Lagoas de Estabilização Profa. Dra. Gersina N. da Rocha Carmo Junior LAGOAS FACULTATIVAS

Lagoas de Estabilização

Profa. Dra. Gersina N. da Rocha Carmo Junior

LAGOAS FACULTATIVAS

Lagoas Facultativas

Variante mais simples

Retenção dos esgotos por um período de tempo longo o suficiente para que os processos naturais de estabilização da matéria orgânica se desenvolvam.

Vantagens e Desvantagens

Predominância dos fenômenos naturais

Lagoas facultativa – Descrição do Lagoas facultativa – Descrição do ProcessoProcesso

Lagoas facultativa – Descrição do Lagoas facultativa – Descrição do ProcessoProcessoCaracterísticas do efluente de uma lagoa facultativa:

Cor verde devido às algas;

Elevado teor de oxigênio dissolvido;

Sólidos em suspensão, embora praticamente estes não sejam sedimentáveis (as algas praticamente não sedimentam no teste do cone Imhoff).

Influência da AlgasLagoa de estabilização facultativa

As algas desempenham papel fundamental

Concentração maior do que a de bactérias

líquido na superfície, predominantemente verde

Lagoas de estabilização de Lins/SP

Lagoa Facultativa: Dispositivo de Saída

Presença de algas é medido na forma de clorofila aclorofila a

Concentração de clorofila em lagoas facultativas depende da:

Carga aplicada e da temperatura

Situam-se na faixa de 500 a 2000 mg/l

Influência da Algas

Lagoas facultativa – Descrição do Lagoas facultativa – Descrição do ProcessoProcesso

Em termos de sólidos em suspensão secos, a concentração é usualmente inferior a 200 mg/L.

Em termos de números elas podem atingir contagens na faixa de 104 a 106.

Algas

Influência da AlgasGrupo de algas de importância encontradas nas lagoas de estabilização:

•Algas verdes (clorofíceas): conferem a cor esverdeada

Principais gêneros:Chlamydomonas, Euglenas e Chlorellas;

Possuem flagelo: capacidade de locomoção

(otimização da posição em relação à incidência de luz e à temperatura)

Indicam geralmente boas condições

Cianobáctérias (anteriormente denominadas cianofíceas, ou algas verde-azulada):

apresentam características de bactérias e algas, atualmente classificadas com bactérias.

Não possuem organelas de locomoção como cílios, flagelos, podem se deslocar por deslizamento

Necessidade nutricional reduzida

Influência das Algas

CO2, N2, água, alguns minerais e luz

Típicos de esgoto com baixo pH e pouco nutrientes.

Algas, Energia luminosa e oxigênio em função da profundidade

Figura 2 - Algas, energia luminosa e oxigênio em uma lagoa facultativa (seção transversal)

Fonte: Sperling, 2002

Pro

fun

did

ad

e

Consumo de oxigênio

Produção de oxigênioAlgasIntensidad

e luminosa

Oxipausa

Profundidade da zona aeróbia em função da carga de DBO

Dia Noite

Dia Noite

Superfície da lagoa

Fundo da lagoa

Baixa carga de

DBO

Elevada carga de

DBO

Zona aeróbia

Zona anaeróbia

Zona aeróbia

Zona anaeróbia

Fig. Influência da carga aplicada à lagoa e da hora do dia na espessura das camadas aeróbias (Sperling, 2002).

O pH da lagoa varia ao longo da profundidadeO pH depende da fotossíntese e da respiração, através das seguintes relações:

Fotossíntese:•Consumo de CO2

•O íon bicarbonato(HCO3-) tende a se converter a OH-

•O pH se eleva

Respiração•Produção de CO2

•O íon bicarbonato(HCO3-) tende a se converter a H+

•O pH se reduz.

