Apostila2015

UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

 CIV 441  INTRODUÇÃO AO TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS

PROF. ANN H. MOUNTEER

VIÇOSA-2015

ÍNDICE PARTE I I. OBJETIVOS E NÍVEIS DE TRATAMENTO ........................................................................ 1 1.1. Poluição Hídrica Difusa e Pontual ................................................................................1 1.2. Esgotomento Sanitário .................................................................................................1 1.3. Definiçõ Definições es ............................... ................................................ .................................. ................................. ................................. .................................. ..................2 .2 1.4. Caracterização de Esgotos Sanitários .........................................................................2 1.5. Principais Objetivos do Tratamento ..............................................................................3 1.6. Legislação Pertinente...................................................................................................4 1.7. Níveis de Tratamento ...................................................................................................6 1.8. Eficiência Exigida na ETE ............................................................................................7 1.8. Fluxograma de uma ETE .............................................................................................8 1.8. Tendênci Tendências as ............................... ................................................. .................................. ................................. .................................. ................................8 ...............8 II. CARACTERIZAÇÃO CARACTERIZAÇÃO DE ÁGUAS ÁGUAS RESIDUÁRIAS ................... ......... ................... .................. ................... ................... .............. ..... 9 2.1. Vazão Vazão (Q) ............................... ................................................ .................................. ................................. ................................. .................................. ..................9 .9 2.2. Caracterização da Qualidade de Esgotos Sanitários..................................................12 2.3. Caracterização da Qualidade de Efluentes Industriais ...............................................13 2.4. Carga Poluidora .........................................................................................................13 2.5. Critérios de Dimensionamento Dimensionamento Baseados em Vazão e Carga ................... .......... ................... .................14 .......14 III. UNIDADES, PROCESSOS E SISTEMAS SISTEMAS DE TRA T RATAMENTO TAMENTO ...................... ............. ................... ................. ....... 16 3.1. Processos e Sistemas Mais Utilizados em ETEs .......................................................16 3.2. Processos Auxiliares ..................................................................................................16 3.3. Remoção de Sólidos Grosseiros ................................................................................17 3.4. Remoção de Areia .....................................................................................................17 3.5. Remoção Remoção de Material Flutuante, Óleos e Graxas ................... ......... ................... .................. ................... .................18 .......18 3.6. Remoção de Sólidos em Suspensão .........................................................................18 3.7. Remoção de Matéria Orgânica ..................................................................................19 3.8. Principais Processos Processos Biológicos Utilizados Utilizados no Brasil ................... .......... ................... ................... .................. ............20 ...20 3.9. Tratamento Terciário ..................................................................................................26 3.10. Tratamento de Lodo .................................................................................................27 3.11. Critérios de Seleção de Processos ..........................................................................28 IV. PROJETO E MONITORAMENTO DE ETES .................................................................. 29 4.1. Estudo de Concepção do Sistema de Tratamento .....................................................29 4.2. Comparação Técnico-Econômica Técnico-Econômica de Processos Processos de Tratamento .................. ......... ................... ..............31 ....31 4.3. Monitoramento da ETE ..............................................................................................33 PARTE II V. MICROBIOLOGICA MICROBIOLOGICA E BIOQUÍMICA DE REATORES BIOLÓGICOS ................... ......... ................... ........... 34 5.1. Classificação de Microrganismos ...............................................................................34 5.2. Papéis dos Microrganismos Microrganismos nos Processos Processos Biológicos Biológicos .................. ......... ................... ................... .................. .........35 35 5.3. Noções de Metabolismo Metabolismo Microbiano Microbiano e Bioenergética Bioenergética .................. ......... ................... ................... .................. ............36 ...36 5.4. Degradação Degradação Microbiológica Microbiológica da Matéria Carbonácea Carbonácea ................... .......... ................... ................... .................. ............40 ...40 5.5. Conversão Microbiológica da Matéria Nitrogenada ....................................................42 5.6. Requisitos Nutricionais de Reatores Biológicos .........................................................42 VI. MODELAGEM DE REATORES BIOLÓGICOS .............................................................. 43 6.1. Fundamentos .............................................................................................................43 6.2. Cinética de Reatores Biológicos ................................................................................44 6.3. Hidráulica de Reatores ...............................................................................................49 VII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................. 55

PARTE I OBJETIVOS, OBJETIVOS, PROCESSOS E CRITÉRIOS DE PROJETO E OPERAÇÃO DE ETEs

CIV441 – Introdução ao tratamento de águas residuárias

DEC/CCE/UFV

I. OBJETIVOS E NÍVEIS DE TRATAMENTO 1.1. Poluição Hídrica Difusa e Pontual 1) Poluição difusa a) escoamento superficial de áreas urbanas e agrícolas, agrícolas, deposição atmosférica b) difícil de identificar identificar e tratar tratar c) controle requer requer planejamento planejamento e manejo manejo do uso e ocupação da bacia 2) Poluição pontual a) descarga de de esgotos a partir de indústrias, indústrias, prédios, prédios, redes coletoras coletoras b) fácil de identificar e controlar controlar c) alvo de tratamento em estações estações de tratamento de esgotos esgotos (ETEs)

1.2. Esgotomento Sanitário 1) Sistema de de coleta coleta separador separador versus unitário

2) Sistema de tratamento tratamento individual individual ou coletivo, centralizado centralizado ou ou descentralizado descentralizado

Centralizado

Descentralizado

1


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1.3. Definições 1) Águas residuárias (residuais) - águas descartadas que resultam da utilização utilizaçã o da água água para diversos processos 1) Esgoto sanitário = despejo líquido constitu constituído ído de esgotos doméstico e industrial, água ág ua de infiltração e a contribuição contribuição pluvial parasitária (NBR 9648, ABNT, 1986) a) esgoto doméstico doméstico = despejo despejo líquido líquido resultante resultante do uso uso da água água para higiene e necessidades necessidades fisiológicas humanas b) esgoto (efluente) industrial industrial = despejo líquido líquido resultante dos processos industriais, industriais, respeitados os padrões de lançamento lançamento estabelecidos c) água de infiltração = toda água proveniente proveniente do subsolo, indesejável ao sistema sistema separador e que penetra nas canalizações; d) contribuição pluvial parasitária = parcela do deflúvio superficial inevitavelmente absorvida pela rede de esgoto sanitário

1.4. Caracterização de Esgotos Sanitários 1) Parâmetros de caracterização caracterização Física

Orgânica

Química Inorgânica

Biológica

2) Efeitos do lançamento lançamento de esgotos não-tratados não-tratados C aracterí aracterí s ticas Físicas

P oluente/ oluente/contam contaminante inante

E feito poluidor

Químicas Químicas org ânicas nicas

Químicas Químicas inorg ânicas nicas

Biológicas

2


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Exercício: Completar os gráficos.

Matéria orgânica

Matéria orgânica

Bactérias heterotróficas

Nutrientes (N, P)

Oxigênio dissolvido

Algas e cianobactérias

Ponto de lançamento de esgoto

Distância

Ponto de lançamento de esgoto

Distância

1.5. Principais Objetivos do Tratamento 1) Controle de impactos ambientais Impacto

Poluente(s) a remover/controlar

Assoreamento e condições sépticas Balanço de O 2 Eutrofização Toxicidade à vida aquática 2) Promoção da saúde pública Impacto


Doenças de veiculação hídrica Persistência, bioacumulação, toxicidade humana

3


3) Viabilização de reúso Impacto

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Impermeabilização do solo Fitotoxicidade Fitossanidade Agressividade ou Incrustabilidade

1.6. Legislação Pertinente 1) Federal a) Resolução CONAMA 357/2005 b) Resolução CONAMA 430/2011 2) Estadual a) Deliberação Normativa Conjunta COPAM/CERH 01/2008 (GT de atualização) b) Licenciamento ambiental (DN COPAM 96/2006, 128/2008) 3) Padrões de qualidade de água - Res. CONAMA 357/2005 Parâmetro Unidade Classe 2 Cor Turbidez Gosto/odor pH Material flutuante Sólidos sedimentáveis DBO5 OD Fenóis Óleos e graxas Nitrogênio Fósforo Coliformes termotolerantes 4) Disposições gerais para lançamento de esgotos a) Efluentes de qualquer fonte poluidora somente poderão ser lançados após o devido tratamento b) Lançamento não pode fazer com que limites para classe do corpo receptor sejam ultrapassados c) Não permite lançamento em águas da classe especial d) Não permite diluição para atender aos limites 4


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e) Se vazão do corpo receptor < vazão de referência, restrições de caráter excepcional para efluentes que possam: i) causar efeitos tóxicos agudos a organismos aquáticos ii) inviabilizar o abastecimento para o consumo humano 5) Condições e padrões de lançamento - CONAMA 430/2011 versus COPAM/CERH 01/2008 Res. CONAMA 430/2011 DN COPAM/CERH 01/2008 Parâmetro Esgoto Demais Esgoto Demais sanitário sistemas sanitário sistemas Vazão máxima pH Temperatura Material flutuante mineral O&G

animal/vegetal

DBO5 (limite/eficiência) DQO (limite/eficiência) Surfactantes SST Toxicidade

a) Substâncias específicas com padrões estabelecidos i) Compostos orgânicos (listar): ii) Substâncias inorgânicas (listar): iii) Poluentes orgânicos persistentes (POPs) (listar): 6) DN COPAM nº 96/2006 – convocação dos municípios mineiros para licenciamento ambiental de sistemas de tratamento de esgotos e DN COPAM 128/2008 – prorrogação de prazos a) Todo sistema deve alcançar eficiência mínima de 60% e atender pelo menos 80% da população urbana

5


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b) Cronograma nº LP1 LI2 LO3 mun 1 > 150 mil 13 abr/2007 abr/2008 abr/2010 2 30 mil a 150 mil > 70% 20 fev/2007 fev/2007 fev/2009 3 50 mil a 150 mil < 70% 26 set/2007 set/2007 set/2010 4 30 mil a 50 mil < 70% 22 set/2007 set/2007 set/2009 1 Licença previa; 2 Licença de instalação; 3 Licença de operação Grupo

Índice de coleta

População

Grupo

População

5

Estrada Real3

nº mun 4

FCEI1

% da pop. Estado 39,40 9,67 13,26 5,75

AAF2

jun/2006 mar/2007 – pop. atend. 20%; efic. 40% mar/2009 6 20 mil a 30 mil 33 mar/2010 – pop. atend. 60%; efic. 50% mar/2012 mar/2015 – pop. atend. 80%; efic. 60% mar/2017 7 < 20 mil 735 cadastro RT mar/2008 mar/2017 1 FCEI = Formulário integrado de caracterização do empreendimento 2 AAF = Autorização ambiental de funcionamento; 3 municípios cortados pela Estrada Real

% da pop. Estado 0,4 5,3 26,25

Exercício: Levantar as seguintes informações para sua cidade de origem:

- Cidade/estado - População - % da população servida com água tratada e empresa responsável - % da população servida com coleta de esgotos - Se existe(m) ETE(s), qual é a vazão tratada e os processos/etapas de tratamento

1.7. Níveis de Tratamento 1) Nível de tratamento versus tamanho e forma do poluente Flocos Biológicos Protozoários, Algas Bactérias Vírus Sólidos Dissolvidos

Sólidos Coloidais

Sólidos Suspensos

10-12

10-11

10-10

10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

10 0

10 1

Tratamento terciário (avaçado)

Tratamento secundário (biológico)

10-4 10 2

Tratamento primário

Areia, Sólidos Grosseiros 10-3

10-2

10 3

10 4

10-1 m 10 5 μm

Tratamento preliminar

2) Objetivos dos diferentes níveis de tratamento Nível

Preliminar Primário Secundário (Biológico) Terciário (Avançado)

Poluente removido Sólidos grosseiros (> 1 cm) Areia (> 0,2 mm) Gordura SS (> 1 m), incluindo DBO particulada

Mecanismo de remoção Físico Físico Físico Físico; físico-químico

DBO particulada e solúvel

Biológico

Nutrientes, patógenos, cor, matéria orgânica persistente, metais pesados, SDT, SST

Físico, químico ou biológico

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3) Eficiência típica dos diferentes níveis de tratamento Nível

Preliminar Primário Secundário Terciário

DB O 5 – 10 25 – 50 80 – 95 40 – 99

E ficiênci a de remoção, % SST Nutrientes Coliformes 5 – 20 0 10 – 20 40 – 70 0 25 – 75 65 – 95 10-50 60 – 99 80 – 99 Até 99 Até 99,999

Atende à legislação Não Não Usualmente Sim

Fonte: von Sperling, 1996; Jordão e Pessoa, 2005

1.8. Eficiência Exigida na ETE 1) Depende de a) Usos previstos da água a jusante do ponto de lançamento b) Requisitos da legislação ambiental c) Capacidade de autodepuração e diluição do corpo receptor i) Estudos de autodepuração ii) Análise de cargas orgânicas introduzidas ao longo do corpo receptor 2) Eficiência de tratamento exigida é determinada pelo balanço de massa após mistura Q .C  Qe .Ce C f  r r Qr  Q e Eficiência exigida, E, % =

 Ci  Ce    C i  

100

onde: Cf = concentração final da substância após mistura no corpo receptor (g/m 3) Ce = concentração da substância no esgoto tratado Ci = concentração da substância no esgoto bruto Cr = concentração da substância no rio Qe = vazão do esgoto Qr = vazão de referência do rio Exercícios.

Um rio com vazão = 100 L/s, e DBO5 = 2 mg/L recebe o esgoto tratado de uma ETE municipal. Se o esgoto bruto entra na ETE com vazão = 100 m 3/d e DBO5 = 350 mg/L, determinar a eficiência de remoção de DBO 5 exigida para: i. DBO5 < 60 mg/L ii. não ultrapassar 5 mg/L de DBO do rio no ponto de lançamento Qual será a DBO final no rio se a ETE alcança remoção de 70% da DBO?

