- Decantadores finais nos sistemas de filtros biológicos- Decantadores finais nos sistemas de reatores anaeróbios de manta de lodo- Lagoas de sedimentação, após lagoas aeradas de mistura completa

. Tratamento do lodo. Adensamento (sedimentação e adensamento do lodo primário e/ou do lodobiológico excedente)- Adensadores por gravidade

. Tratamento físico-químico. Sedimentação após precipitação química

- Polimento de efluentes do tratamento secundário- Remoção química de nutrientes- Tratamento físico-químico (coagulação química) de despejos domésticos e, principalmente,

industriais

Além destes, a sedimentação ocorre em diversas outras unidades de tratamento de esgotos, como

lagoas de estabilização, mesmo que estas não tenham sido especificamente projetadas para tal.Na maior parte das aplicações, o principal objetivo é o de se produzir um efluente clarificado, ouseja, com baixas concentrações de sólidos em suspensão. No entanto, é também frequente a situaçãoem que se deseja obter, concomitantemente, um lodo adensado, para facilitar o seu posteriortratamento.

As Figuras 1.1 e 1.2 apresentam os esquemas de dois tipos de decantadores, um retangular, defluxo horizontal, e outro, circular, de alimentação central. Detalhes acerca do dimensionamento destes



decantadores são apresentados em diversos volumes da série. No presente capítulo são apresentadosapenas os princípios básicos da sedimentação.

2. TIPOS DE SEDIMENTAÇÃO



No tratamento de esgotos, tem-se basicamente os quatro tipos distintos de sedimentação descritos

no Quadro 2.1. É provável que durante uma operação de sedimentação mais de um tipo ocorra em umdado tempo, sendo mesmo possível que os quatro ocorram simultaneamente.

3. SEDIMENTAÇÃO DISCRETA

3.1. Velocidade de sedimentação

A sedimentação das partículas discretas pode ser analisada através das leis clássicas de Newton eStokes. Segundo estas leis, a velocidade final de uma partícula em sedimentação em um líquido éconstante, ou seja, a força de atrito se iguala à força gravitacionaI. Esta velocidade terminal é atingidano meio líquido em frações de segundos. A Figura 3.1 mostra as forças intervenientes na partícula emsedimentação, ao passo que a Figura 3.2 ressalta o fato de que a velocidade de sedimentação das



partículas discretas é constante.

Segundo a lei de Stokes, a velocidade de sedimentação discreta de uma partícula (v s) em fluxolaminar é dada por:

onde:Vs = velocidade de sedimentação da partícula (m/s)

g = aceleração da gravidade (m/s2)

υ = viscosidade cinemática da água (m2 /s)ρs = densidade da partícula (kg/m3)ρ1 = densidade do líquido (kg/m3)

d = diâmetro da partícula (m)

A viscosidade cinemática υ e a densidade da água ρ1 são função da temperatura T. No entanto, avariação da densidade da água, dentro da faixa usual de temperaturas, pode ser considerada, emtermos práticos, desprezível, podendo-se adotar o valor de 1000 kg/m3. A influência da viscosidadeda água é mais representativa, e pode ser vista no Quadro 3.1 (Tchobanoglous e Schroeder, 1985;Huisman, 1978).



Na interpretação da Equação 3.1, são importantes as seguintes considerações:

• Vs é proporcional a (ρs - ρl) / ρ l• Vs é proporcional a d

2

O fato de Vs ser proporcional ao quadrado do diâmetro da partícula ressalta a importância de seaumentar o tamanho das partículas objetivando uma remoção mais rápida das mesmas. Como umexemplo, quando o diâmetro da partícula dobra, a velocidade de sedimentação aumenta quatro vezes.

Exemplo 3.1

Calcular a velocidade de sedimentação de um grão de areia, tendo-se os seguintes dados:

• diâmetro do grão: d = 0,7 mm

• densidade da areia: ρ s = 2650 kg/m3

• densidade do líquido: ρ l = 1000 kg/m3

• temperatura do líquido: T = 25°C

Solução:

Pelo Quadro 3.1, para a temperatura de 25°C, a viscosidade cinemática da água υ é O,90x10-6

m2 /s.