O pH da lagoa varia ao longo da profundidade

Durante o dia nas horas de máxima atividade fotossintética.

pH pode atingir valores em torno de 10

Podem ocorrer os seguintes fenômenos:Podem ocorrer os seguintes fenômenos:

Conversão da amônia ionizada(NH4+) a amônia

livre(NH3) a qual é tóxica, mas tende a se liberar para a atmosfera(remoção de nutrientes);

Contin...Contin...

Precipitação dos fosfatos (remoção de nutrientes);

Conversão do sulfeto(H2S) causador do mau cheiro a bissulfeto(HS-) inodoro.

A influência das condições ambientaisEm lagoas de estabilização

Radiação solar, temperatura e o vento

Fator Influência

Radiação solar Velocidade de fotossíntese

Temperatura Velocidade de fotossíntese

Taxa de decomposição bacteriana

Solubilidade e transferência de gases

Condições de mistura

Vento Condições de mistura

Reaeração atmosférica

(Sperling, 2002).

Mistura e estratificação térmicaNa lagoa ocorrerá naturalmente uma mistura da massa líquida pela ação dos ventos e a um diferencial de temperatura.

Benéfica

Para a distribuição das algas e do oxigênio no interior da massa líquidaPara diminuir o efeito de eventuais curto circuitos no escoamento

A lagoa poderá apresentar uma estratificação térmica

Mistura e estratificação térmica

Estratificação térmica

A camada superior (quente) não se mistura com a camada inferior (fria).

Termoclina

Camada superior

Camada inferior

Vento

Lagoa com estratificação térmica

Sensível diminuição na temperatura acréscimo na densidade e viscosidade


Estratificação térmica

As algas não motorasPermanecem na última camada, por sedimentação, apenas consumindo oxigênio.

Algas móveisPermanecem a cerca de 30 a 50cm da superfície formando uma camada espessa que dificulta a penetração de luz solar.

Diminuição do oxigênio nas lagoasConseqüência redução da capacidade de estabilizar a

matéria orgânica

A estratificação térmica é quebrada pela:

Inversão térmica


Fenômeno natural que pode se dar pelo resfriamento rápido da camada superior, por exemplo, no início da noite, ou com a entrada de uma frente fria.

Camada única

Vento

Lagoa com mistura-Inversão térmicaAproximando a temperatura das duas camadas ou;

Tornando a densidade da camada superior maior gerando a o revolvimento dessas camadas

Fatores controláveis

As características do esgoto a ser tratado;

As características do terreno;

As características dos corpos receptores;

A legislação ambiental;

As interferências das comunidades locais.

Critérios de projetos

Os principais parâmetros de projeto das lagoas facultativas:

Taxa de aplicação superficial;

Profundidade;

Tempo de detenção;

Geometria (relação comprimento/largura)

Taxa de aplicação superficial

Carga orgânica por unidade de área

Baseia-se na necessidade de se ter uma determinada área de exposição à luz solar na lagoa, para que o processo de fotossíntese ocorra.

Critérios de projetos

ObjetivoObjetivo de se garantir a fotossíntese e, o crescimento de algas, é o de se ter uma produção de oxigênio suficiente para suprir a demanda de oxigênio.

Taxa de aplicação superficial (Ls)A área requerida para a lagoa é calculada

em função da taxa de aplicação superficial (Ls). A taxa é expressa em termos da carga de DBO.

sL

LA

Onde:

A= área requerida para a lagoa (ha);

L= carga de DBO total (solúvel + particulada) afluente (KgDBO5)/d);

Ls= taxa de aplicação superficial

Taxa de aplicação superficial (Ls)

A taxa a ser adotada, varia com a temperatura local, latitude, exposição solar, altitude e outros.

Equação proposta por Mara (1997), segundo o autor, possui aplicabilidade global:

25

T0,002 - 1,107 350 T

sL

Temperatura média do ar no mês mais frio.

(Sperling, 2002).

Taxas de aplicação superficial no Brasil, em função da temperatura média do ar no mês mais frio, tendo por base a equação de Mara(Sperling,2002).