3) Eficiência global de tratamento de várias etapas é multiplicativa, com base na fração remanescente após cada etapa (exceto para constituintes cujas características mudam ao longo da linha de tratamento) E = 1 – [(1-E1)(1-E2)...(1-En)] onde: E = eficiência global

E1, 2..n = eficiência das etapas 1,2...n Exercício: Um esgoto é tratado em sistema composto por gradeamento, tratamento

primário e tratamento secundário em duas etapas, com eficiências de 0, 25, 75 e 90% de remoção de DBO, respectivamente. Qual é a DBO do esgoto após cada etapa e a eficiência global do sistema se a DBO inicial = 400 mg/L?

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1.8. Fluxograma de uma ETE 1) ETE completa Esgoto bruto



sólidos grosseiros areia

lodo 1ário

Disposição final

esgoto 1ário

Tratamento secundário

esgoto 2ário

lodo 2ário

Tratamento terciário

esgoto 3ário

Corpo receptor/ Reúso

lodo 3ário

Tratamento do lodo

Reaproveitamento

2) ETE simplificada Esgoto bruto



sólidos grosseiros areia

lodo 2ário

Disposição final

Tratamento do lodo

esgoto 2ário

Corpo receptor/ Reúso

Reaproveitamento

3) Normas brasileiras pertinentes (ABNT) a) NBR 9648. Estudo de concepção de sistema de esgoto sanitário – Procedimento. Rio de Janeiro: ABNT, 1986. b) NBR 9649. Projeto de redes coletoras de esgoto sanitário. Rio de Janeiro: ABNT, 1986 c) NBR 9800. Critérios para lançamento de efluentes líquidos industriais no sistema coletor público de esgoto sanitário. Rio de Janeiro: ABNT, 1987. d) NBR 12207. Projeto de interceptores de esgoto sanitário. Rio de Janeiro: ABNT, 1992. e) NBR 12208. Projeto de estações elvatórias do esgoto sanitário. Rio de Janeiro: ABNT, 1992. f) NBR 12209. Projeto de estações de tratamento de esgoto sanitário. Rio de Janeiro: ABNT, 2011. g) NBR 7229. Projeto, construção e operação de sistemas de tanques sépticos. Rio de Janeiro: ABNT, 1993. h) NBR 13969. Tanques sépticos – unidades de tratamento complementar e disposição final dos efluentes líquidos – projeto, construção e operação. Rio de Janeiro: ABNT, 1997. i) NBR 13402. Caracterização de cargas poluidoras em efluentes industriais e domésticos. 1995.

1.8. Tendências 1) 2) 3) 4)

Tratamento descentralizado (on-site wastewater treatment systems ) Considerações ambientais e participação pública Conservação de energia ETE  estação de recuperação de água, energia, nutrientes e outros recursos

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II. CARACTERIZAÇÃO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS 2.1. Vazão (Q) 1) Q =

V t

onde: V = volume da unidade de tratamento, m 3 t = tempo de retenção (detenção) hidráulica na unidade de tratamento (TRH ou TDH, H, ); TRH =

V Q

Exercícios

Qual é o TRH de uma unidade de tratamento com V = 50m 3, e Q = 10 L/s? Qual é o volume de uma unidade que trata uma Q = 10000 m 3/d com TRH = 8h?

a) Para projetar ETE, Qtotal de início e final de plano devem ser estimadas b) Componentes de Q total Qtotal = Qd + Qinf + Qind onde: Qd = vazão doméstica Qinf = vazão de infiltração em sistemas separadores; não se considera a contribuição de águas pluviais Qind = vazão industrial; regras para enviar efluentes industriais para estação de tratmento de esgotos sanitários estão dispostas na NBR 9800/1987

2) Vazão doméstica, Qd a) Inclui comércio, escolas, hospitais, esgoto sanitário de indústrias b) Depende de: i) clima ii) população iii) custo/ medição da água (hidrômetros) iv) condições socioeconômicas v) grau de industrialização vi) perdas no sistema de abastecimento e coleta c) Estimativa de Qd i) com base no consumo de água Qd, med

m d = Pop.QPC.R 1000 3

onde: Pop. = população de contribuição, habitantes QPC = quota per capita, L água/hab.d População, hab. <5.000 5.000-10.000 10.000-50.000 50.000-250.000 >250.000

QP C, L/(hab.d) 90-140 100-160 110-180 120-220 150-300

Fonte: vonSperling, 2005

R = coeficiente de retorno =

Qesgoto Qágua

= 0,5 a 0,9;

(na falta de medição in loco, adotar R = 0,8; NBR 9649/1986)

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ii) com base na contribuição per capita (NBR 7229) Ocupantes permanentes

Unidade

Contribuição de esgoto (L/unidade.d) 160 130 100 80 100

Residência padrão alto Residência padrão médio Residência padrão baixo Alojamento provisório Hotel (exceto cozinha e lavanderia)

pessoa pessoa pessoa pessoa pessoa

Ocupantes temporários

Unidade

Fábrica (em geral) Escritório Edifício público ou comercial Escola (externato) e locais de longa permanência Bares Restaurante e similares Cinema, teatro e locais de curta permanência

pessoa pessoa pessoa pessoa

Contribuição de esgoto (L/unidade.d) 70 50 50 50

pessoa refeição lugar

6 25 2

Exercícios:

1. Determinar a vazão doméstica média (Q d,med) de um bairro com: 350 casas, com média de 5 residentes/casa 280 apartamentos, com média de 3 residentes/apto. um hospital com 30 leitos um restaurante que serve 150 refeições por dia prédios comerciais nos quais trabalham um total de 180 pessoas 1 escola com 500 estudantes 2. Qual seria a QPC para a população permanente deste bairro (R = 0,8), p/ a mesma Qd,med?

d) Variação de Qd Qd,máx

i)

Hidrograma

Qd,méd Qd,mín 0

6

12 hora do dia

18

24

ii) Variações de Q d dependem de: (1) tipo de efluente (doméstico ou misto - doméstico e industrial) (2) rede coletora (a) tamanho - variação inversamente proporcional ao tamanho da rede (b) qualidade - idade, material de construção, manutenção... (3) condições climáticas (4) influência do lençol freático iii) Coeficientes de variação de Q d (NBR 9649) (1) variação máxima diária, registrada no período de um ano, k 1 

Qmax,dia Qmed,dia

(na impossibilidade de determinar valor in loco, a norma recomenda adotar k 1 = 1,2)

10


(2) variação máxima horária, registrada no período de um dia, k 2 

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Q max,hora Q med,hora

(na impossibilidade de determinar valor in loco, a norma recomenda adotar k 2 = 1,5) Qd,max = k1.k2.Qd,med = 1,8.Qd,med (3) variação mínima horária, registrada no período de um dia, k 3 

Q min,hora Q med,hora

3) Qd,min = k3.Qd,med = 0,5.Qd,med (na impossibilidade de determinar valor in loco, a norma recomenda adotar k 3 = 0,5) 4) Vazão de infiltração, Qinf , função de: a) extensão da rede ou área servida b) tipo de solo c) profundidade do lençol freático d) topografia e) Qinf = Ti x L i) L = Extensão da rede, km ii) Ti= taxa de contribuição de infiltração, = 0,05 a 1 L/s por km de rede (tipicamente 0,3 a 0,5 L/s) (NBR 9649) 5) Vazão industrial, Q ind a) função de: i) tipo de indústria ii) processo de produção iii) grau de recirculação de água industrial (fechamento de circuito) iv) pré-tratamento, antes de envio à ETE (NBR 9800) b) Qind,max limitada a 1,5.Q ind,med (Resolução CONAMA 430/2011) c) Indústrias de maior porte e, ou potencial poluidor tem ETE própria (parte do licenciamento ambiental) 6) Resumo das variações de Q total Qtotal,min = k3.Qd,med + Qinf Qtotal,med = Qd,med + Qinf + Qind,med Qtotal,max = k1.k2..Qd,med + Qinf +1,5.Qind,med a) Qmax – utilizada para dimensionamento de estações elevatórias, linhas de recalque de afluente, medidores de vazão, unidades de tratamento preliminar e primário (gradeamento, dearenação e decantação primária) e suas respectivas canalizações b) Qmed –- utilizada para dimensionamento das unidades de tratamento secundário, terciário, e unidades após um tanque de equalização c) Qmin – utilizada para verificação de dimensionamento de estações elevatórias, velocidade nas canalizçaões entre unidades em geral Exercício

Determine as vazões totais média, mínima e máxima dos esgotos de uma cidade com 180.000 habitantes, com rede coletora de esgotos de 32 km de extensão. Os efluentes de um laticíno que produz 20.000 litros de leite por semana também são enviados para a ETE da cidade. (Adotar QPC = 200L/hab.d; R = 0,8; Ti = 0,4 L/s.km; 6m 3 efluente/m 3 leite).

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2.2. Caracterização da Qualidade de Esgotos Sanitários 1) Série de sólidos (totais; em suspensão/dissolvidos; fixos/voláteis) Parâmetro Sólidos Totais - SST - SDT

Contribui ção per capita, g /hab.d 120-220 35-70 85-150

Concentração, mg/L 700-1350 200-450 500-900


2) Indicadores da matéria orgânica (DBO, DQO, COT) Contribuição per capita, g /hab.d

Concentração, mg/L

DBO5

40-60

200-500

DBOúltima

60-90

350-600

DQO

80-130

400-800

Óleos/Graxas

10-30

55-170

Parâmetro

600 400 l

/ g m200

0

Particulado Solúvel 260 135 65

130

DBO

DQO

Fonte: vonSperling, 2005; Jordão e Pessoa, 2005

3) Nutrientes Parâmetro

N total - N orgânico - Amônia P total - P orgânico - P inorgânico

Contribuição per capita, g /hab.d 6-12 2,5-5,0 3,5-7,0 1,0-4,5 0,3-1,5 0,7-3,0

Concentração, mg/L 35-70 15-30 20-40 5-25 2-8 4-17

40 30

l / g20 m

10

10

Particulado Solúvel

2

20

5

0 N total

P total

Fonte: vonSperling, 2005; Jordão e Pessoa, 2005

4) Indicadores de contaminação fecal / patógenos Mic ror g anismo

Bactérias totais Coliformes totais Coliformes termotolerantes Estreptococos fecais Cistos de protozoários Ovos de helmintos Vírus

Contribuição per capita (org /hab.d) 1012 – 1013 109 – 1012 108 – 1011 108 – 109 < 106 < 106 105 – 107

Concentração (org /l00 ml) 109 – 1010 106 – 109 105 – 108 105 – 106 < 103 < 103 102 – 104

Dose infectante 102-109 1-100 1-5 1-10

Fonte: vonSperling, 2005; Daniel, 2001

5) Outras características de esgoto sanitário bruto Parâmetro pH Alcalinidade Cloretos

Contribui ção per capita, g /hab.d 20-30 4-8

Concentração, mg/L 6,7-7,5 110-170 20-50


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2.3. Caracterização da Qualidade de Efluentes Industriais 1) Parâmetros de caracterização de efluentes industriais a) Sólidos (em suspensão/dissolvidos; fixos/voláteis) b) Indicadores da matéria orgânica (DBO, DQO, COT) c) Nutrientes e sua disponibilidade para o tratamento biológico (falta ou excesso) d) Indicadores de contaminação fecal / patógenos 2) Biodegradabilidade (DBO/DQO) a) capacidade de estabilização por processos bioquímicos, através de microrganismos b) quando DBO/DQO for < 0,3, tratamento biológico pode ser inadequado/ineficiente 3) Tratabilidade a) capacidade de tratar por processos biológicos convencionais b) afetada pela presença de substâncias inibidoras e refratárias/recalcitrantes 4) Indicadores de toxicidade a) ao tratamento do efluente por processos biológicos b) à vida aquática (e prejudicial ao abastecimento público de água) c) ao tratamento e, ou disposição final do lodo 5) Características das águas residuárias de diferentes tipologias industriais Tipologia

Açúcar Laticínios Matadouro Cervejaria Refrigerante Algodão Celulose Refinaria PVC Cimento Fundição

Unidade

ton açucar m3 leite 1 boi/2,5 porcos m 3 produzido m 3 produzido ton produzida ton produzida barril (117 L) ton produzida ton produzida ton gusa

Vazão de esg oto, m 3 /unidade 0,5-10 2-10 0,5-3 2-10 2-5 120-750 15-100 0,2-0,4 12,5 5 3-8

Carg a unitária (kg /unid) S S T DB O 4 2-5 350 5-40 5 4-10 1400 8-20 3-6 70 50 18 30 0,05 1,5 10 8 0 1,6

Fonte: modificado de von Sperling, 2005

2.4. Carga Poluidora 1) Carga = massa/tempo (kg/d) a) orgânica - kg DBO/d; kg DQO/d b) sólidios - kg SS/d, etc. c) nutrientes - kg N/d (N-org; N-NH4+; N-NO3+), kg P/d 2) Contribuição / carga per capita ou unitária a) Para esgotos domésticos (NBR 12209) i) 54 g DBO5/hab.d ii) 60 g SS/hab.d b) Para efluentes industriais – deve determinar caso a caso e expressar como kg por tonelada ou m 3 de produção (kg/ton ou kg/m 3) Exercício: Estimar a DBO e SS do esgoto de uma cidade com população de 50000

habitantes, utilizando os valores de contribuição per capita recomendados pela ABNT.

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3) Cálculo da carga poluidora, L (kg/d) a) carga = concentração x vazão (g/m3 x m3/d x 1 kg/1000g = kg/d) b) carga = carga per capita x população (ex. g/(hab.d) x hab x 1 kg/1000g = kg/d) c) carga = carga unitária x unidades (kg/ton x ton/d = kg/d; kg/m3 x m3/d = kg/d) Exercícios:

1. Calcular LDQO se Q = 15 m3/h e DQO = 800 mg/L. 2. Qual é a concentração de P em um esgoto com L P = 35 kgP/d e Q = 8640 m 3/d? 3. Qual é a vazão de um esgoto com concentração de SST = 400 mg/L e L SST = 8000 kg d? 4. Qual dessas atividades industriais tem a maior carga orgânica poluidora? Atividade Produção Efluente Volume DBO, mg/L Cervejaria 800 L/d 5 m 3/m3 cerveja 800 3 Indústria têxtil 2 ton/d 10 m /ton 1500 3 Refinaria de petróleo 1500 barris/d 0,3m /barril 250 5. Para uma usina que produz 400.000 ton açucar /ano e gera efluente com Q = 100 m 3/h e carga específica = 5 kg DBO 5/ton, determinar: i. a DBO5 no efluente, mg/L ii. a carga orgânica do efluente, kg DBO 5/d iii. a vazao específica do efluente, m3/ton

4) Equivalente populacional (EP) kg/d EP = ⁄ = hab a) EP = carga/carga per capita kg d.hab b) Conceito utilizado para comparar carga poluidora de atividades industriais com àquela de esgotos sanitários Exercicio: Determinar o equivalente populacional de uma fábrica que produz 3000 ton de

produto por dia, com carga unitária = 20 kg DBO 5/ton.

