Apostila - Tratamento de Esgotos

TRATAMENTO DE ESGOTOS SANITÁRIOS

Roque Passos Piveli

1. Características dos Esgotos, Necessidades de Tratamento e Concepção das

Estações

1.1. Características dos Esgotos

Os esgotos sanitários variam no espaço, em função de diversas variáveis desde o clima até hábitos culturais. Por outro lado, variam também ao longo do tempo, o que torna complexa sua caracterização. Metcalf & Eddy (1991) classificam os esgotos em forte, médio e fraco, conforme as características apresentadas na Tabela 1:

Tabela 1: Características físico-químicas dos esgotos. Fonte: Metcalf & Eddy (1991)

Característica Forte Médio FracoDBO5,20 (mg/L) 400 220 110DQO (mg/L) 1.000 500 250Carbono Org. Total (mg/L) 290 160 80Nitrogênio total – NTK (mg/L) 85 40 20Nitrogênio Orgânico (mg/L) 35 15 08Nitrogênio Amoniacal (mg/L) 50 25 12Fósforo Total (mg/L) 15 08 04Fósforo Orgânico (mg/L) 05 03 01Fósforo Inorgânico (mg/L) 10 05 03Cloreto (mg/L) 100 50 30Sulfato (mg/L) 50 30 20Óleos e Graxas (mg/L) 150 100 50

No Brasil, mesmo que não se tenha informação segura com base local, costuma-se adotar contribuições “per capita” de 54 e 100 g/habitante.dia para a DBO de cinco dias e para a DQO, respectivamente.Em termos de vazão, pode-se afirmar que os esgotos estão sujeitos às mesmas variações relativas ao consumo de água, variando de região para região, dependendo principalmente do poder aquisitivo da população. Apenas a título de referência, pode-se considerar a contribuição típica de 160 L/habitante.dia, referente ao consumo “per capita” de água de 200 L/habitante.dia e um coeficiente de retorno água/esgoto igual a 0,8. Para a determinação das vazões máximas de esgotos, costuma-se introduzir os coeficientes k1 = 1,2 (relativo ao dia de maior produção) e k2 = 1,5 (relativo à hora de maior produção de esgotos). Consequentemente, a vazão de esgotos do dia e hora de maior produção é 1,8 vezes, ou praticamente o dobro da vazão média diária.Deve ser lembrado que as características dos esgotos são afetadas também pela infiltração de água subterrânea na rede coletora e pela possível presença de contribuições específicas, como indústrias com efluentes líquidos ligados à rede pública de coleta de esgotos.Os esgotos sanitários possuem excesso de nitrogênio e fósforo. Isto faz com que, ao ser submetido a tratamento biológico, haverá incorporação desses macronutrientes nas células que tomam parte do sistema, mas o excesso deverá ser ainda grande. Esta é uma importante preocupação em termos de tratamento de esgotos, exigindo tratamento

avançado quando se tem lançamento em situações mais restritivas, sobretudo em represas utilizadas para o abastecimento público de água potável, onde o problema da eutrofização poderá ter consequências drásticas.Na Tabela 2 são apresentados concentrações típicas das diversas frações de sólidos em esgotos:

Tabela 2: Concentrações de sólidos em esgotos. Fonte: Metcalf & Eddy (1991)

característica Forte Médio FracoSólidos Totais (mg/L) 1.200 720 350Sólidos Dissolvidos (mg/L) 850 500 250Sólidos Dissolvidos Fixos (mg/L) 850 500 250Sólidos Dissolvidos Voláteis (mg/L) 525 300 145Sólidos em Suspensão Totais (mg/L) 350 220 100Sólidos em Suspensão Fixos (mg/L) 75 55 20Sólidos em Suspensão Voláteis (mg/L) 275 165 80Sólidos Sedimentáveis (mL/L) 20 10 05

Na Tabela 3 são apresentadas algumas características biológicas dos esgotos, importantes para referenciar as necessidades de desinfecção. Embora a legislação seja restrita aos índices de coliformes, aplicações dos esgotos como, por exemplo, na agricultura, podem exigir o controle de outros indicadores.

Tabela 3: Concentrações de organismos em esgotos. Fonte: Metcalf & Eddy (1991)

Característica Valor MédioBactérias Totais (/100 mL) 109 - 1010

Coliformes Totais (NMP/100 mL) 107 - 108

Coliformes Fecais (NMP/100 mL) 106 - 107

Estreptococus Fecais (NMP/100 mL) 105 - 106

Salmonella Typhosa (/100 mL) 101 - 104

Cistos de Protozoários (/100 mL) 102 - 105

Vírus (/100 mL) 103 - 104

Ovos de Helmintos (/100 mL) 101 - 103

1.2. Aspectos Legais

Tanto a legislação do Estado de São Paulo, o Decreto 8468 que regulamenta a lei 997 de 1976 como a legislação federal, a resolução 20 do CONAMA (Conselho Nacional de Meio Ambiente), passam por processo de revisão. Apresentam-se, em seguida, alguns padrões de emissão de esgotos em águas naturais de ambas as legislações:

Padrões de emissão de esgotos – Decreto 8468

pH: entre 5 e 9 Temperatura: inferior a 40oC Sólidos Sedimentáveis: inferior a 1,0 mL/L DBO5,20: inferior a 60 mg/L ou 80% de redução

Padrões de emissão de esgotos – Resoluçã0 20 do CONAMA

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pH: entre 5 e 9 Temperatura: inferior a 40oC Sólidos Sedimentáveis: inferior a 1,0 mL/L Amônia: inferior a 5,0 mg/L

Pode ser observado que o padrão de emissão de 5,0 mg/L para amônia não pode ser atendido mediante a grande maioria dos processos de tratamento biológicos, exceto os aeróbios com aeração prolongada (idade do lodo elevada).Apresentam-se a seguir, a título de ilustração, alguns padrões de qualidade estabelecidos nas legislações para uma água natural classe 2, que pode ser utilizada para abastecimento público, após tratamento:

Padrões de qualidade – Decreto 8468

Oxigênio Dissolvido: não inferior a 5,0 mg/L DBO5,20: inferior a 5,0 mg/L Coliformes Totais: não superior a 5.000 / 100 mL Coliformes Fecais: não superior a 1.000 / 100 mL

Padrões de qualidade – Resolução 20 do CONAMA

pH: entre 6 e 9 Oxigênio Dissolvido: não inferior a 5,0 mg/L DBO5,20: inferior a 5,0 mg/L Coliformes Totais: não superior a 5.000 / 100 mL Coliformes Fecais: não superior a 1.000 / 100 mL Amônia não ionizável: inferior a 0,02 mg/L Fosfato Total: inferior a 0,025 mgP/L

Uma dificuldade frequente no atendimento à legislação federal, refere-se ao padrão para fósforo, bastante restritivo independentemente da velocidade da água do corpo receptor. Sabe-se que o problema de crescimento excessivo de algas decorrentes da eutrofização só ocorre de forma expressiva em águas de baixas velocidades como em represas.Pode ser observado também que dificilmente se terá uma condição de diluição dos esgotos tratados no corpo receptor que dispense a desinfecção final dos esgotos antes do lançamento.

1.3. Concepção das Estações de Tratamento de Esgotos

O tratamento de esgotos é desenvolvido, essencialmente, por processos biológicos, associdos à operações físicas de concentração e separação de sólidos. Processos físico-químicos, como os a base de coagulação e floculação, normalmente não são empregados por resultarem em maiores custos operacionais e menor eficiência na remoção de matéria orgânica biodegradável. Porém, em algumas situações, notadamente quando se tem condições bastante restritivas para as descargas de fósforo, o tratamento físico-químico pode ser aplicado isoladamente ou, principalmente, associado aos processos biológicos.O tratamento biológico pode ser subdividido em dois grandes grupos, processos aeróbios e anaeróbios. Observou-se uma tendência historica em se comparar tais modalidades, enfatizando-se vantagens e desvantagens de cada grupo, hoje é consenso o interesse em associá-los, obtendo-se com isso importantes vantagens técnicas e econômicas.

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Os processos biológicos podem ser classificados também em função do tipo de reator, que pode ser de crescimento em suspensão na massa líquida ou de biomassa aderida. Nos reatores de crescimento em suspensão, não há suporte inerte para a aderência dos microrganismos, que crescem geralmente floculados e em suspensão na massa líquida. No caso dos reatores aeróbios, o próprio sistema de aeração acumula essa função complementar de manter os sólidos biológicos em suspensão. Nos reatores de biomassa aderida, há introdução de material de enchimento como areia, pedras ou plástico, dentre outros, que podem se manter fixos ou móveis no reator, garantindo a aderência da biomassa que cresce sob a forma de biofilme aderido ao meio inerte.

Os processos biológicos podem ser classificados ainda em função da retenção ou não de biomassa, entendendo-se por biomassa os microrganismos responsáveis pela degradação de matéria orgânica dos esgotos. Nos processos em que não se pratica retenção de biomassa, o tempo de detenção hidráulica, que é o tempo de passagem do esgoto pelo sistema, é equivalente ao tempo médio de residência celular, também conhecido por idade do lodo, que representa o tempo de permanência dos microrganismos no sistema. Assim, se é desejado que os microrganismos permaneçam durante determinado período no reator, os esgotos deverão ser retidos pelo mesmo período, o que torna as dimensões do sistema relativamente elevadas. É o caso, por exemplo, das lagoas aeradas mecanicamente de mistura completa. Nos sistemas com retenção de biomassa, este mecanismo deverá ser produzido de alguma forma. Quando se empregam reatores de crescimento em suspensão na massa líquida, como são os tanques de aeração dos processos de lodos ativados, a retenção de biomassa é feita recirculando-se o lodo sedimentado nos decantadores posicionados à jusante do reator biológico. Já nos reatores de biomassa aderida, sejam de leito fixo ou móvel, a retenção de biomassa é garantida pela própria aderência dos microrganismos ao meio suporte formando os biofilmes. Os reatores com retenção de biomassa compõem os chamados sistemas de tratamento compactos que, por permitirem maior concentração de microrganismos ativos, possuem maior capacidade de recebimento de carga de esgotos quando se compara com mesmo volume de reator onde não se procede a retenção do lodo.O processo de lodos ativados convencional é composto das seguintes etapas:

Tratamento preliminar: gradeamento e desarenação Decantadores primários Tanques de aeração Decantadores secundários Adensadores de lodo Digestores de lodo Sistema de desidratação de lodo

Os decantadores primários providenciam uma redução da carga orgânica afluente ao tratamento biológico. O lodo separado nos decantadores secundários retornam para os tanque de aeração, mas há a necessidade de descarte do lodo excedente para o controle do processo biológico. Ambos os lodos, produzidos nos decantadores primários e secundários, podem ser encaminhados para uma digestão biológica conjunta.Na variante do processo de lodos ativados conhecida por aeração prolongada, não se empregam decantadores primários e o tratamento biológico é dimensionado de forma a produzir um excesso de lodo mais mineralizado, de forma a se dispensar a necessidade de qualquer tipo de digestão complementar de lodo. Dispensando os decantadores primários e digestores de lodo, as principais etapas do sistema de lodos ativados com aeração prolongada são:

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Tratamento preliminar: gradeamento e desarenação Tanques de aeração Decantadores secundários Adensadores de lodo Sistema de desidratação de lodo

Em situações onde ocorrem grandes flutuações de população e, consequentemente, de carga orgânica, a variante com aeração prolongada pode operar sob o regime de bateladas sequenciais. Não se empregam também os decantadores secundários, sendo a função de separar o lodo do efluente final também atribuída aos tanques de aeração. Estes, são alimentados na forma de rodízio e a operação de sedimentação poderá ocorrer em tanques que não estejam sendo alimentados por esgotos em períodos pré-estabelecidos de forma sincronizada. Assim, um sistema de lodos ativados com aeração prolonga operando em batelas, fica reduzido a:

Tratamento preliminar: gradeamento e desarenação Tanques de aeração e decantação Adensadores de lodo Sistema de desidratação de lodo

Note-se que não estão sendo incluídas as unidades correspondentes às outras necessidades de tratamento, como a desinfecção final ou a remoção de nutrientes por processos físico-químicos, dentre outras.Um sistema de lagoas aeradas mecanicamente pode ser entendido como um processo de lodos ativados sem recirculação de lodo. As principais unidades que o compõem, são:

Tratamento preliminar: gradeamento e desarenação Lagoas aeradas mecanicamente Lagoas de decantação

Não foram incluídas aqui as necessidades de remoção e tratamento do lodo separado das lagoas de decantação.As lagoas aeradas mecanicamente foram concebidas para resolver problemas de sobrecargas em sistemas de lagoas de estabilização. Nestes as unidades centrais são as lagoas facultativas, desprovidas de aeradores mecânicos, sendo a aeração obtida da ventilação superficial e da fotossíntese de algas. São chamadas de facultativas por que ocorre sedimentação de particulas no fundo que entram em decomposição anaeróbia. As lagoas facultativas podem ou não ser precedidas de lagoas anaeróbias, que provocam um alívio de carga, e sucedidas de lagoas de maturação, cujo principal objetivo é aumentar o grau de desinfecção dos esgotos. O chamado sistema australiano de lagoas de estabilização é composto de: Tratamento preliminar: gradeamento e desarenação Lagoas anaeróbias Lagoas facultativas fotossintéticas Lagoas de maturação

Voltando à concepção do processo de lodos ativados convencional, podemos entender um sistema de tratamento por filtros biológicos aeróbios, simplesmente substituindo-se as unidades principais do sistema, os tanques de aeração, pelos filtros biológicos. Porém, neste caso, normalmente não há necessidade de retorno de lodo. Assim, um sistema de

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tratamento de esgotos por filtros biológicos aeróbios é composto das seguintes unidades principais:

Tratamento preliminar: gradeamento e desarenação Decantadores primários Filtros biológicos aeróbios Decantadores secundários Adensadores de lodo Digestores de lodo Sistema de desidratação de lodo

Uma das principais tendências atuais do tratamento de esgotos sanitários reside na inclusão de uma etapa inicial de tratamento anaeróbio. O reator anaeróbio que mais tem se consolidado em nosso meio é o reator conhecido por UASB (upflow anaerobic sludge blanket). Estes sistemas mistos são constituídos de tratamento preliminar e dos reatores UASB, que podem ter os seus efluentes complementarmente tratados por um dos seguintes processos alternativos:

Lodos ativados Lagoas aeradas mecanicamente Lagoas de estabilização Filtros biológicos aeróbios Tratamento físico-químico

Em um importante estudo desenvolvido pelo PROSAB, Programa de Pesquisa em Saneamento Básico (Chernicharo, 2000), foram identificadas as seguintes características dos esgotos tratados pelos diversos processos e composição de custos de implantação e operacionais:

Processo de Lodos Ativados Convencional. A operação sob alta taxa ocorre com idade do lodo (c) inferior a três dias, sem que seja esperada a nitrificação dos esgotos. Os esgotos tratados apresentam DBO5 e SS (sólidos em suspensão) inferiores a 30 mg/L e concentração de nitrogênio amoniacal (Namon) superior a 15 mg/L. O excesso de lodo produzido é da ordem de 35 a 40 g SSS / Hab.dia, sendo estabilizado. O custo de implantação é estimado entre R$ 100,00 e R$ 130,00 por habitante, para populações entre 200 e 600 mil habitantes. O consumo de energia para aeração é estimado em 12 kwh/hab.ano. A operação sob taxa convencional ocorre com idade do lodo (c) entre 4 e 7 dias, ocorrendo a nitrificação dos esgotos. Os esgotos tratados apresentam DBO5 e SS (sólidos em suspensão) inferiores a 20 mg/L e concentração de nitrogênio amoniacal (Namon) inferior à 5 mg/L. O excesso de lodo produzido é da ordem de 30 a 35 g SS / Hab.dia, sendo estabilizado. O custo de implantação é estimado entre R$ 120,00 e R$ 160,00 por habitante, para populações entre 200 e 600 mil habitantes. O consumo de energia para aeração é estimado em 20 kwh/hab.ano.

Processo de Filtros Biológicos Aeróbios de Alta Taxa. Os esgotos tratados apresentam DBO5 e SS (sólidos em suspensão) inferiores a 30 mg/L e concentração de nitrogênio amoniacal (Namon) superiores à 15 mg/L. O excesso de lodo produzido é da ordem de 35 a 40 g SS / Hab.dia, sendo estabilizado. O custo de implantação é estimado entre R$ 100,00 e R$ 130,00 por habitante.

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Processo de Lodos Ativados com Aeração Prolongada. A operação sob alta taxa ocorre com idade do lodo (c) na faixa de 20 a 30 dias, com nitrificação dos esgotos. Os esgotos tratados apresentam DBO5 inferior a 20 mg/L, SS (sólidos em suspensão) inferior a 40 mg/L e concentração de nitrogênio amoniacal (Namon) inferior à 5 mg/L. O excesso de lodo produzido é da ordem de 40 a 45 g SS / Hab.dia, sendo estabilizado aerobiamente, mais difícil de desidratar. O custo de implantação é estimado entre R$ 60,00 e R$ 80,00 por habitante, para populações entre 50 e 150 mil habitantes. O consumo de energia para aeração é estimado em 35 kwh/hab.ano.

Processo com Reator UASB seguido de Lodos Ativados. A operação da etapa de lodos ativados sob alta taxa ocorre com idade do lodo (c) inferior a três dias, sem que seja esperada a nitrificação dos esgotos. Os esgotos tratados apresentam DBO5

inferior a 20 mg/L e SS (sólidos em suspensão) inferior a 30 mg/L e concentração de nitrogênio amoniacal (Namon) superior a 20 mg/L. O excesso de lodo produzido é inferior à 20 g SSS / Hab.dia, sendo estabilizado. O custo de implantação é estimado entre R$ 50,00 e R$ 80,00 por habitante, para populações entre 50 e 500 mil habitantes. O consumo de energia para aeração é estimado em 6 kwh/hab.ano. A operação sob taxa convencional ocorre com idade do lodo (c) entre 4 e 7 dias, esperando-se a nitrificação dos esgotos. Os esgotos tratados apresentam DBO5

inferior à 20 mg/Le SS (sólidos em suspensão) inferior a 30 mg/L e concentração de nitrogênio amoniacal (Namon) inferior à 5 mg/L. O excesso de lodo produzido é da ordem de 22 a 27 g SS / Hab.dia, sendo estabilizado. O custo de implantação é estimado entre R$ 70,00 e R$ 100,00 por habitante, para populações entre 50 e 500 mil habitantes. O consumo de energia para aeração é estimado em 15 kwh/hab.ano.

Processo com reator UASB seguido de Filtro Biológico de Alta Taxa. Os esgotos tratados apresentam DBO5 e SS (sólidos em suspensão) inferiores a 30 mg/L e concentração de nitrogênio amoniacal (Namon) superiores à 20 mg/L. O excesso de lodo produzido é da ordem de 25 a 30 g SS / Hab.dia, sendo estabilizado. O custo de implantação é estimado entre R$ 50,00 e R$ 80,00 por habitante, para populações entre 20 e 200 mil habitantes.

Processo com reator UASB seguido de Filtro Biológico Aerado Submerso. Os esgotos tratados apresentam DBO5 inferior a 20 mg/L e SS (sólidos em suspensão) inferior a 30 mg/L e concentração de nitrogênio amoniacal (Namon) superior à 20 mg/L. O excesso de lodo produzido é da ordem de 25 a 30 g SS / Hab.dia, sendo estabilizado. O custo de implantação é estimado entre R$ 80,00 e R$ 100,00 por habitante, para populações entre 20 e 200 mil habitantes. Energia para aeração: 6 kwh/hab.ano.

Processo de Lagoas Aeradas Aeróbias seguidas de Lagoas de Decantação. Os esgotos tratados apresentam DBO5 inferior a 30 mg/L e SS (sólidos em suspensão) inferior a 40 mg/L e concentração de nitrogênio amoniacal (Namon) superior à 25 mg/L. O excesso de lodo produzido é da ordem de 15 a 25 g SS / Hab.dia, sendo estabilizado e removido a cada 4 a 5 anos. O custo de implantação é estimado entre R$ 50,00 e R$ 70,00 por habitante, para populações entre 30 e 200 mil habitantes. Energia para aeração: 22 kwh/hab.ano.

