UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ INSTITUTO DE RECURSOS RECURSOS NATURAIS LABORATÓRIO DE SANEAMENTO
EXERCÍCIOS DE DIMENSIONAMENTO DE UNIDADES DE TRATAMENTO DE ESGOTO
PROFa. Dra. HERLANE COSTA CALHEIROS
2011
2
Exercício de medidor Parshall, gradeamento e desarenação DADOS: •
VAZÕES DE PROJETO
INÍCIO : Qmín = 275 L/s FINAL : Qmax = 1000 L/s Qmed = 550 L/s •
NBR 12209/92 – ETE (Caixa de Areia)
TAS = 600 a 1300 m3 /m2.d (item 6.1.2.5)
Figura 1 - Vista lateral do conjunto Parshall, grade e caixa de areia
CALHA PARSHALL Diante dos valores de vazões mínimas e máximas de projeto escolheu-se a calha Parshall com as seguintes características:
W 3’ (16pol)
Qmin (L/s)
Qmax (L/s)
17,26
1426,3
Cálculo da altura (H):
Q = K × H n
Q = 2,182 × H 1,566
⇒
Para Qmin = 0,275 m3 /s
⇒
Hmin = 0,266 m
Para Qmax = 1,000 m3 /s
⇒
Hmax = 0,608 m
n 1,566
K 2,182
3
Cálculo do rebaixo (Z): Z =
(Q max × H min) − (Q min × H max) Q max − Q min
Z = 0,136 m
Cálculo de (h): h=H–Z Para Qmin = 0,275 m3 /s
⇒
hmin = 0,130 m
Para Qmax = 1,000 m3 /s
⇒
hmax = 0,472 m
CAIXA DE AREIA
DADOS: • • •
Câmara dupla tipo canal TAS = 600 a 1300 m3 /m2.d v < 0,40 m/s (p/ Qmax)
Área da seção transversal: v = 0,30 m/s (adotado) A = Qmax_ = 1000 x 10-3 v 0,30
A = 3,333 m2
Largura de uma câmara da caixa de areia: b=
A____ = 3,333____ Hmax – Z 0,608 – 0,136
b = 7,06 m
badotado = 7,10 m
Verificação da Velocidade: Para verificação da velocidade fazemos a operação inversa da realizada anteriormente, A partir do valor de “b” adotado calculamos um novo valor de “A” e após calculamos um novo valor de “v”.
Q (m /s) 1000 x 10275 x 10-
A (m ) 3,351 0,923
v (m/s) (m/s) 0,298 0,298
Verific Verificação ação OK! OK!
4
Comprimento da caixa de areia: L = 25 x hmax = 25 x 0,472
L = 11,80 m
Verificação da Taxa de Aplicação Superficial: TAS = Q_ = 1000 x 10-3 x 86400 As 7,10 x 11,8
TAS = 1031 m3 /m2.d OK!
Cálculo do rebaixo da caixa de areia (d): d ≥ 0,25 m Considerando a produção de areia (Pc) = 0,03 L/m3 Volume diário de areia retida na caixa de areia: V = Qmed x Pc = 550 x 10-3 x 86400 x 0,03 x 10-3
V = 1,426 m3 /d
Altura diária de areia acumulada na caixa de areia: Qa = V_ = 1,426___ As 7,10 x 11,8
Qa = 0,017 m/d
Adotando-se o intervalo de limpeza da caixa de areia é de aproximadamente 7 dias, ou seja, esta será limpa de 7 em 7 dias. ha = 0,017 x 7 = 0,12 m Adotamos: d = 0,25 m ( ≥ 0,25 m)
GRADEAMENTO
DADOS: • • • •
Grade com barras de ferro Espessura (t) = 0,95 cm Espaçamento entre barras (a) = 2,5 cm Grade média 3/8 x 11/2
Eficiência das barras: E=
a__ = 2,5___ a+t 2,5 + 0,95
E = 0,725
5
Área útil: Velocidade entre barras (Vb) = 0,60 m/s (adotado) Vb = 0,40 a 0,75 m/s Au = Qmax/Vb = 1000 x 10-3 /0,60
Au = 1,667 m2
Área total da seção do canal: At = Au_ = 1,667_ E 0,725
At = 2,30 m2
Largura do canal da grade: b0 =
At___ = 2,30_ 2,30 _ Hmax – Z 0,472
b0 = 4,87 m
b0 adotado = 4,90 m
Verificação da velocidade na grade: Para verificação da velocidade se faz o inverso das operações anteriores. Calcula-se um novo valor de “At”, depois um novo valor de “Au” e por fim se encontra o valor de “Vb”.