2.5. Critérios de Dimensionamento Baseados em Vazão e Carga 1) Volume, V = Q.TRH a) Para diversos processos, TRH determina eficiência alcançada b) Especificando TRH, V será definido 2) Unidades de sedimentação a) Taxa de aplicação hidráulica (superficial), TAH = b) Taxa de aplicação de sólidos, TASS =

3 Q m d A m2

  ( ) =

vs

kgd A (m2 )

LSST

onde: A = área superficial da unidade vs = velocidade de sedimentação 3) Reatores biológicos a) Carga orgânica volumétrica, Lorg ou COV = b) Carga orgânica superficial, LS ou COS =

kgd V (m3 )

Carga

kgd A (m2 )

Carga

14


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Exercícios: Uma ETE foi projetada para tratar o esgoto de uma população de 60000

habitantes (QPC = 170 L água/hab.d; R = 0,8) e inclui grade, desarenador, decantador primário e filtro biológico percolador (FBP). 1. Qual deve ser a área mínima em planta do desarenador, sabendo que o mesmo deve ser projetado para remover partículas com v s ≥ 0,02m/s? 2. Qual deve ser a área mínima em planta do decantador primário, se o mesmo deve ter TAH < 90 m3/m2.d e TAS < 120 kg SST/m 2.d? Se for um decantador circular, qual será seu diâmetro? 3. O FBP deve ter COV < 1,2 kg DBO/m 3.d e TAH < 50 m3/m2.d. Se o tratamento primário remove 65% dos SST, incluindo 25% da DBO, qual devem ser o volume e área em planta mínimos do FBP? 4. Se o FBP alcança 85% de remoção de DBO, qual será a quantidade de DBO no esgoto tratado (kg/d e mg/L)? 5. Elaborar o fluxograma da ETE com balanço de massa de DBO.

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III. UNIDADES, PROCESSOS E SISTEMAS DE TRATAMENTO 3.1. Processos e Sistemas Mais Utilizados em ETEs Nível

Preliminar

Poluente/Contaminante Sólidos grosseiros Areia Material flutuante

Primário

Sólidos suspensos

Secundário

Matéria orgânica biodegradável

Secundário ou terciário

Nitrogênio

Secundário ou terciário

Fósforo

Terciário

Matéria orgânica não biodegradável

Terciário

Patógenos

Terciário

Matéria inorgânica

Processo Gradeamento Sedimentação Flotação Sedimentação Sedimentação quimicamente assistida Lagoas de estabilização Lodos ativados e variações Filtros biológicos percoladores e variações Reatores anaeróbios Disposição no solo Nitrificação e desnitrificação biológica Lagoas de maturação Disposição no solo Processos físico-químicos Remoção biológica Processos físico-químicos Adsorção em carvão ativado Precipitação química Filtração por membranas Oxidação avançada Lagoas de maturação Disposição no solo Desinfecção com produtos químicos Desinfecção com radiação UV Precipitação química Filtração em membranas

3.2. Processos Auxiliares 1) Medição de vazão – uso de calha Parshall a) Dispositivo de medição de vazão na forma de um canal aberto b) Dimensões padronizadas (W,A,B,C,D,F,G) c) Água é forçada por garganta (W) relativamente estreita; d) Relação empírica existe entre o nível de água no ponto 0 e a vazão na seção, em condições de escoamento livre* (sem afogamento): Q = 2,2. W. H03/2 onde: Q = vazão (m 3/s) H0 = altura do nível de água no ponto 0 (m) W = largura da garganta (m) * Condições de escoamento livre:

H2 / H1  0,60 para W < 229mm ou H2 / H1  0,70 para W de 301mm a 2,5m

Calha Parshall Convencional 16


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2) Equalização de vazão – tanque de equalização a) Minimiza variações operacionais b) Aumenta desempenho do sistema c) Reduz custo e tamanho das unidades de tratamento subsequentes d) Uniformiza características e cargas – pH, temperatura, toxicidade, DBO 5 e) Quando presente, antecede unidade(s) de tratamento secundário 1600 3

m , e m u l o V

Efeito da equalização de vazão:

1200 800

Q na entrada Q equalizada

400 0 0

6

12 Tempo, h

18

24

3) Neutralização e resfriamento – muitas vezes necessários para adequar efluentes industriais ao tratamento biológico

3.3. Remoção de Sólidos Grosseiros 1) Unidades de tratamento a) grades (aberturas 10 a 100 mm) b) peneiras (aberturas 0,25 a 6mm), para remoção de sólidos mais finos, fibrosos 2) Sólidos retidos (folhas, trapos, plástico, fezes, restos de alimentos, etc.) a) quantidade é função do tamanho das aberturas b) enviados ao aterro ou incinerador

3.4. Remoção de Areia 1) Unidade = Desarenador a) Ocorre sedimentação discreta i) Partículas não mudam de forma, tamanho ou densidade ii) Em líquido em repouso, no equilíbrio, sedimenta com v s constante b) Tempo para sedimentar partícula (ts) deve ser menor que o TRH vh

b

vs h

Q

l

Q

h = altura da lâmina de água b = largura l = comprimento vs = Q/l.b = h/ts vh = Q/h.b = l/TRH

Trajetória da partícula discreta

c) Deve ser projetado para remover partículas discretas com i) vs  0,02 m/s ii) vh média = 0,3 m/s d) deve manter DBOparticulada em suspensão, para ser removida no tratamento primário (DBOparticulada tem vs < 0,02 m/s, portanto, se unidade for bem projetada e operada, não sedimentará) 2) Material retido a) 1 a 5 L/1000 m3 de esgoto b) Areia é lavada antes de disposição final (aterro) c) Água de lavagem volta à entrada da unidade 17


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3.5. Remoção de Material Flutuante, Óleos e Graxas 1) Unidades de tratamento (s < H2O) a) Caixa de gordura b) Separador água / óleo c) Flotador (FAD) 2) Material retido a) Quantidade é função de: i) características da água residuária ii) tempo / grau de clarificação b) Disposição i) óleos minerais - incineração; reciclagem ii) óleos animais/vegetais - digestão (linha do lodo), reciclagem

3.6. Remoção de Sólidos em Suspensão 1) Unidade = decantador primário (clarificador, tanque de sedimentação) a) Ocorre sedimentação floculenta i) Partículas ganham maior velocidade a medida que aumentam de tamanho e peso ii) Velocidade de sedimentação, v s, não é constante vh vs

b

vh

Q

vs

Q h

vh constante = Q/(b.h) vs variável

l Trajetória da partícula floculenta

b) Unidades de sedimentacao são dimensionadas com base na v s mínima das partículas em suspensão que se deseja remover % , S S e d o ã ç o m e R

eficiência desejada

Relação entre vs e eficiência de remoção obtida em ensaio de sedimentação floculenta

TAH de projeto vs

c) Critérios de dimensionamento do decantador primário (NBR 12209) i) TRH = 1 a 6 h; tempos longos evitados para não tornar esgoto séptico ii) TAH recomendada (1) sem tratamento biológico < 60 m3/(m2.d) (2) antes de filtro biológico < 80 m 3/(m2.d) (3) antes de lodos ativados < 120 m3/(m2.d) iii) Comumente dotado de removedor de escuma (óleos/gorduras) 2) Lodo primário a) inclui parte da DBO particulada b) quantidade é função de: i) características da água residuária ii) tempo / eficiência de clarificação c) tratamento de lodo primário visa sua estabilização biológica (remoção de matéria orgânica biodegradável) e higienização (inativação de patógenos) d) disposição depende de forma de tratamento (linha de lodo) 18


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3) Tratamento primário quimicamente assistido a) Adição de copagulantes para aumentar vs e eficiência b) Pode ser suficiente para atender legislação (eficiência de remoção de SS, DBO)

3.7. Remoção de Matéria Orgânica 1) Unidade = Reator Biológico matéria orgânica + biomassa

reator biológico (

biomassa nova + produtos de degradação (CH4 e/ou CO2, NH4+ ou NO3-, SO42- ou HS-, etc.)

2) Objetivos do reator biológico a) Reproduzir processsos naturais com introdução da tecnologia para conseguir depuração sob condiçoes controladas e taxas de reação mais elevadas. b) Realizar operações bioquímicas nas quais microrganismos crescem utilizando a carga orgânica como fonte de carbono e/ou energia, convertendo DBO em biomassa e CO 2 3) Ambientes bioquímicos nos reatores biológicos a) Aeróbio - presença de O 2 (muitas vezes requer sistema de aeração) b) Anóxico - ausência de O 2, presença de NO 3c) Anaeróbio - ausência de O 2, NO3-, presença de SO42-, CO2... d) Facultativo - zonas aeróbias e anaeróbias no mesmo reator 4) Vantagens de processos aeróbios e anaeróbios a) Vantagens de processos anaeróbios i) Eficiente remoção de SS, DBO, mas geralmente precisa de pós-tratamento ii) Baixo requisito de área (pequena “pegada”) iii) Reduzida produção de lodo (reações anaeróbias produzem menos energia) iv) Sem consumo de energia (não há aeração), mas geração de energia (CH 4) v) Não necessitam de equipamentos eletromecânicos (mistura, recirculação) vi) Construção e operação simples; adequadas como soluções individuais b) Vantagens de processos aeróbios i) Elevada eficiência de remoção de SS, DBO, sem necessidade de pós-tratamento ii) Permitem remoção biológica de nutrientes quando em combinação com processos anóxicos e, ou anaeróbios iii) Maior diversidade de microrganismos e, portanto, maior resistência a choques tóxicos iv) Aplicáveis ao tratamento de efluentes industriais contendo substâncias inibidoras dos processos anaeróbios (sulfato, metais,...) 5) Formas de crescimento da biomassa nos reatores biológicos a) Crescimento disperso – floco ou grânulo biológico i) biomassa em matriz de exopolímeros (principalmente carboidratos, proteínas) ii) matéria orgânica adsorvida na matriz do floco iii) se desejar manter floco em suspensão, requer dispositivos de agitação e de separação da biomassa após reação (sedimentação) iv) existe gradiente de matéria orgânica, nutrientes no floco b) Crescimento aderido (reatores de leito fixo) - biofilme i) biomassa em matriz de exopolímeros imobilizada/aderida a um suporte sólido ii) difusão da matéria orgânica, nutrientes, OD dentro do biofilme iii) existe gradiente de matéria orgânica, nutrientes no biofilme

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Floco biológico versus biofilme


c) Consequências da forma de crescimento – floco/grânulo versus biofilme i) Dois tempos de controle nos reatores (1) Tempo de retenção hidráulica, TRH (2) Tempo de residência celular, c (idade do lodo)



θc d =

 

biomassa no reator kg

 ⁄ = d

biomassa retirada por unidade de tempo kg d

ii) Reatores de leito fixo (crescimento aderido): TRH < c iii) Reatores de crescimento disperso: TRH = c, a menos que exista um mecanismo de retenção de biomassa (por exemplo, pela recirculação de lodo do fundo de um decantador secundário) iv) Importância de controle de c (1) redução de c leva ao aumento da fração ativa de biomassa e quantidade de biomassa produzida por unidade de tempo (2) aumento de c permite estabelecer populações de bactérias específicas, com menores taxas de crescimento, por exemplo: (a) bactérias nitrificantes que transformam amônio a nitrato (b) espécies capazes de degradar xenobióticos (substâncias sintéticas) (3) c > TRH leva ao aumento da biomassa no reator, o que resulta em maior velocidade de remoção da matéria orgânica, e, portanto, menor volume do reator para alcançar determinada eficiência Exercício: Determinar TRH, c e a carga de lodo retirado se forem retirados (para descart e

de lodo) 75 m 3 de efluente por dia de um reator com Q = 3000 m 3/d, V = 1500 m 3 e SSV = 2500mg/L.