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2. Tratamento Preliminar de Esgotos

2.1. Considerações Iniciais

O tratamento preliminar de esgotos visa, basicamente, a remoção de sólidos grosseiros. Não há praticamente remoção de DBO, consiste em uma preparação dos esgotos para o tratamento posterior, evitando obstruções e danificações em equipamentos eletro-mecânicos.O tratamento preliminar é constituído de gradeamento e desarenação. O gradeamento objetiva a remoção de sólidos bastante grosseiros como materiais plásticos e de papelões constituintes de embalagens e a desarenação a remoção de sólidos com características de sedimentação semelhantes à da areia, que se introduz nos esgotos principalmente devido à infiltração de água subterrânea na rede coletora de esgotos.

2.2. Gradeamento

Os dispositivos de remoção de sólidos grosseiros (grades) são constituídos de barras de ferro ou aço paralelas, posicionadas transversalmente no canal de chegada dos esgotos na estação de tratamento, perpendiculares ou inclinadas, dependendo do dispositivo de remoção do material retido. As grades devem permitir o escoamento dos esgotos sem produzir grandes perdas de carga.

Classificação das Grades

As grades podem ser classificadas de acordo com o espaçamento entre as barras, conforme a tabela 4:

Tabela 4: Classificação das grades. Fonte: Jordão e Pessoa (1995)

tipo espaçamento (cm)

grade grosseira 4 - 10

grade média 2 - 4

grade fina 1 - 2

É conveniente quando se tem a necessidade de recalque dos esgotos para a estação de tratamento, que o tratamento preliminar seja posicionado à montante da estação elevatória, visando a proteção dos rotores das bombas de corrosão por abrasão. No entanto é prática mais usual apenas a instalação de uma grade grosseira à entrada da elevatória, posicionando-se uma grade média ou fina já no canal de entrada da ETE, normalmente de 1,5; 1,9 ou 2,5 cm de espaçamento entre barras.

Dimensões das Barras e Inclinações das Grades

As barras das grades são construídas pelos fabricantes segundo dimensões padronizadas, sendo que a menor dimensão da secção, que é posicionada frontalmente ao escoamento, varia em média de 5 a 10 mm e a dimensão maior, paralela ao escoamento, varia entre 3,5 e 6,5 cm, aproximadamente.As grades com dispositivo de remoção mecanizada de material retido são implantadas com inclinações que variam de 70 a 90o, enquanto que as de remoção manual possuem inclinações variando geralemnte na faixa de 45 a 60o (ângulo formado pela grade e o

fundo do canal a jusante. O projeto de Norma Brasileira PNB - 570 impõe que para vazões de dimensionamento superiores a 250 L/s as grades deverão possuir dispositivo de remoção mecanizada do material retido.

Dispositivos de Remoção

Nas estações de grande porte, as grades devem posuir dispositivo mecanizado de remoção do material retido, que é constituído de um rastelo mecânico tipo pente cujos dentes se entrepõem nos espaços entre barras da grade. O rastelo é acionado por um sistema de correntes sendo que a remoção se dá no sentido ascendente e na parte superior o material é depositado sobre esteira rolante que o descarrega em caçamba.Nas grades manuais, o operador remove o material retido através de ancinho, quando a secção obstruída atinge cerca de 50% do total. O material removido é depositado em tambores ou caçambas possuindo orifícios no fundo para o escoamento da água.A quantidade de material retido nas grades chega a atingir na prática cerca de 0,04 litros por m3 de esgoto. Na tabela 5 relaciona-se a quantidade de material retido com o espaçamento entre barras das grades:

Tabela 5: Quantidade de material retido nas grades. Fonte: Jordão e Pessoa (1995)

Espaçamento (cm) 2,0 2,5 3,0 4,0

Quantidade (L/m3) 0,038 0,023 0,012 0,009

Para a grade de 2,5 cm de abertura, bastante utilizada, a quantidade média encontrada é de 0,02 L / m3 e a máxima é de 0,036 L / m3.O material retido pode sofrer processo de lavagem, secagem e adição de substâncias químicas antes do envio a aterros sanitários ou incineradores.

Dimensionamento das Grades

As grades são projetadas para que ocorra uma velocidade de passagem entre 0,6 e 1,0 m/s, tomando-se por referência a velocidade máxima horária de esgotos sanitários. A obstrução máxima admitida é de 50% da área da grade, devendo-se adotar como perdas de cargas mínimas os valores de 0,15 m para grades de limpeza manual e 0,10 m para grades de limpeza mecanizada.Para o cálculo da perda de carga nas grades, pode-se utilizar a fórmula de Metcalf & Eddy:

H = 1,43 . (v2 - vo2) /2g , onde v é a velocidade de passagem pela grade e vo é a

velocidade de aproximação.A relação entre a área da secção transversal do canal e a área útil da grade é dada por:

S = Au . (a + t) /a , onde:

S = área da secção transversal do canal, até o nível de água.Au = área útil da grade.a = espaçamento entre as barras.t = espessura das barras.

A relação a / (a + t) é chamada de eficiência (E) da grade e representa a fração de espaços vazios em relação à área total.

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Fixando-se a velocidade de passagem, pode-se determinar a área útil da grade através da equação da continuidade, Au = Qmáx / v. Obtendo-se a área útil, pode-se calcular a área da secção transversal do canal (S). Escolhendo-se a espessura e o espaçamento entre barras determina-se a eficiência E e S = Au/E. Obtendo-se a área da secção transversal, a largura do canal da grade pode ser determinada através do conhecimento da lâmina líquida decorrente do posicionamento da calha Parshall a jusante., conforme será mostrado.Além das grades anteriormente descritas, as grades de barras curvas, as peneiras estáticas e as peneiras rotativas podem também serem usadas para a remoção de sólidos grosseiros dos esgotos sanitários. As peneiras estáticas são bastante utilizadas no pré-condicionamento de esgotos antes do lançamento em emissários submarinos e também no tratamento de efluentes de matadouros e frigoríficos, dentre outras aplicações. As peneiras rotativas também são bastante utilizadas no tratamento de efluentes líquidos industriais.Para a observação de detalhes a respeito do projeto e construção dos sistemas de gradeamento, recomenda-se consultar a NB - 569 e a NB – 570 da ABNT.

2.3. Desarenação (caixas de retenção de areia)

Características do Material Removido

A "areia" que infiltra no sistema de esgotos sanitários e que danifica equipamentos eletromecânicos é constituída de partículas com diâmetro de 0,2 a 0,4 mm e massa específica = 2,54 ton/m3. Estas partículas sedimentam-se individualmente nas caixas com velocidade média de 2 cm/s.

Dispositivos de Remoção de Areia

De acordo com a NB-570, as caixas de areia de sistemas com remoção manual, devem-se ser projetados dois canais desarenadores paralelos, utilizando-se um deles enquanto que o outro sofre remoção de areia. Na remoção mecanizada utilizam-se bandejas de aço removidas por talha e carretilha, raspadores, sistemas de air lift, parafusos sem fim, bombas, etc. A "areia" retida deve ser encaminhada para aterro ou ser lavada para outras finalidades. Para redes de esgotos novas e não imersas no lençol freático a quantidade de areia retida é estimada em 30 litros por 1000 m3 de esgotos. Para situações desfavoráveis recomenda-se adotar 40L/1000m3.

Características Operacionais

As caixas de areia são projetadas para uma velocidade média dos esgotos de 0,30 m/s. Esta velocidade é mantida aproximadamente constante apesar das variações de vazão, através da instalação de uma calha Parshall a jusante. Velocidades baixas, notadamente as inferiores a 0,15 m/s provocam depósito de matéria orgânica na caixa, indicado pelo aumento da relação SSV/SST do material retido e que provoca exalação de maus odores devido à decomposição. Velocidades superiores a 0,40 m/s provocam arraste de areia e redução da quantidade retida.

Dimensionamento

O comprimento (L) da caixa de areia é determinado considerando-se a velocidade dos esgotos de 0,30 m/s e a velocidade de sedimentação da areia de 2 cm/s.

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Para que a partícula que passe sobre a caixa na linha de corrente mais alta atinja a câmara de estocagem de areia, é preciso que percorra H na vertical enquanto percorre L na horizontal:

Costuma-se introduzir um coeficiente de segurança de 1,5 devido ao efeito de turbulência e considerar-se L = 22,5.H ou L = 25 x H.A NB-570 recomenda que a taxa de escoamento superficial com base na vazão máxima resulte na faixa de (700 a 1300) m3/m2.d.

Controle da velocidade através de calha Parshall

Para se manter a mesma velocidade na caixa de areia tipo canal com velocidade constante controlada por calha Parshall, para Qmín e Qmáx, tem-se:

Fórmula da calha Parshall:

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v2, t2

v1 t1

L

H Y HJ HM

Z

Q = K.HN, ondeQ = vazão (m3/s)H = altura de água (m)

Valores de K e N

Largura Nominal

N K Capacidade (L/s)

Mín. Máx..3" 1,547 0,176 0,85 53,8

6" 1,580 0,381 1,52 110,4

9" 1,530 0,535 2,55 251,9

1' 1,522 0,690 3,11 455,6

1/2' 1,538 1,054 4,25 696,2

2' 1,550 1,426 11,89 936,7

Exemplo do Dimensionamento

Dados:

Ano População Atendida (hab)

Qmín. (l/s) Qméd. (l/s) Qmáx.(l/s)

2000 45.000 41,67 83,33 150,00

2010 54.200 50,19 100,38 180,00

2020 68.350 63,29 126,58 227,83

a) Escolha da Calha Parshall:Para atender vazões de 41,67 l/s a 227,83 l/s a C. Parshall recomendada é a de LN = 9".Fórmula da Calha Parshall com LN = 9":Q = 0,535.H1,53

Para Qmín. = 41,67 l/s Hmín. = 0,189mPara Qmáx. = 227,83 l/s Hmáx. = 0,572 m

b) Cálculo do rebaixo Z à entrada da Calha Parshall:

c) Cálculo da grade

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c.1. Eficiência (E)

c.2. Área útil (Au)

Adotando-se a velocidade de passagem v = 0,8m/s, tem-se:

c.3. Área da Secção do Canal (S)

c.4. Largura do canal da grade (b)

c.5. Verificações para vazões intermediárias:

Q(l/s)

H(m)

(H-Z)(m)

S=b(H-Z)(m2)

Au=S.E(m2)

V=Qmáx Au(m/s)

V0=Qmáx S

(m/s)227,83 0,572 0,469 0,380 0,285 0,800 0,600

180,67 0,492 0,389 0,315 0,236 0,766 0,574

150,00 0,436 0,333 0,270 0,203 0,739 0,555

63,29 0,248 0,145 0,117 0,088 0,719 0,541

50,19 0,213 0,110 0,089 0,067 0,749 0,564

41,67 0,189 0,086 0,070 0,053 0,786 0,595

Observa-se que para vazões intermediárias as velocidades não se alteram

significativamente.

c.6. Perda de Carga na Grade

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d) Cálculo da caixa de areiad.1) Cálculo da área da secção transversal (A)Adotando-se a velocidade sobre a caixa, v = 0,3 m/s, tem-se:

d.2.) Cálculo da largura (B):

d.3) Verificação:

d.4) Cálculo do comprimento (L)

d.5) Taxa de escoamento superficial resultante:

d.6) Cálculo do rebaixo da caixa de areia

Para a taxa de 30l/1000m3 e para vazão média de final de plano, Q = 126,58 l/s, tem-se o seguinte volume diário de areia retida na caixa:V = 0,03 l/m3 x 126,58 l/s x 86,4 = 328 l

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Portanto, para um rebaixo de 20cm tem-se um intervalo de limpeza da caixa de aproximadamente 10 dias.

3. Decantadores de esgotos


No tratamento de esgotos, o que ocorre como concentração de fase sólida, removida na forma de lodo. Remover-se sólidos grosseiros no sistema de gradeamento e sólidos facilmente sedimentáveis nas caixas de areia. Nos decantadores primários, sob as condições de escoamento normalmente adotadas em seus projetos, ocorre remoção de 40 a 60% de sólidos em suspensão dos esgotos sanitários, correspondendo a cerca de 30 a 40% da DBO. Até mesmo no tratamento biológico onde se conta com a mineralização dos compostos orgânicos, o efeito preponderante é a floculação da matéria em estado coloidal tornando possível sua remoção por sedimentação nos decantadores secundários. É típico para o processo de lodos ativados tratando esgotos sanitários em coeficiente de produção celular da ordem de 0,6. Isto indica que de cada 100 kg de DBO removida no processo biológico acarretará uma produção de 60 kg de SSV, ou seja, apenas 40% da matéria orgânica dos esgotos foi de fato mineralizada e a maior parte apenas convertida em flocos.Desta forma, justifica-se plenamente o emprego de unidades de separação de sólidos, geralmente a base de sedimentação. Quando não são usados decantadores formais de concreto armado, são utilizadas lagoas de decantação ou a sedimentação ocorre no próprio reator biológico. Mais recentemente tem-se estudado o emprego da flotação com ar dissolvido em algumas aplicações, especialmente associada ao tratamento físico-químico.No campo do tratamento de esgotos sanitários, a aplicação mais consolidada da flotação com ar dissolvido está no adensamento de excesso de lodos ativados, onde o lodo bem floculado é bastante propício para o aprisionamento de bolhas de ar e são produzidos graus mais elevados de adensamento do lodo do que por gravidade, mesmo sob taxas de aplicação bem mais elevadas.

3.2. Sedimentação no Tratamento de Esgotos

O processo de sedimentação é governado principalmente pela concentração das partículas em suspensão. Quanto mais concentrado for o meio, maior é a resistência à sedimentação. Em suspensões bastante diluídas prevalece a sedimentação do tipo I (individual ou discreta). Neste caso as partículas sedimentam-se individualmente sem ocorrer interrelações, segundo uma velocidade constante ao longo da profundidade do tanque. É o tipo de sedimentação predominante nas caixas de areia. Neste caso, a velocidade de sedimentação pode ser calculada através do equilíbrio de forças atuantes sobre a partícula na direção vertical (força gravitacional, para baixo, e empuxo mais força de atrito, para cima), do qual resulta a lei de Stokes.Aumentando-se a concentração de sólidos em suspensão, passa a prevalecer a sedimentação do tipo II, também chamada de sedimentação floculante. Neste caso, a maior concentração de partículas permite a formação de emaranhados ou flocos de maior velocidade de sedimentação ao longo de suas trajetórias, fazendo com que a velocidade de sedimentação aumente com a profundidade. É o que tipicamente ocorre nos decantadores das ETAs, também nos decantadores primários de esgotos onde a relativa e elevada concentração de sólidos em suspensão permite tais interações. A partir deste

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caso, não é mais válida a lei de Stokes, devendo-se proceder ensaios em colunas de sedimentação para a obtenção de parâmetros para o projeto das unidades.Aumentando-se ainda mais a concentração da suspensão, passa a prevalecer a sedimentação do tipo III (também chamada de sedimentação por zona, retardada ou impedida). Neste caso, a concentração de sólidos é muito elevada e passa a ocorrer dificuldade de saída de água em contra-corrente para possibilitar a sedimentação dos sólidos. Assim, a velocidade de sedimentação diminui ao longo da profundidade do decantador, sendo bastante baixa no fundo onde a concentração de sólidos é muito elevada. Este tipo de sedimentação predomina em decantadores secundários de processo de lodos ativados, que é alimentado pelo lodo concentrado do tanque de aeração. Neste caso é nítida a ocorrência de interface lodo/líquido sobrenadante. Quando o lodo é colocado em proveta, o deslocamento desta interface pode ser cronometrado ao longo do tempo e através de interpretação gráfica pode-se calcular a velocidade de sedimentação por zona (VSZ) importante para a interpretação da condição operacional de um processo de lodos ativados. O resultado final, após 30 minutos de sedimentação, é utilizado para o cálculo do IVL.A sedimentação do tipo IV, também chamada de sedimentação por compressão, ocorre no fundo dos decantadores secundários e nos adensadores de lodo. Neste caso, a suspensão é tão concentrada que a "sedimentação" dá-se pelo peso de uma partícula sobre a outra, provocando a liberação de água intersticial.

3.3. Tipos de Decantadores

Existem, basicamente, dois tipos de decantadores de esgotos: os de secção retangular em planta e de escoamento longitudinal, e os de secção circular, que mais comumente são alimentados pelo centro e a coleta do esgoto decantado é feita nas bordas dos decantadores, ao longo da linha da circunferência. Existem também os decantadores circulares de alimentação periférica.Alguns autores preconizam que como decantadores primários devem ser ser utilizados preferivelmente os de secção retangular, melhores para a assimilação das variações de vazão de esgotos e, como decantadores secundários podem ser utilizados os de secção circular, pois nesta situação a variação de vazão de alimentação são menores e os decantadores circulares são de implantação mais barata. Por isso, pode-se também empregar decantadores circulares como primários, atribuindo-lhe menor eficiência na remoção de DBO. Deverá ser feita análise econômica para subsidiar a escolha do tipo de decantador a ser empregado em uma ETE. Os removedores mecanizados de lodo e a estrutura em concreto armado são os principais componentes de custo. Os raspadores mecanizados são equipamentos de custo elevado, tanto os rotativos dos decantadores circulares como especialmente os que são movidos por pontes rolantes que tansladam ao longo do comprimento do decantador. Os decantadores de secção circular são também favorecidos com relação aos custos da estrutura em concreto armado.Os decantadores retangulares possuem o fundo ligeiramente inclinado para que o lodo raspado seja direcionado ao poço de lodo, posicionado no início do decantador, de onde é removido através de bombeamento ou pressão hidrostática. No trecho final do decantador estão posicionadas, à superfície, as canaletas de coleta do esgoto decantado cujas funções são as de reduzir a velocidade dos esgotos na região de saída evitando-se a ressuspensão de lodo. Nestes decantadores pode ser observada também uma tubulação transversal de coleta de escuma superficial identificada por Skimmer. As comportas de distribuição dos esgotos no canal de entrada do decantador, têm a função de evitar escoamento preferenciais.

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Para o tratamento de alguns efluentes industriais são necessários removedores de lodo através de aspiração. Este processo mais sofisticado se justifica quando os sólidos sedimentados são tão leves que podem ser ressuspensos pela ação dos raspadores.Nas estações de pequeno porte pode-se optar pelo emprego de decantadores sem raspador mecânico de lodo, derivados dos chamados decantadores Dortmund.O decantador Dortmund é de secção circular em planta mas com o fundo em tronco de cone invertido com paredes bem inclinadas, permitindo que todo o lodo convirja para um único "poço de lodo" de onde o lodo sedimentado pode ser removido por pressão hidrostática.São posicionados anteparos na região de entrada dos esgotos para direcionar o fluxo de sólidos para baixo e na região de saída para a retenção de escuma. Uma tubulação com derivação horizontal é posicionada para a remoção do lodo sedimentado por pressão hidrostática.Podem também ser utilizados os decantadores desprovidos de remoção mecanizada de lodo de secção quadrada em planta, de fundo com o formato de tronco de pirâmide invertida. Destes, derivaram os de seção retangular em planta com fundos múltiplos tronco-piramidais.Estes decantadores são baratos para serem implantados por não possuirem os removedores mecanizados de lodo, o que também dispensa a manutenção de equipamento eletro-mecânica. Consomem mais concreto armado para a construção dos fundos múltiplos e são mais profundos, o que aumenta os problemas de escavação. Este fato tem restringido o emprego deste tipo de decantador em apenas pequenos sistemas, inclusive com dimensões limitadas pela NB-570.

3.4. Parâmetros para o Dimensionamento de Decantadores Primários de Esgotos.

De acordo com a NB-570, os decantadores primários devem ser dimensionados com base na vazão máxima horária de esgotos sanitários e para vazões de dimensionamento superiores a 250 L/s deve-se empregar mais de um decantador.Para a determinação da área de decantação deve-se utilizar como parâmetro a taxa de escoamento superficial. Na literatura internacional são recomendadas taxas na faixa de 30 a 60 m3/m2.diaA NB-570 impõe três condições para a adoção da taxa de escoamento superficial para decantadores primários de esgotos:

a) até 60 m3/m2.dia, só tratamento primáriob) até 80 m3/m2.dia, seguido de filtros biológicosc) até 120 m3/m2.dia, seguido de lodos ativados

Costuma-se adotar taxa da ordem de 60m3/m2.dia para decantadores primários de sistemas de filtros biológicos e de até 90m3/m2.dia em sistemas de lodos ativados.O tempo de detenção hidráulico situa-se entre 1,5 e 3,0 horas, de acordo com a literatura internacional sobre decantadores primários.A NB-570 recomenda tempo de detenção superior a 1,0 hora, com base na vazão máxima de esgotos e inferior a 6,0 horas, com base na vazão média.Determina-se a área de decantação através da taxa de escoamento superficial e o volume do decantador através do tempo de detenção. Obtendo-se área e volume, pode-se obter a profundidade útil dos decantadores.Para decantadores retangulares a relação comprimento largura deve ser superior a 2:1, sendo típicos valores na faixa de 3:1 a 4:1, ou mais.