Q (m /s) /s) 1000 x 10275 x 10-
At (m ) 2,313 0,637
Au (m ) 1,677 0,462
Vb (m/s) (m/s) 0,596 0,595
Veri Verific ficaç ação ão OK! OK!
Número de barras: N=
b0__ = 490___ t+a 0,95 + 2,5
N = 142,03
Nadotado = 142 barras
Verificação da distância entre barra extrema e lateral do canal: e = ½ x {b0 – [N x t + (N – 1) x a]} e = ½ x {490 – [142 x 0,95 + (141) x 2,5]}
e = 1,3 cm (< 2,5 cm) OK! Cálculo do perfil hidráulico para Qmax: Cálculo da perda de carga na grade: Vb 2 − V 0 2 hf = 1,429 x 2 x g
6 •
Grade limpa:
V0 = Qmax_ h0 x b0 Vb = Qmax_ h0 x bb Onde: bb = b0 – N x t = 4,90 – 142 x 0,0095
bb = 3,551 m
Cálculo de h0 (Equação de Bernoulli): (antes da grade = depois da grade)
h0 + V02_ = h + v2_ + hf 2xg 2xg hf temos: , h , v , g , g e e hf Substituindo os valores de V 0 , h
h0 +
1000 x 10 −3 4 , 90 h x 0
2
2 x 9,81
=
2 2 1 1 − (0,298)2 3,551 x h0 4,9 x h0 0,472 + + 1,429 x 2 x 9,81 2 x 9,81
A partir do recurso solver equation da calculadora hp obtém-se o valor de h0.
h0 = 0,479 m Como mostra a figura no início do exercício: hf = h0 – h = 0,479 –0,472 •
hf = 0,007 m
Grade suja:
O procedimento para o cálculo da grade suja é o mesmo adotado para a limpa. Porém, para a atual situação considera-se a grade 50% obstruída. Para que a vazão continue a mesma, a velocidade nesta situação (Vb’) tem que ser 2 vezes maior que no caso anterior: Vb’ = 2 x Vb Utilizando as fórmulas acima, e repetindo os cálculos utilizados para a grade limpa, temos que:
h0 = 0,502 m
hf = 0,030 m
Adotamos: hf = 0,15 m (≥ 0,15 m – limpeza manual)
7
Exercício de tanque séptico, filtro anaeróbio e sumidouro TANQUE SÉPTICO (NBR 7229/93)
DADOS: • Escola com 150 pessoas • Limpeza anual da fossa • Temperatura média no inverno = 15ºC Cálculo do volume do Tanque Séptico: V = 1000 + N x (C x Td + K x Lf) Onde: N (número de pessoas) = 150 C (contribuição diária)= 50 L/pessoa.dia (valor de TABELA 1) Lf (contribuição de lodo fresco) = 0,20 L/pessoa.dia (valor de TABELA 1) Td (período de detenção) = 0,67 dias (valor de TABELA 2 – Q = 150 . 50 = 7500 L/dia) K (taxa de acumulação de lodo) = 65 (valor de TABELA 3) Assim: V = 1000 + 150 x (50 x 0,67 + 65 x 0,2) = 7975 L ou 8,0 m 3
Cálculo das dimensões do Tanque Séptico: Da TABELA 4 temos que: 1,50 m < h (prof. útil) < 2,50 m Profundidade útil (h) = 2,0 m (valor adotado) Largura interna mínima (W) >0,80m Largura (W) = 1,25 m (valor adotado) Relação comprimento/largura (L/W): entre 2:1 e 4:1 – Relação L/W = 3,2/1,25 = 2,56 ok! Comprimento (L) = V / (h . W) = 8 / (2 . 1,25) = 3,2m
Figura 2 - Esquema do Tanque Séptico
8
TABELA 4 – Profundidade de tanque séptico Volume útil Profundidade útil mínima Profundidade útil máxima 3 (m ) (m) (m) Até 6,0 1,20 2,20 De 6,0 a 10,0 1,50 2,50 Mais que 10,0 1,80 2,80
9 FILTRO ANAERÓBIO (NBR-13969/97)
Figura 3 - Esquema do Filtro Anaeróbio
DADOS: • N = 150 pessoas • C = 50 L/pessoa.dia • Temperatura média no inverno = 15ºC • Td = 0,67 (valor de TABELA 5 - Q = 150 . 50 = 7500 L/dia)) TABELA 5 – Da NBR 13969/97, Tempo de detenção hidráulica de esgotos (Td), por faixa de vazão e temperatura do esgoto (em dias)
Cálculo do volume do Filtro Anaeróbio: V = 1,60 x N x C x Td V = 1,60 x 150 x 50 x 0,67 = 8040 L ou 8,05 m3
Cálculo da área do Filtro Anaeróbio: • • • • •
Altura do fundo falso (incluindo espessura) - hff: 0,60m Altura do leito filtrante - hlf: 0,60m Altura da lâmina d’água sobre o leito filtrante – ha: 0,10m Altura livre adicional – hl: 0,20m Altura total do filtro – ht: 1,50m
10
A =
V
=
hlf
8,05 2 ⇒ A = 13,42m 0,6
Serão adotados dois filtros.