O diâmetro da partícula é O,7x1O-3

m. Pela Equação 3.1, tem-se:

3.2. Conceito do tanque de sedimentação de fluxo horizontal ideal

A sedimentação discreta de uma partícula pode ser analisada, tanto através de uma coluna desedimentação sem fluxo, quanto através de um tanque de fluxo horizontal com velocidade deescoamento horizontal (Vh) constante. A Figura 3.3 mostra as zonas representativas deste tanqueideal. As considerações teóricas são relativas à zona onde a sedimentação efetivamente ocorre (zona

de sedimentação).



Para a análise teórica da sedimentação é necessário assumir que:

• na zona de entrada as partículas estão uniformemente distribuídas• as partículas que tocam a zona de lodo são consideradas removidas• as partículas que atingem a zona de saída não são removidas por sedimentação

As principais dimensões da zona de sedimentação encontram-se apresentadas na Figura 3.4.

H L

Fig. 3.4. Dimensões da zona de sedimentação

No tanque de sedimentação ideal com velocidade horizontal constante, a sedimentação discreta deuma partícula ocorre de forma idêntica à que ocorreria numa coluna de sedimentação (ver Figura 3.5).



O tempo gasto para a partícula atingir o fundo é dado por:

• coluna de sedimentação: tempo = distância/velocidade

t= H (3.2)vs

• tanque de fluxo horizontal: tempo = volume/vazão

t= V/Q = H.A/Q (3.3)

Combinando-se as Equações 3.2 e 3.3, tem-se que:

Vs= Q/A (3.4)

Esta equação é de grande importância em termos do dimensionamento dos tanques desedimentação. Caso se deseje remover partículas com velocidades de sedimentação iguais ouinferiores a vs, e conhecendo-se a vazão de água a ser tratada Q, obtém-se a área superficialnecessária através da relação:

A = Q/Vs (3.5)

A velocidade de sedimentação a ser adotada para o projeto (vs, ou vo) é também denominada taxa

de aplicação superficial, expressa em unidades de velocidade (m/h), ou de vazão por unidade de área(m3 /m2.h)

Na interpretação da Equação 3.4, deve-se notar que:• V s pode ser obtida através de experimentos com o líquido a ser tratado ou com valores de

literatura (em um dimensionamento, V s é um parâmetro de projeto)

• a remoção de partículas discretas depende apenas da área superficial (A) e não da altura

(H) e do tempo (t).

Princípios de aeração

1. INTRODUÇÃO

A aeração é uma operação unitária de fundamental importância em um grande número deprocessos aeróbios de tratamento de esgotos. Desde que o líquido esteja deficiente de um gás(oxigênio, no caso em questão), há uma tendência natural do gás passar da fase gasosa, onde seencontra em quantidade satisfatória, para a fase líquida, onde está deficiente. O oxigênio é um gás que

se dissolve mal no meio líquido. Por esta razão, há em vários sistemas a necessidade de se acelerar oprocesso natural, de forma a que o fornecimento de oxigênio possa se dar em uma taxa mais elevada,equivalente à taxa do seu consumo, pelas bactérias. Entre os processos de tratamento de esgotos autilizarem a aeração artificial encontram-se as lagoas aeradas, os lodos ativados e suas variantes, osbiofiltros aerados e alguns outros processos mais específicos. Dentre os processos de tratamento dolodo, a digestão aeróbia utiliza também a aeração artificial.

Há duas formas principais de se produzir a aeração artificial:



• introduzir ar ou oxigênio no líquido (aeração por ar difuso)• causar um grande turbilhonamento, expondo o líquido, na forma de gotículas, ao ar, e

ocasionando a entrada do ar atmosférico no meio líquido (aeracão superficial ou mecânica)

Dentre estas duas modalidades, há diversas variantes, descritas nos itens 7 e 8. A Figura 1.1apresenta esquematicamente os princípios da aeração por ar difuso e aeração mecânica.