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As profundidades dos decantadores variam de 2,0 a 4,5 m, sendo mais comuns na faixa de 3,0 a 4,0 m. A NB-570 impõe que os decantadores devem possuir profundidade superior a 2,0 m. Um parâmetro importante a ser observado no dimensionamento de decantadores é a taxa de escoamento nos vertedores de saída. A NB-570 recomenda valores inferiores a 720m3/m2.dia, mas na prática são usados valores bem inferiores, principalmente quando são usados decantadores de seção circular.No caso de decantadores retangulares, deve-se manter o comprimento de canaletas vertedoras compatível com a taxa de escoamento, sem que as mesmas avancem além de 1/4 do comprimento do decantador.

3.5. Exemplo de Dimensionamento - Decantador Primário

a) Dados para o Dimensionamento

Ano População (hab.) Qméd(L/s) Qmáx (L/s)

2000 45.000 83,33 150,00

2010 54.200 100,37 180,67

2020 68.350 126,57 227,83

b) Taxa de escoamento superficial adotada inicialmente:

c) Área superficial necessária de decantadores primários (2020):

Serão utilizados 04 (quatro) decantadores primários de secção circular em planta.

Os decantadores deverão portar removedores mecanizados de lodo.

d) Profundidade útil dos decantadores:

Volume útil mínimo necessário:

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Implantação: 3 dec - 2000 (p/ atender até 2000)

1 dec - 2010 (p/ atender até 2020)

e) Taxa de escoamento nos vertedores de saída:

f) Verificação para três decantadores em 2010:

g) Alternativa: 2 decantadores

h) Alternativa: Decantadores retangulares com fundos tronco piramidais sem removedor mecanizado de lodo

Deverão ser usados quatro decantadores de (3,7 x 22,2)m, com relação comprimento/largura = 6/1Profundidade do trecho prismático:

4. Processo de Lodos Ativados


O processo de lodos ativados pode ser enquadrado como tratamento aeróbio, de crescimento em suspensão na massa líquida e com retenção de biomassa. A introdução de oxigênio pode ser feita através de diferentes formas, como por meio de aeradores superficiais, sistemas com difusores, até mesmo oxigênio puro pode ser introduzido diretamente nos tanques. Os sólidos biológicos crescem na forma de flocos e são mantidos em suspensão pelo equipamento de aeração, não há meio suporte de biomassa, como os materiais inertes (pedras, plástico, etc.) introduzidos nos sistemas de filtros biológicos. A retenção de biomassa é feita através de recirculação do lodo separado nos decantadores acoplados aos reatores biológicos.

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O resultado da interação entre microrganismos e matéria orgânica nos tanques de aeração é a formação de flocos. Polímeros extracelulares produzidos pelos microrganismos são os principais agentes. Para a ocorrência de flocos densos é necessário que as principais condições ambientais dentro dos reatores estejam controladas. Uma das condições desejáveis é meio neutro em termos de pH, o que é característico do esgoto doméstico. Fora da faixa neutra, o número de grupos de microrganismos que se desenvolvem é menor, dando maior oportunidade para desequilíbrios e predominância de microrganismos maus formadores de flocos. A presença dos principais nutrientes, sobretudo compostos de nitrogênio e fósforo, deve ser bem administrada. Para esgoto doméstico, sabe-se que há nitrogênio e fósforo em excesso, não havendo necessidade de adição artificial de nutrientes. O problema, na verdade, é como melhor removê-los. O efeito da deficiência do meio nos principais nutrientes é também no sentido de proporcionar a prevalência indesejável de certos grupos de microrganismos. O oxigênio deve ser adicionado em quantidade suficiente para garantir o processo metabólico dos microrganismos que se desenvolvem no tanque reator e manter um pequeno saldo, segurança contra a ocorrência de anaerobiose. Estes, podem também ser influenciados negativamente pela presença de substâncias tóxicas ou potencialmente inibidoras, que podem ser descarregadas pelos efluentes industriais. Problemas em tratamentos biológicos foram responsabilizados pela presença em quantidade excessiva de compostos fenólicos ou de óleos e graxas, por exemplo.Se os fatores ambientais externos estiverem sob controle, há que se planejar e manter adequadamente condições de funcionamento tais como a relação alimento/microrganismos e o tempo médio de residência celular.Uma boa floculação é necessária para que se tenha recuperação de sólidos elevada no decantador secundário e um efluente final com baixa concentração de sólidos em suspensão. A perda de sólidos em suspensão juntos com o esgoto tratado é inevitável, o ajuste operacional do processo de lodos ativados consiste essencialmente em procurar encontrar as condições ambientais que levem à melhor floculação possível, reduzindo-se a perda de sólidos com o efluente final e obtendo-se maior eficiência na remoção de matéria orgânica biodegradável.O excesso de lodo biológico descartado continuamente do sistema deverá ou não sofrer digestão bioquímica complementar, dependendo das condições operacionais. Quando se mantêm maiores tempos de residência celular, o excesso de lodo resultante é melhor digerido. Estas característica é uma das principais que difere a variante com aeração prolongada dos processos convencionais, conforme será discutido.

4.2. Aspectos de Microbiologia

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Um verdadeiro ecossistema é formado no tanque de aeração de um sistema de lodos ativados. As bactérias são os principais decompositores de matéria orgânica dos esgotos por assumirem grandes massas em intervalos de tempo mais reduzidos do que os outros microrganismos heterotróficos. Quando as condições ambientais são adequadas, surgem as zoogleas, flavobactérias, aerobacter, pseudomonas e alcalígenes, responsáveis por boa biofloculação. Quando não, podem predominar excessivamente bactérias filamentosas como Sphaerotillus natans, nocárdia e outras bactérias responsáveis pelo intumescimento filamentoso do lodo, que leva à sua flutuação nos decantadores. Além das bactérias, protozoários são importantes organismos em sistemas de lodos ativados pois, além de também consumirem matéria orgânica, consomem bactérias mal floculadas, dando polimento ao efluente tratado. Aparecem mais rapidamente protozoários fixos e, sucessivamente os ciliados cuja presença indica boas condições do lodo biológico. De fato, a presença de protozoários é determinante para o bom andamento do processo, que evolui em direção ao aparecimento de micrometazoários como os rotíferos, cuja presença excessiva pode indicar lodo com idade demasiadamente elevada.

4.3. Tempo Médio de Residência Celular (Idade do Lodo)

O tempo médio de residência celular, também conhecido por idade do lodo, é a relação entre a massa de células no reator e a massa de células descarregadas por dia, ou seja:

massa de células (KgSSV) no tanque de aeraçãoc = massa de células (KgSSV) descarregadas por dia

Descarregando-se mais lodo do sistema por dia o tempo de residência celular será menor e vice-versa. Esta é a principal manobra operacional visando a obtenção do equilíbrio do processo. V . Xc = Qd . Xr + (Q - Qd) . Xe

Desprezando-se as perdas com o efluente final:

V . Xc = Qd . Xr

Considerando-se a retirada de lodo diretamente do tanque de aeração:

V . X Vc = c = Qd . X Qd

Observa-se que, retirando-se o lodo diretamente do tanque de aeração, apesar de se ter maior volume de lodo a ser descartado em virtude da sua menor concentração em relação ao lodo sedimentado no decantador, não é preciso análise de SSV em nenhum ponto do sistema.

4.4. Balanços de Massa de Substrato e de Microrganismos em Sistemas de Lodos Ativados: Equações que Governam o Processo

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Considere-se o esquema do processo de lodos ativados, incluindo-se o tanque de aeração, o decantador secundário e o sistema de retorno e descarte de lodo. Pode-se definir como limites do sistema apenas o tanque de aeração, apenas o decantador secundário ou o conjunto tanque de aeração/decantador secundário e desenvolver-se balanços de massa de substrato ou de microrganismos. Para cada expressão imposta para a taxa de crescimento celular ou para a taxa de utilização do substrato, obtém-se uma relação que governa o processo, podendo-se associar principalmente tempos de detenção hidráulico e de residência celular, com a concentração de microrganismos no tanque de aeração e de substrato solúvel no efluente tratado. Serão desenvolvidos, a título de exemplo, dois balanços de massa que resultam em importantes equações que representam o processo de lodos ativados.

Decantador Secundário

Q, So, Xo (Q+Qr)(Q+Qr) Q-Qd

Xe, SeX, Se

(Q+Qr), Xr

Qr, Xr, Se Retorno de Lodo

Qd, Xr, Se

Balanço de massa de substrato em torno do tanque de aeração:

Será considerado regime estabilizado, em que não há acúmulo de massa do sistema e assim pode-se escrever:

Q . So + Qr . Se - (Q + Qr) . Se - V . S/t = 0

Definindo-se a taxa específica de utilização do substrato, U:

massa de substrato (KgDBO) consumido por diaU = massa de células (KgSSV) no reator

S/tU = S/t = U . X X

Q . So + Qr . Se - Q . Se + Qr . Se - V . U . X = 0

Q . (So - Se)

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Tanque de Aeração

V, X, Se

U = V . X

A taxa específica de utilização do substrato, U, representa a massa de substrato removida por unidade de tempo e por unidade de massa de microrganismos, constituindo fator de dimensionamento do processo, visando a obtenção dos volumes dos tanques de aeração. Relaciona-se com o parâmetro empírico, relação alimento/microrganismos, definida por:

Q . So (A/M) = V . X

So(A/M) = td . X

Observe-se que a taxa específica de utilização do substrato envolve a carga de substrato removida, enquanto que a relação alimento/microrganismos considera a carga aplicada. Portanto, é a eficiência do tratamento na remoção do substrato que associa os valores destas variáveis entre si.

( So - Se )E = . 100 So

(A/M) . E U = 100

A relação alimento/microrganismos pode também ser usada como fator de dimensionamento do tanque de aeração. Um terceiro fator também costuma ser usado, chamado “fator de carga” (f) , cuja única diferença da relação alimento/microrganismos é que esta é determinada com base na concentração de sólidos em suspensão voláteis no tanque de aeração (Xv), enquanto que na composição do fator de carga de usa a concentração de sólidos em suspensão totais (Xt). Q . So (A/M) = V . Xv

Q . So f = V . Xt

Uma forma de interpretação do processo de lodos ativados pode ser estabelecida imaginando-se um experimento em que se varia a relação alimento/microrganismos aplicada ao sistema e se observa o efeito sobre a floculação biológica através de outro parâmetro empírico, o índice volumétrico de lodo (IVL). O IVL representa o volume ocupado por determinada massa de lodo, sendo obtido através de:

Sólidos Sedimentáveis aos 30 minutos (mL/L)IVL = x 1.000 Sólidos em Suspensão Totais (mg/L)

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Pode-se deduzir que, quando o lodo encontra-se bem formado, os valores do IVL são baixos e vice-versa.Pode ser observado que existe uma faixa de relação alimento/microrganismos que conduz a uma melhor floculação biológica e a valores mais baixos de IVL Corresponde à faixa de operação dos sistemas de lodos ativados convencionais. Pode se observado também que, reduzindo-se a relação alimento/microrganismos há prejuízo para a floculação biológica pela maior incidência de fase endógena e os valores de IVL são mais elevados. Ë a faixa operacional dos sistemas com aeração prolongada, em que ocorrem maior perda de sólidos com o efluente final. Apesar disso, os sistemas com aeração prolongada resultam em maior eficiência na remoção de matéria orgânica biodegradável dos esgotos, uma vez que os sólidos perdidos são mais digeridos. Na tabela comparam-se as eficiências na remoção de DBO e sólidos em suspensão dos sistemas convencionais com os sistemas com aeração prolongada.

Tabela 6: Eficiências típicas do processo de lodos ativados. Fonte: Hespanhol (l986).

Processo/Parâmetro DBO Carbonácea (%)

DBO Nitrogenada (%)

Sólidos em Suspensão (%)

Lodos Ativados Convencionais

90 40 87

Lodos Ativados com Aeração Prolongada

95 85 94

Observa-se que os sistemas com aeração prolongada promovem maior grau de nitrificação dos esgotos, podendo ocorrer oxidação total de amônia quando se introduz no tanque de aeração cerca de 3,0 kgO2/kgDBO. É um dos raros processos biológicos capazes de atender ao rigoroso padrão de emissão de 5 mg/L para nitrogênio amoniacal, imposto na Resolução no. 20 do CONAMA. Nos sistemas convencionais o grau de nitrificação dos esgotos é menor, reduzindo-se com o decréscimo da idade do lodo. Já a remoção de sólidos em suspensão é menor nos sistemas com aeração prolongada.

Balanço de massa de substrato em torno do tanque de aeração

Fazendo-se o balanço de massa de microrganismos (SSV) no sistema de lodos ativados como um todo (tanque de aeração e decantador secundário, mais o sistema de retorno/descarte de lodo), tem-se, no regime estabilizado:

Q . Xo – [ Qd . Xr + (Q - Qd) . Xe ] + V . X/t = 0

Onde X/t representa o crescimento global de microrganismos.Define-se , taxa específica de crescimento biológico, através de: massa de células (KgSSV) produzidas por dia =

massa de células (KgSSV) no reator

Porém, em um sistema de lodos ativados, nem todas as células se encontram em fase de crescimento, devendo-se descontar o decaimento via metabolismo endógeno, cuja taxa específica é representada por kd:

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massa de células (KgSSV) destruídas por diakd = massa de células (KgSSV) no reator

A taxa de crescimento microbiano líquida, , é dada por: = - kd . A taxa global de crescimento é obtida multiplicando-se a taxa específica pela concentração celular, X:

X / t = ( - kd ) . XE, portanto, desprezando-se a concentração de microrganismos presentes no próprio esgoto, Xo, por ser bem inferior a X, tem-se:

– [ Qd . Xr + (Q - Qd) . Xe ] + V . X . ( - kd ) = 0

[ Qd . Xr + (Q - Qd) . Xe ] - kd = 1 / c = - kd

V . X

A taxa específica de crescimento, , relaciona-se com a utilização de substrato, U, pelo coeficiente de síntese celular, ou seja:

= Y . U 1 / c = Y . U - kd

Mas, conforme obtido ainteriormente, So - Se

U = td . X

So - Se

1 / c = Y . - kd td . X

Esta equação permite a determinação dos coeficientes Y e kd. Operando-se um sistema de lodos ativados sob diversas idade do lodo, tem-se para cada uma um valor estabilizado de Se e X, de forma que cada condição representa um ponto da reta em que Y é o coeficiente angular e kd o parâmetro linear.

4.5. Modelo de Monod

Monod adaptou as relações de Michaelis-Menten da microbiologia com culturas puras para o tratamento de esgotos. Verificou experimentalmente que em sistemas de lodos ativados a taxa específica de crescimento celular, , não é constante e sim variável com a concentração de substrato até certo ponto em que o alimento e o crescimento tornam-se ilimitados. Depende de um valor máximo, máx, que é a taxa de crescimento quando não há limitação de substrato, da concentração de substrato, Se, e do coeficiente de velocidade ou constante de saturação, Ks, que é o valor da concentração de substrato para a qual a taxa de crescimento dos microrganismos é igual à metade da máxima.

máx. . Se

= Ks + Se

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Mas, = Y . U e, por tanto, tem-se:

máx. . Se

Y . U = Ks + Se

máx. . Se

U = Y . ( Ks + Se )

Chamando-se de k a relação entre coeficientes cinéticos máx/Y, k representará a taxa máxima de utilização de substrato por unidade de microrganismos. k . Se

U = ( Ks + Se )

E, conforme já definido:

So - Se

U = td . X

Tem-se que:

So - Se k . Se

= td . X ( Ks + S )

td . X Ks 1 1 = . + So - Se k Se k

Esta equação permite a determinação dos coeficientes cinéticos k e Ks e, como máx= Y.k, podem assim ser obtidos os cincos coeficientes cinéticos que governam o processo de lodos ativados, Y, kd, máx, Ks e k. Na Tabela 7 são apresentados valores típicos dos coeficientes cinéticos.

Tabela 7 : Valores típicos dos coeficientes cinéticos para o processo de lodos ativados aplicado ao tratamento de esgoto sanitário. Fonte: Metcalf & Eddy (1991 )

Coeficiente Unidade Faixa Valor Típicok d-1 2 - 10 5Y mgSSV/mgDBO5 0,4 – 0,8 0,6ks mgDBO5 25 - 100 60

mgDQO 15 - 70 40kd d-1 0,025 – 0,075 0,06

Exercício de aplicação: Operou-se 5 sistemas de lodos ativados em escala de laboratório, em paralelo, tendo-se obtido os seguintes resultados após a estabilização:

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Idade do lodoc (dias)

2 4 6 8 10

SSVTAX (mg/L)

1.380 1.922 2.215 2.344 2.456

DBO5,20 (filtrada) Se (mg/L)

60 32 16 11 09

Todos os reatores foram alimentados com o mesmo esgoto com DBO5,20 = 300 mg/L e tempo de detenção hidráulico de 04 horas. Variou-se a idade do lodo de um sistema para o outro, através do descarte de diferentes quantidades médias de lodo por dia. Determinar os valores dos coeficientes cinéticos Y, kd, Ks, k e máx e analisar os resultados obtidos. 4.6. Variantes do Processo de Lodos Ativados

Existem diversas variantes do processo de lodos ativados. Cabe inicialmente caracterizar e estabelecer as diferenças entre os sistemas convencionais e os com aeração prolongada. A idéia fundamental é a de que nos sistemas convencionais, as condições no tanque de aeração são planejadas para que ocorra a floculação biológica sob maior fator de carga e menor idade do lodo. Com isso, os volumes necessários de tanques reatores são menores porém, o grau de digestão do excesso de lodo descartado é baixo e é necessária uma estabilização bioquímica complementar antes da secagem, ou seja, a digestão do lodo. Nos sistemas com aeração prolongada, contrariamente, permite-se maior incidência de metabolismo endógeno mantendo-se no tanque baixa relação alimento/microrganismos e idade do lodo alta. Desta forma, o volume necessário de tanque de aeração é maior, mas o lodo descartado apresenta grau de mineralização (SSV/SST) mais elevado, dispensando-se a digestão complementar. Em geral, nos sistemas com aeração prolongada não se utiliza decantador primário, evitando-se completamente a necessidade de digestão de lodos em troca da exigência de um volume de tanque de aeração cerca de 30% maior. A substituição dos decantadores primários por reatores anaeróbios como o UASB, tem demonstrado as vantagens de maior alívio de carga orgânica afluente ao tratamento aeróbio, bem como proporcionar um digestor de lodo na própria linha de tratamento dos esgotos. Com isso, pode-se operar o processo de lodos ativados na faixa dos sistemas convencionais, enviando o excesso de lodo desta etapa de volta aos reatores UASB para aumentar a mineralização. Os volumes de tanques de aeração são substancialmente menores nesses arranjos. Na Tabela 8 apresentam-se faixas típicas de parâmetros para os sistemas convencionais e com aeração prolongada.