Se for adotada área circular, teremos: A =
π xd 2
13,42 π ⋅ d 2 ⇒ = 4 2 4
⇒
d = 2,9m
SUMIDOURO (NBR 7229/93) DADOS: • Sumidouro cilíndrico sem enchimento 2 • Ci (coeficiente de infiltração no solo) = 80 L/m x dia • N (número de pessoas) = 150 • C (contribuição diária)= 50 L/pessoa.dia (valor de TABELA 1) Cálculo da área do sumidouro: V = N x C = 150 x 50 = 7500 L ou 7,5m3 A =
V Ci
=
7500 2 = 93,75m 80
Cálculo das dimensões do sumidouro: Serão necessários três sumidouros. Considerando um diâmetro (d) do sumidouro de 2,5m, a profundidade (h) será: h=
93,75 3 ⋅ 2π .r 3 ⋅ 2 ⋅ π ⋅ 2,5 A
= 3,98 ≅
=
4,0m
2
Figura 4 - Esquema do Sumidouro
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Exercício de reator anaeróbio tipo manta de lodo - UASB DADOS: •
VAZÕES DE PROJETO 3
Qméd = 550 L/s = 47520 m /dia • • •
DBO = 200mg/L DQO = 400mg/L = (0,400Kg/m3) x (47520 m3 /dia) = 19008 Kg/dia Tempo de detenção (fixado) t = 8 horas = 0,33 dia (típico entre 6 e 9 horas)
Cálculo do volume total dos reatores (Vt): Vt = Qméd x t = 47520 x 0,33 = 15681,6 m3 Número de unidades escolhidas = 8
Cálculo do volume unitário dos reatores (V): V =
15681,6 3 ≅ 1960,20m 8
A recomendação é de uma faixa de 500 a 2000m3 para o volume dos reatores em geral. Altura útil fixada (h) = 5,0m (típico entre 3,5 e 5,5m)
Cálculo da área unitária (A): A =
V
=
h
1960,20 2 = 392,04 m 5,0
Dimensões escolhidas: 19,8m x 19,8m SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO DO ESGOTO No sistema de distribuição do esgoto afluente, o esgoto afluirá a uma caixa de distribuição no topo de cada reator, de onde partem os tubos de distribuição, até uma distância de 0,15m do fundo do tanque. Área de influência de cada tubo, fixado (Ai) = 2,4m2 / tubo (típico entre 2 e 3m2)
Cálculo do número de tubos (n): n=
A Ai
=
392,04 = 163,35 ≅ 164tubos 2,4
Os tubos serão de PVC de 200mm de diâmetro.