3.8. Principais Processos Biológicos Utilizados no Brasil Crescimento

Disperso

Aderido

Anaeróbio

Tanque séptico Lagoa anaeróbia Reator UASB Digestor anaeróbio Filtro anaeróbio

Aeróbio ou facultativo

Lagoas de estabilização Lodos ativados Filtro biológico percolador Biofiltro aerado submerso Disposição no solo

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3.8.1. Tanque séptico e filtro anaeróbio (s is tema fos s a-filtro)

1) Solução individual, para comunidades de pequeno porte ou esgotos sanitários de indústrias (sistemas descentralizados) Caixa de gordura

Caixa gradeada

Tanque séptico

Filtro anaeróbio

Fonte: http://www.suzuki.arq.br/

2) Tanque séptico retém sólidos a) Decantador e digestor em uma única unidade b) Pode ser considerado tratamento a nível primário por remover/tratar apenas os sólidos sedimentáveis e flutuantes, não a fase líquida c) Decomposição anaeróbia de sólidos orgânicos e acúmulo de sólidos inertes d) Requer remoção de lodo acumulado em intervalos regulares (~ 1 a 5 anos) 3) Filtro anaeróbio a) TRH < c = 20 até 100 d b) Fluxo ascendente ou descendente c) Leito filtrante pode ser afogado ou não afogado d) Limite prático de tamanho devido ao material suporte e) Necessidade de tratamento primário f) Eficiência do sistema tanque séptico-filtro anaeróbio = 75 a 95% de DBO 3.8.2. R eator UA S B

1) 2) 3) 4) 5) 6)

Reator anaeróbio de fluxo ascendente e manta de lodo ( upflow anaerobic sludge blanket ) TRH = 6 a 10 h < c; estabelecido em função da temperatura Separador trifásico (gás/líquido/sólidos) permite retenção da biomassa dispersa Biomassa granular com excelente sedimentabilidade, fácil retenção Não necessita de tratamento primário Eficiência de remoção de matéria orgânica = 50 a 70% de DBO

Fonte: http://www.samaepomerode.com.br/

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3.8.3. Di g es tor anaeróbio

1) Aplicação a) Tratamento de efluentes com elevado teor SS, como de certos efluentes agroindustriais (ex. suinocultura) b) Estabilização de lodos primário e secundário 2) Variantes a) Baixa carga: TRH = c = 30 a 60d b) Alta carga: TRH = 15 a 20d < c i) Mistura e aquecimento (25 a 35 oC) ii) Maior taxa de hidrólise da DBO particulada (tipicamente etapa limitante) CH4 + CO2

CH4 + CO2

sobrenadante lodo digerido

aquecedor de lodo

baixa carga

alta carga

3.8.4. Lag oas de estabilização

1) TRH = c a) relativamente baixa concentração de biomassa na coluna de água b) requer TRH relativamente elevado para alcançar eficiência elevada c) Indicadas para condições brasileiras - clima favorável e disponibilidade de terra 2) Vantagens e desvantagens das lagoas a) construção e operação simples b) pouca ou nenhuma mecanização c) sem necessidade do tratamento primário d) requisitos de área (pegada) relativamente elevados 3) Principais variantes a) Lagoa facultativa i) Efeito de fatores ambientais na lagoa facultativa (1) luz – taxas de fotossíntese e remoção de DBO, solubilidade de gases (2) vento - mistura, reversão térmica Energia luminosa CO2 DBO

algas

bactérias

particulada

zona aeróbia

CO2

solúvel

CO2, CH4, H2S

O2

O2

Camada de lodo

zona facultativa

zona anaeróbia

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i) Pós-tratamento do efluente na saída da lagoa facultativa para remoção de algas (aumentam SST na saída) (1) filtro de areia ou brita (2) coagulação / floculação (3) biofiltro aerado b) Lagoa anaeróbia i) utilizada para tratamento de esgotos domésticos ou industriais, percolado de aterros sanitários (chorume) com alta carga orgânica ii) tipicamente remove 50% da carga orgânica iii) quando colocada antes da lagoa facultativa, permite reduzir a área total c) Lagoa aerada facultativa i) oxigênio introduzido mecanicamente através de aeradores, para manter concentração adequada de OD sem suspender a biomassa (profundidade deve ser suficiente para criar zona sem aeração no fundo) ii) útil para aumentar capacidade de lagoa facultativa sobrecarregada d) Lagoa aerada de mistura completa seguida de lagoa de decantação i) oxigênio introduzido mecanicamente através de aeradores, para manter concentração adequada de OD e manter biomassa em suspensão na lagoa aerada ii) lagoa (ou zona) de decantação para separar a biomassa do efluente clarificado e) Lagoa de maturação / polimento i) polimento - remoção de matéria orgânica ii) maturação - remoção de nutrientes e patógenos iii) lagoas rasas, condição que favorece: (1) aumento de luz (calor) (2) aumento da atividade fotossintética (geração de O 2, consumo de HCO 3-) (3) aumento do pH f) Características típicas de lagoas de estabilização Lagoa

anaeróbia facultativa aerada aerada de mistura completa decantação maturação / polimento

TRH, d

Profundidade, m

3-6 (1-2) 15-45 5-10 2-4 <2 3

4-5 1,5-2 2,5-4,5 2,5-4,5 3 <1,5

Fonte:vonSperling, 2002

g) Comparação entre lagoas de estabilização i) Requisitos de energia e custos: facultativa < anaeróbia seguida de facultativa < aerada facultativa < aerada de mistura completa + decantação

ii) Requisitos de área: facultativa < anaeróbia seguida de facultativa < aerada facultativa < aerada de mistura completa + decantação

3.8.5. Lodos ativados

1) Unidades integrantes a) tanque de aeração: introdução de oxigênio e mistura do esgoto e lodo b) decantador secundário: sedimentação, retirada do lodo para recirculação e descarte c) elevatória de recirculação de lodo: recalque do lodo para o tanque de aeração. d) digestor de lodo: digestão do lodo excedente retirado do decantador secundário e) dispositivo para desaguamento do lodo: mecanizada ou em leitos de secagem

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Decantador primário

Tanque de aeração

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Decantador secundário

linhas pontilhadas indicam unidades opcionais, dependendo do variante do processo

lodo Digestor de lodo

Adensador de lodo

Secagem

disposição/ reciclagem

2) TRH < c a) retenção da biomassa via sistema de recirculação do lodo do fundo do decantador secundário para o reator biológico (tanque de aeração) b) aumento da concentração de biomassa no reator resulta em maior taxa de remoção da matéria orgânica, permitindo reatores menores (menor TRH) 3) Vantagens e desvantagens do sistema de lodos ativados a) Baixo requisito de área b) Processo aeróbio menos sujeito a inibição por substâncias tóxicas c) Possibilidade de remoção de N e P com uso de seletores (reatores biológicos com ambiente bioquímico ou carga orgânica modificada para favorecer crescimento de grupos específicos de bactérias) d) Sistema com maior complexidade de construção, operação e manutenção e) Pode ou não incluir tratamento primário 4) Principais variantes de lodos ativados Variante TR H (h) X (mg SS V/l) c (d) Convencional 5-12 4-10 1.500-5.000 Aeração prolongada 20-30 18-36 3.000-6.000 Alta taxa 5-10 0,5-2 4.000-10.000 5) Modificações do sistema de lodos ativados a) Biorreator a membranas - módulos de membranas substituem o decantador 2 ario b) Reator sequencial em batelada - único reator desempenha função do tanque de aeração e decantador 2 ario de forma alternada c) Valo de oxidação - canal circular ou oval equipado com aeradores de eixo horizontal 4.2.6. Filtro biológ ico percolador

1) TRH < c 2) Componentes principais: a) dispositivos de distribuição do esgoto na superfície do meio filtrante b) meio filtrante - pedra britada, cerâmica, plástico, sobre o qual cresce a biomassa c) sistema de drenagem de fundo d) decantador secundário para remover lodo desprendido e recircular esgoto 3) Necessidade de tratamento primário para evitar colmatação da superfície do meio filtrante)

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4) Outros processos aeróbios com biofilme a) Biofiltro aerado submerso (BAS) i) fluxo ascendente, com meio suporte submerso ii) aeração forçada fornece oxigênio b) Filtro aeróbio submerso (FAS) c) Biodisco ou reator biológico de contato (RBC) 3.8.7. Di s pos ição no solo

1) Combinação de tratamento e disposição final (sistemas descentralizados) a) Remoção de DBO, nutrientes, patógenos b) Após tratamento primário (tanque séptico) ou secundário c) Disposição final: reúso, recarga de aquíferos, irrigação agrícola e florestal 2) Tipos de disposição a) Infiltração i) lenta = irrigação ii) rápida = percolação iii) subsuperficial b) Escoamento superficial c) Sistemas alagados construídas 3) Taxa de aplicação hidráulica (cm/d) função de a) Tipo e manejo de solo b) Tipo de aplicação c) Grau de tratamento do esgoto antes da aplicação d) Percolação > escoamento superficial > irrigação 4) Infiltração lenta = Irrigação a) Método de disposição mais eficiente, mas que requer maior área i) reduz necessidade de adubos (fertirrigação) ii) elimina DBO, SS, N,P - solo planta iii) aumenta SS inorg - evapotranspiração iv) absorção ou precipitação de metais pesados b) Formas i) aspersão ii) alagamento/inundação iii) crista e vala / sulcos 5) Infiltração rápida = Percolação a) Funções i) recarga de lençol freático ii) renovação da qualidade água iii) reversão de gradiente hidráulico - reduz intrusão de salinidade (regiões costeiras) b) Redução de DBO, SS, alguma redução N,P; aumento de dureza c) Feita em bacias construídas na terra, com aplicação intermitente, com ou sem coleta de efluente 7) Escoamento superficial a) Aplicabilidade i) terrenos com declividade ii) solo de baixa permeabilidade iii) cobertura vegetal (capim) iv) aplicação intermitente no topo do declive, coleta em valas b) Boa remoção DBO, SS, N; alguma remoção P, metais 25


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8) Sistemas alagados construídos (SACs) ou wetlands a) Tenta mimetizar ecossistemas naturais e suas funções de ciclagem de nutrientes, remoção de matéria orgânica metais b) Boa remoção DBO, SS, nutrientes e coliformes c) Fluxo superficial ou subsuperficial, horizontal ou vertical 9) Infiltração subsuperficial a) Utilizada tipicamente em conjuntos residenciais, comunidades de pequeno porte b) Aplicação abaixo do nível do solo em escavações enterradas preenchidas com meio poroso i) sumidouros ii) valas de infiltração/absorção iii) valos de filtração - coleta de efluente 3.8.8. Combinação de proces s os biológ ic os

1) Combinação de processos pode reduzir volume / custo de construção e operação do sistema de tratamento 2) Combinação de reatores anaeróbio e aeróbio a) redução da carga orgânica no reator anaeróbio reduz demanda de oxigênio no reator aeróbio, ou requisitos de área para lagoa, disposição no solo b) Exemplos i) reator UASB + filtro percolador ou biofiltro aerado ii) reator UASB + lagoa facultativa ou aerada e, ou de maturação iii) reator UASB + lodos ativados iv) lagoa anaeróbia + lagoa facultativa ou aerada 3) Combinação de reatores aeróbios a) redução da carga orgânica no primeiro reator viabiliza nitrificação ou remoção de substâncias recalcitrantes no segundo reator b) Exemplos i) filtro percolador de dois estágios ii) lodos ativados + filtro percolador iii) lagoa aerada + reator MBBR (reator de biofilme e leito móvel) iv) lodos ativados + reator MBBR

3.9. Tratamento Terciário 1) Adotado para atender legislação ou viabilizar reúso 2) Seleção do processo depende de: a) uso previsto para o esgoto tratado b) compatibilidade com os demais operações e processos na ETE c) disponibilidade de métodos para dispor da forma final dos resíduos d) viabilidade econômica 3) Processos usados no tratamento terciário a) Biológicos i) Processos incorporados aos sistemas de lodos ativados (remoção de nutrientes) ii) Lagoas de maturação (remoção de nutrientes e patógenos) iii) Lagoas de alta taxa (remoção de nutrientes e patógenos; produção de biomassa algal) iv) Disposição no solo (remoção de nutrientes e patógenos)

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b) Físico-químicos Processo Desinfecção

Aplicação inativação de patógenos remoção de P, metais, substâncias recalcitrantes remoção de cor, substâncias recalicitrantes remoção de SST, turbidez remoção de nutrientes, patógenos, sais, substâncias recalcitrantes

Precipitação química Adsorção em carvão ativado Filtro de areia Filtração em membranas Oxidação química de matéria orgânica (processos oxidativos avançados, poas)

remoção de substâncias recalcitrantes

3.10. Tratamento de Lodo 1) Consistência do lodo - várias etapas do processamento do lodo visam o aumento de sua consistência com concomitante redução de seu volume 3

V1 V2



C2 C1

40

m , e 30 m u 20 l o V

Consistência (%) = 1% =

10 0

10 20 30 40 Consistência, %

peso densidadeesp..volume

1g 10.000mg  , (qdo. esp = 1g/mL) 100mL L

Exercício: O esgoto de uma cidade de 40000 habitantes é tratado por gradeamento,

seguido de um decantador primário que remove 60% dos SS. O lodo primário (consistência = 2% e esp = 1,02) é adensado a 6% ( esp = 1,05) antes do desaguamento em centrífuga até 25% ( esp = 1,2). Determinar a carga e o volume de lodo em cada etapa do processo.

2) Caracterização do lodo a) Fração orgânica (SSV/SST) i) Biodegradável / inerte ii) Combustível / não combustível b) Valor nutricional (N/P/K) c) Organismos patogênicos - necessidade de inativação (higienização) para reaproveitamento do lodo d) Metais i) Micronutrientes ou fitotóxicos – depende da concentração ii) Níveis limitam taxas de aplicação (Res. CONAMA 375/2006) iii) Maior restrição ao reaproveitamento de lodos de ETEs industriais e) Compostos orgânicos tóxicos/persistentes (POPs) f) Características do lodo de esgoto doméstico digerido Parâmetro pH DBO DQO SS NKT P total

Faix a 5,9 – 7,7 9 – 1700 290 – 8140 50 – 11500 10 - 400 2 - 240

Valor típico 7,0 500 2600 3400 170 100

Fonte: Jordão e Pessoa, 2005

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3) Etapas de processamento do lodo a) Adensamento - redução de umidade e volume (até 4 a 6% sólidos) i) Por gravidade ii) Por flotação b) Estabilização (digestão) - remoção de matéria orgânica (SSV) i) Digestão anaeróbia ii) Digestão aeróbia iii) Compostagem iv) Térmica v) Oxidação química vi) Secagem ao ar livre c) Higienização - inativação de patógenos i) Caleação ii) Compostagem iii) Tratamento térmico d) Condicionamento - preparo para desaguamento i) Químico – adição de polieletrólitos ii) Térmico e) Desaguamento - redução de umidade e volume (até 20 a 40% de sólidos) i) Leito de secagem ii) Lagoa de secagem iii) Filtro de esteira ou prensa de placas iv) Centrífuga f) Disposição final do lodo i) Reúso agrícola / florestal (requisitos de qualidade na Res. CONAMA 375/2006) ii) Recuperação de áreas degradadas iii) Reúso na construção civil iv) Incineração v) Aterro sanitário vi) (Lançamento no oceano)