Tabela 8: Faixas típicas de parâmetros para sistemas de lodos ativados convencionais e com aeração prolongada (Fonte: adaptado de Metcalf & Eddy – 1991e NBR - 570)Parâmetro / Variante Sistemas Convencionais Aeração Prolongada

Fluxo de pistão Mistura completa

Faixa típica NBR - 570 Faixa típica NBR - 570Tempo de detenção hidráulico (horas)

4 a 8 > 1 18 a 36

Idade do lodo (dias) 5 a 15 20 a 30Concentração SSVTA (mg/L)

1.500 a 3.000 3.000 a 6.000

Relação (A/M)(kgDBO5/kgSSV.dia)

0,2 a 0,4 0,05 a 0,15

20

Fator de carga (f)(kgDBO5/kgSS.dia)

0,16 a 0,4 0,05 – 0,10

Fator de recirculação de lodo(Qr / Q)

0,25 a 0,75 0,75 a 1,5

Necessidade de oxigênio(kgO2/kgDBOaplicada)

> 1,5 > 1,5

Densidade de potência no Tanque de Aeração (w / m3)

>10 >10

O processo de lodos ativados em bateladas

O processo em bateladas constitui uma moderna modalidade operacional dos sistemas de lodos ativados. Introduzido no Brasil pela Nestlé, tem sido intensamente utilizado para o tratamento de esgotos sanitários, especialmente quando há grande variação de carga como em cidades litorâneas. Neste processo, o tanque de aeração acumula a função de decantação, suprimindo-se o decantador secundário e o sistema de retorno de lodo. Normalmente, utiliza-se mais de um tanque de aeração, que são alimentados sob o regime de bateladas sequenciais, isto é, enquanto os esgotos são descarregados em um dos tanques de aeração, nos outros ocorrem, de forma sincronizada, outras operações necessárias como aeração, decantação e descarga do esgoto tratado. É necessário um grau elevado de automação do sistema para o controle destas operações. METCALF & EDDY (1991) recomendam as seguintes distribuições percentuais das atividades dentro de cada ciclo. Alimentação com aeração: Aeração sem alimentação (reação): Sedimentação: Descarga do tratado:

Um exemplo de esquema operacional com ciclo de duração total de 6 horas, utilizando-se quatro tanques-reatores é o seguinte:

Alimentação com aeração: 1hora + 30 minutos Aeração sem alimentação (reação): 2 horas + 30 minutos Sedimentação: 40 minutos Descarga do tratado: 1 hora + 20 minutos

Caso sejam usados apenas três tanques, o esquema operacional do ciclo de seis horas de duração total pode ser alterado para:

Alimentação com aeração: 2 horas Aeração sem alimentação (reação): 2 horas Sedimentação: 40 minutos Descarga do tratado: 1 hora + 20 minutos

Pode ser observado que em ambos os esquemas ocorre perfeito sincronismo, terminando-se a descarga do esgoto tratado exatamente quando deverá ocorrer o início da alimentação de um dado tanque, controlando-se o sistema pelo tempo reservado para cada etapa, independentemente do volume recebido naquele ciclo.Além das operações descritas, há também a necessidade de remoção do excesso de lodo, controlada pelo tempo de residência celular desejado.

21

Na maioria dos sistemas implantados, opera-se na faixa com aeração prolongada utilizando-se aeradores superficiais ou, preferivelmente, ar difuso. Considera-se que o processo é bem adequado para as situações em que ocorrem grandes variações de carga, pois é possível variar os ciclos operacionais e o número de tanques na alta e na baixa estações. O resultado do tratamento é um efluente bastante clarificado, apto a receber desinfecção final, caso seja necessária. Estudos têm sido conduzidos no sentido de se modificar a operação destes sistemas, objetivando maximização na remoção de nutrientes, como é o caso do estudo com enchimento anóxico (sem aeração) proposto por Samudio (1998).

Outras Variantes do Processo

Existem várias outras modificações dos sistemas de lodos ativados, visando benefícios específicos. Nos sistemas com alimentação escalonada, o esgoto afluente é distribuído ao longo de um reator que tenha tendência a fluxo de pistão, de forma a manter-se uma relação alimento/microrganismos mais constante ao longo do tanque de aeração. Nos sistemas com aeração proporcional, a quantidade de ar é introduzida de forma decrescente ao longo do tanque de aeração, procurando-se acompanhar a curva de remoção de DBO e com isso racionalizar o uso de energia. Nos sistemas de estabilização por contato, o tanque de aeração é dividido em dois; o primeiro tanque é dimensionado de forma bastante forçada ocorrendo apenas a floculação. No segundo, ocorre a aeração apenas do excesso de lodo, para aumentar seu grau de mineralização. Com isso, ocorre ganho substancial no volume necessário de tanques de aeração. No processo Krauss, recirculam-se sobrenadantes de digestores anaeróbios de lodo para o tanque de aeração, objetivando a recuperação de nutrientes, especialmente para efluentes industriais deficientes em nitrogênio ou fósforo.

Sistemas com Poços Profundos ( “Deep-Shaft”)

Nestes sistemas constroem-se tanques de aeração tubulares de profundidades elevadas, 120 m, por exemplo, recorrendo-se à pressão que ocorre em altas colunas de líquido para o favorecimento da dissolução das bolhas de ar. O sistema é bastante compacto e eficiente na remoção de DBO.

4.7. Sistemas de Aeração

Os sistemas de aeração mais comuns em sistemas de lodos ativados são os que recorrem aos aeradores superficiais e os sistemas com ar difuso. Em ambos os casos, a transferência de oxigênio é dificultada pela presença de sólidos e pela salinidade dos esgotos, além de que, nas condições críticas de campo, as temperaturas acima de 20 oC e altitudes acima do nível médio do mar fazem com que, no conjunto, sejam obtidas reduções da ordem de 40% nos valores resultantes de testes de transferência de oxigênio em água limpa.

4.8. Câmaras Anóxicas

Recentemente, têm-se incorporado ao sistemas de lodos ativados as chamadas câmaras anóxicas, onde em um compartimento misturado porém não aerado, introduz-se o esgoto e o lodo de retorno, a montante do trecho aerado. O objetivo é a desnitrificação do efluente final, sendo que o volume da câmara anóxica representa em um acréscimo em torno de 30% de volume do tanque de aeração. Resulta também em combate ao crescimento excessivo de organismos filamentosos.

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4.9. Exercício de Dimensionamento – Processo de Lodos Ativados Convencional

1) Dados de população, vazão e carga de DBO:

População Atendida (hab.)

Vazão média de esgotos

Carga de DBO(kg/dia)

m3/d L/s1ª ETAPA 224.933 53.482 619 14.7522ª ETAPA 233.877 57.000 660 17.017

2) Volume necessário de tanques de aeração:

Considerando-se a instalação de decantadores primários com eficiência estimada em 30% na remoção de DBO, a carga afluente aos tanques de aeração será (2ª etapa):

Carga DBO = 0,7 x 17.017 = 11.912 kg/d

Nota: Não serão considerados neste excercício, acréscimos de vazões e cargas decorrentes das recirculações provenientes da linha de tratamento de lodo.

Considerando-se o fator de carga f = 0,22 kgDBO/kgSS.dia, correspondente à relação (A/M) = 0,28 kgDBO / kgSSV.d e a concentração de 3,2 kg SS / m3 no tanque de aeração, correspondente à concentração de SSV de 2,56 kg/m3, tem-se o seguinte volume necessário de tanques de aeração:

VTA = 11.912 / (3,2 x 0,22) = 16.920 m3

Será considerado o emprego de quatro tanques de aeração, objetivando-se a modulação da implantação do sistema. Cada tanque possuirá 16.920 / 4 = 4.230 m3.

3) Sistema de aeração:

Necessidade de oxigênio

Considerando-se a necessidade de oxigênio igual a 2,0 kgO2 / kgDBOapl., a necessidade de oxigênio será:

NECO2 = (2,0 x 11.912) / 24 = 993 kgO2/hora

Emprego de aeradores superficiais de baixa rotação:

Será considerada a capacidade de transferência de oxigênio de 0,9 kgO2/Cvxhora, nas condições de campo.

Potência necessária:

PNEC = 993 / 0,9 = 1.103 CV ou 1.103 /4 = 276 CV por tanque

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Dimensões dos tanques de aeração:

Será considerado o emprego de 06 (seis) aeradores de 50 CV por tanque de aeração, dispostos em série. Dimensões dos tanques:

Comprimento: 81,0 mLargura: 13,5 mProfundidade útil: 4,0 mProfundidade total: 5,0 m

Volume útil resultante:

Vu = 4,0 x 13,5 x 81,0 = 4.374 m3 por tanque ou 4.274 x 4 = 17.496 m3 (total)

Fator de carga resultante:

f = 11.912 / (17.496 x 3,2) = 0,21 kgDBO/kgSSxdia

Densidade de potência resultante:

dp = (300 x 735) / 4.374 = 50 w / m3

Tempo de detenção hidráulico resultante:

td = 17.496 / (57.000 /24) = 7,4 horas

Alternativa para o sistema de aeração

Caso se utilize sistema de aeração por ar difuso, considerando-se a massa específica do ar igual a 1,2 kg/m3, a porcentagem de O2 no ar de 23,2 % e o rendimento do soprador de 8%, a vazão necessária de ar será:

QAR = 993 / (1,2 x 0,232 x 0,08 x 60) = 743 m3 ar / minuto

O soprador deverá possuir pressão suficiente para vencer a carga correspondente à profundidade útil do tanque mais cerca de 0,5 m de perda de carga na linha de ar.

4) Verificação das condições de funcionamento com apenas três tanques na primeira etapa:

f = (0,7 x 14.752) / (3,2 x 3,0 x 4.374) = 0,25 kgSS/kgDBO.d, correspondente à A/M = 0,31 kgDBO/kg SSV.d

Nec O2 = (2,0 x 10.326) / 24 = 860 kg O2 / hora

PNEC = 860 / 0,9 = 956 CV

td = (3 x 4.237) / (53.482 /24) = 5,9 horas

5) Vazão de retorno de lodo

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A vazão de retorno de lodo será estimada considerando-se que o lodo estará sedimentado no fundo do decantador secundário a uma concentração de 8,0 kg/m3 (dado típico). Fazendo-se um balanço de massa de sólidos em suspensão no decantador secundário, desprezando-se a perda com o efluente final, tem-se: ( Q + Qr ) . X = Qr . Xr

Dividindo-se por Q e fazendo-se r = Qr / Q, tem-se:

( 1 + r ) . X = r . Xr

Para X = 3,2 kg/m3 e Xr = 8,0 kg/m3, tem-se r = 0,67e Qr = 0,67x 660 = 440 L/s ou 110 L/s por módulo, na segunda etapa.

6) Produção de excesso de lodo biológico:

X = 0,65 kg SS / Kg DBO

X = 0,65 x 11.912 = 7.743 kg SS / dia

Para lodo com 8,0 kgSS/m3 e massa específica 1010 kg/m3, a vazão de excesso de lodo será:

7.743Qlodo = = 958 m3/d 0,008 x 1010

Idade do lodo resultante:

c = V.X / X = (17.496 x 3,2) / 7.743 = 7,2 dias

7) Decantadores secundários:

Área superficial de decantadores secundários

Adotando-se a taxa de aplicação de sólidos GA = 4,0 kg SS / m2 . h, tem-se a seguinte área superficial necessária de decantadores secundários:

( Q + Qr ) . XGA = As

( Q + Qr ) . XAs = GA

1, 67x57000x3,2As = = 3.173 m2 ou 3.173 / 4 = 793 m2 por decantador. 4,0 x 24

25

Utilizando-se quatro decantadores secundários com 32 m de diâmetro, tem-se a área superficial de 804,25 m2 por decantador e área total de 3.217 m2.

A taxa de aplicação de sólidos resultantes será: 1, 67x57000x3,2GA = = 3,95 kg SS / m2 x hora 3.217 x 24

A taxa de escoamento superficial resultante será:

QqA = = 57.000 / 3.217 = 17,7 m3/m2.d As

Volume útil dos decantadores secundários:

Para a profundidade útil Hu = 3,5 m, tem-se:

Vu = 3,5 x 804,25 = 2.815 m3 por decantador (volume total de 11.260 m3)


td = (11.260 x 24) / 57.000 = 4,7 horas

Taxa de escoamento nos vertedores de saída:

qL = 57.000 / (4 x x 32) = 142 m3/m2/d

Verificação das condições de funcionamento com apenas três decantadores na primeira etapa:

Taxa de aplicação de sólidos:

1, 67x53482x3,2GA = = 4,9 kg SS / m2 x hora 3 x 804,25 x 24Taxa de escoamento superficial: QqA = = 53482 / 3 x 804,25 = 22,2 m3/m2.d As

Tempo de detenção hidráulico:

td = (3 x 2815 x 24) / 53482 = 3,8 horas

Exercício de Dimensionamento –Processo de Lodos Ativados com Aeração Prolongada de Fluxo Contínuo

Dados:

População atendida: 68352 habitantes

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Vazão média de esgotos: 126,6 L/sCarga de DBO: 3691 kg/d

1) Volume necessário de tanques de aeração:

Carga DBO = 3691 kg/d

Considerando-se o fator de carga f = 0, 08 kgDBO / kgSS.d e a concentração de 4,0 kg SS / m3 TA, tem-se o seguinte volume necessário de tanques de aeração: 3.691VTA = = 11.534 m3

0,08 x 4,0 2) Necessidade de oxigênio


NEC O2 = 2,5 x 3.691 = 9.228 kg O2

Considerando-se que o sistema de aeração deverá funcionar 24 horas por dia, tem-se:

NEC. O2 = 9.228 /24 = 385 kgO2/h

Considerando-se o emprego de aeradores superficiais de baixa rotação, com capacidade de transferência de oxigênio de 0,9 kg O2 / CV x hora, já nas condições de campo, tem-se a seguinte potência total a ser instalada nos tanques:

PNEC = 385 / 0,9 = 427 CV ou 427 / 4 = 107 CV por tanque (foram considerados quatro tanques de aeração)

Dimensões dos tanques de aeração:

Será considerado o emprego de 04 (quatro) aeradores de 30 CV por tanque de aeração, dispostos em série. Dimensões dos tanques:

Comprimento: 54,0 mLargura: 13,5 mProfundidade útil: 4,0 mProfundidade total: 5,0 m

Volume útil resultante:

Vu = 4,0 x 13,5 x 54,0 = 2.916 m3 por tanque ou 2.916 x 4 = 11.664 m3 (total)

Fator de carga resultante:

f = 3.691 / (11.664 x 4,0) = 0,079 kgDBO/kgSSxdia

Densidade de potência resultante:

dp = (120x 735) / 2.916 = 30 w / m3

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td = 11.664 / (126,6 x 3,6) = 25,6 horas

3) Vazão de retorno de lodo

A vazão de retorno de lodo será estimada considerando-se que o lodo estará sedimentado no fundo do decantador secundário a uma concentração de 8,0 kg/m3 (dado típico). Fazendo-se um balanço de massa de sólidos em suspensão no decantador secundário, desprezando-se a perda com o efluente final, tem-se: ( Q + Qr ) . X = Qr . Xr

Dividindo-se por Q e fazendo-se r = Qr / Q, tem-se:

( 1 + r ) . X = r . Xr

Para X = 4,0 kg/m3 e Xr = 8,0 kg/m3, tem-se r = 1 e Qr = 126,6 L/s(31,65 L/s por módulo)

5) Decantadores secundários

Área superficial:

Adotando-se a taxa de aplicação de sólidos GA = 4,0 kg SS / m2 . h, tem-se a seguinte área superficial necessária de decantadores secundários:

( Q + Qr ) . XGA = As

( Q + Qr ) . XAs = GA

2x126,6x3,6x4,0As = = 911,5 m2

4,0

Deverão ser usados 04 (quatro) decantadores com 17 m de diâmetro.A taxa de escoamento superficial resultante será: QqA = = 126,6 x 3,6 / 911,5 = 12 m3/m2.d As

Volume útil dos decantadores:

Adotando-se a profundidade útil, Hu = 3,5 m tem-se:

Vu = 911,5 x 3,5 = 3.189 m3

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td = 3.189 / (126,6 x 3,6) = 7,0 horas

6) Produção de excesso de lodo biológico:Admitindo-se o coeficiente de produção de lodo X = 0,6 kgSS / Kg DBO, tem-se:

X = 0,6 x 3.691 = 2215 kg SS / dia

Para lodo com 8,0 kgSS/m3 e massa específica 1010 kg/m3, a vazão de excesso de lodo será: 2.215Qlodo = = 274 m3/d 0,008 x 1010


c = V.X / X = (11.664 x 4,0) / 2.215 = 21dias

Exercício de Dimensionamento – Processo de Lodos Ativados com Aeração Prolongada em Bateladas Sequenciais

Dados:

População atendida: 68352 habitantesVazão média de esgotos: 126,6 L/sCarga de DBO: 3691 kg/d

Será considerado o emprego de 04 (quatro) tanques de aeração/decantação.

1) Volume necessário de tanques de aeração/decantação:

O volume necessário de tanques de aeração pode ser calculado pela soma do volume ocupado pelo lodo sedimentado com o volume necessário para receber e tratar os esgotos.

Volume ocupado pelo lodo:

Carga de DBO = 3.691 kg/dia

Considerando-se o fator de carga f = 0, 08 kgDBO / kgSS.d, tem-se a seguinte quantidade (massa) de lodo necessária nos reatores (V.X):

3.691V. X = = 46.138 kg SSTA 0,08

Considerando-se que o lodo estará sedimentado a uma concentração de 8,0 kg/m3, o volume ocupado pelo lodo sedimentado será: VLodo = 46.138 / 8,0 = 5767 m3 ou 5.767 / 4 = 1.442 m3 por tanque

Volume destinado a receber e tratar os esgotos

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Será considerado um ciclo com 06 (seis) horas de duração total, obedecendo ao seguinte esquema operacional:

- Alimentação com aeração: uma hora e trinta minutos- Aeração sem alimentação (reação): duas horas e trinta minutos- Sedimentação: quarenta minutos- Descarga do esgoto tratado: uma hora e vinte minutos

A situação mais desfavorável corresponde à alimentação de um tanque durante uma hora e trinta minutos com a vazão máxima horária e , portanto:

VEsg = 1,5 x (1,8 x 126,6) x 3,6 = 1.230 m3

Conclui-se que cada tanque de aeração deverá possuir volume útil de 1.442 + 1.230 = 2.672 m3. Além disso, costuma-se reservar uma altura adicional de 0,60 m para que a retirada do esgoto decantado não ocorra até a superfície do lodo sedimentado.

Profundidade útil dos tanques de aeração/decantação : 4,0 m Área dos tanques: (1.442 + 1.230) / 3,4 = 786 m2

Relação comprimento/ largura 4/1 (14 m x 56 m) = 784 m2

Volume útil: 784 x 4 = 3.136 m3

Concentração SSTA (X): X = V.X / V = 46.138 / (3.136 /4) = 3,7 kg / m3

2) Necessidade de oxigênio


NEC. O2 = 2,5 x 3.691 = 9.228 kg/dia

Considerando-se que o sistema de aeração deverá funcionar 16 horas por dia, tem-se:

NEC. O2 = 9.228 / 16 = 577 kgO2/h

Considerando-se o emprego de aeradores superficiais de baixa rotação, com capacidade de transferência de oxigênio de 0,9 kg O2 / CV x hora, já nas condições de campo, tem-se a seguinte potência total a ser instalada nos tanques:

PNEC = 577 / 0,9 = 641 CV ou 641 / 4 = 160 CV por tanque (foram considerados quatro tanques de aeração)

6) Produção de excesso de lodo biológico:

Admitindo-se o coeficiente de produção de lodo X = 0,6 kgSS / Kg DBO, tem-se:

X = 0,6 x 3.691 = 2215 kg SS / dia

Para lodo com 8,0 kgSS/m3 e massa específica 1010 kg/m3, a vazão de excesso de lodo será:

2.215

30

Qlodo = = 274 m3/d 0,008 x 1010


c = V.X / X = 46.138 / 2.215 = 21dias

5. Sistemas de Lagoas Aeradas Mecanicamente Seguidas de Lagoas de Decantação


As lagoas aeradas mecanicamente podem ser classificadas como reatores de crescimento em suspensão na massa líquida, sem retenção de biomassa. Da mesma forma que no processo de lodos ativados, ocorre a floculação biológica como resultado da interação entre microrganismos e matéria orgânica, sendo os flocos mantidos em suspensão pela aeração mecânica, que tem por objetivo principal o suprimento de oxigênio para as reações bioquímicas de decomposição de matéria orgânica. Porém, no sistema de lagoas aeradas não há recirculação de biomassa e, desta forma, não há necessidade de decantadores de concreto armado com removedores mecânicos de lodo. Empregam-se como unidades separadoras de sólidos as lagoas de decantação, meras escavações taludadas que têm também por objetivo o armazenamento e a digestão do lodo durante o período entre limpezas, o que ocorre geralmente a cada dois anos ou mais. As próprias lagoas aeradas são também escavações que podem ser revestidas com concreto magro para impedir processos erosivos dos taludes e do solo sob os aeradores. O sistema de aeração pode ser constituído de aeradores superficiais de alta rotação flutuantes ou de ar soprado e difuso distribuído ao longo do fundo das unidades. Deve ser notado que, não havendo reciclagem de células, a concentração de sólidos em suspensão é bem menor do que a dos processos de lodos ativados, o que faz com que as lagoas aeradas sejam proporcionalmente bem maiores que os tanques de aeração dos sistemas de lodos ativados, uma vez que a idade do lodo é praticamente igual ao tempo de detenção hidráulico.O sistema é composto pelo tratamento preliminar, gradeamento e desarenação, seguido das lagoas aeradas mecanicamente e das lagoas de decantação. É necessária a previsão de dispositivos de remoção e secagem do lodo acumulado nas lagoas de decantação. Obedecendo à tendência atual do tratamento de esgotos, é possível a aplicação de tratamento anaeróbio antes das lagoas aeradas, reduzindo-se os custos de energia elétrica para a aeração. Na literatura são descritas duas modalidades de lagoas aeradas mecanicamente: as de mistura completa e as facultativas. Para a ocorrência de mistura completa do conteúdo da lagoa, é necessária a disponibilização de uma densidade de potência de pelo menos 4 w/m3. Empregando-se densidades menores parte do lodo se sedimenta na própria lagoa aerada, entrando em decomposição anaeróbia e tornando-a facultativa. Esta última alternativa não será abordada mais detalhadamente, por apresentar condições operacionais mais desfavoráveis.Os sistemas de lagoas aeradas mecanicamente seguidas de lagoas de decantação demonstram-se viáveis para a aplicação em uma faixa ampla de tamanho de municípios, de pequeno a médio portes. Seus custos de implantação são mais baixos e a operação é mais simples que a dos sistemas de lodos ativados. Por outro lado, ocupam menor área que os sistemas que envolvem lagoas fotossintéticas. É um tratamento bastante objetivo, removendo eficientemente DBO carbonácea, podendo-se obter 90% após a separação de sólidos nas lagoas de decantação. A nitrificação dos esgotos ocorre muito pouco, bem como a eficiência na remoção de coliformes fecais dos esgotos é igualmente baixa.