2. FUNDAMENTOS DA TRANSFERÊNCIA DE GASES

2.1. Concentração de saturação de um gás

Quando um líquido é exposto a um gás, ocorre um contínuo intercâmbio de moléculas da fase líquidapara a fase gasosa e vice-versa.Tão logo a concentração de solubilidade na fase líquida seja atingida,ambos os fluxos passam a ser de igual magnitude, de modo a que não ocorra uma mudança global das

concentrações do gás em ambas as fases (Figura 201). Este equilíbrio dinâmico está associado àconcentração de saturação do gás na fase líquida.

Nas condições de equilíbrio, as velocidades de absorção (Vg) e de liberação (V1) do gás são iguais,ou seja:

Vg = V1



As concentrações de saturação nas duas fases são proporcionais a estas velocidades:

kg.Cg = k1.Cs (2.2)

onde:kg e k1= constantes de proporcionalidadeCg = concentração do gás na fase gasosa (mg/l)Cs = concentração do gás na fase líquida (mg/l)

Assim,Cs = Kg /K1. Cs (2.3)

Fazendo kg /k1 = kD, tem-se:C s = k D .C g (2.4)

Portanto, a concentração de saturação é diretamente proporcional à concentração na fase gasosa. Ocoeficiente kD é denominado coeficiente de distribuição, e depende da natureza do gás e do líquido, eda temperatura.Para a difusão do oxigênio na água, kD assume os seguintes valores (Popel, 1979):

Observa-se, portanto, que quanto maior a temperatura, menor a solubilidade do gás no meio

líquido. A maior agitação das moléculas na água faz com que os gases tendam a passar para a fasegasosa.A concentração Cg pode ser obtida através da lei universal dos gases:

pV=nRT (2.5)

onde:p = pressão parcial do gás na fase gasosa (Pa)V = volume ocupado na fase gasosa (m3)n = número de moles do gás no volume V (mol/m3)R = constante universal (8,3143 J/Kmol)

T = temperatura (°K)

Desenvolvendo-se a Equação 2.5 e introduzindo-a na Equação 2.4 e, concomitantemente,corrigindo-se a pressão para aquela do vapor da água, obtém-se a equação que estabelece aconcentração de saturação de um gás na água, em função da temperatura e da pressão:

Cs=kD. dv. (Pa-Pv). PM/RT (2.6)onde:



dv = distribuição volumétrica do oxigênio no ar atmosférico (0,21 ou 21 % do ar é representado poroxigênio)PM= peso molecular do oxigênio (32 g/mol)Pa = pressão atmosférica (101.325 Pa nas CNTP)Pv = pressão de vapor da água (ver Quadro 2.2)

Exemplo 2.1Calcular a concentração de saturação de oxigênio na água pura nas seguintes condições:

. temperatura = 20°C . pressão atmosférica ao nível do mar

Solução:

Com base nas notações anteriores, tem-se:

k D = 0,337

dv = 0,21

Pa = 101.325 Pa

Pv = 2.330 PaPM = 32 g/mol

R = 8,3143 J/KmolT= 293 °K (= 20°C)

Utilizando-se a Equação 2.6, obtém-se:

Cs=kD. dv. (Pa-Pv). PM/RT =

0,0337 X 0,21 X (101.325 - 2.330) . 32 / 8,3143 X 293 = 9,2 mg/L

De forma a evitar a necessidade desta sequência trabalhosa de cálculos, existem algumas fórmulas

empíricas (a maioria baseada em análises da regressão) que fornecem diretamente o valor de Cs(mg/L) em função de, por exemplo, a temperatura T (°C). Uma fórmula frequentemente empregada é:

Cs = 14,652 - 4,1O22x1O-1 .T + 7,991Ox1O-3 .T2 - 7,7774x1O-5 .T 3 (2.7)

A altitude exerce uma influência na solubilidade de um gás, por ser inversamente proporcional àpressão atmosférica. Quanto maior a altitude, menor a pressão atmosférica, e menor a pressão para



que o gás se dissolva na água. Esta influência pode ser computada pela seguinte relação (Qasim,1985):

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