3.11. Critérios de Seleção de Processos 1) Tratamento de esgotos a) Eficiência exigida e reúso previsto para o esgoto tratado b) Vazão aplicável e variação de vazão aceitável c) Características do esgoto – cargas, presença de constituintes inibidores ou refratários d) Disponibilidade de área e) Aplicabilidade – experiência, dados de outras ETEs, estudos piloto f) Confiabilidade – como processos respondem frente a distúrbios, choques? g) Subprodutos do tratamento – existem limitações ao tratamento do lodo? h) Limitações ambientais – aspectos climáticos; vizinhança i) Complexidade e necessidade de processos auxiliares j) Requisitos i) produtos químicos ii) energéticos iii) operação e manutenção iv) recursos humanos especializados 2) Tratamento e disposição final de lodos a) Quantidade gerada b) Características físico-químicas, biológicas e geomecânicas c) Distância da fonte de geração d) Presença de esgotos industriais

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IV. PROJETO E MONITORAMENTO DE ETEs 4.1. Estudo de Concepção do Sistema de Tratamento 1) Definição dos anos de início e final do plano 2) Determinação do período do projeto e etapas de implantação Q final / Q inicial Intervalo sugerido para ampliação (anos) <1,3 20 1,3-1,8 15 >1,8 10 3) Identificação da área de contribuição a) Drenagem natural (bacia hidrográfica) b) Divisas de municípios c) Visitas locais d) Condições socioeconômicas 4) Seleção do local para implantação da ETE a) Deve ser localizada na cota mais baixa da área de contribuição; b) Áreas com baixo potencial de desenvolvimento imobiliário c) Área suficiente para futura expansão d) Distante de zonas de inundação e) Acessibilidade pelas rodovias em qualquer condição climática f) Próximo ao corpo receptor ou terrenos para disposição no solo g) Sondagens preliminares de reconhecimento do subsolo h) Levantamento planialtimétrica, escala 1:1000 5) Definição da população atendida e projeção populacional até final do plano a) Dados de censos, consumo de água b) Métodos de projeção i) Crescimento aritmético (linear) ii) Crescimento geométrico (exponencial) iii) Crescimento logística (saturação) ...entre outros c) Taxas de crescimento podem ser decrescentes 6) Quantificação de vazões e cargas (NBR 9649, 12207, 12208, 13402) a) Vazões afluentes máxima, média e mínima b) DBO (45 a 60 g/hab.d) e DQO (90 a 120 g/hab.d) c) SST (45 a 70 g/hab.d) e SSV d) NTK (8 a 12 g N/hab.d) e) P (1 a 1,6 g P/hab.d) f) Coliformes termotolerantes g) Temperatura e pH h) Na impossibilidade de quantificar parâmetros, valores adotados devem ser justificados i) Avaliação de lançamento de efluentes não domésticos na rede coletora - NBR 9800 7) Definição do grau do tratamento a) Reúso previsto b) Levantamento de aspectos legais c) Estudos de diluição dos esgotos tratados e de autodepuração no corpo receptor

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8) Seleção dos processos de tratamento a) Estudo técnico de alternativas de tratamento aplicáveis b) Pré-dimensionamento das alternativas mais promissoras c) Avaliação econômica das alternativas pré-dimensionadas i) Custo de construção ii) Custo do terreno iii) Custo de operação e manutenção iv) Demais custos anuais (juros, amortização de empréstimos, depreciação, seguro) v) Custo social e ambiental vi) Ciclo de vida útil do sistema d) Seleção da alternativa a adotar baseada na análise técnica e econômica 9) Elaboração do perfil hidráulico e arranjo em planta das unidades 10) Estimativa e definição de formas de tratamento e disposição final dos resíduos sólidos (NBR 11174 – Armazenamento de resíduos classes II – não inertes e inertes) Nível Processo Resíduo sólido gerado Gradeamento Plásticos, trapos, folhas, etc. Preliminar Desarenação Areia, silte, etc. Remoção de óleo Óleo, escuma Sedimentação Sólidos orgânicos, escuma, Primário Sedimentação quimicamente assistido graxas; precipitados químicos Secundário Diversos Lodo biológico Precipitação Precipitados químicos Filtração em areia Sólidos da água de lavagem Terciário Filtração em membranas Concentrado Adsorção em carvão ativado Carvão a regenerar

Resíduo

Quantidade por 1000 m3 esgoto

Sólidos grosseiros

5 a 50 L

Areia

1a5L 100 a 300 kg lodo cru 5 a 15 kg lodo desaguado 550 a 5500 kg lodo cru 15 a 1600 kg lodo desaguado

Lodo primário Lodo secundário Lodo terciário

Variável

Disposição Incineração Aterro Aterro Compostagem Digestão Incineração Aterro Agregados construção Aterro

11) Avaliação das emissões de GEEs na ETE (NBR 14064-I)

.

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4.2. Comparação Técnico-Econômica de Processos de Tratamento 1) Eficiência de processos de tratamento a nível primário e secundário Sistema/processo Tanque séptico Decantador primário Lagoa facultativa Lagoa anaeróbia + facultativa Lagoa aerada facultativa Lagoa mistura completa + decantação Lagoa anaeróbia + facultativa + maturação Infiltração lenta Infiltração rápida Escoamento superficial rea alagada Tanque séptico + filtro anaeróbio UASB UASB + biofiltro aerado submerso UASB + filtro percolador UASB + lagoa de maturação Lodos ativados convencional Lodos ativados aeração prolongada Lodos ativados com remoção de N, P Filtro percolador (alta taxa)

DBO 30-35 30-35 75-85 75-85 75-85 75-85 80-85 90-99 85-98 80-90 80-90 80-95 60-75 83-93 83-93 77-87 85-93 90-97 85-93 80-90

DQO 25-35 25-35 65-80 65-80 65-80 65-80 70-83 85-95 80-93 75-85 75-85 70-80 55-70 75-88 75-88 70-83 80-90 83-93 80-90 70-87

SS % 55-65 55-65 70-80 70-80 70-80 70-80 73-83 >93 >93 80-93 80-93 80-90 65-80 50-85 50-85 73-83 87-93 87-93 87-93 87-93

Amônia

N-total

P-total

<30 <30 <50 <50 <30 <30 50-65 >80 >65 35-65 <50 <45 <50 <60 <60 50-65 >80 >80 >80 <50

<30 <30 <60 <60 <30 <30 50-65 >75 >65 <65 <60 <60 <60 <60 <60 50-65 <60 <60 >75 <60

<35 <35 <35 <35 <35 <35 >50 >85 >50 <35 <35 <35 <35 <35 <35 >50 <35 <35 75-88 <35

Cterm, ciclo log <1 <1 1-2 1-2 1-2 1-2 3-5 3-5 4-5 2-3 3-4 1-2 1-2 1-2 1-2 3-5 1-2 1-2 1-2 1-2

Fonte: vonSperling e Chernicharo, 2005

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2) Análise comparativa de processos alternativos Sistema/processo Tanque séptico Decantador primário Lagoa facultativa Lagoa anaeróbia + facultativa Lagoa aerada facultativa Lagoa mistura completa + decantação Lagoa anaeróbia + facultativa + maturação Infiltração lenta Infiltração rápida Escoamento superficial rea alagada Tanque séptico + filtro anaeróbio UASB UASB + lodos ativados UASB + biofiltro aerado submerso UASB + filtro percolador UASB + lagoa de maturação Lodos ativados convencional Lodos ativados aeração prolongada Lodos ativados com remoção de N, P Filtro percolador (alta taxa)

Área, m /hab

Potência p/aeração, kW/hab.ano

0,03-0,05 0,02-0,04 2-4 1,2-3 0,25-0,5 0,2-0,4 3-5 10-50 1-6 2-3,5 3-5 0,2-0,35 0,03-0,1 0,08-0,2 0,05-0,15 0,1-0,2 1,5-2,5 0,12-0,25 0,12-0,25 0,12-0,25 0,12-0,25

0 0 0 0 11-18 16-22 0 0 0 0 0 0 0 14-20 14-20 0 0 18-26 20-35 15-22 0

2

Lodo, L/hab.ano líquido p/ desaguado tratamento p/descarte 100-360 330-730 35-90 55-160 30-220 55-360 55-160 180-220 70-220 180-400 180-400 180-400 150-250 1100-3000 1200-2000 1100-3000 500-1900

15-35 15-40 15-30 20-60 7-30 10-35 20-60 25-50 10-35 15-60 15-55 15-55 10-35 35-90 40-105 35-90 35-80

Custo Construção, US$/hab 12-20 12-20 15-30 12-30 20-35 20-35 20-40 8-25 12-30 15-30 20-30 30-50 12-20 30-45 25-40 25-35 15-30 40-65 35-50 50-75 50-60

Operação e manutenção, US$/hab.ano 0,5-1 0,5-1 0,8-1,5 0,8-1,5 2-3,5 2-3,5 1-2 0,4-1,2 0,5-1,5 0,8-1,5 1-1,5 1-1,5 1-1,5 2,5-5 2,5-5 2-3 1,8-3 4-8 4-8 6-10 4-6

Fonte: vonSperling e Chernicharo, 2005

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4.3. Monitoramento da ETE 1) Relatório do projeto hidráulico-sanitário de uma ETE (NBR 12209) precisa incluir: a) Manual de operação incluindo a qualificação técnica da mão-de-obra necessária para operação e manutenção do sistema, assim como especificação dos aparelhos laboratoriais e produtos necessários para o controle operacional da ETE. b) Plano de monitoramento contendo parâmetros, frequências e pontos de amostragens, para fins de avaliação da eficiência do sistema de t ratamento proposto e do impacto no corpo receptor 2) Programa de monitoramento assegura a) Cumprir a licença de operação e outros requisitos legais b) Controlar o processo – permitir identificar distúrbios operacionais e reduzir consumo de matérias primas, insumos, energia c) Subsidiar o sistema de gestão ambiental – permite determinar e controlar o desempenho ambiental 3) Programa de monitoramento deve incluir a) Local de amostragem b) Frequência de amostragem - contínua ou intermitente c) Tipo de amostra - composta ou pontual d) Procedimentos de controle de qualidade i) protocolos de amostragem e análise ii) rastreabilidade de amostras iii) calibração de equipamentos de análise iv) NBR ISO/IEC 17025 - Requisitos Gerais para Competência de Laboratórios de Ensaio e Calibração 4 Esgoto 1 bruto

Tratamento preliminar sólidos grosseiros areia 7

2


3 esgoto 1ário

lodo 1ário

5

Tratamento terciário

esgoto 2ário

lodo 2ário 8

Disposição final


11

lodo 3ário 10

9 Tratamento do lodo

12 Corpo receptor/ Reúso esgoto 3ário 6

11

Reaproveitamento

Exercício: Listar parâmetros a monitorar em cada ponto de uma ETE completa e explicar o

objetivo de seu monitoramento.

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PARTE II REATORES BIOLÓGICOS


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V. MICROBIOLOGICA E BIOQUÍMICA DE REATORES BIOLÓGICOS 5.1. Classificação de Microrganismos 1) Baseada na homologia de suas sequências de RNA ribossômico (árvore filogenética); existem 3 domínios: a) Archaea – arqueas (metanogênicas) b) Eubacteria – bactérias verdadeiras c) Eucarya – algas, fungos, protozoários, (animais, plantas) Bacteria

Archaea

Eukarya

Ancestral comum

2) Baseada na fonte de energia e carbono a) Energia i) luz solar – fototróficos ii) oxidação de matéria orgânica – quimiorganotróficos iii) oxidação de matéria inorgãnica – quimiolitotróficos b) Carbono i) CO2 (HCO3- ) – autotróficos ii) matéria orgânica - heterotróficos Exercíco: Completar o quadro de classificação de seres vivos baseada nas fontes

de energia e carbono que utilizam Fonte de Classificação energia fotoautótrofa

Fonte de carbono

Exemplos

fotoheterótrofa quimilitoautótrofa quimiorganoheterótrofa 3) Baseada na exigência de O 2 a) Aeróbios estritos/obrigatórios (animais, plantas, algas, fungos, protozoários, bactérias) b) Anaeróbios facultativos (bactérias) c) Anaeróbios estritos/obrigatórios (bactérias, arqueas) 4) Baseado na estrutura celular a) Procariontes (Archaea, Eubactéria) b) Eucariontes (Eukarya)

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Exercíco: Completar o quadro de comparação da organização celular em procariantes e

eucariontes Caracterís tica parede celular

Pr ocariontes

E ucariontes

DNA membrana nuclear organelas divisão celular

5) Baseado na temperatura (ótima) de crescimento termófila o t n e m i c s e r c e d a x a T

mesófila psicrófila

hipertermófilas

60

88

39

105

13

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

Temperatura, C

5.2. Papéis dos Microrganismos nos Processos Biológicos 1) Eubactéria a) Degradadores primários e secundários b) São os principais responsáveis pela remoção da matéria orgânica (DBO): DBOparticulada  degradador 1 ário  DBOsolúvel  degradador 2 ário  mineralização c) Cianobactérias – fotossíntese – fornecem oxigênio, consomem CO 2 2) Archaea a) Anaeróbios estritos b) Realizam metanogênese - formação de CH 4 - captura da energia presente na matéria orgânica (DBO) em forma utilizável 3) Eucarya a) Aeróbios estritos (exceto alguns fungos) b) Fungos - suportam pH baixo e baixas concentrações de OD e nutrientes c) Algas - fotossíntese - forma de fornecimento de O2 em lagoas de estabilização d) Protozoários i) predadores - importantes para polimento ii) remoção de matéria em suspensão (bactérias e matéria orgânica particulada) iii) não competem com bactérias pela matéria orgânica solúvel iv) grupos: ciliados, flagelados, amebas e) Micrometazoários i) rotíferos, nematóides - alimentam-se de protozoários, bactérias, sem afetar eficiência, ii) importantes para polimento (remoção de DBO particulada dispersa no reator) f) Análise quantitativa e qualitativa de eucariontes fornece diagnóstico de “saúde” e capacidade de depuração de reatores aeróbios