31

Os custos do tratamento podem ser reduzidos pela introdução de reator anaeróbio antes da lagoa aerada. Também é possível a interrupção do sistema de aeração durante três horas por dia, que deverá coincidir com o período de ponta de consumo de energia. Neste caso a potência ser instalada deverá ser acrescida do fator 24/21 e recomenda-se, por precaução, que neste período não haja descarga da lagoa aerada, devendo-se prever a elevação de alguns centímetros da lâmina líquida (Said, 1998).Na Tabela 9 são apresentadas as principais características dos sistemas de lagoas aeradas mecanicamente seguidas de lagoas de decantação (Alem Sobrinho, 1998).

Tabela 9: características dos sistemas de lagoas aeradas. Fonte: (Alem Sobrinho, 1998).

Características Lagoa aerada aeróbia Lagoa aerada facultativaControle de sólidos Todos os sólidos sem com o

efluente. Necessária separação posterior.

Não se tem controle. Parte sedimenta e parte sai com o efluente final.

Concentração de SST na lagoa

100 - 360 50 – 150

Relação SSV / SST 0,70 a 0,80 (0,75) 0,60 a 0,80Tempo de detenção hidráulica

< 5 dias 5 a 12 dias

Idade do lodo < 5 dias Alta, devido à sedimentação de parte do lodo.

Eficiência na remoção de DBO

50 a 60% só lagoa aerada. 90% com pós-separação de

sólidos.

70 a 80 %

Nitrificação Praticamente nula Praticamente nulaRemoção de coliformes Muito pobre PobreProfundidade da lagoa 2,5 a 5,0 m 2,5 a 5,0 mDensidade de potência mínima

> 3 watts/m3 para impedir a sedimentação

> 0,75 watts/m3 para garantir difusão uniforme de O2

5.2. Cinética do Processo

As lagoas aeradas mecanicamente podem ser classificadas como reatores de mistura completa sem recirculação de biomassa. Fazendo-se um balanço de massa de substrato ao longo da lagoa, considerando-se regime estabilizado, tem-se:

Q.So + Q.Se - V.S / t = 0 ou:

S / t = (So - Se).Q/V

Mas S / t = K.X.Se / (Ks + Se) (Modelo de Monod), onde K representa a máxima taxa de utilização de substrato por unidade de massa de microrganismos e de tempo ( em tempo-1) e Ks é a constante de saturação, isto é, a concentração de substrato para a qual a taxa de utilização de substrato por unidade de massa de microrganismos é a metade de K (massa/volume).

E portanto, (So - Se).Q/V = K.X.Se / (Ks + Se)

Sendo Q/V o tempo de detenção hidráulica, td, tem-se:

32

So - Se K.Se

= td . X Ks + Se Considerando-se Ks >>> Se, tem-se:

So - Se K.Se

= td . X Ks Fazendo-se K/Ks = k, onde k representa o coeficiente da taxa específica de remoção de substrato (expresso em L/mg.dia), tem-se:

So - Se = k.Se ou: td . X So - Se

= k.X.Se td Fazendo-se k = k.X (k é o coeficiente da taxa global de remoção de substrato (em tempo –1), tem-se:

So - Se = k.Se td Fazendo-se um balanço de massa de microrganismos (SSV) em torno da lagoa aerada, considerando-se regime estabilizado (X/t = 0), tem-se:

V.X/t = Y.Q.(So - Se) - kd.X.V - Q.X

Nesta equação, Y representa o coeficiente de síntese celular e kd o coeficiente de respiração endógena.

0 = Y.Q.(So - Se) - kd.X.V - Q.X

Q.X = Y.Q.(So - Se) - kd.X.V

Y.(So - Se) X = 1 + kd.t

Combinando-se esta equação com a anteriormente obtida através do balanço de massa de substrato,

So - Se = k.Se , tem-se: td . X 1 + kd.tSe = ou Y.k.t

33

1t = Y.k.Se - kd

Na Tabela 10 são apresentados valores de parâmetros determinados para lagoas aeradas tratando esgotos sanitários:

Tabela 10: Valores típicos dos coeficientes cinéticos para lagoas aeradas tratando esgoto doméstico a 20oC (Alem Sobrinho, 1998).

Autor k(L/mg.dia)

k = k.Xv(dia-1)

Y(kgSSV/kgDBOremov.)

kd

(dia-1)

METCALF & EDDY

2 - 10 0,4 – 0,8 0,025 – 0,10,025 – 0,04

McKINNEY 0,08 0,5 0,2VALÊNCIA 0,49 – 0,64 0,005YÁNEZ 0,35 – 0,65 0,08 – 0,14CRWR (*) 0,21 8,0 0,65 0,075BALASHA 0,031 6,7 0,60 0,06ARCEIVALA 0,017 - 0,038 0,5 – 0,7 0,075 –

0,0125ALEM & MUNÕZ

0,052 0,7 0,08

(*) Center for Research in Water Resource – Austin – Texas

Necessidade de oxigênio

A necessidade de oxigênio para a oxidação do substrato e para satisfazer o metabolismo endógeno, pode ser expressa globalmente por:

NecO2 = a.Q.(So - Se), onde a é o coeficiente global de utilização de oxigênio, variando entre 1,0 e 1,3 kgO2/kgDBO

Estimativa da temperatura da lagoa aerada

A temperatura do líquido da lagoa aerada pode ser estimada em função das suas dimensões, da temperatura dos esgotos e da temperatura do ar, através de:

A.f.Ta + Q.TTL = , onde: A.f + Q

t: tempo de detenção (dias)h: profundidade da lagoa (m)A: área superficial da lagoa (m2)Q: Vazão de esgotos (m3/dia)T: temperatura do esgoto afluente (oC)Ta: temperatura média mensal do ar (oC)TL: temperatura da lagoa (oC)

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f: coeficiente de troca de calor (m/dia). Para lagoas aeradas, o valor de f utilizado é 0,49 m/dia.

As estimativas devem ser feitas para o mês mais frio do ano em que, no Estado de São Paulo, a temperatura dos esgotos é da ordem de 20oC.

5.3. Exemplo de Dimensionamento: Sistema com Lagoa Aerada Aeróbia Seguida de Lagoa de Decantação

População atendida: 68.350 habitantesCarga de DBO: 3.691 kg/diaVazão média de esgotos: 126,6 L/s

A-) Lagoas Aeradas Aeróbias

Adotando-se o tempo de detenção hidráulico de 3,0 dias, o volume útil necessário de lagoas aeradas é:

VL.AER =3,0 x 126,6 x 86,4 = 32.815 m3

Serão considerados dois módulos em paralelo de lagoas aeradas seguidas de lagoas de decantação. O volume útil necessário de lagoa aerada por módulo será:

VL.AER = 32.815 / 2 = 16.408 m3

Sistema de Aeração

A necessidade de oxigênio é estimada em 1,3 kg O2 / kg DBO. Considerando-se o funcionamento dos aeradores durante 24 horas por dia, tem-se:

NECO2 = 1,3 x 3.691 / 24 = 200 kg O2 / hora

Será considerado o emprego de aeradores flutuantes de alta rotação, com capacidade de transferência de oxigênio, em condições de campo, estimada em 0,65 kg O2 / CV x hora.

Potência Necessária:

PNEC = 200 / 0,65 = 308 CV (total) ou 154 CV por lagoa

Profundidade útil adotada: Hu = 4,0 m

Área à meia profundidade de cada lagoa: A1/2Prof = 16.804 / 4,0 = 4.102 m2

Cada lagoa deverá portar 06 (seis) aeradores de 25 CV de potência do motor cada, perfazendo uma potência instalada de 150 CV por lagoa e potência total de 300 CV.

Considerando-se duas fileiras com três aeradores em cada lagoa, a relação comprimento/largura das lagoas aeradas será de 1,5 / 1,0.

Dimensões à meia profundidade:

Comprimento: 78,50 m

35

Largura: 52,30 mBorda livre: 0,60 mInclinação dos taludes: 1(V) / 2(H)

Principais dimensões das lagoas aeradas aeróbias:

Dimensão Comprimento (m) Largura (m)Terreno 88,90 62,70

Espelho de água 86,50 60,30Meia profundidade 78,50 52,30

Fundo 70,50 44,30

B-) Lagoas de Decantação

Adotando-se o tempo de detenção hidráulico de dois dias tem-se:

VL.DEC = 2,0 x 126,6 x 86,4 = 21.876 m3

Considerando-se o emprego de duas lagoas de decantação:

VL.DEC = 21.876 / 2 = 10.938 m3 (cada lagoa)

Profundidade útil adotada: Hu = 3,50 m

Área de cada lagoa de decantação: A1/2Prof = 10.938 / 3,50 = 3.125 m2

Dimensões à meia profundidade:

Comprimento: 79,00 m

Largura: 39,50 m

Borda livre: 0,60 m

Inclinação dos taludes: 1(V) / 2(H)

Principais dimensões das lagoas de decantação



Fundo 72,00 32,506. Sistemas de Lagoas de Estabilização


As lagoas de estabilização são tanques construídos em terra de forma a receber os esgotos continuamente, garantindo elevados tempos de retenção destes e propiciando mecanismos naturais para a degradação de matéria orgânica e para a redução da concentração de microrganismos. Não há introdução artificial de oxigênio ou aeração eletro-mecânica.

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As lagoas de estabilização podem ser classificadas em anaeróbias, facultativas e de maturação. As lagoas anaeróbias são escavações mais profundas, com altura útil variando na faixa de 3 a 5 metros, retendo os esgotos durante 4 a 6 dias. Nestas condições, garante-se a anaerobiose, uma vez que a penetração de luz e a sobrevivência de algas só é possível e de forma bastante limitada apenas em estreita camada superficial. Por outro lado, a taxa de aplicação de matéria orgânica é forçada, provocando o rápido esgotamento do oxigênio que por ventura esteja presente nos esgotos afluentes. Para as nossas condições de temperatura e para as demais anteriormente citadas, obtêm-se eficiências na remoção da DBO5 dos esgotos da ordem de 40 a 60 %.As lagoas facultativas são escavações mais rasas, com profundidades típicas na faixa de 1,5 a 2,0 m e áreas de espelho de água relativamente maiores do que as das anaeróbias. Os sólidos sedimentáveis presentes nos esgotos depositam-se no fundo das lagoas facultativas, entrando em decomposição anaeróbia. A matéria orgânica solúvel mantém-se na massa líquida, sofrendo decomposição aeróbia pela ação de microrganismos heterotróficos, que aproveitam o oxigênio liberado pela fotossíntese de algas bem como decorrente da ventilação superficial. O gás carbônico resultante da decomposição da matéria orgânica é utilizado como matéria prima para o processo fotossintético, fechando o ciclo da simbiose que caracteriza o processo. Estas lagoas, em condições normais deoperação, são capazes de propiciar eficiências na remoção de DBO5 superiores a 80 %.As lagoas de estabilização começaram a ser usadas nos Estados Unidos no início do século XX. No Brasil, o primeiro sistema construído data de 1965, em São José dos Campos/SP.Como vantagens do emprego de sistemas de lagoas de estabilização podem ser listados: O baixo custo de implantação do sistema, exceto se a área for muito valorizada ou se houver necessidade de substituição de solo; a operação é bastante simples, sendo bastante adequados para pequenas populações onde as companhias possuem menores recursos; o projeto é bastante simples e o terreno reaproveitável. Como principais desvantagens podem ser listadas a exigência de áreas relativamente grandes, a presença de elevadas concentrações de algas no efluente final e a exalação de maus odores pelas lagoas anaeróbias.Dois principais arranjos podem ser utilizados. O denominado sistema australiano é constituído do tratamento preliminar, seguido de lagoas anaeróbias, facultativas e de maturação. No sistema com lagoa facultativa primária, não se inclui lagoas anaeróbias. Com isso o sistema ocupa maior área, mas evita-se as possibilidades de exalação de maus odores das lagoas anaeróbias.

6.2. Lagoas Anaeróbias

São escavações com profundidade útil na faixa de 3 a 5 metros, recebendo carga contínua de esgoto de modo a manter condições de anaerobiose. A matéria orgânica é convertida primeiramente por bactérias facultativas a ácidos voláteis, como o ácido acético, e depois é definitivamente oxidada a metano e gás carbônico por bactérias anaeróbias estritas. O nitrogênio orgânico é oxidado a nitrogênio amoniacal e o nitrato pode ser reduzido a nitrogênio molecular, N2 gasoso. Os fosfatos orgânicos são oxidados a ortofosfatos. A geração de maus odores ocorrem com a redução de sulfato a sulfeto, promovendo a liberação do gás sulfídrico, H2S.No dimensionamento das lagoas anaeróbias, recomendam-se tempos de detenção hidráulicos na faixa de 3 a 6 dias, dependendo da temperatura local. A taxa de aplicação volumétrica de DBO deverá situar-se entre 0,1 e 0,4 kg DBO /m3 x dia e a taxa de aplicação superficial de DBO deverá ser superior a 1000 kg DBO / ha x dia, para que se garanta anaerobiose. Nestas condições, eficiências na remoção de DBO na faixa de 40 a 60 % podem ser esperadas.

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Nos projetos, deve-se garantir a distribuição das entradas e das saídas dos esgotos, dificultando-se a ocorrência de caminhos preferenciais. O rebaixo adicional do fundo da lagoa até cerca de ¼ de seu comprimento resulta em um ganho de volume para acúmulo de lodo. A inclinação dos taludes a ser estabelecida depende dos estudos geotécnicos a serem feitos preliminarmente.

6.3. Lagoas Facultativas Fotossintéticas

As lagoas facultativas são escavações com profundidades úteis na faixa de 1,5 a 2,0 metros, permitindo a penetração de luz e a produção de oxigênio via fotossíntese em quase toda sua extensão, utilizado pelos microrganismos heterotróficos na decomposição de matéria orgânica. Parte dos sólidos dos esgotos se sedimenta e entra em decomposição anaeróbia no fundo da lagoa, o que a torna facultativa. A ação de ventos sobre a superfície das lagoas também é importante para a oxigenação, o que torna desejável a manutenção de uma área livre em torno das lagoas. Na figura a seguir representam-se os principais mecanismos que ocorrem nas lagoas facultativas fotossintéticas.

Dimensionamento das Lagos Facultativas

Muitas formulações são propostas na literatura para o dimensionamento de lagoas. Porém muitas são experimentais e provenientes de regiões diferentes como Estados Unidos, Austrália e África do Sul. Tais fórmulas remetem a resultados diferentes, sendo preferível o uso de critérios com base local. No Brasil, a CETESB desenvolveu uma adaptação da fórmula de Mc Garry & Pescod, a partir de levantamentos em sistemas de lagoas existentes no Estado de São Paulo, chegando a relações específicas para lagoas facultativas primárias ou secundárias.

Dimensionamento de Lagoas Facultativas Primárias

Taxa de aplicação superficial limite de DBO (L):

L = 20 x T - 60

onde T representa a temperatura média do ar do mês mais frio do ano.

A profundidade típica das lagoas facultativas primárias é de 1,80 m, podendo-se acrescentar um rebaixo de 0,5 m no quarto inicial do comprimento para acúmulo de lodo, uma vez que neste arranjo não se incluem lagoas anaeróbias à montante. A relação comprimento/largura varia normalmente na faixa de 3/1 a 5/1, embora esses limites possam ser ultrapassados.

Dimensionamento de Lagoas Facultativas Secundárias

Taxa de aplicação superficial limite de DBO (L):

L = 14 x T - 40

A profundidade típica das lagoas facultativas secundárias é de 1,50 m.

Eficiência dos Sistemas de Lagoas de Estabilização

38

Até as lagoas facultativas, os sistemas apresentam eficiências na remoção de DBO5

ligeiramente superiores a 80%, com DBO5 dos efluentes inferiores a 60 mg/L. A eficiência típica na remoção de coliformes fecais é de 99%, com efluentes com concentrações da ordem de 105 CF/100 mL. A concentração de nitrogênio amoniacal pode ser superior à 10 a 15 mg/L e a de fósforo total superior a 3 mgP/L Devido aos tempos de retenção elevados, o processo é bioquimicamente estável. Porém, os efluentes das lagoas facultativas sofrem variações de qualidade devido às mudanças na direção dos ventos e consequências sobre o acúmulo de algas na região da saída da lagoa.

6.4. Lagoas de Maturação

São escavações com profundidades inferiores a 1,0 m, permitindo elevados tempos de detenção dos esgotos e o decaimento dos coliformes devido à incidência da radiação ultravioleta da luz solar. Os efluentes das lagoas facultativas são mais clarificados e assim ocorre boa penetração de luz. A baixa concentração de matéria orgânica biodegradável contribui para o decaimento por metabolismo endógeno. Promove boa nitrificação dos esgotos e pequeno aumento na remoção de DBO5. Obtém-se normalmente eficiências na remoção de coliformes fecais superiores a 99,99%, com efluentes com concentrações de coliformes fecais inferiores a 103CF/100 mL. Em áreas densamente habitadas pode ser difícil a existência de área suficiente para a implantação de lagoas de maturação. Um tempo de detenção típico é de 7 dias para a obtenção das eficiências mencionadas, devendo-se recorrer aos modelos de decaimento de coliformes e aos padrões do corpo receptor para a definição do tempo de detenção hidráulico necessário.