A área requerida para a lagoa

Não há um valor máximo absoluto de área, a partir do qual o sistema de lagoas facultativas se torna inviável.

No Brasil há um sistema de lagoas ocupando 100 ha.

Argentina e Austrália, há sistema com mais de 300 ha.

Observar: Condições locais, da topografia, da geologia e do custo do terreno.

Recomendação da minuta do Projeto de Norma para Lagoas(1991): A área de uma lagoa facultativa não deve ser maior que 15 ha.

Profundidade (H)

A profundidade da lagoa H é um compromisso entre o volume requerido V e a área requerida A.

H = V/A

Aspectos relacionados com a profundidade das lagoas

Outros aspectos influem na seleção da profundidade.

Lagoas Rasas


•H < 1,0 m: totalmente aeróbias;

•área elevada, para atender o tempo de

detenção;

•penetração total de luz;

•produção maximizada de algas;

•vegetação emergente:abrigo para larvas de

mosquitos;

•São mais afetadas pela variação de

temperatura.


Lagoas ProfundasLagoas Profundas

•Possibilitam maior tempo de detenção;

•Mais estável;

•Maior volume de armazenamento de lodo;

•Os subprodutos da decomposição anaeróbios são liberados para as camadas superiores, demanda de oxigênio;

•Riscos de mau cheiro são reduzidos;

•Permitem expansão futura para a inclusão de aeradores.

entre 1,5 a 3,0 m

1,5 a 2,0 m

mais usual

Após a obtenção do valor da área superficial (através da adoção de um valor para a taxa de aplicação superficial) e da adoção da profundidade, obtém-se o volume da lagoa.

V= H x A

Projetos

O conhecimento disponível é ainda limitado. Para otimizar a profundidade da lagoa de forma a obter o maior número de benefícios.

Profundidade (H)

Tempo de DetençãoTempo de Detenção

Associado ao volume e a vazão de projeto:

Q

Vt

Onde:

t = tempo de detenção (d);

V = volume da lagoa (m3);

Q =Vazão média afluente (m3.d);

Vazão média é a média entre a vazão afluente e a vazão efluente:

2

eflafl

média

QQQ

Tempo de DetençãoTempo de Detenção

Lagoas facultativas primária, tratando esgoto doméstico.

t= 15 a 45 dias

O tempo de detenção requerido para oxidação da matéria orgânica varia com as condições varia com as condições locais, notadamente a temperaturalocais, notadamente a temperatura.

Menores tempo de detenção- regiões em que a temperatura do líquido é elevada.

Esgotos concentrados - tempo de detenção elevado.

O tempo de detenção pode ser utilizado de uma das seguintes formas:

Adotar o t como um parâmetro explicito do projeto.

Após ter sido adotado t, calcula-se V:

V= t x Q

Como a área A já foi determinada com base no critério da taxa da aplicação, pode-se calcular H:

H= V/A

Adotar o H como um parâmetro explicito do projeto.

Tendo-se H e A, calcula-se V:

V= A x H

E em decorrência o tempo de detenção t:

t= V/Q

Geometria da lagoa

(relação comprimento/largura)

Importante critério, influência no regime hidráulico da lagoa.

O regime hidráulico de fluxo de pistão é o mais eficiente em termos de remoção de DBO.

Regime mistura completa é mais indicado quando se tem um despejo com grande variedade de carga e à presença de compostos tóxicos.

Pode ser projetado para se aproximar das condições de fluxo em pistão ou mistura completa.

fluxo em pistão (elevada relação comprimento/largura)

•As partículas entram continuamente no reator;

•Sem misturas longitudinais;

•Concentração próximo a entrada é diferente a concentração de saída.

Geometria da lagoa

(relação comprimento/largura)

Geometria da lagoa(relação comprimento/largura)

Mistura completa

Homogeneização em todo tanque possibilita a imediata dispersão dos poluentes;

A concentração logo se iguala a baixa concentração do efluente;

Menor eficiência na remoção de DBO.