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Cálculo da seção de cada tubo (S): S =
π d 2
4
=
π (200 x10 −3 ) 2
4
=
0,0314m 2
Verificação da velocidade descendente (v): v=
550 x10 3 = = 0,11m / s (deve ser inferior a 0,20m/s para evitar o 0,0314 x164tubos Sxn arraste de ar para o interior do reator) −
Qméd
SISTEMA DE DIGESTÃO DO LODO
Verificação da velocidade ascencional (va) do lodo na câmara de digestão: va =
Qméd A
0,550m 3 / s x3600s / h = 0,63m / h (típico entre 0,5 e 0,7m/h) = 8reatoresx 392,04m 2
SISTEMA DE DECANTAÇÃO Deve-se estipular o número de compartimentos de decantação em cada unidade. Este deve ter como comprimento o próprio comprimento lateral do reator (B = 19,8m), e como largura um valor da ordem de 2,5 a 3,5m. Largura escolhida (L) = 3,0m Largura do coletor de gás adjacente a cada 2 compartimentos de decantação escolhido (Lc) = 0,30m Largura do reator (Lr) = 19,8m
Cálculo do número de compartimentos de decantação (nd): Lr = ( Lxnd ) + ( Lcxnc ) ⇒ 19,8 = (3 xnd ) + (0,30 x (nd − 1)) ⇒ nd = 6compartime ntos
Cálculo da área superficial de cada compartimento (As): As = B x L = 19,8 x 3,0 = 59,4m2
Cálculo da área de decantação por reator (Ad): Ad = As x nd = 59,4 x 6 = 356,40 m2
Verificação da velocidade ascensional do esgoto nos compartimento de decantação (vd): vd =
0,550m 3 / s x3600s / h = 0,69m / h (< 2,3m/h) = Ad 356,4m 2 x8reatores
Qméd
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LODO
Cálculo da massa gerada de lodo (M): Admitindo-se a produção de 0,18Kg SST por Kg DQO afluente: M = 0,18 x DQO = 0,18 x 19008 = 3421,4 Kg SST/ dia Teor de sólidos admitido = 4% = 0,04 Densidade típica = 1,02 = 1020 Kg SST/m3
Cálculo do volume gerado de lodo (VL): VL =
M
0,04 x1020
=
3421,4 3 ≅ 84m / d 0,04 x1020
Figura 5 - Esquema de um reator UASB
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Exercício de sistema de lodos ativados convencional DADOS: •
VAZÕES DE PROJETO Qmín = 275 L/s Qmáx = 1000 L/s Qméd = = 550 L/s = 47520 m3 /dia
DQO = 400mg/L = (0,400Kg/m3) x (47520 m3 /dia) = 19008 Kg/dia
DIMENSIONAMENTO DO DECANTADOR PRIMÁRIO • • •
Taxa de aplicação superficial (TAS) = 90 m3 /m2.dia (até 120m3 /m2.dia – seguido de lodos ativados) Tempo de detenção (θmax) = 1,0 hora (≥ 1,0 hora) Tempo de detenção (θmed) ≤ 6,0 horas
Cálculo da área superficial (As): TAS =
1000 x10 3 x86400m 3 / dia 2 ⇒ As = = 960 m As 90m 3 / m 2 .dia −
Qmáx
Serão utilizados 5 decantadores de secção circular.
Cálculo da área de cada decantador (Adec): Adec =
960 2 = 192 m 5
Cálculo do diâmetro (D) dos decantadores: Adec =
π D 2
4
⇒
D =
4 Adec π
=
4 x192 π
= 15,6m
Cálculo do volume (V): θ máx =
V Qmáx
⇒
V ≥ 1000 x10 − 3 x3600 x1,0 = 3600m 3
Cálculo da altura útil (hu): hu ≥
V As
=
3600 = 3,75m (h ≥ 2,0m – usual 3 a 4m) 960
15
Cálculo do novo volume (Vn): Vn = 4,0 x960 = 3840m 3
Para hu = 4,0m:
Cálculo dos novos tempos de detenção: θ máx =
3840 = 1,07horas Qmáx 1000 x10 3 x3600
(≥ 1,0 hora) ok!
θ méd =
3840 = 1,94horas Qméd 550 x10 3 x3600
(≤ 6,0 horas) ok!