Modelos de Decaimento de Coliformes

O modelo mais simples para as estimativas de redução dos índices de coliformes é o de mistura completa. Considerando-se a reação de inativação de primeira ordem, tem-se:

N = No / ( 1 + kb x t ), onde:

N : Concentração de coliformes nos efluentes da lagoa;No: Concentração de coliformes nos esgotos afluentes à lagoa;t: Tempo de detenção hidráulico;kb: Constante da velocidade da reação

Um valor típico de kb a 20oC é 2,61 d-1. Para outras temperaturas tem-se:

kbToC = kb20oC x 1,07(T – 20)

Avaliação da Eficiência de Lagoas de Estabilização pelo Modelo de Carga Parcialmente Dispersa

4 . a . e1/2d

N / No = , onde: ( 1 + a )2 . ea/2d - ( 1 - a )2 . e-a/2d

a = ( 1 + 4.k.t.d )1/2 , onde:

k: constante da velocidade da reação, em d-1

t: tempo de detenção hidráulico, em dias

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d: fator de dispersão, adimensional

Uma das proposições para o cálculo do fator de dispersão foi feita por Yánez (1993): ( L / B ) d = , onde: - 0,261 + 0,254 .(L/B) + 1,014.(L/B)2

L: comprimento da lagoaB: largura da lagoa

Para a remoção de DBO em lagoas facultativas têm-se proposto k variando entre 0,13 e 0,17 d-1 a 20oC, propondo-se para a correção de k em função da temperatura:

kToC = k20oC . 1,035(T – 20)

Para a remoção de coliformes, recomenda-se k variando entre 0,2 e 0,4 d -1 para lagoas facultativas e entre 0,3 e 0,8 d-1 para lagoas de maturação. Para outras temperaturas, corrigir o valor de k através de:

kToC = k20oC . 1,07(T – 20)

6.5. Exemplo de Dimensionamento: Sistemas de Lagoas de Estabilização

Dados:

População atendida: 68.350 habitantesCarga de DBO: 3.691 kg/diaVazão média de esgotos: 126,6 L/s

A-) Sistema Australiano

A-1) Lagoas Anaeróbias:

Adotando-se o tempo de detenção hidráulico, com base na vazão média de esgotos, igual a 4 dias, tem-se o seguinte volume útil necessário de lagoas anaeróbias:

Qméd = 126,6 L/s

td = 4 dias VL.AN. = 4,0 x 126,6 x 86,4 = 43.753 m3 (total de lagoas)

Considerando-se três módulos de lagoas operando em paralelo, em função da disposição do terreno e da etapalização da implantação do sistema de tratamento, tem-se:

VL. AN = 43.753 / 3 = 14.584 m3 (cada lagoa)

Profundidade útil adotada: 4,0 mÁrea à meia profundidade: A1/2Prof = 14.584 / 4 = 3.646 m2

Relação comprimento/largura adotado: L/B = 2/1Dimensões à meia profundidade: (85,4 x 42,7) mInclinação dos taludes: 1(V) / 2(H) (adotado em função das características do terreno)Borda livre adotada: 0,60 m

Principais dimensões das lagoas anaeróbias:

40



Fundo 77,4 34,7

Taxa de aplicação volumétrica de DBO resultante: V = 3.691 / 43.753 = 0.085 kg DBO/m3.dia

Taxa de aplicação superficial de DBO resultante:

S = 3.691 x 104 / 3,0 x 93,4 x 50,7 = 2.598 kg DBO / ha.dia

Eficiência na remoção de DBO: 50%Carga de DBO residual para as lagoas facultativas:Carga DBO = 0,5 x 3.691 = 1.846 kg/dia

A-2) Lagoas Facultativas Fotossintéticas:

Taxa de aplicação superficial limite de DBO:

L = 14 . T - 40

Considerando-se T = 15oC L = 170 kgDBO/haxdiaÁrea mínima necessária de lagoas facultativas:

AL.FAC = 1.846 / 170 = 10,86 ha

Número de lagoas facultativas: 03 (em paralelo)Área do espelho de água por lagoa:AL.FAC = 3,62 ha (por lagoa)Relação comprimento/largura adotada em função das características da área: L/B = 3/1Comprimento do espelho de água: 330 mLargura do espelho de água: 110 mBorda livre: 0,6 mInclinação dos taludes: 1 (V) / 2 (H)

Principais dimensões das lagoas facultativas secundárias:



Fundo 324,00 104,00

A-3) Lagoas de maturação

Adotando-se o tempo de detenção hidráulico de 7,0 dias, tem-se o seguinte volume útil necessário de lagoas de maturação:

41

Vu = 7,0 x 126,6 x 86,4 =76.568 m3 (três lagoas de 25.523 m3 cada)

Adotando-se a profundidade útil de 1,0 m, á área à meia profundidade será:

A1/2Prof = 25.523 m2

Considerando-se relação comprimento/largura de 5/1, tem-se as seguintes dimensões das lagoas facultativas à meia profundidade:

Comprimento: 357,5 mLargura: 71,5 mBorda livre: 0,60 mInclinação dos taludes: 1(V) / 2(H) Principais dimensões das lagoas de maturação:



Fundo 355,50 69,50

B) Lagoas Facultativas Primárias

Carga de DBO: 3.691 kg/diaTaxa de aplicação superficial limite de DBO:

L = 20.T – 60 Para T = 15oC L = 240 kg DBO/ha.diaÁrea superficial mínima necessária:

As = 3.691 / 240 = 15,4 ha ou As = 15,4 / 3 = 5,1 ha (cada lagoa)

Relação comprimento/largura adotada: L/B = 3/1Dimensões do espelho de água:Comprimento: 392,20 mLargura: 130,70 mBorda livre: 0,60 mInclinação dos taludes: 1(V) / 2(H)

Principais dimensões das lagoas facultativas fotossintéticas primárias:



Fundo 385,00 123,50

42

7. Filtros Biológicos Aeróbios


Os filtros biológicos aeróbios podem ser classificados como reatores de leito fixo e com retenção de biomassa. São preenchidos com um meio inerte, geralmente pedra ou material plástico, sobre a superfície dos quais a biomassa responsável pela depuração do esgoto cresce aderida. Desta forma, garante-se a diferenciação entre o tempo de retenção hidráulica, que é de apenas algumas horas, do tempo de residência celular, mantido na ordem de dias.O esgoto é recalcado para a superfície dos filtros, onde se posiciona o distribuidor rotativo, cuja função é garantir o umedecimento uniforme de toda a área do filtro. Em seguida, percola sobre o material de enchimento, sem provocar afogamento. Utiliza-se brita No 4 ou material plástico, que pode ser na forma de blocos estruturados ou de anéis lançados aleatoriamente nos filtros. A matéria orgânica dos esgotos pode penetrar na película biológica (ou biofilme) que se forma em torno do enchimento, conjuntamente com o ar que circula em contra-corrente a partir de janelas para a ventilação posicionadas na parte inferior do filtro. O material de enchimento apóia-se sobre um fundo falso, constituído de lajotas perfuradas, que garante a drenagem do esgoto tratado. Há a necessidade de separação de sólidos que se desprendem do biofilme, mediante a passagem dos efluentes do filtro por decantadores secundários. Não há necessidade de retorno de lodo e sim de efluente tratado para a entrada dos filtros, evitando a proliferação de moscas (Psychoda Alternata) e que o biofilme perca excessivamente a umidade nos períodos noturnos de baixa vazão.A concepção tradicional envolvendo o emprego de filtros biológicos aeróbios é semelhante à do processo de lodos ativados convencional. O sistema é constituído do tratamento preliminar, grade e caixa de areia, decantadores primários, filtros biológicos substituindo os tanques de aeração, decantadores secundários e a linha de tratamento de lodo, adensamento digestão e secagem. Após o advento dos reatores anaeróbios de fluxo ascendente e manto de lodo (reatores UASB), estas unidades passaram a constituir-se em opção importante em substituição aos decantadores primários, podendo também receber o excesso de lodo dos filtros biológicos para complementar a mineralização, dispensando os digestores de lodo.Recentemente foram desenvolvidas novas modalidades de filtros, os chamados biofiltros aerados de leito submerso. Estes filtros diferem dos tradicionais principalmente pela manutenção do leito afogado e pela inclusão de sistema de aeração por meio de soprador e difusores de bolha grossa ou tubos perfurados. Além de eficiência elevada na remoção da matéria orgânica carbonácea dos esgotos, as unidades podem ser dimensionadas de forma a garantir bons níveis de nitrificação dos esgotos. Complementando o trata,mento de efluentes de reatores UASB, os biofiltros aerados podem representar alternativa com boas possibilidades de ser viabilizada para o atendimento à comunidades de diferentes portes. Os esgotos tratados são bem clarificados e esta condição garante eficiência na desinfecção final através de cloração ou de aplicação de radiação ultravioleta, dentre outras técnicas.

7.2. Bioquímica e Microbiologia

À medida que o esgoto percola pelo filtro, ocorre a penetração do substrato e do oxigênio no biofilme, onde ocorrem as reações de decomposição de matéria orgânica, sendo os subprodutos lançados em contra-corrente. Em função do alimento consumido, dá-se o crescimento celular e o da espessura da película biológica, o que faz com que os

43

microrganismos mais internos sofram limitações no suprimento de alimento ou de oxigênio, entrando em fase endógena ou anaerobiose. Assim, perdem a capacidade de aderência ao meio suporte, de forma a provocar o desprendimento de pedaços de biofilme, gerando o excesso de lodo biológico e mantendo o equilíbrio da película.O processo é essencialmente aeróbio e a reação de decomposição da matéria orgânica pode ser simplificadamente expressa por::

(CH2O)X + O2 CO2 + H2O + (CH2O)Y

Onde (CH2O)X representa a matéria orgânica biodegradável dos esgotos e (CH2O)Y o crescimento celular resultante. Assim como no processo de lodos ativados convencional, a produção de lodo nos sistemas de filtros biológicos é da ordem de 0,75 kg SS / kg DBO aplicada. Na parte interna do biofilme ocorre anaerobiose, representada simplificadamente por:

(CH2O)X CH4 + CO2 + H2O + (CH2O)Y + H2 + H3C-COOH +

Os grupos de microrganismos que participam do processo de filtros biológicos são semelhantes aos dos sistemas de lodos ativados. Na parte externa do biofilme predominam bactérias boas formadoras de flocos como aerobacter, flavobacter, pseudomonas e alcalígenes. Na parte interna do biofilme, predominam microrganismos que, em sistemas de lodos ativados, seriam causadores de má floculação como sphaerotilus natans, nocárdia e beggiatoa. As bactérias nitrificadoras, Nitrossomonas e Nitrobacter podem aparecer na parte baixa dos filtros descendentes, onde se verificam baixa DBO carbonácea e elevada concentração de oxigênio dissolvido (uma vez que a ventilação dá-se em contra-corrente), requisitos essenciais para a nitrificação. Fungos como o Mucor, Penicillium e Fusarium também tormam parte do processo. Complementam o ecossistema de filtros biológicos protozoários como os ciliados Opercularia, Epystilis e Vorticella, além de micrometazoários como os rotíferos. Algas podem aparecer na parte superior do filtro, aberta e exposta à luz solar. Alí também se hospedam verrnes, caramujos e larvas de insetos.

7.3. Equações que Governam o Processo

Nos filtros biológicos aeróbios convencionais, a DBO dos esgotos decresce exponencialmente ao longo da profundidade, dependendo principalmente da taxa de aplicação e das características do material de enchimento. As formulações que representam esta transformação têm por concepção geral:

Sh / So = 10-k.h.(A/Q)^n

Onde:

Sh e So : Concentração de substrato (DBO) à profundidade h e à entrada do filtro, mg/Lk : Constante da velocidade de remoção de substrato, d-1

h : Profundidade do leito, mA : Área do filtro,m2

Q : Vazão afluente aos filtros, m3/dn : Característica do material de enchimento, n = 0,44 para pedras e 0,67 para anéis plásticos.

44

A constante da velocidade de remoção de substrato (k) varia entre 0,12 e 0,2 d -1 para esgoto sanitário a 20oC. Para outras temperaturas corrige-se k através de:

kToC = k20oC * 1,08(T – 20)

Para a obtenção da constante da velocidade de degradação de determinado substrato poder-se-ia conduzir experimento em unidade de fluxo contínuo, determinando-se o valor médio da DBO em diferentes pontos ao longo da profundidade do filtro. Escrevendo-se a equação anterior de forma invertida:

So / Sh = 10k.h.(A/Q)^n

Extraindo-se o logarítmo de ambos os membros da equação acima, tem-se:

log (So / Sh) = k.h.(A/Q)n

Portanto, lançando-se em gráfico log (So / Sh) contra h.(A/Q)n tem-se uma reta cujo coeficiente angular corresponde ao valor de k.

Eckenfelder propôs a inclusão da influência da área superficial específica do material de enchimento, através de:

Sh / So = 10-K.h.(Sa^m).(A/Q)^n

Onde:

K: Constante da velocidade da reação, m/dh: profundidade do leito, mQ: Vazão, m3/dA: Área superficial do filtro, m2

Sa : Área superficial específica do material de enchimento, m2/m3

m e n : Características do material de enchimento. Metcalf & Eddy recomendam usar m = n = 1, caso não se tenham dados mais específicos.

Existem fórmulas que se revestem de importância apenas histórica, como a do NRC – National Research Council, desenvolvida a partir dos resultados operacionais de filtros biológicos usados pelo exército americano, válida para esgoto doméstico preenchido com pedras, a 20oC:

a) Sem recirculação de esgoto tratado à entrada do filtro:EDBO (%) = 100 / [1 + 0,433 * (W/V)1/2]

Onde:

EDBO (%) = Eficiência na remoção de DBO, em porcentagemW = Carga de DBO aplicada ao filtro, em kg/diaV = Volume do filtro, em m3

b) Com recirculação:

EDBO (%) = 100 / [1 + 0,433 * (W / V*F)1/2]

Onde:

F = ( 1 + r ) / ( 1 + 0,1*r2 ) onde r = Qr / QEDBO (%) = Eficiência na remoção de DBO, em porcentagem

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W = Carga de DBO aplicada ao filtro, em kg/diaV = Volume do filtro, em m3

7.4. Classificação dos Filtros Biológicos Aeróbios

Os filtros biológicos aeróbios são classificados de acordo com as taxas de aplicação orgânica ou hidráulica. Na Tabela 11 são apresentadas as principais características de cada uma das categorias de sistema de filtros biológicos:

Tabela 11: Classificação dos filtros biológicos aeróbios. Fonte: Alem Sobrinho (1986).

Característica Baixa Taxa TaxaIntermediária

Alta Taxa Torre Biológica(taxa superalta)

Taxa de Aplic. Hidráulica(m3/m2/dia)

1 - 4 4 - 10 10 - 40 40 – 200

Taxa de Aplic.Vol. de DBO

(kgDBO/m3/dia)

0,08 – 0,32 0,24 – 0,48 0,32 – 1,00 0,8 – 6,0

Profundidade do

Leito (m)

1,5 – 3,0 1,25 – 2,25 1,0 – 3,0 4,5 – 12,0

Material deEnchimento

pedra pedra pedra/plástico plástico

Fator de Reciclo ( r = Qr / Q)

0 0 - 1 1 - 3 1 - 4

Consumo deEnergia (W/m3)

2 – 4 2 - 8 6 - 10 10 - 20

Problemas com Moscas

grande pequeno raro nenhum

Os filtros de alta taxa são os que apresentam maior oportunidade de uso, sendo competitivos com os sistemas de lodos ativados. Quando preenchidos com pedras, tem-se procurado manter taxas de aplicação volumétrica da ordem de 0,8 kgDBO/m3/dia e taxas de aplicação hidráulica da ordem de 20 m3/m2/dia, com base na vazão média de esgotos. Quando preenchidos com material plástico, costuma-se admitir até 1,2 a 1,3 kgDBO/m3/dia e até cerca de 30 m3/m2/dia. Isto significa que os filtros preenchidos com material plástico são proporcionalmente menores do que os prenchidos com pedras, além de poderem ser construídos com estruturas mais leves, o que certamente deverá ser levado em consideração nos estudos de alternativas. Isto se deve às melhores características do enchimento plástico, como maior área superficial específica, maior porosidade e menor massa específica, conforme relatado por Metcalf & Eddy (1991):

Tabela 11: Características do material de enchimento. Fonte: Metcalf & Eddy (1991)

Característica/Material

Área superficial específica (m2/m3)

Massa específica(kg/m3)

Porosidade

Pedras 50 - 70 800 - 1450 40 - 60Plástico 100 - 200 30 - 100 94 - 97

A área superficial específica do material de enchimento é uma característica muito importante para o estabelecimento das cargas admissíveis e para a definição das

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respectivas eficiências que podem ser esperadas. A forma conceitualmente mais correta de previsão das cargas afluentes aos filtros é a partir da sua relação com a área total disponível para a formação de biofilme. Para a manutenção de eficiências elevadas na remoção de matéria orgânica, admite-se a aplicação de 15 a 18 gDBO/m2/dia. 7.5. Recirculação de esgoto tratado para a entrada dos filtros biológicos

Visando a uniformização da carga hidráulica afluentes aos filtros biológicos de alta taxa, deve-se proceder a recirculação de parte da vazão de esgoto tratado para a entrada dos filtros. Em estudos realizados pela CETESB, concluiu-se que o fator de recirculação a ser utilizado é aquele que conduza a uma DBO de entrada nos filtros da ordem de 100 mg/L.

Balanço de massa na entrada do filtro:

Q * So + Qr * Se = ( Q + Qr ) * Si

Onde:

So = DBO do esgoto afluente ao filtro biológico, antes da mistura com o recicloSe = DBO do efluente final, após o decantador secundárioSi = DBO do esgoto afluente ao filtro biológico, depois da mistura com o recicloQ = Vazão média de esgoto sanitárioQr = Vazão de recirculação de esgoto tratado

Dividindo-se pela vazão média de esgotos (Q):

So + r * Se = Si * ( 1 + r )

Si = ( So + r * Se ) / ( 1 + r )

Para esgotos com DBO em torno de 300 mg/L, após o decantador primário a DBO será um pouco superior a 200 mg/L e, para que seja diluído a 100 mg/L com o efluente final que possui DBO na faixa de 20 a 30 mg/L, o fator de recirculação será da ordem de 1, ou seja, a vazão de recirculação é aproximadamente igual à vazão média de esgotos.Deve ser observado que, quando os filtros biológicos são precedidos de tratamento anaeróbio como, por exemplo, por reator UASB, a DBO dos esgotos à entrada dos filtros biológicos já é da ordem de 100 mg/L e, segundo este critério, deve-se dispensar a vazão de recirculação de efluente final.