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4) Ecossistemas microbianos nos reatores biológicos a) Reator aeróbio / anóxico - Eubacteria e Eucarya i) bactérias degradadoras primárias e secundárias (saprófitas) ii) bactérias nitrificantes iii) predadores - protozoários, rotíferos, nematóides iv) organismos indesejáveis quando em excesso - bactérias filamentosas, fungos b) Reator facultativo - Archaea, Eubacteria e Eucarya i) bactérias degradadoras primárias e secundárias (saprófitas) ii) bactérias metanogênicas iii) algas e cianobactérias iv) predadores - protozoários, rotíferos, nematóides c) Reator anaeróbio - Archaea e Eubacteria i) bactérias degradadoras primárias e secundárias (saprófitas) ii) arqueas metanogênicas iii) organismos indesejáveis - bactérias sulfato-redutoras - inibem a metanogênese Exercício: Completar o quadro de grupos funcionais microbianos de importância no

tratamento biológico de esgotos Grupo funcional bactérias heterotróficas bactérias nitrificantes bactérias desnitrificantes bactérias sulfatoredutoras protozoários arqueas metanogênicas acetotróficas arqueas metanogênicas hidrogenotróficas

Classificação quimiorganoheterotrófica

Ambiente bioquímico facultativo

5.3. Noções de Metabolismo Microbiano e Bioenergética 1) Requisitos para crescimento e manutenção da vida a) fonte de energia b) fonte de carbono c) nutrientes minerais d) água 2) Metabolismo =  transformações bioquímicas = catabolísmo + anabolismo a) Catabolismo = degradação; exergônica ( G < 0) b) Anabolismo = síntese; endergônica ( G > 0) c) Metabolismo microbiano - natureza cíclica i) captura/geração de energia - via fotossíntese, respiração ou fermentação ii) consumo de energia - para síntese celular e manutenção

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CATABOLISMO  degradação  gera energia

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ANABOLISMO  biossíntese e manutenção  consome energia

Fonte de energia luz matéria orgânica matéria inorgânica

células novas locomoção transporte ativo

• • •

ADP

ATP Fonte de carbono CO2 matéria orgânica precursores

produtos da degradação

• • •

3) Transferência de energia na célula através de pares de reações de oxidação e redução (reações redox) a) Oxidação: perda de e -, exergônica; ex. ATP  ADP + Pi + energia b) Redução: ganho de e -, endergônica; ex. ADP + Pi + energia  ATP 4) Potencial redox (Eh) mede a tendência de aceitar elétrons (e -) a) Por convenção, reações são escritas como reduções nas tabelas de valores de Eh O2 + 4e-  CO2 + 8H+ + 8e- 

2O2-, CH4 + 2H2O,

Eh = +0,82 V Eh = -0,24 V

b) Quanto mais positivo o Eh, maior a tendência de aceitar e-, ou seja, no par de reações acima, o O2 tem maior tendência de aceitar o e - do que o CO 2 c) Na transferência de energia, reações redox são acopladas. Nas reações espontâneas, o fluxo de e- vai da forma reduzida da substância com menor potencial redox (doador de e-) para a forma oxidada da substância com maior potencial redox (aceptor de e -). d) Exemplo: Reação redox acoplada da oxidação de metano

 meia reação de oxidação: CH4 meia reação de redução: 2O 2 + 8e  reação acoplada: CH4 + 2O2 

C4+ + 4H+ + 8e- (C-CH4 = doador de e -) 4O2(O2 = aceptor de e-) CO2 + 2H2O

5) Energia gerada na reação acoplada, G0 =  n.F.E a) G0 = energia livre de Gibbs (kJ) da reação a 1 atm e concentrações de 1 mol l -1, 25C i) G < 0 - reação espontânea; libera energia para trabalho ii) G > 0 - reação não espontânea, consome energia b) n = mols de e- transferidos na oxidação de um mol da substância doadora c) F = constante de Faraday, 96,48 kJ/V d) E = diferença de potencial redox (Eh aceptor - Ehdoador ) i) aceptor – tem maior Eh, e será reduzido ii) doador – tem menor Eh, e será oxidado e) Para o exemplo da oxidação de metano do item 4.d. E = (Ehaceptor - Ehdoador ) = +0,82 V – ( – 0,24V) = +1,06V n=8 G =  (8)(96,48)(1,06) = –818,15kJ/mol, reação espontânea 37


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6) No reator biológico a principal fonte de energia (doador de elétrons) é o carbono orgânico (matéria orgânica, quantificada como DBO, DQO ou COT) a) Quanto mais reduzida o carbono, maior o número de e- e maior a energia potencial que contém i) o estado de oxidação (EO) determina o número de e - e a energia potencial disponível na matéria orgânica ii) regras para determinar o estado de oxidação do carbono orgânico (1) elemento = 0 (2) íon = carga (3) somatório de uma molécula neutra = 0 (4) na matéria orgânica O = -2, H = +1, N = -3, S = -2, P = +5 Exercício: Determinar o estado de oxidação do carbono nos seguintes substratos:

Composto CH4 (metano) CH3OH (metanol) CHOO- (formiato) CH3COO- (acetato) CH3C(O)COO - (piruvato)

EO

Composto C10H19O3N (esgoto) C16H24O5N4 (proteína) C8H16O (gordura) CH2O (carboidrato) C5H7O2N (bactéria) C23H38N7O17P3S (acetil-CoA)

EO

b) Na presença de vários aceptores finais de e-, aquele que produzir mais energia (pela sua redução acoplada à oxidação da matéria orgânica) será esgotado primeiramente. i) Exemplos de aceptores finais de e- alternativos em reatores biológicos: Par redox ½ O2/H2O NO3-/NO2SO42-/S2CO2/CH4 So/HSCO2/CH3COO2H+/H2 (aq) CO2/HCOO-

Forma inicial ½ O2 NO3SO42CO2 So 2CO2 2H+ CO2

+ + + + + + + +

2e2e8e8e2e4e2e2e-

+ + + + + +

2H+ 2H+ 8H+ 8H+ H+ 2H2O

+ H+

       

Forma final H2O NO2- + H2O S2- + 4H2O CH4 + 2H2O HS- CH3COO- + H+ H2 HCOO-

E , mV +820 +433 -217 -244 -270 -290 -410 -430

ii) Por exemplo, na oxidação de glicose (C6H12O6, E = -420mV), a ordem de esgotamento dos seguintes aceptores finais de e - será O2, NO3-, SO42-, CO2: Reação C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 12NO3-  6CO2 + 12NO2- + 6H2O C6H12O6 + 3SO42-  6CO2 + 3S2- + 6H2O C6H12O6 + 3CO2  6CO2 + 3CH4

E, V 0,82 – (-0,42) = 1,24 0,433 – (-0,42) = 0,853 -0,217 – (-0,42) = 0,203 -0,244 – (-0,42) = 0,176

n 24 24 24 24

G, kJ -2872 -1975 -470 -408

Exercício: Qual é a energia livre gerada pela oxidação de gordura (C 8H16O) e de amônio

pelos aceptores de e - O2 e CO2? Baseado nesses cálculos, em qual ambiente bioquímico essas oxidações prosseguirão espontaneamente? 8CO2 + 46e-  C8H16O Eh = -283 mV O2/H2O Eh = +820 mV + NO3 + 8e  NH4 Eh = +357 mV CO2 / CH4 Eh = -244 mV

7) Catabolismo fermentativo versus oxidativo a) Catabolismo fermentativo i) composto orgânico se divide - parte fica mais oxidada, parte mais reduzida ii) gera, tipicamente, menos energia que o catabolismo oxidativo, porque não há aceptor final de e - externo 38


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Ex. Fermentação alcoolica: C 6H12O6  2C2H5OH + 2CO2, Go = -235kJ forma inicial EOinicial forma final EOfinal doador C6H12O6 aceptor C6H12O6 Ex. Fermentação ácida (láctica): C 6H12O6  2CH3C(OH)COOH + 2H+, Go = -129,8kJ forma inicial EOinicial forma final EOfinal doador C6H12O6 aceptor C6H12O6 b) Catabolismo oxidativo i) fluxo de e- na cadeia de transporte de elétrons (CTE) até aceptor final de e - externo (1) substrato     aceptor final de e - (O2, NO3-, SO42- ...) + energia (ATP) (2) importante lembrar que a oxidação da matéria orgânica pode ocorrer em ambiente anaeróbio, na ausência de O 2 Ex. Respiração aeróbia de glicose: C 6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O; Go = - 2872kJ forma inicial EOinicial forma final EOfinal doador C6H12O6 aceptor O2 Ex. Metanogênese hidrogenotrófica: 4H 2 + HCO3- + H+  CH4 + 3H2O; Go = -169,7kJ forma inicial EOinicial forma final EOfinal doador H2 aceptor HCO3ii) Resumo do catabolismo oxidativo (1) quanto maior o EO do produto final, maior a liberação de energia (2) quanto menor o EO do substrato (doador de e-), maior a liberação de energia (3) processos que produzem mais energia produzem mais ATP e mais biomassa celular (têm maior rendimento celular) (4) CO2 nunca pode servir como fonte de energia porque está no estado de oxidação máxima (C +4), mais pode servir como aceptor final de e - externo iii) Princiapais rotas de catabolismo oxidativo 500

Aeróbio

CO2

H2O O2 Matéria orgânica CxHyOz

E, mV 0

NO3-

Anóxico

CO2 SO42Anaeróbio

S2-

Desnitrificação

N2

Dessulfatação

CO2 CO2

-500

Respiração aeróbia

CO2

Metanogênese

CH4

39


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5.4. Degradação Microbiológica da Matéria Carbonácea 1) Aeróbio: Corg + O2  CO2 + energia a) Conversão do carbono orgânico a produtos mais oxidados b) Há consumo de O2 e produção de CO 2 c) Há liberação de energia d) Muitas bactérias heterotróficas aeróbias e, ou facultativas conseguem degradar (oxidar) completamente os substratos presentes nos esgotos e) Matéria orgânica remanescente após o tratamento biológico ( “DQO recalcitrante”) – compostos não biodegradáveis e produtos microbianos solúveis Exercícios: Completar as equações a seguir, indicando o número de mols de O 2 que reagem e de CO2 produzidos: CH3CH(OH)COOH + ____O2  ____CO2 + C10H19O3N + ____O2  ____CO2 + NH4+ + C5H7O2N + ____O2  ____CO2 + NH4+ +

2) Anaeróbio: Corg    CO2 + CH4 + energia a) Produtos não completamente oxidados (CH4 é um composto orgânico reduzido) b) Produção de metano - principal forma de remoção da matéria orgânica c) Ausência de O2 d) Liberação de energia e) Necessidade de diferentes gêneros/espécies de bactérias e arqueas para realizar a degradação dos substratos presentes nos esgotos f) Etapas da degradação anaeróbia da matéria orgânica i) Hidrólise - compostos orgânicos complexos hidrolisados a monômeros por bactérias fermentativas (exoenzimas hidrolíticas - celulases, lipases, etc.) ii) Acidogênese - monômeros convertidos a ácidos orgânicos voláteis (AOVs – ácido acético, propiónico, butírico...) por bactérias fermentativas Ex. C6H12O6 + 4H2O  2CH3COO- + 2HCO3- + 4H2 + 4H+; Go = -207kJ iii) Acetogênese (1) AOVs convertidos a acetato, CO2 e H2 por bactérias fermentativas Ex. CH3CH2COO- + 3H2O  CH3COO- + HCO3- + H2 + H+ ; Go = +76,2kJ (2) Respiração anaeróbia (CO 2 como aceptor final de e -) por bactérias homoacetogênicas o Ex. 4H 2 + 2HCO3- + H +  CH 3COO- + 2H 2O ; G = -105kJ

iv) Metanogênese - formação de metano por arqueas metanogênicas (1) arqueas metanogênicas hidrogenotróficas o Ex. 4H 2 + HCO3- + H +  CH 4 + 3H 2O ; G = -169,7kJ

(2) arqueas metanogênicas acetotróficas

o Ex. CH 3COO- + H 2O  CH 4 + HCO3 ; G = -31kJ

v) Redução de sulfato (dessulfatação) - reação indesejada realizada por bactérias sulfatoredutoras que competem com as arqueas metanogênicas pelo acetato (doador de e -) o Ex. CH 3COO- + SO42- + 3H +  2CO2 +H 2S + H 2O , G = -57,5kJ

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Exercícios:

Demonstrar o fluxo de elétrons para as reações de da degradação anaeróbia, seguindo o exemplo: + 8e-

+ 6e-

C6H12O6 + 4H2O  2CH3COO- + 2HCO3- + 4H2 + 4H+ -

- 8e-

6e-

Degradação anaeróbia da matéria carbonácea polímeros orgânicos (carboidratos, proteínas, lipídios)

Hidrólise 1-bactérias 1érias hidrolíticas

1 monômeros (açucares, ami noácidos, ácidos graxos) 2

Acidogêne se 2-bactérias ferm entativas Acetogên ese

H2, CO2 4

5

SO42-

3 acetato (CH3COO )

propionato butirato succinato álcoois

6

7

CH4, CO2

H2S, CO2

3 5

3-bactérias ferm entativas 4-bactérias homoacetogênicas Metanogênese 5-arqueas metanogênicashidrogenotróficas 6-arqueas metanogênicasacetotróficas

H2, CO2 Dessulfatação (na presença de SO 42-) 7- bactérias sulfatoredutoras

Fonte: vonSperling, 1996b; Brock, 1997

g) Importância da sintrofia entre bactérias fermentativas e arqueas metanogênicas i) sintrofia = alimentação mútua entre diferentes espécies bacterianas ii) muitas reações do catabolismo fermentativo têm G0 positiva iii) no reator, H2 é consumido nas reações de metanogênese, e pressão parcial de H 2 << 1 atm, fazendo com que G se torna negativa iv) G = G0 + RTlnK; onde K = constante de equilíbrio Fermentação (acidogênese)

G0 (kcal)

Propionato a acetato: CH3CH2COO- + 3H2O  CH3COO- + HCO3- + H+ + 3H2

+76,2

G * (kcal)

*G calculada sob as condições "típicas" em um biodigestor anaeróbio: 37 C e pH 7,0; concentrações de produtos e reagentes: 1 mM acetato e propionato; 20 mM HCO 3-; 10-4 atm H 2.