Vn
Vn
=
=
−
−
Cálculo da taxa de escoamento nos vertedores de saída (Tv): (1000 x10 3 x86400) / 5 3 3 Tv = = = 353m / m.dia (< 720m /m.dia) ok! 2π ( D / 2) 2π (15,6 / 2) Qmáx / 5
−
DIMENSIONAMENTO DO TANQUE DE AERAÇÃO E DO DECANTADOR SECUNDÁRIO • • • • • •
Carga de DBO no esgoto in natura (DBO) = 19008 Kg/dia Eficiência do decantador primário (E) = 30% Fator de carga (F) = 0,22 Kg DBO/Kg SS.dia (típico 0,16 a 0,40) Relação A/M = 0,28 Kg DBO/Kg SSV.dia (típico 0,2 a 0,5) Concentração de SS (Xt) = 3,2 Kg/m3 Concentração de SSV (X) = 2,56 Kg/m3 (típico 1,5 a 3,0 kg/m3)
Cálculo da carga orgânica na entrada do tanque de aeração (CO): CO = (1 − E ) xDBO = 0,7 x19008 = 13306Kg / dia
Cálculo da quantidade de oxigênio (Qo): A massa de oxigênio necessária será o dobro da carga orgânica na entrada do tanque: Qo = 2 xCO = 2 x13306 = 26612 KgO2 / dia = 1109 KgO2 / hora
Adotando-se aeradores superficiais de baixa rotação com capacidade de transferência de oxigênio de 0,9KgO2 /CV.hora.
Cálculo da potência (P): P=
1109 = 1232CV 0,9 0,9
Qo
=
16 1232 = 246,4CV 5 Serão utilizados 5 aeradores (n) de 50CV (Pa) por tanque dispostos em série.
Por tanque: P =
Cálculo do volume dos tanques de aeração (Vta): Desprezando a influência da recirculação. Vta =
13306 3 = 18901m Xt .F 3,2 x 0,22 CO
=
Serão utilizados 5 tanques de 3780m3.
Cálculo das dimensões do tanque de aeração largura (L) e base (B): Adotando altura útil (hu) = 4,0m As =
Vta
3780 2 = 945m 4
=
hu
Relação L/B ≥ 4: Adotando B = 15,6m e L/B = 4: L = 4 . 15,6 = 62,4m
Cálculo do tempo de detenção hidráulico ( θ): θ =
5 tan ques(4 x15,6 x 62,4) = 9,8horas (típico < 18 horas) 47520 / 24 Qméd V
=
Cálculo da densidade de potência (dp): dp =
n.Pa.735
=
Vta
5 x50 x 735 3 3 = 48,6W / m (> 10W/m ) ok! 3780
No caso de utilização do sistema de aeração por ar difuso, tem-se: 3 • Massa específica do ar (Ma) = 1,2 Kg/m • Porcentagem de O2 no ar (%) = 23,2% • Rendimento do soprador (η) = 8%
Cálculo da vazão de ar (Qa): Qa =
1109 3 = 830 m ar / min Ma.%.η 1,2 x0,232 x0,08 x 60 Qo
=
Cálculo da vazão de retorno do lodo (Qr): Considerando que o lodo sedimentará no fundo do decantador secundário a uma concentração de 8 Kg SS/ m3 (Xr). 3,2 Xt r = = = 0,67 (típico 0,6 a 1,2) ( Xr − Xt ) 8 − 3,2
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r =
Qr
⇒
Qméd
Qr = r .Qméd = 0,67 x550 = 368,5 L / s ⇒ 73,7 L / s por tanque
Cálculo da produção de lodo (PL): Considerando Yobs = 0,65 Kg SS/ Kg DBO. PL = CO.Yobs = 13306 x0,65 = 8649 KgSS / dia
Cálculo da idade do lodo ( θc): V . Xt
θ c =
=
PL
5 tan quesx4 x15,6 x 62,4 x3,2 ≅ 7 dias (4 a 10 dias) 8649
Cálculo da área do decantador secundário (Ads): Adotando taxa de aplicação de superficial (TAS) = 20 m3 /m2.d (típico 16 a 32 m3 /m2.d) TAS =
Qméd
⇒
Ads
20 =
47520
⇒
Ads
Ads = 2376,00m 2
Adotando taxa de aplicação de sólidos (Ga) = 4 KgSS/m2.hora (típico 4 a 6 KgSS/m2.h) Ga =
(1 + r ) xQméd . Xt
⇒
Ads
Ads =
(1 + 0,67) x 47520 x3,2 2 = 529,06 m 5 x (4 x 24)
Adota-se o maior valor, então: Para a área superficial total de 2376,0 m2, serão utilizados 5 decantadores com 24,6 m de diâmetro com área superficial de 475,3 m2 cada um.