7.6. Exercício de Dimensionamento – Filtro Biológico Aeróbio de Alta Taxa

Dados: População atendida: 38.900 hab Carga de DBO dos esgotos: 2100 kg/dia Vazão média de esgotos: 101,7 L/s = 366m3/h = 8789 m3/dia

a) Determinação da vazão de recirculação

Admitindo-se a DBO dos esgotos à entrada dos filtros, após a mistura com o fluxo de recirculação, Si = 100 mg/L e a DBO dos efluentes finais, Se = 20 mg/L, tem-se:

Si = ( So + r * Se ) / ( 1 + r )

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100 = ( So + r * 20 ) / ( 1 + r )

DBO dos esgotos: 2.100 / 8789 = 0,239 kg/m3 = 239 mg/LEficiência dos decantadores primários na remoção de DBO: 30%DBO dos esgotos à entrada dos filtros: So = 0,7 x 239 = 167 mg/LPortanto,r = 0,84 Qr = 85,2L/s = 307 m 3/h = 7.361 m3/dia

b) Determinação da carga de DBO afluente aos filtros:Carga DBO = ( Q + Qr ) * Si = ( 8789 + 7361 ) * 0,1 kg/m3 = 1617 kg/dia c) Determinação do volume útil Considerando-se enchimento de plástico, será usada a taxa de aplicação volumétrica de DBO de 1,2 kg/m3/d. O volume útil de filtros necessário será:

VF.B. = 1617 / 1,2 = 1348 m3

Considerando-se a profundidade do útil de 2,70 m, a área necessária será:

AF.B. = 1348 / 2,70 = 500 m2

Deverão ser utilizados dois filtros de 18 m de diâmetro, perfazendo a área de 254,5 m 2 e volume de 687 m3 por filtro.

d) Verificação da taxa de escoamento superficial, com base na vazão média de esgotos:

Qméd. / As = (8789 + 7361) / 509 = 31,8 m3/m2/d

e) Área necessária de aberturas para ventilação:

Aabert = 0,01 * AF.B. = 0,01 * 254,5 = 2,55 m2

f) Área de drenagem dos esgotos à saída do filtro:

Adren = 0,15 * AF.B. = 0,15 * 254,5 = 38,2m2

8. Tratamento Anaeróbio de Esgotos


O tratamento anaeróbio de esgoto vem sendo utilizado há muito tempo na forma de fossas sépticas ou de lagoas. Além disso, registra-se o emprego de digestores anaeróbios de lodo, principalmente tratando excesso de lodos ativados. Todos esses reatores são desprovidos de mecanismo de retenção de biomassa, o que significa que são necessários grandes volumes para que se consiga eficiência razoável no tratamento de grandes vazões de esgotos. Para tornar o sistema competitivo com os aeróbios no tratamento de esgotos e não apenas excesso de lodo, havia que se desenvolver tal mecanismo, o que começou a ocorrer mais intensamente a partir dos anos 70. Uma idéia foi implantar o sistema de “lodos ativados anaeróbio”, acoplando-se o decantador ao reator anaeróbio que recebe

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lodo retornado a partir do fundo do decantador. O sistema, conhecido por processo anaeróbio de estabilização por contato, funciona razoavelmente bem, conforme resultados obtidos no tratamento de efluentes de indústrias alimentícias nos Estados Unidos, com eficiências na remoção de DBO superiores à 80%. A flutuação de lodo nos decantadores, devido ao aprisionamento das bolhas de gases resultantes da digestão anaeróbia, originou a necessidade de instalação de desgaseificador entre o reator anaeróbio e o decantador. Cedo percebeu-se, porém, que o caminho do tratamento anaeróbio de águas residuárias deveria rumar para os reatores de leito fixo, tendo surgido o filtro anaeróbio de fluxo ascendente. Este reator preenchido com brita, hoje encontra-se consolidado no tratamento de efluentes de fossas sépticas, permitindo remoções de DBO superiores à 80%. Outra descoberta, quase acidental, foi o fenômeno da granulação do lodo em reatores anaeróbios de fluxo ascendente sem enchimento para suporte de microrganismos na forma de biofilme. Sob certas condições de distribuição dos esgotos à entrada (fundo) do reator e de velocidade ascensional, observou-se a formação de grânulos, às vezes apenas flocos, que ao entrar em contato com a matéria orgânica proporcionava sua degradação devido à expressiva atividade biológica encerrada nas partículas do manto. O chamado reator anaeróbio de fluxo ascendente e manto de lodo (UASB – Upflow Anaerobic Sludge Blanket), previa adicionalmente apenas a separação, coleta e queima da gás produzido, além de uma etapa de recuperação de grânulos na parte superior, externa e acima do coletor de gás, uma zona de sedimentação que permite maior clarificação dos efluentes do reator. Hoje, reconhece-se aqui no Brasil que este reator é capaz de promover redução de DBO de cerca de 65%, com tempos de detenção dos esgotos de apenas oito horas. Este reator tem se consolidado em nosso mercado e de muitos outros países, como pré-tratamento e digestor de lodo de outros processos biológicos e até físico-químicos. Os reatores de leito fluidizado e de leito expandido representaram certo arrojo tecnológico à época de suas invenções, preenchidos com areia “fluidizada” ou “expandida” pelo próprio escoamento dos esgotos e, devido às diminutas dimensões dos grãos, a grande área total para desenvolvimento de biofilme permitia a aplicação de elevadas taxas e a obtenção de bons resultados. A dificuldade de se manter a expansão adequada do leito, mesmo com as variações de vazão dos esgotos, foi superada introduzindo-se a recirculação de esgoto tratado. Em seguida muitos outros modelos de reatores foram desenvolvidos, os filtros anaeróbios descendentes e horizontais, os reatores compartimentados ou de chicanas, dentre outros.

8.2. Tratamento Aeróbio Versus Tratamento Anaeróbio

Os reatores anaeróbios para o tratamento de esgotos possuem boa possibilidade de uso em nosso País, que apresenta temperatura elevada em grande parte de seu território e em praticamente o ano todo. Mesmo na região sul, mais fria, a Companhia de Saneamento do Estado do Paraná, a SANEPAR, foi quem mais investiu nesta modalidade de tratamento, tanto na capital quanto no interior. Em Curitiba encontra-se uma das maiores estações de tratamento de esgotos do mundo envolvendo emprego de reatores anaeróbios. Foram previstos 24 reatores UASB de 2.000 m3 cada um para o final de plano.Mesmo nessa região, os reatores operam à temperatura ambiente. Reconhece-se que às temperaturas mais elevadas as reações de decomposição de matéria orgânica ocorrem mais rapidamente, mas a situação é diferente dos países do hemisfério norte que possuem temperaturas muito baixas em boa parte do ano, necessitando de reatores aquecidos. O aquecimento, mesmo recorrendo-se ao próprio metano resultante da digestão anaeróbia não é simples de se viabilizar, pela necessidade de implantação de uma usina para a purificação do metano.Os custos de implantação dos reatores anaeróbios podem ser considerados baixos, mas é na operação que reside a principal vantagem devido a não necessidade de aeração. A

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produção de lodo é mais baixa do que as que decorrem de processos aeróbios como lodos ativados ou filtros biológicos. A produção de gás pode ser considerada um benefício, pela possibilidade de purificação e emprego do metano como fonte de energia, mas isto não se viabiliza facilmente. Ao contrário, o gás resultante do processo anaeróbio constitui uma das principais limitações operacionais, devido à produção de pequenas quantidades de gás sulfídrico, H2S, suficientes para produzir grandes incômodos às populações circunvizinhas pela proliferação de mau odor. Além disso, o gás sulfídrico provoca corrosão e consequentes prejuízos à conservação das instalações. Muito se investe hoje em dia em termos de pesquisa visando o controle do H2S, mas é difícil ainda hoje a garantia de odor zero o tempo todo na área em torno da ETE.A eficiência na remoção da DBO dos esgotos é mais baixa do que a dos processos aeróbios, demandando tratamento complementar, e a nitrificação é nula. As associações com processos aeróbios de polimento são recomendáveis, podendo-se empregar lagoas fotossintéticas, lagoas aeradas mecanicamente, lodos ativados, filtros biológicos ou mesmo processos físico-químicos como os à base de coagulação e floculação com separação posterior de sólidos por sedimentação ou flotação. Essas associações são vantajosas técnica e economicamente, ganhando-se na produção de lodo e na eficiência de remoção de nitrogênio e fósforo, principalmente.De acordo com estudos feitos pelo PROSAB, Programa de Pesquisa de Saneamento Básico, podem ser esperados os seguintes custos e resultados das associações entre reatores anaeróbios e aeróbios:

8.3. Microbiologia e Bioquímica

Com o desenvolvimento dos novos modelos de reatores para o tratamento de esgotos, a microbiologia e a bioquímica dos processo anaeróbios evoluiram muito. As bactérias anaeróbias estritas, metanogênicas, difíceis de serem isoladas em meios de cultura, passaram a ser identificadas como as do gênero Methanotrix sp e Methanosarcina sp. Além disso, houve maior conhecimento dos metabolismos de bactérias facultativas formadoras de ácidos orgânicos e das redutoras de sulfato. Teses de que o envolvimento entre bactérias do tipo cocus com as do tipo bastonete eram responsáveis pela formação dos grânulos em reatores UASB.O caminho bioquímico tradicional pelo qual bactérias facultativas transformam os compostos orgânicos dos esgotos em compostos intermediários conhecidos como ácidos orgânicos voláteis, para subsequente conversão destes em metano e gás carbônico pelas bactérias metanogênicas, foi alterada, incorporando-se principalmente uma fase inicial de hidrólise de baixa velocidade e o conhecimento de que o metano é produzido em boa parte a partir de CO2 e H2 e não com grande predominância da fonte a partir da quebra direta do ácido acético, o mais importante dos ácidos voláteis.

8.4. Condições Ambientais e Controle dos Reatores

Uma condição ambiental de grande importância no tratamento anaeróbio de esgotos é a temperatura. Aquí aproxima-se bem a idéia da regra empírica de Vant Hoff de que um aumento de dez graus na temperatura praticamente dobra a velocidade da reação. Existem duas faixas de temperatura em que o processo anaeróbio pode se apresentar com vantagem. A faixa termofílica, com centro em torno de 35oC, é a melhor faixa para a ocorrência da digestão anaeróbia, devendo ser procurada quando se deseja aquecer o reator, principalmente digestores de lodo. A faixa termofílica, em torno de 60oC, também é interessante porém, ocorre maior decaimento endógena e deve ser utilizada principalmente nos casos de efluentes industriais produzidos a quente. Além da faixa de

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temperatura em que ocorre o processo anaeróbio, também as variações bruscas de temperatura afetam o processo, negativamente, devido a alta sensibilidade das bactérias metanogênicas.O pH no interior do reator é uma condição ambiental de extrema relevância. A faixa ótima de pH para o processo anaeróbio, segundo diversos autores, situa-se entre 6,6 e 7,6; idealmente entre 7,0 e 7,2. Isto não significa que não seja possível o tratamento anaeróbio de efluentes industriais fora da faixa neutra. Mas deve-se conduzir estudos em escala piloto que garantam tal aplicação; é bastante provável que, no mínimo, o tratamento seja menos estável pela menor diversificação de grupos de microrganismos que se adaptam a tal condição desfavorável. Muitos autores reconhecem que ocorre produção de alcalinidade nos reatores anaeróbios estáveis, pela formação de sais de ácidos voláteis e, desta forma, o pH dos esgotos à saída do reator é superior ao de entrada.A condição de pH, além de influir decisivamente no funcionamento do processo, representa importante indicador do desequilíbrio. É o conceito mais tradicional da digestão anaeróbia o de que quando um reator se desequilibra, ocorre maior prejuízo da metanogênese com relação à acidificação, já que as metanobactérias são mais sensíveis às perturbações ambientais. Com isso, ocorre acúmulo de ácidos voláteis no reator e o pH cai. Deve-se, em tais situações corrigir imediatamente o pH antes que se reduza drasticamente e provoque o colapso do sistema. A barrilha é preferível por conferir efeito tampão, isto é, maior resistência às futuras quedas, caso o reator continue desequilibrado. Deve ser enfatizado que, se o fator de desequilíbrio prolongar-se, somente a correção de pH não permitirá a operação estável do reator indefinidamente, é necessária a correção do fator de desequilíbrio.Embora a determinação de pH seja fácil e rápida, os parâmetros acidez e alcalinidade determinados através de reação de neutralização ácido-base providenciam uma informação quantitativa mais segura. Pode ser demonstrado, em função da curva típica de variação de pH com a alcalinidade que, enquanto o valor de pH cai de 7,2 a 6,8, por exemplo, não causando maior preocupação, o consumo de alcalinidade correspondente pode ser superior a 1.000 mgCaCO3/L, ampliando a dimensão do problema.Um reator estável apresenta concentração baixa de ácidos voláteis, pois os mesmos são imediatamente consumidos à medida que são produzidos. Quando o reator se desequilibra, ocorre consumo de alcalinidade para a neutralização dos ácidos voláteis acumulados. Assim, a relação alcalinidade de bicarbonatos/ácidos voláteis constitui conceitualmente, a principal forma de avaliação da estabilidade do processo anaeróbio. Um reator estável, chega a apresentar concentração de ácidos voláteis tão baixa quanto 100 mgCaCO3/L e uma alcalinidade de bicarbonatos superior a 1.000 mgCaCO3/L, ou seja, relação superior a 10/1. Quando este valor tende a diminuir, a correção artificial é necessária, pois se reduzir-se excessivamente, chegando próximo a 1/1, o reator tenderá ao colapso e a nova partida poderá ser complicada.A presença dos principais nutrientes nos despejos deve ser garantida para o equilíbrio do processo anaeróbio. Costuma-se indicar a relação mínima DQO/N/P de 350/7/1, embora esse valor possa ser alterado em função das características dos despejos que influenciam na configuração do sistema biológico. Os autores consideram que o enxofre é necessário em quantidades tão grandes quanto o fósforo. Por outro lado, se na forma de sulfato, este reduz-se a sulfeto no meio anaeróbio, que é tóxico às metanobactérias. Este fato demonstra a importância do controle desse elemento em sistemas anaeróbios.Além dos macronutrientes, elementos exigidos em menores quantidades pelas células podem limitar o tratamento anaeróbio, conforme indicado na literatura. O ferro é excelente estruturador de flocos, grânulos ou biofilmes; as necessidades de níquel e de cobalto também são reconhecidas. Metais alcalinos e alcalino-terrosos também são necessários, embora em concentrações excessivas inibam o processo.

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Dentre os elementos tóxicos ao processo, destacam-se os metais pesados que, presentes em frações de mg/L podem inibir o processo. Apesar disso, a ausência completa destes pode também representar insuficiência nutricional no meio. O íon sulfeto é inibidor da metanogênese, sendo necessárias concentrações de pelo menos dezenas de mg/L de sulfato nos efluentes para que esse efeito ocorra significativamente. Além da ação tóxica, as bactérias redutoras de sulfato competem com as metanogênicas pelo substrato, os ácidos voláteis. Metais pesados e sulfeto são contaminantes antagônicos, uma vez que se precipitam mutuamente.A ausência de oxigênio é necessária para a metanogênese, o que faz com que os reatores anaeróbios sejam fechados ou que se force a carga orgânica para que ocorra rápido esgotamento do oxigênio presente nos efluentes. A amônia também traz inibição ao processo, mas são necessárias concentrações bastante elevadas. Diversos compostos orgânicos são listados como tóxicos, principalmente os de estrutura molecular mais complexa.

8.5. Reatores UASB – critérios e parâmetros para o dimensionamento

Pesquisas desenvolvidas na CETESB na década de 80 com reator UASB tratando esgoto sanitário, levaram ao estabelecimento de critérios e parâmetros muito úteis para o seu dimensionamento bem como para avaliação de condições operacionais.

Vazão de esgotos de projeto

Os reatores UASB são empregados à jusante apenas do tratamento preliminar, o que o torna desprotegido das variações de vazão de esgotos, uma vez que os tempos de detenção utilizados são relativamente pequenos. Desta forma, costuma recomendar-se que o reator apresente condições de atender à situação mais desfavorável, isto é, vazão máxima horária de esgotos.

Tempo de detenção dos esgotos no reator

De acordo com os estudos da CETESB, tempos de detenção hidráulicos da ordem de apenas 6 horas, com base na vazão máxima horária de esgotos, são suficientes para garantir uma eficiência média na remoção de DBO dos esgotos em torno de 65%. Alguns autores sugerem a adoção de tempo de detenção hidráulico de 8 horas, com base na vazão média de esgotos sanitários.

Taxa de aplicação de substrato

Como os esgotos sanitários são relativamente diluídos, os reatores UASB têm o seu limite de capacidade definido pela taxa de aplicação hidráulica, que resulta em determinada velocidade que poderá ou não ser suficiente para provocar o arraste de parte do manto de lodo, descontrolando o processo. No tratamento de efluentes industriais mais concentrados, os reatores UASB são limitados pela aplicação de matéria orgânica, em geral na faixa de 5 a 10 kg DQO/m3.dia, embora tenham sido registradas taxas de até 20 kg/m3.dia com bons resultados no tratamento.

Velocidade ascencional na zona de manto de lodo

A manutenção de determinada faixa de velocidade ascensional dos esgotos ao longo do corpo do reator é importante para garantir grau adequado de expansão da manta de lodo,

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sem que haja arraste excessivo para a zona de decantação. Recomenda-se a faixa de 0,7 a 1,0 m/h para reatores UASB tratando esgoto sanitário.

Velocidade de passagem da zona de manto de lodo para a zona de decantação

Lodos bem granulados resistem ao arraste com velocidades de passagem de até 10 m/h. Mas como ocorrem situações em que o lodo não granula, apenas flocula e mesmo assim o reator mantém boa eficiência na remoção de DQO, recomenda-se limitar a velocidade ascensional à 4 m/h.

Taxa de escoamento superficial na zona de decantação

A parte superior do reator UASB, externa ao “chapéu” coletor de gás, funciona como decantador, permitindo a recuperação de grânulos escapados da zona de manto de lodo. Recomendam-se taxas de escoamento superficial inferiores à 1,25 m3/m2.dia para a garantia do retorno de parte significativa do lodo para a zona de manto. A inclinação das abas do chapéu (ângulo com a horizontal), deverá ser superior a 55º.

Distribuição dos esgotos à entrada (fundo) do reator

A distribuição dos esgotos à entrada do reator é fundamental para garantir um funcionamento integral da zona de manto de lodo, sem escoamentos preferenciais ou curtos-circuitos que podem reduzir o tempo de detenção e o contato dos esgotos com o lodo ativo. Recomenda-se pelo menos duas a três entradas por m3 de fundo de reator. As extremidades dos tubos de alimentação deverão distar cerca de 30 cm do fundo do reator.

Produção de lodo nos reatores UASB

De acordo com os resultados dos estudos da CETESB anteriormente mencionados, pode ser esperada uma produção de lodo de 0,2 kg SS / kg DQO aplicada.

Produção de gás

Ainda de acordo com os estudos da CETESB, deve ser esperada uma produção de 0,12 Nm3 gás / kg DQO aplicada. O gás deverá possuir cerca de 65 a 75% de metano.

8.6. Critérios para a partida e operação dos reatores UASB vazão de esgotos de projeto

Lodo de inóculo

Havendo possibilidade de obtenção de lodo de inóculo, a partida do reator poderá ocorrer mais rapidamente. É preferível lodo granulado proveniente de outro reator UASB utilizado no tratamento de efluente semelhante. Quanto maior a quantidade de inóculo, maior será a vazão de partida, chegando-se mais rapidamente à vazão de projeto. Porém, há que se considerar os custos com o transporte de lodo. O lodo introduzido no reator deverá ser caracterizado em termos de volume e concentração de sólidos em suspensão voláteis, para que se possa obter a massa de SSV introduzida.

Caracterização dos efluentes

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Os efluentes deverão ser caracterizados, principalmente em termos de vazão e concentrações de DQO, Nitrogênio Total Kjeldhal, Fósforo Total, pH e Temperatura Estas características deverão ser corrigidas, caso seja necessário. A presença de substâncias potencialmente inibidoras do tratamento deverá ser previamente investigada.

Vazão de alimentação de partida e evolução da carga

O reator deverá ser alimentado com os efluentes segundo uma vazão que resulte na aplicação de 0,1 kg DQO / kg SSV . dia. Essa vazão deverá ser aumentada quando ocorrer estabilização da eficiência na remoção de DQO e demais características operacionais do processo. Eventuais desequilíbrios poderão ser enfrentados mediante a introdução de barrilha no reator, sempre que o pH em seu interior tenda a cair abaixo de 6,5.

Controle analítico do reator

Deverá ser empreendido um controle analítico sobre os esgotos à entrada e à saída do reator e do lodo em pontos de amostragem em diferentes profundidades. As principais variáveis de controle dos esgotos são a DQO (e a DBO, por tratar-se de parâmetro da legislação), pH, temperatura, concentração de ácidos voláteis e alcalinidade de bicarbonatos. Controle de pH e temperatura deve ser feito pelo menos uma vez por dia, enquanto que as demais características devem ser analisadas pelo menos uma a duas vezes por semana. Do lodo, é importante o controle da concentração de sólidos em suspensão voláteis ao longo da profundidade da zona de manto.8.6. Exemplo de Dimensionamento – Reator UASB

Dados:

População atendida: 25.815 habitantes Vazão média de esgotos:27.815 x 0,16 m3/hab.dia = 4450,4 m3/dia Vazão máxima horária de esgotos: 1,2 x 1,5 x 4.450,4 / 86,4 = 92,72 L/s Carga de DBO: 0,054 x 27.815 = 1.502 kg/dia

- Tempo de detenção dos esgotos no reator: 6,0 horas (p/ Qmáx.)- Volume útil dos reatores: 92,72 x 6,0 x 3,6 = 2.003 m3

Deverão ser utilizados 04 (quatro) reatores UASB de 525,7 m3 cada, com 14,80 m de comprimento, 7,40 m de largura e 4,80 m de profundidade útil total (zona de manto + zona de decantação).

- Volume dos 4 reatores: 4 x 525,7 = 2.102,8 m3

- Tempo de detenção hidráulico resultante: td = 2.102,8 / (92,72 x 3,6) = 6,3 h (p/ Qmáx.)

- Velocidade ascensional na zona de manto de lodo:

Vasc. = (92,72 x 3,6) / (7,14 x 14,8 x 4 ) = 0,76 m/h

- Velocidade de passagem para a zona de decantação:

Vp = (92,72 x 3,6) / ( 4 x 0,4 x 4 x 14,8) = 3,5 m/h

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(obs: consideradas quatro aberturas de 0,40 x 14,80 por reator)

- Velocidade de escoamento à superfície da zona de decantação:

qA = (92,72 x 3,6) / (4 x 14,8 x 5,2) = 1,08 m3 / m2.h(obs: A largura efetiva de cada reator na zona de decantação reduziu-se de 7,4 m para 5,2 m, devido aos espaços ocupados pelo chapéu.)