A eficiência do sistema na remoção de poluentes modelados pela reação de primeira ordem (ex: DBO e coliformes) segue a ordem apresentada abaixo:

Lagoas fluxo em pistão

Série de lagoas de mistura completa

Lagoa única de mistura completa

Maior eficiência

Menor eficiência

Relação comprimento/largura

Elevada, tendem a fluxo pistão

Próximo a 1 lagoa quadrada, regime mistura completa.

Relação comprimento/largura (L/B) = 2 a 4


Lagoas facultativas

LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃOLAGOAS DE ESTABILIZAÇÃOLAGOAS FACULTATIVASLAGOAS FACULTATIVAS

Efluente de cor verde com elevado teor de O.D. e sólidos em Efluente de cor verde com elevado teor de O.D. e sólidos em suspensão não sedimentáveis (algas)suspensão não sedimentáveis (algas) Efluente de cor verde com elevado teor de O.D. e sólidos em Efluente de cor verde com elevado teor de O.D. e sólidos em suspensão não sedimentáveis (algas)suspensão não sedimentáveis (algas)

Estimativa da concentração efluente de DBO

Fórmulas para o cálculo da concentração efluente S (DBOsolúvel)

Regime hidráulico

Esquema Fórmula da concentração de DBO solúvel efluente (S)

Fluxo de pistão S= S0 .e-kt

Mistura completa (1 celula)

Mistura completa (celulas iguais em série)

K.t1

S 0

S

n

SS

)n

tK 1(

0


Fórmulas para o cálculo da concentração efluente (DBOsolúvel)

Onde:

S0 = Concentração de DBO total afluente (mg/L);

S= Concentração de DBOsolúvel afluente (mg/L);

K=Coeficiente de remoção de DBO (d-1)

t= tempo de detenção total (d)

n = número de lagoas em série (-)


DBO total efluente = DBOsolúvel + DBOparticulada

1 mg SS/L = 0,3 a 0,4 mgDBO5/L

Sólidos em suspensão

1 mg SS/L = 1,0 a 1,5 mgDQO/L

DBOparticulada= 0,3 a 0,4mgDBO/L1mgSS/L

Eficiência de remoção de DBO

100S

S -

0

0 xS

E

A maior parte dos coeficientes de remoção de DBO disponível na literatura são para mistura completa.

Faixa de valores para o dimensionamento do valor do coeficiente de remoção de DBO (K):

Lagoa K(20°C)Lagoas primárias (recebendo esgoto bruto)

0,30 a 0,40d-1

Lagoas secundárias (recebendo esgoto efluente de uma lagoa ou reator)

0,25 a 0,32d-1


Para diferentes temperaturas de K pode ser corrigido através da seguinte equação:

KT= K20.θ(T-20)

Diferentes valores de θ propostos na literatura:

Para K = 0,35d-1, tem-se θ= 1,085

Para K = 0,30d-1, tem-se θ= 1,05

Lagoa FacultativaLagoa Facultativa

Lagoas FacultativaLagoas Facultativa

Lagoas FacultativaLagoas Facultativa

Acúmulo de lodo Resultado dos sólidos em suspensão do esgoto bruto, incluindo:

areia, mais microrganismos (bactérias e algas)

sedimentado

Fração orgânica é estabilizada anaeróbicamente, convertida em água e gases.

O volume acumulado é inferior ao volume sedimentado.

Acúmulo de lodo

A taxa de acúmulo do lodo em lagoas facultativas é da ordem de 0,03 a 0,08 m3/hab.ano

Elevação média da camada de lodo em torno de 1 a 3 cm/ano.

O ocupação do volume da lagoa é baixo

O lodo acumulará por diversos anos sem necessidade de remoção.