3) Resumo do fluxo da matéria carbonácea nos reatores biológicos a) Processos aeróbios i) 50 a 70% do C orgânico assimilado em biomassa ii) elevada eficiência energética das reações redox aeróbias iii) elevada produção de biomassa nos sistemas aeróbios b) Processos anaeróbios i) até 80% do C orgânico acaba na forma de metano ii) menor eficiência energética das reações redox fermentativas e anaeróbias iii) baixa produção de biomassa nos sistemas anaeróbios

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5.5. Conversão Microbiológica da Matéria Nitrogenada 1) Nitrificação a) oxidação do amônio (fonte de energia) por bactérias (quimiolitoautotróficas, aeróbias estritas) b) 2 etapas i) NH4+ + 3/2O2  NO2- + 2H+ + H2O + energia (ex. Nitrosomonas ) ii) NO2- + 1/2O2  NO3- + energia (ex. Nitrobacter ) iii) global: NH4+ + 2O2  NO3- + 2H+ + H2O + energia c) consumo de O2, o que representa a demanda nitrogenada d) liberação de H+ implica consumo de alcalinidade, possível queda de pH

nitrificantes

2) Desnitrificação a) Redução de nitrato (respiração anaeróbia) por bactérias desnitrificantes (quimiorganoheterotróficas, anaeróbias facultativas) b) Processo de múltiplas etapas; sob condições anóxicas NO3-  NO2-  NO (óxido nítrico )  N2O (óxido nitroso)  N2 c) Reação global: 2NO 3- + 12H+ + 10e- (do substrato)  N2 + 6H2O + energia d) Vantagem de se promover nitrificação seguida de desnitrificação i) remoção biológica de N ii) menor geração de H+, o que leva a economia de alcalinidade iii) economia de O 2, devido à oxidação de parte da matéria orgânica com NO 3Exercícios

1. Com base na estequiometria da reação global de nitrificação determina o requisito de oxigênio (kg/d) para nitrificação de um efluente com vazão = 3500 m 3/d e NKT = 35 mg/L. 2. Determina o consumo de alcalinidade (mg/L CaCO 3) para a completa nitrificação desse efluente, com base na seguinte reação H + + HCO3-  H2O + CO2

3) Processo Anammox (anaerobic ammonium oxidation ) a) Em ambiente anaeróbio o NH 4+ é oxidado com concomitante redução de NO 2realizado por bactérias autotróficas da ordem Planctomycetales (Brocadia, Kuenenia , Anammoxoglobus, Scalindua ) NH4+ + NO2− → N2 + 2H2O b) Vantagem sobre nitrificação-desnitrificação, uma vez que apenas metade no N precisa ser oxidada a nitrito antes da conversão a N 2

5.6. Requisitos Nutricionais de Reatores Biológicos 1) Estequiometria da célula bacteriana = C 5H7O2N ou C60H87O23N12P 2) N ou P pode ser limitante para o crescimento bacteriano a) Recomenda-se garantir relação DBO/N/P = 100/5/1 (processo aeróbio), ou DQO/N/P = 350/5/1 (processo anaeróbio) b) Adição de nutrientes é necessária no tratamento de efluentes industriais pobres em nutrientes e que operam com descarte frequente de biomassa do reator (ex. lodos ativados) Exercícios

1. Determinar a razão DBO/N/P para o esgoto sanitário de um bairro com 5000 hab. e cargas unitárias de 54gDBO/hab.d; 10gNKT/hab.d; 1gP/hab.d. Precisa-se adicionar nutrientes ao esgoto antes do tratamento biológico para evitar que sejam limitantes? 2. Qual é a quantidade de ureia ((NH 2)2CO) e ácido fosfórico (H 3PO4) que deve ser adicionado a um efluente industrial (Q = 2340m 3/d, DBO = 800mg/L) para garantir que N e P não sejam limitantes ao crescimento da biomassa no sistema de tratamento?

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VI. MODELAGEM DE REATORES BIOLÓGICOS 6.1. Fundamentos 1) Caracterização da matéria orgânica e da biomassa no reator biológico a) Matéria orgânica (substrato), S i) Carbonácea (Corg) - quantificada como DBO, DQO ou COT (1) inerte/não biodegradável, Si (a) solúvel - sai na forma que entra (b) insolúvel - removido com biomassa (adsorvido no floco ou biofilme) (2) biodegradável, S b (a) rapidamente (DBO solúvel) - utilizado diretamente pelas bactérias (b) lentamente (DBOparticulada) - moléculas complexas são hidrolisadas a matéria solúvel e depois utilizadas pelas bactérias ii) Nitrogenada (N org) – quantificada como parte do NKT b) Biomassa (lodo biológico ou secundário), X i) quantificada como SST (XT) ou SSV (XV) ii) ativa – parte metabolicamente ativa, X a iii) biodegradável – parte degradada na respiração endógena, X b (Obs. Geralmente assume X b  Xa  Xv, exceto nos sistemas de lodos ativados) iv) inerte - produtos de morte, lise, predação, X i 2) Propriedades de reações nos reatores biológicos a) São consideradas irreversíveis i) substrato  biomassa (anabolismo) ii) substrato  produtos de degradação mineralizados (catabolismo) iii) biomassa  produtos da respiração endógena (catabolismo) b) Podem ser i) homogêneas: reagentes distribuídos uniformemente no meio líquido (reatores de crescimento disperso) ii) heterogêneas: reagentes não distribuídos uniformemente no espaço, geralmente há interface sólida / líquida (reatores de crescimento aderido) c) Ocorrem em condições normais de temperatura e pressão i) reatores não-pressurizados ii) temperatura ambiente (faixa mesofílica - 10 a 40 C, geralmente) iii) condições isotérmicas 3) Balanço de massa no reator biológico a) Abordagem fundamental para avaliar as transformações que ocorrem no reator i) balanço de matéria orgânica (S), em kg/d ii) balanço de biomassa (X), em kg/d b) Caracterizado por i) transporte hidráulico dos materiais no reator (entrada e saída) ii) cinética das reações que ocorrem dentro do reator (produção ou utilização) c) Conceito Volume de controle

r p Q, C0

Q, C

V

r u

Q = vazão V = volume do reator Co = concentração de entrada (S 0 ou X0) C = concentração de saída (S ou X) r p = taxa de produção r u = taxa de utilização

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i) Balanço em palavras: taxa de acúmulo no reator

=

taxa de entrada no reator

ii) Expressão matemática:

V

-

taxa de saída do reator

dC

 Q.Co  Q.C  r p V  r u V

dt

+

taxa de produção no reator

-

taxa de consumo no reator

d) Duas condições distintas para o balanço de massa i) Estado estacionário (permanente); dC/dt = 0 (1) não há acúmulo (ou decréscimo) da substância ao longo do tempo (2) Q, Co e C são constantes (3) usado para dimensionar reatores biológicos ii) Estado dinâmico; dC/dt  0 (1) há aumento ou decréscimo da substância ao longo do tempo (2) Q e, ou Co, C variam (3) requer uso de modelos computacionais - análise de maior complexidade (4) usado para controle operacional de reatores biológicos Exercício: Determinar a taxa de produção de lodo biológico (r p) e a taxa de utilização de

substrato (r u) para o seguinte sistema, assumindo operação no estado estacionário. r p 2000 m3/d

2000 m3/d

10000 m3

300 g DBO/m3 50 g SSV/m3

60 g DBO/m3 400 g SSV/m3

r u

6.2. Cinética de Reatores Biológicos 6.2.1. Conceitos de cinética

1) Velocidade (taxa) de reação (r) = variação de concentração com o tempo r 

1 dN V dt



1 d( VC) V

dt



1 VdC  CdV V

e, para V constante , r  

dt dC dt

r = velocidade de reação, N = n mol C = concentração V = volume t = tempo

2) Utilizada para modelar as principais reações nos reatores biológicos a) velocidade de utilização de matéria orgânica, r u = dS/dt (C = S) b) velocidade de produção (e consumo) de biomassa, r p = dX/dt (C = X) 3) Ordem de reações a) forma empírica de expressar a velocidade (cinética) de reação, r r 

dC dt

 kC n

r = velocidade de reação (massa/volume.tempo), ex. g.(m 3d)-1 sinal: positivo se há aumento da concentração (produção de biomassa, dX/dt) negativo se há redução da concentração (utilização de substrato, dS/dt) k = constante ou velocidade específica de reação (unidades dependem da ordem) C = concentração da substância (massa/volume, ex. g.m -3) n = ordem de reação, quantidade empírica, sem relação com estequiometria, exceto para reações elementares

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b) Ordens de reações mais usadas para modelagem de processos biológicos Ordem zero 1ª ordem Saturação (Kc = constante de meia-saturação)

Expressão da r dC  k r dt dC r  kC dt

Unidades de k massa..... volume.tempo

Observação r constante e independente da concentração

1/tempo

r proporcional à concentração

dC C  k dt Kc  C

massa..... volume.tempo

r

r proporcional à concentração em baixos valores de C, e independente em altos valores de C

c) Determinação da ordem de reação e valor de k pode ser feita pelo método gráfico após integração i) Conduzir experimento para monitor C, a partir de uma concentração C 0 ao longo de tempo ii) Determinar k e ordem da reação, por regressão (comparar valores de r 2) ou graficamente Ordem

r

0

dC  k dt

1ª

dC  kC dt

Sat.

Forma integrada

Forma linearizada

Análise gráfica (dC/dt < 0)

dC C  k dt K c  C

Exercícios

1. Determinar as concentrações após 6 h de reação das substâncias S1 e S2 com concentrações iniciais = 100 mg/L, se S1 segue a cinética de ordem 0 com k = -0,2 mg/L.h e S2 segue a de 1ª ordem com k = -0,2/h. (Assumir reações irreversíveis). Quanto tempo levará para S1 atingir a concentração que S2 atingirá após 6 h?

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2. Determinar a ordem e a velocidade específica de reação, k, para as reações de consumo das substâncias S1 e S2. (Assumir reações irreversíveis). Tempo, h 0 6 12 18 24 30 36 S1, mg/L 100 95 88 80 75 70 64 S2, mg/L 100 58 30 16 9 5 3

4) Efeito da temperatura na constante cinética, k Equação van´t Hoff Arrenhius:

d(lnk ) dT



E RT 2

onde: T = temperatura Kelvin R = constante do gás ideal, 8,314J/mol.K E = energia de ativação, J/mol d(lnk )  E

.

E dT . R T2 ,

1

R T1.T2

k2

k1 d(lnk) 

E R

T2

dT

T1 T2

,

 k 2  E (T2  T1)   k  1  R T1.T2

ln

 constante nas condições ambientais de tratamento biológico, e

portanto, ln(k2/k1) = C(T2-T1)

ou

k2 = k1e{C(T2 – T1)}

Substituindo e C = , tem-se: k2 = k1.(T2 - T1) Obs.:  (coeficiente de temperatura) não é uma constante; diferentes s existem para as constantes cinéticas das diferentes reações que ocorrem no reator biológico. 6.2.2. Cinética de reatores biológi cos

1) Cinética de crescimento bacteriano a) Remoção de matéria orgânica nos reatores biológicos ocorre, principalmente, via crescimento de bactérias heterotróficas, que se reproduzem por fissão binária: 12222324....2n (n= n de gerações) b) Curva de crescimento bacteriano (N = n  de células) 1 - fase lag ou de adaptação síntese de enzimas para metabolisar substrato novo; maior ou menor duração em função da natureza do substrato 2 - fase log – crescimento exponencial células se dividem numa taxa constante, excesso de substrato; ocorre taxa de máxima de crescimento, correspondendo à taxa máxima de remoção de substrato 3 - fase estacionária esgotamento do substrato limitante; taxa de crescimento = taxa de decaimento 4 - fase de decaimento ou declínio – decréscimo exponencial substrato esgotado; células sobreviventes passam a se alimentar do material liberado ao meio pela lise de células mortas = respiração endógena

c) Velocidade de crescimento bacteriano i) Descrito pela cinética de 1ª ordem  (1) Crescimento bruto:  = 



(2) Decaimento (respiração endógena): 

3 4

N g o l

2 1 tempo

= −  46


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

(3) Crescimento líquido = crescimento bruto – decaimento: 

=  −  

X = concentração de biomassa, g/m 3 (XT = SST; XV = SSV) Xb = concentração da fração biodegradável da biomassa, g/m 3 ( XV)  = velocidade específica de crescimento, d -1 kd = velocidade específica de decaimento, d -1 t = tempo, d

ii) Velocidade específica, µ, não é verdadeira constante cinética, mas varia em função de [S], segundo cinética de saturação (modelo Monod)

   max

S Ks



S

0 ordem:  

máx

max = velocidade específica máxima de crescimento, d -1 S = concentração de substrato limitante, g/m 3 (DBO) Ks = constante de meia-saturação; concentração de S quando  = max/2

máx

zona de transição

máx/2 1a ordem:  

máx(S/KS)

KS

S

iii) Ks fornece ideia da afinidade dos microrganismos pelo substrato (1) quanto menor Ks, maior a afinidade e melhor a remoção (2) S << Ks (a)   max(S/Ks) e segue cinética de 1 a ordem (b) situação típica do tratamento biológico (2) S >> Ks, (a)   max e segue cinética de ordem 0 (b) situação ocorre apenas na entrada de alguns tipos de reatores iv) Velocidade de crescimento líquido =

 S   X  k d Xb   max  dt K S   s 

dX

d) Conhecimento do valor de  permite controlar microrganismos indesejáveis (princípio de operação de seletores cinéticos) i) S pode ser controlado no reator para garantir menor  das bactérias indesejáveis ii) Situações possíveis para diferentes populações

max1 > max2 e KS1 < KS2 max1

max1 > max2 e KS1 = KS2 max1

max2

max2

KS1 KS2

S, mg/l

max1 = max2 e KS1 < KS2

KS1,S2

S, mg/l

max1 < max2 e KS1 < KS2 max2

max1,2

max1 KS1

KS2

S, mg/l KS1

KS2

S, mg/l

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Exercícios

1. Qual é o tempo de duplicação de uma população de bactérias se i.  = 0,5/d ii.  = 5/d 2. Qual será o número de bactérias após um dia, se X 0 = 100, max = 1/d, Ks = 25 mg/L e i. S = 350 mg/L ii. S = 5 mg/L 3. Determinar qual população bacteriana, A ou B, dominará em um reator biológico nas seguintes condições i. S = 60 mg/L ii. S = 600 mg/L Pop. A: Ks = 30mg/L DBO; max = 2/d Pop B: Ks = 250mg/L DBO; max = 4/d

2) Cinética de utilização do substrato, dS/dt a) Utilização do substrato relacionada apenas ao crescimento bruto (dX/dt = X) dS 1 dX    X dt

Y dt

Y

i) Y = coeficiente de rendimento celular Y=

biomassa sintetizada (g SSV produzidos) subsrato utilizado (g DBO removidos)

ii) Valor de Y depende da energia disponibilizada nas reações de catabolismo fermentativo ou oxidativo b) Quanto maior a velocidade de utilização do substrato, menor o TRH e volume do reator necessário para atingir determinada eficiência. Exercício: Estimar o crescimento bruto de biomassa e µ em um reator biológico com V =

20000m3 se Q = 100m 3/h, S0= 450mg/L DBO, X = 800mg/L SSV, eficiência = 85%, Y = 0,4 gSSV/gDBO.