- Sistema de alimentação

Considerando-se uma entrada a cada 3 m2 de fundo de reator, o número de tubos alimentadores será: (7,4 x 14,8 ) / 3 = 37 tubos por reator.

-Produção de lodo

Considerando-se a produção de lodo igual a 0,2 kg SS / kg DQO aplicada, tem-se:

- Carga DQO = 1,85 Carga DBO Carga DQO = 1,85 x 1502 = 2.779 kg DQO/dia

- Produção de lodo: 0,2 x 2.779 = 556 kg SS / dia

- Produção de gás:

Considerando-se a produção de 0,12 Nm3 gás / kg DQO Aplicada, tem-se:

Prod. Gás = 0,12 x 2.779 = 333,5 Nm3 / dia (gás com 75% CH4)

- Eficiência do reator:

65% em DBO.

- Carga de DBO Residual:

0,35 x 1502 = 525,7 kg DBO / dia

9. Tratamento de Lodo


O tratamento de esgotos, em última instância, culmina com concentração da fase sólida. Lodos são separados principalmente em decantadores primários ou secundários. Até mesmo no tratamento biológico, onde efetivamente ocorre degradação biológica de matéria orgânica, conta-se com a separação do excesso de lodo concentrado no fundo dos decantadores secundários de sistemas de lodos ativados ou filtros biológicos. Aliás, a produção de lodo constitui importante diferencial na escolha do sistema de tratamento. Enquanto que sistemas exclusivamente aeróbios como lodos ativados ou filtros biológicos de alta taxa podem produzir de 0,6 a 0,8 kg SS / kg DBO aplicada, a produção de lodo em um reator UASB é de apenas cerca de 0,2 kg SS/ kg DQO aplicada. Mesmo o sistema misto anaeróbio/aeróbio leva a uma menor produção de lodo que um sistema exclusivamente aeróbio. Essa vantagem é muito importante nos dias de hoje, uma vez

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que além de reduzir as necessidades de tratamento, principalmente as dificuldades com a disposição final do lodo costumam ser muito grandes.

9.2. Etapas do tratamento de lodo

O tratamento de lodo pode ser subdivido em três etapas principais, embora dependendo do sistema de tratamento de esgotos adotado, algumas delas podem ser suprimidas. É o caso, por exemplo, do sistema de lodos ativados com aeração prolongada, onde o processo opera em uma faixa em que a digestão do excesso de lodo pode ser dispensada. Os lodos descartados de reatores UASB também dispensam adensamento e digestão complementar. O adensamento de lodo pode não ser obrigatório em sistemas de lodos ativados ou filtros biológicos aeróbios mas, exceto em sistemas de pequeno porte, sua inclusão se viabiliza pelos benefícios trazidos às unidades posteriores de tratamento de lodo. Quando o tratamento de esgotos é feito por processos de lagoas, aí o sistema opera de forma que os lodos adensam e digerem nos próprios fundos das lagoas de estabilização ou de decantação, no caso dos sistemas de lagoas aeradas mecanicamente. O problema passa a ser como produzir mecanismos de remoção de lodo e para a desidratação final antes de ser enviado para disposição.Dependendo do uso a ser feito do lodo a ser retirado da estação de tratamento de esgotos, outras etapas de tratamento podem ser necessárias, como a sua desinfecção para aplicação em solo agrícola.O Objetivo do adensamento de lodo é reduzir o seu teor de umidade, remover água e assim reduzir volume e aumentar o teor de sólidos. Os lodos descartados de decantadores “secundários” de sistemas de lodos ativados com aeração prolonga possuem teor de sólidos inferior a 1% e quando um adensador o eleva para 2%, tem-se uma redução de volume de lodo de 100% a ser desidratado. Em um sistema de lodos ativados convencional ou de filtros biológicos aeróbios, o lodo é misto, primário e secundário, é gerado com teor de sólidos entre 1,0 e 1,5% e sua elevação para cerca de 4% permite uma redução de volume ainda maior, podendo-se comprovar a vantagem de incorporá-lo ao sistema, em vista do volume necessário bem menor de digestores anaeróbios de lodo.O objetivo da digestão de lodo é complementar a sua estabilização bioquímica, isto é aumentar o grau de mineralização. Os lodos gerados em sistemas de lodos ativados convencional e de filtros biológicos aeróbios apresentam relação SSV/SST elevadas (0,8, por exemplo) e assim não permitem boas condições de desidratação natural ou mecânica.Como o que prevalece em uma etapa de digestão de lodo é metabolismo endógeno com destruição de SSV, essa relação se reduz (a 0,4, por exemplo) e o lodo mais mineralizado possui melhores condições para a desidratação final.O objetivo da desidratação final é a remoção de água de forma a atingir-se teores de sólidos superiores a 20%, reduzindo-se assim drasticamente o volume de lodo a ser transportado e compatibilizando-o com aplicações tais como disposição em aterros ou na agricultura.

9.3. Adensamento de lodo

O adensamento de lodo pode ser feito por três processos principais alternativos. O adensamento por gravidade, é aplicável tanto para lodos de decantadores primários como para lodos de decantadores secundários, ou seja, excesso de lodos biológicos, bem como para lodos mistos primários e secundários. O adensamento por flotação com ar dissolvido pode ser uma alternativa interessante para o adensamento de excesso de lodos biológicos. Resultam em teores de sólidos superiores aos dos lodos adensados por gravidade e podem ser aplicadas maiores cargas de lodo por área superficial de adensadores, resultando na

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necessidade de menores áreas de adensadores. A estrutura, no entanto, é bem mais complexa. Parte do efluente final da ETE, isto é, do esgoto tratado, alimenta o tanque de pressurização onde o ar é injetado e, à pressão da ordem de 4,0 kgf/cm2, dissolve-se no líquido na forma de micro-bolhas. Em seguida, é misturado com o lodo à entrada pelo fundo da câmara de flotação, com remoção por raspagem do lodo adensado na parte superior e do líquido subnadante para retornar à entrada da ETE. Recentemente, têm-se desenvolvido máquinas para o adensamento mecânico de lodos. São máquinas projetadas para providenciar apenas uma desidratação parcial do lodo, em torno de 4 a 5 %, para posterior desidratação final que também poderá ser mecanizada. Pesquisas recentes têm demonstrado a possibilidade de se obter vantagens interessantes mediante o condicionamento químico de lodos previamente ao seu adensamento. Neste texto, será dada maior ênfase ao adensamento por gravidade.

Adensamento por gravidade

Os adensadores por gravidade são unidades semelhantes aos decantadores de seção circular em planta, sendo alimentados com o lodo pelo centro e na parte superior, no interior de um anteparo que o direciona para o fundo, de onde é removido após sofrer adensamento. Enquanto isso, o líquido sobrenadante escoa pelos vertedores perimetrais posicionados à superfície do adensador, podendo ser recirculados à entrada da ETE.

Dimensionamento dos adensadores por gravidade

O principal fator de dimensionamento dos adensadores por gravidade é a taxa de aplicação de sólidos, que é o fluxo de massa de sólidos aplicados por unidade de área superficial dos adensadores. Depende do tipo de lodo a ser adensado, sendo propostas as seguintes faixas de valores:

Tabela 12: Taxa de aplicação de sólidos em função do tipo de lodo. Fonte: Hespanhol (1986)

Tipo de Lodo Taxa de Aplicação de Sólidos

(kgSS/m2.dia)

Teor de Sólidos no Lodo Adensado

(%)Primário 100 – 150 6 – 12

Filtro Biológico 40 – 50 4 – 10Lodos Ativados 20 – 40 1,5 – 4,0

Primário + Filtro Biológico 60 – 100 4 – 10Primário + Lodos Ativados 40 - 80 3 - 10

A taxa de aplicação de sólidos deverá ser o fator mais restritivo na determinação da área superficial dos adensadores porém, a taxa de escoamento superficial, vazão de lodo aplicada por unidade de área superficial dos adensadores, deverá ser mantida dentro de certos, ou seja, qA = Q / As < 16 m3/m2.dia.A NB – 570 da ABNT faz recomendações adicionais, tais como profundidade útil mínima dos adensadores igual a 3,0 m , tempo de detenção hidráulico máximo de 24 horas e obrigatoriedade de remoção mecanizada de lodo quando se utilizam diâmetros superiores a 3,0 m. O limite máximo de tempo de detenção do lodo no adensador deve-se à possibilidade de entrar em decomposição anaeróbia e exalar maus odores. Quando resulta do dimensionamento tempos de detenção superiores a 24 horas, pode-se recircular uma parcela do esgoto tratado, o efluente final da ETE, com vazão calculada para garantir o atendimento ao valor limite.

Exemplo de Dimensionamento

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Dados: Tipo de lodo: Primário + Lodos Ativados Produção de lodo: X = 2254 kg SS / dia Massa específica do lodo: 1020 kg/m3

Teor de sólidos do lodo: 1% Vazão de lodo: Q = 2254 / (0,01 x 1020) = 221 m3/dia

Taxa de aplicação de sólidos: 60 kg SS / m2 .dia (adotada)Área necessária do adensador:

AAD = 2254 / 60 = 37,6 m2 (diâmetro D = 6,9 m)

Adotando-se o diâmetro D = 7 m, a área do adensador será de 38,5 m2 e a taxa de aplicação de sólidos resultante será 2254 / 38,5 = 58,5 kg SS / m2.dia

Profundidade útil adotada: Hu = 4 m

Volume útil resultante: Vu = 4 x 38,5 = 154 m3

Tempo de detenção hidráulico: td = V / Q = 154 / 221 = 0,7 d = 16,7 h

Taxa de escoamento superficial: qA = Q / As = 21 / 38,5 = 5,7 m3/m2.dia

Teor de sólidos no lodo adensado: 4% (estimado)

Vazão de lodo adensado, para massa específica de 1030 kg / m3:

QL.AD = 2254 / (0,04 x 1030) = 54, 7 m3/dia

Vazão de Recirculação: 221 – 54,7 = 166,3 m3/dia

O adensador deverá possuir removedor mecanizado de lodo.

9.4. Digestão de Lodo

Dependo do tipo de tratamento de esgotos e de suas condições operacionais, o lodo proveniente das unidades de separação de sólidos podem necessitar de estabilização bioquímica complementar. Para isso podem ser empregados digestores aeróbios ou anaeróbios, sendo que em ambos os casos deseja-se a redução do teor de voláteis do lodo via metabolismo endógeno. Os digestores aeróbios são tanques providos de sistema de aeração tais quais os usados nos reatores de lodos ativados. Tendo em vista o crescimento mais rápido destes microrganismos em relação aos anaeróbios, pode-se entender que os volumes de reatores são relativamente menores, podendo levar a custos de implantação mais reduzidos do que o daqueles, mesmo necessitando-se dos equipamentos de aeração. Porém, para a aeração de lodos concentrados, o consumo de energia elétrica é bastante elevado e a diferença entre os custos operacionais tem levado ao uso bastante difundido de digestores anaeróbios em sistemas de lodos ativados e de filtros biológicos aeróbios. Por esse motivo, será dada aqui maior ênfase para a digestão anaeróbia de lodos.

Digestores Anaeróbios de Lodo

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De acordo com a NB – 570, os digestores anaeróbios podem ser classificados em baixa taxa, quando não possuem nem sistema de homogeneização nem de aquecimento do lodo, convencionais, quando possuem sistema de homogeneização mas não possuem sistema de aquecimento e alta taxa, quando possuem tanto sistema de homogeneização quanto de aquecimento.De acordo com a NB –570 da ABNT, o volume útil dos digestores anaeróbios deve ser determinado com base na taxa de aplicação de sólidos em suspensão voláteis e no tempo de detenção hidráulico, devendo-se obedecer certos limites, estabelecidos em função do tipo de digestor, conforme apresentado na tabela 12:

Tabela 12: Taxas de aplicação de SSV e tempos de detenção hidráulicos em função do tipo de digestor anaeróbio. Fonte: NB – 570

Taxa de Aplicação de SSV(kg SSV / m3 . dia)

Tempo de Detenção Hidráulico

(dias)Baixa Taxa < 0,5 > 45Convencional < 1,2 > 30Alta Taxa < 6,0 > 15

Podem ser usados digestores de segundo estágio, para armazenamento do lodo e remoção de sobrenadante. O volume do digestor de segundo estágio é de cerca de 1/3 do volume de primeiro estágio, determinado pelos critérios apresentados.

Exemplo de Dimensionamento de um Digestor Anaeróbio de Baixa Taxa

Dados:

Produção de lodo: X = 2254 kg SS / dia Fração Volátil: Xv = 1757 kg SSV / dia Teor de sólidos do lodo: 4% Vazão de lodo: Q = 54,7 m3/dia

Taxa de Aplicação de SSV : 0,5 kg SSV / m3 . dia (adotada)

Volume necessário de digestores anaeróbios:

VDIG.AN = 1757 / 0,5 = 3.514 m3

Para atender o tempo de detenção mínimo de 45 horas, tem-se:

VDIG.AN = 45 X 54,7 = 2.461,5 m3

Deverão ser adotados três digestores de 1.200 m3 cada, perfazendo um volume útil total de 3.600 m3.

9.5. Desidratação de Lodo

O objetivo da desidratação de lodo é elevar o teor de sólidos geralmente acima de 20%, de modo a reduzir o volume a ser transportado e a permitir a sua disposição final em aterros, agricultura, etc.. Pode ser feita via natural ou mecanizada. A secagem natural

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pode ser feita em leitos de secagem ou lagoas de lodo. As lagoas de lodo não devem ser consideradas soluções definitivas muito adequadas. Os leitos de secagem de lodos devem ser empregados de forma mais vantajosa em pequenos sistemas de tratamento. A área de leitos necessária é relativamente grande, da ordem de 0,1 m2 por habitante. O custo de sua estrutura, as dificuldades operacionais com a remoção do lodo desidratado e a presença excessiva de águas de chuva podem inviabilizar o seu uso, principalmente em grandes sistemas de tratamento. As máquinas desaguadoras têm o seu emprego crescido nos últimos anos, principalmente filtros-prensa de placas ou de esteira, bem como os decanters centrífugos. Apesar do custo relativamente alto dessas máquinas, a facilidade operacional tem viabilizado a sua adoção. Para aplicação nas máquinas, necessita-se do condicionamento prévio do lodo. No Brasil é prática corrente o condicionamento químico com cloreto férrico e cal, em progressiva prática de substituição pelo uso de polieletrólitos.

Leitos de secagem de lodo

Os leitos de secagem de lodo são estruturas compostas de tijolos, dispostos dois a dois e com juntas preenchidas com areia grossa. Sob os tijolos, são dispostas camadas de areia grossa e britas de granulometrias crescentes em direção ao fundo, uma laje impermeável de onde o líquido que infiltra é drenado e retornado à entrada da ETE. O lodo é disposto sobre os tijolos, secando por infiltração de água no leito e por evaporação ao sol. Os leitos são alimentados sob a forma de rodízio, a partir de canais com comportas. Um ciclo típico de operação de leitos de secagem, comumente adotado em projetos em nossa região, é de 30 dias de duração total, sendo 20 dias reservados para a desidratação do lodo e 10 dias para a remoção do lodo seco e para rearranjo do leito. Podem ser esperados teores de sólidos no lodo desidratado superiores a 30%.Para a determinação da área necessária de leitos de secagem, a NB – 570 da ABNT preconiza como critério a taxa de aplicação de sólidos, que não poderá ultrapassar a 15 kg SS / m2 x ciclo. Em nossa região são utilizadas taxas da ordem de 10 a 12 kg SS / m 2 x ciclo. Determinada a área total de leitos, a mesma é subdivida em um certo número de leitos que não deverão ser muito grandes para diminuir as dificuldades operacionais.

Exemplo de Dimensionamento de Leitos de Secagem de Lodo

Dados:

Produção de lodo: X = 2254 kg SS / dia Fração Volátil: Xv = 1757 kg SSV / dia

Considerando-se que, anteriormente à secagem, o lodo sofrerá redução de 55% dos sólidos voláteis devido à digestão anaeróbia, tem-se:

Xv,RED = 0,55 x 1757 = 966 kg SSV / diaXp/secagem = 2254 – 966 = 1288 kg SS / diaXp/secagem = 1288 x 365 = 470120 kg SS / ano Adotando-se 12 ciclos de secagem por ano, tem-se:

Xp/secagem = 470120 / 12 = 39177 kg SS / ciclo

Adotando-se a taxa de 12,5 kg SS / m2 x ciclo, tem-se a seguinte área necessária de leitos de secagem de lodo:

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AL.SEC = 39.177 / 12,5 = 3.134 m2

São propostos 27 leitos de secagem de lodo de (6,0 x 20,0)m de dimensões em planta cada um.

Desidratação mecânica de lodo

Os principais tipos de máquina disponíveis no mercado são os filtros-prensa de placas, filtros-prensa contínuos de esteira, os filtros a vácuo e os decanters centrífugos.Quando se empregam filtros-prensa de placa em estações de lodos ativados, são exigidas dosagens de cloreto férrico, FeCl3 , de 7 kg / 100 kg SS e de cal hidratada, Ca(OH)2 , de 15 kg / 100 kg SS, o que torna esta etapa da ETE dispendiosa, aumenta o volume de lodo e dificulta a disposição agrícola do lodo. Quando são usados somente polieletrólitos, dosagens da ordem de 0,5 a 0,6 kg / 100 kg SS normalmente são necessárias. O tipo de condicionamento do lodo e as dosagens dependem fundamentalmente do estado em que o lodo é gerado, principalmente seu grau de mineralização, sendo que lodos pouco mineralizados são de desidratação mais difícil.

Exemplo de Dimensionamento de um Filtro-Prensa de Placas

V = 100 (SS) / N . P .

V: Volume do filtro-prensa (Litros)(SS): carga de sólidos em suspensão (kg/dia)N: número de prensagens por diaP: Teor de sólidos da torta (%): Massa específica da torta (kg/L0

Dados:

X = 6825 kg SS / diaN = 4P = 30% = 1,06

Volume do filtro-prensa:

V = (100 x 6825) / (4 x 30 x 1,06) = 5.366 L

Utilizando-se placas de (1,5 m x 1,5 m) e 3 cm de espessura, tem-se:

Vcâmara = 1,5 x 1,5 x 0,03 = 0,0675 m3 = 67,5 L

Número de placas = 5.366 / 67,5 = 80

Exemplo de dimensionamento de um filtro prensa contínuo de esteira

Dados:

X = 8212 kg SS / dia = 1030 kg / m3

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Teor de sólidos: 5% Vazão de lodo: QLODO = 8212 / (0,05 x 1030) = 160 m3/dia

Utilizando-se a taxa de aplicação de 300 kg SS / m x h e dois filtros de 1 m de largura de esteira, tem-se o seguinte número de horas diárias de funcionamento:

No. horas/dia = 8.212 / (300/2) = 14

Consumo de polieletrólito:

Médio: 6 kg / 1000 kg SSMáximo: 8 kg / 1000 kg SS

Teor de sólidos no lodo desidratado: 30%

Volume de lodo desidratado, com = 1060 kg / m3 e 90% de captura de sólidos

Vlodo seco = (0,9 x 8212) / (0,3 x 1060) = 23 m3/dia

Dimensionamento alternativo de um decanter centrífugo

Escolhendo-se uma centrífuga com capacidade de alimentação de 10 m3/hora, tem-se o seguinte número de horas diárias de funcionamento:

No. Horas/dia = 160 / 10 = 16

Considerando-se o lodo desidratado a 20% de sólidos, = 1060 kg / m3 e 90% de captura de sólidos, tem-se a seguinte vazão de lodo desidratado:

Vlodo seco = (0,9 x 8212) / (0,2 x 1060) = 35 m3/dia

10. Referências Bibliográficas

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Cossío, F.Y., “Lagunas de Estabilización – Teoria, Diseño, Evaluación y Mantenimiento”. Empresa Pública de Teléfonos, Agua Potable y Alcantarillado – ETAPA/Ecuador, 1993.

Espanhol, I. Notas de aula da disciplina “Tratamento de Águas Residuárias”. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, 1986.

Jordão, E.P. e Pessoa, C.A. “Tratamento de Esgotos Domésticos”. Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental – ABES, 3a. ed. 1994.

METCALF & EDDY, Inc. “Wastewater Engineering: Treatment, Disposal, Reuse”. McGraw-Hill International Editions, 3rd ed., New York, 1991.

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Documents

Apostila - Tratamento de Esgotos