Vinculação entre a cor da lagoa e a característica de funcionamento

Lagoa Jardim Paulistano II

Sistemas De Lagoas Anaeróbias Seguidas

Por Lagoas Facultativas

(Sistema Australiano)

Lagoa Restinga

Sistemas De Lagoas Anaeróbias Seguidas

Por Lagoas Facultativas (Sistema Australiano)

Exemplo de DimensionamentoExemplo: Dimensionar uma lagoa facultativa para os seguintes dados:População: 20.000 hab.Vazão afluente: 3.000 m3/dTemperatura: T=23°C (líquido no mês mais frio); DBOafluente: S0 =350mg/LAdmitir uma concentração 80mg/L de SS efluente. L0 = 1050kg/d (exercício da lagoa anaeróbia)

Solução:

a) Carga de afluente à lagoa facultativa:A carga efluente da lagoa anaeróbia é a carga

afluente à lagoa facultativa. Com a eficiência de remoção de 60% na lagoa anaeróbia, a carga afluente à lagoa facultativa será:

100

100 0

xLEL

a) Carga de afluente à lagoa facultativa:

100

105060100

xL

L = 420 KgDBO/d

Exemplo de Dimensionamento

b) Adoção da taxa de aplicação superficial de 220 kgDBO/ha.d

c) Cálculo da área requerida

219.000m ha 1,9 ./220

kg/d 420 dhakg

A

sL

LA

d) Adoção de um valor para a profundidade : H = 1,80 m (adotado)


V= A x H

f) E em decorrência o tempo de detenção t:

t= V/Q

e) Calcular o volume resultante

V= 19.000 x 1,80 = 34.200 m3

T = 34.200/3000 = 11,4 d

g) Adoção de um valor para o coeficiente de remoção de DBO (k)

Regime de mistura completa, 20°C

K = 0,27 d-1 (adotado)

θ = 1,05

Correção para a temperatura de 23°C

KT = k20 x θ(T-20)

K23 = 0,27 x 1,05(23-20)

K23 = 0,31d-1

h) Estimativa da DBO solúvel efluente

Utilizando-se o modelo de mistura completa (admitindo-se uma célula não predominantemente longitudinal).

K.t1

S 0

S

0,32.11,41

350

S

S = 75,30 mg/L

i) Estimativa da DBO particulada efluente

DBOparticulada= 0,3 a 0,4mgDBO/L

1mgSS/L

DBOparticulada= 0,35mgDBO/L x 80mgSS/L

1mgSS/L

DBOparticulada = 28mgDBO/L

j) Estimativa da concentração efluente de DBO

DBO total efluente = DBOsolúvel + DBOparticulada

DBO total efluente = 75,30 + 28

DBO total efluente = 103,3mg/L

l) Eficiência de remoção de DBO

100S

S -

0

0 xS

E 100350

103,3 - 350xE

E = 70,5%

m) Dimensões das lagoas


Adotar uma lagoas e uma relação comprimento/largura(L/B) igual a 2,5 em cada lagoa.A área da lagoa facultativa = 19.000m2

A = L x B = (2,5B)B = 2,5B2

19.000 = 2,5B2 = 87 m

L = 2,5xB = 2,5x89 = 218mResposta:

Comprimento L = 218m

Largura B = 87m

m) Dimensões das lagoas


Adotar duas lagoas em paralelo e uma relação comprimento/largura(L/B) igual a 2,5 em cada lagoa.A área de cada lagoa facultativa = 19.000m2/2 = 9.500 m2

A = L x B = (2,5B)B = 2,5B2

9.500 = 2,5B2 = 62 m

L = 2,5xB = 2,5x62 = 155m

Resposta duas lagoas de:

Comprimento L = 155m

Largura B = 62m


Exercício 1: Dimensionar uma lagoa facultativa para uma população contribuinte de 20.000 hab, com uma contribuição unitária de 176 L/hab.d e DBO de 200 mg/L. A temperatura média no mês mais frio é de 20°CAdmitir uma concentração 80mg/L de SS efluente. Verifique também a eficiência da lagoa.

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