3) Cinética de produção de lodo, dX/dt a) Em função do crescimento da biomassa: b) Em função da remoção de substrato: c) Carga de lodo produzido =

V

dXv

dXv dt

 Xv  k dXb 

dt

 Y.

dS dt

maxS Xv  k d Xb KS  S

 k d Xb

dX dt

4) Valores típicos de coeficientes cinéticos e estequiométricos nos processos biológicos Bactérias/arqueas

Heterotróficas aeróbias Nitrificantes Acidogênicas Metanogênicas

 max,20 , d -1

1,2 - 6 0,3 a 0,8 2 0,4

K s

25-100 mgDBO5/l 0,5-1 mg NKT/l 200 mgDQO/l 50 mgDQO/l

Y

k d,20 , d -1

0,4-0,8 gSSV/gDBO5

0,06-0,15

0,05 a 0,1 gSSV/gNKT 0,15 gSSV/gDQO 0,03 gSSV/gDQO

0,05-0,1 0,03-0,08 0,03-0,08

Exercício: Comparar a produção líquida de sólidos em reatores anaeróbio e aeróbio, com

V = 10000m 3 e Xv = 1000 mgSSV/L, que tratam esgoto com Q = 2500 m 3/d, S0 = 500 mg/L DBO e que alcançam 90% de remoção da DBO. Coeficientes cinéticos: aeróbio: Y = 0,6 gSSV/gDBO; kd = 0,06d-1 anaeróbio: Y = 0,06 gSSV/gDBO; kd = 0,06d-1 (Assumir que Xb = Xv).

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5) Resumo dos processos biológicos degradação matéria orgânica (DBO) bactérias síntese

produção bruta de biomassa

o t n e m i a c e d

produtos finais CO2, H2O ... fração inerte energia produção líquida de biomassa

a) No tratamento biológico, há sobre posição de curvas de crescimento de diferentes populações de bactérias (e arqueas) que necessitam de diferentes substratos, nutrientes limitantes, etc., e, portanto, se encontram em diferentes fases - crescimento exponencial, estacionária ou decaimento. b) O balanço entre síntese e decaimento (respiração endógena) depende da concentração do substrato, S (DBO, DQO) presente no reator. i) [S] elevada - síntese predomina respiração síntese endógena 8CH2O + NH3 + 3O2  C5H7 O2N + 3CO2 + 6H2O [S] ii) [S] baixa - respiração endógena (decaimento) [X] predomina biomassa substrato C5H7O2N + 5O2  5CO2 + NH3 + 2H2O tempo

c) O reator biológico e projetado para operar dentro de uma faixa desejada i) baixa carga - fornecimento de pouco substrato favorece respiração endógena; requer maior volume que outros sistemas; produz menos lodo excedente porque ocorre estabilização dentro do reator. ii) alta carga - substrato assimilado pela biomassa que contém alta fração orgânica; precisa de estabilização (digestão) do lodo antes de seu descarte iii) altíssima carga - fase de crescimento exponencial, com substrato em excesso; alta concentração do substrato no efluente, elevada produção de biomassa; utilizada como primeira etapa de tratamento em série

6.3. Hidráulica de Reatores 1) Regime hidráulico do reator determina concentração de S em qualquer ponto 2) Solução do balanço de massa de substrato depende do regime hidráulico 6.3.1. R eg imes hidráulicos ideais

1) Fluxo em pistão ideal (FP) l

moléculas saem na ordem que entraram, sem dispersão moléculas permanecem no reator durante o TRH concentração não varia com o tempo, em uma posição concentração varia com a posição, em um dado tempo reatores com comprimento >> largura



S0, Q

A

S,

= distância percorrida A = área da seção transversal u = Q/A, velocidade de escoamento t = l /u, tempo de escoamento l









a) S varia com a posição e tempo de retenção; balanço de massa não se aplica. b) Velocidade de remoção de S é maior na entrada do reator, onde S é maior c) Determinar S pelo modelo cinético de 1ª ordem:

dS dt

 kS

Exercício: Deduzir a expressão para S dentro e na saída de um reator de fluxo em pistão.

49


DEC/CCE/UFV

2) Mistura completa ideal (MC) partículas que entram se dispersam imediatamente partículas saem em proporção à distribuição estatística concentração não varia com o tempo, em uma dada posição concentração varia com a posição, em um dado tempo reatores com comprimento  largura



Q,S0

Q,S







-r u



a) Determinar S pelo balanço de massa (estado estacionário) porque S só varia com

tempo) b) V

dS dt

 Q.So  Q.S  k.S.V e no estado estacionário: 0  Q.So  Q.S  k.S.V

Exercício: Deduzir a expressão para S dentro e na saída de um reator de fluxo em pistão.

3) Comparação entre regimes hidráulicos ideais i) S após TRH para cinética de 1 a ordem FP MC

ii) TRH necessário para alcançar o mesmo S final (eficiências iguais) Modelo cinético FP MC Ordem 0 1ª ordem iii) Relação V MC/VMC para obter a mesma eficiência (1) remoção de 1 a ordem: VMC > VFP (2) remoção de ordem 0: VMC = VFP Exercícios

Para a So = 300 mgDBO5/l; TRH = 4d; k = 0,25d-1, determinar S na saída de reatores de: i. fluxo em pistão ii. mistura completa assumindo cinética de 1ª ordem. Qual é a eficiência de cada reator? Determinar o volume do reator de mistura completa necessário para atingir a mesma eficiência que o reator de fluxo em pistão.

4) Estado dinâmico a) Reatores são projetados assumindo estado estacionário (permanente), mas operam sob estado dinâmico devido a variações de Q e S 0 b) Influência de cargas variáveis, ou de choque c) Reator biológico deve estar apto a receber cargas de choque rotineiras e imprevisíveis ou ser precedido de tanque de equalização para atenuar variações abruptas iv) Choques pedem ser de natureza hidráulico, orgânico, tóxico ou térmico v) Variações padronizadas são incorporadas em estudos de transientes pulso

rampa

degrau

senoidal

tempo

tempo

Choque tempo

tempo

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DEC/CCE/UFV

(1) Choque hidráulico (a) risco de lavagem de biomassa (b) quanto menor o volume e, consequentemente, o TRH, maior o impacto (2) Choque orgânico (a) elevada concentração de S 0 pode esgotar OD em sistemas aeróbios (b) entrada fluxo em pistão, 1a célula em série são mais suscetíveis (3) Choque tóxico (a) pulso - MC mais estável que FP devido à diluição imediata (b) acréscimo em degrau (i) FP exige 1 TRH para atingir S do estado permanente (ii) MC exige 3 TRH para atingir 95% do S do estado permanente d) Seleção do regime hidráulico para projeto se baseia no balanço entre eficiência e estabilidade 5) Reatores de leito fixo a) crescimento aderido - reações heterogêneas b) transferência de fases, líquido (esgoto)  sólido (biofilme) pode ser etapa limitante c) S tipicamente determinado por relações empíricas 6.3.2. Es tudo de caracterís ticas hi dráulicas de reatores

1) Regime hidráulico determina tempo de retenção do esgoto no reator biológico e, portanto, eficiência 2) Escoamento analisado por estudos com traçadores a) traçador = substância não-reativa (corantes, sais inertes), fácil de detectar e quantificar b) injeção de quantidade conhecida do traçador na entrada do reator i) injeção em pulso (instantânea) ii) injeção em degrau (contínua) c) monitoramento da concentração do traçador na saída do reator i) comparação do TRH teórico (V/Q) com tempo de retenção real (t) do traçador ii)  = t /TRH, tempo normalizado; desvios indicam escoamento não-ideal (fluxo disperso) 3) Curvas de resposta de estudos com traçadores (curva de distribuição de tempo de residência, DTR) Injeção em pulso o ã ç a r t n e c n o C

t

Mistura completa o ã ç a r t n e c n o C

ideal não-ideal

TRH

Fluxo em pistão o ã ç a r t n e c n o C

ideal

não-ideal

TRH

6.3.4. Fluxo não-ideal (dis perso) a) Causas de dispersão i) transporte longitudinal devido a turbulência e difusão molecular ii) curto circuitos hidráulicos (redução de TRH) ex. estratificação devido a diferenças de temperatura iii) volumes mortos (aumento de TRH) ex. cantos, lado interno de curvas, abaixo de vertedores

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DEC/CCE/UFV

Injeção do traçado r (pulso)

Curvas de resposta do traçador no tempo

Dispersão - Aumenta na medida que passa mais tempo no reator

2) Condições de dispersão descritas pelo número de dispersão, d (adimensional) a) d = D/UL D = coeficiente de dispersão radial ou longitudinal, m 2/h U = velocidade horizontal média, m/h L = comprimento do reator, m b) Nos reatores de escoamento ideal i) fluxo em pistão: D = 0; d =0 ii) mistura completa: D = ; d =  iii) quando d  0,2, reator se aproxima do fluxo em pistão iv) quando d  3, reator se aproxima da mistura completa c) Valor de d depende de i) grau de mistura no reator ii) geometria do reator iii) energia introduzida ao reator iv) tipo e disposição de entradas e saídas v) velocidade do fluxo de entrada e suas variações vi) diferenças de temperatura na entrada e no reator vii) número de Reynolds (que é função de vários dos fatores já citados) Valores típicos de d para unidades de ETEs Unidade d Decantador retangular 0,2 a 2 Tanque de aeração, fluxo em pistão 0,1 a 1 Tanque de aeração, mistura completa 3 a >4 Valo de oxidação 3 a >4 Lagoa de estabilização 1 a >4 Lagoas de estabilização em série 0,1 a 1 Fonte: Metcalf & Eddy, 2003

3) Modelagem de fluxo disperso a) Células em série de mistura completa So

S2

S1 -ru

-ru

S -ru

-ru

Cada célula se comporta como reator de mistura completa ideal Quanto maior o número de células (n), mais se aproxima de fluxo em pistão





i) Determinar S em cada célula pelo balanço de massa sucessivo ii) Quando todas as células têm mesmo volume (e TRH), solução se simplifica Exercícios: Deduzir a expressão para S para n células em série de mistura completa com volumes iguais.

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DEC/CCE/UFV

Para So = 300 mgDBO 5/l, TRH total = 4d e k = 0,25d -1, comparar a eficiência de remoção de DBO em 2, 4 e 6 células em série de mistura completa, se todas as células da série têm volumes iguais.

b) Fluxo em pistão com dispersão longitudinal - Modelo Wehner-Wilhem (1 a ordem) S  So.

4ae (1  a) e 2

a

2d

1 2d

 (1  a) e 2

a

a  1  4k.TRH.d 2d

d = no de dispersão, D/UL k = taxa específica de reação, tempo -1 t = tempo de retenção hidráulica So = concentração inicial S = concentração final

i) Utilização do modelo facilitada pela elaboração de gráfico de k.t versus eficiência de remoção:

ii) Se conhecer k, d e a eficiência desejada, pode-se determinar TRH e consequentemente, V iii) Escolhendo V, pode-se determinar a eficiência (1) para mesmo TRH, mistura completa é menos eficiente que fluxo em pistão (2) eficiência > 99%, com TRH não muito elevado, só é possível obter em reator de fluxo em pistão Exercícios:

Por meio do modelo de f luxo em pistão com dispersão axial, comparar a eficiência de reatores que apresentam fluxo disperso com: i. d = 0,2 ii. d = 2 se TRH = 10d e k = 0,3/d. 4) Valor de d pode ser estimado por estudo com traçadores a) Introduzir massa M de traçador por injeção em pulso no reator com volume = V, operado a uma vazão, Q. b) Acompanhar a concentração do traçador (C = M/V) ao longo do tempo para construir a curva de concentração x tempo (curva DTR)

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DEC/CCE/UFV

3

m / g , o ã ç a r t n e c n o c

Área debaixo da curva DTR = = tempo médio de residência t i = tempo da i-ésima medida C i = concentração na i-ésima medida t i = tempo corrido desse a injeção

Tempo médio de retenção,

c) Normalizar curva DTR, para que a área de baixa da curva = unidade, gerando curva E (exit curve). Isso permite comparar curvas com diferentes quantidades de traçador injetadas. 3

m / g , o ã ç a r t n e c n o c

E

c) Variância (2) da curva DTR ou E define o grau de dispersão   2 2 0 (t  t) C(t)dt 0 t C(t)dt 2     t  0 C(t)dt 0 C(t)dt 2

i) Para pequenas extensões de dispersão (d<0,01), tem-se: 2

 

onde:

2

σ

2



2

D uL

 2d

 = tempo de retenção hidráulica teórica, V/Q d = número de dispersão

ii) Para grandes extensões de dispersão, condições de contorno influenciam solução. Para um sistema aberto, com dispersão na entrada e saída, bem como dentro do reator, tem-se: 2 

σ

2

2

2

2

 D   8  uL  uL  D

Exercícios:

Com base nos seguintes resultados de um estudo com traçador por injeção em pulso em um reator com  = 3h, determinar: i. tempo médio de residência ii. número de dispersão Tempo, min Conc. do traçador na saída, g/L

0 0

60 3

120 5

180 5

240 4

300 2

360 1

420 0

Traçar as curvas DTR e E.

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Apostila2015

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