Cálculo do volume útil (Vu) do decantador secundário: Adotando-se a altura útil (hu) = 4,0m. Vu
=
hu. Ads = 4 x 475,3 = 1901m 3 por
decantador
Cálculo do tempo de detenção hidráulico (TDH): TDH =
5decantador es.1901 x 24 = 2,9horas (≥ 1,5 horas) 1,67 x 47520 Q + Qr Vu
=
Cálculo da taxa de escoamento nos vertedores de saída (TEL): TEL =
Qméd / n
2π .r
=
47520 / 5 3 2 = 123m / m dia 2.π .24,6 / 2
(< 720m3 /m.dia) ok!
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Exercício de lagoas de estabilização – sistema australiano (lagoa anaeróbia + lagoa facultativa + lagoa de maturação) DADOS: •
VAZÕES DE PROJETO
INÍCIO: Qmín = 275 L/s FINAL: Qmáx = 1000 L/s = 550 L/s = 47520 m3 /dia Qméd = Carga de DBO no esgoto in natura (DBO) = 200mg/L = (0,200Kg/m3) x (47520 m3 /dia) = 9504 Kg/dia LAGOA ANAERÓBIA •
Adotando o tempo de detenção hidráulico (TDH) = 4 dias (típico 3 a 6 dias)
Cálculo do volume da lagoa (V): V = TDH .Qméd = 4 x 47520 = 190080m 3
Cálculo da área ocupada pela lagoa (A) a meia altura: Adotando altura útil (hu) = 4,0m (típico entre 3,0 a 5,0m) A =
V hu
=
190080 2 = 47520m 4
Assim, as dimensões da lagoa a meia altura serão: 150 x 320m Relação L/B = 2,1 (típico de 2 a 4) A inclinação dos taludes será adotada em função das características do terreno = 1V / 2H (mínima 1/6 e máxima ½: argiloso). A borda livre adotada será de 0,60m (> 0,50m). A partir desses dados é possível calcular as principais dimensões da lagoa. Dimensão Terreno Espelho de água Meia profundidade Fundo
Comprimento (m) 330,40 328,00 320,00 312,00
Largura (m) 160,40 158,00 150,00 142,00
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Cálculo da carga orgânica volumétrica (COV): COV =
DBO
. .hu L B
=
9504 3 3 = 0,05 KgDBO / m dia (típico: 0,1 a 0,3 kgDBO/m .dia) 150 x320 x 4
Cálculo da taxa de aplicação superficial de DBO ( λ s): s): 9504 x10 4 λ s = = = 1834kgDBO / ha.dia 328 x158 áreaespelho (aerobiose) 500 < λs < 2000kgDBO/ha.dia (odor) DBO
Cálculo da carga de DBO residual afluente à lagoa facultativa (DBOr): Adotando eficiência de 50% na remoção de DBO. (Típico 40 a 50%) DBOr = DBO.0,5 = 9504(0,5) = 4752 Kg/dia
LAGOA FACULTATIVA •
Adotando o tempo de detenção hidráulico (TDH) = 20 dias (típico 15 a 45 dias)
Cálculo do volume da lagoa (V): V = TDH .Qméd = 20 x 47520 = 950400m 3
Cálculo da área da lagoa facultativa à meia altura (A): Adotando a profundidade útil (hu) = 2,5m (típico de 1,5 a 3,0m) A =
V hu
=
950400 2 = 380160m 2,5
Assim, serão duas lagoas facultativas em paralelo cuja dimensão à meia profundidade é: 250x770m Relação L/B = 770/250 = 3,1 (típico de 3 a 5)
A inclinação dos taludes será adotada em função das características do terreno = 1V / 2H e a borda livre adotada será de 0,60m. A partir desses dados é possível calcular as principais dimensões de cada lagoa. Dimensão Terreno Espelho de água Meia profundidade Fundo
Comprimento (m) 777,40 775,00 770,00 765,00
Largura (m) 257,40 255,00 250,00 245,00
20
Cálculo da taxa de aplicação superficial de DBO ( λ ): ): 4752 4 x10 = 240 kgDBO / ha.dia 255 x775 A (recomendado 100 a 350kgDBO/ha.dia) λ =
DBOr
=
LAGOA DE MATURAÇÃO •
Adotando o tempo de detenção hidráulico (TDH) = 7 dias (valor considerado bom)
Cálculo do volume da lagoa de maturação (V): V = TDH .Qméd = 7 x 47520 = 332640m 3
Adotando altura útil (hu) = 1,0m (típico 0,6 a 1,20m)
Cálculo da área da lagoa de maturação à meia altura (A): A =
V hu
=
332640 2 = 332640m 1
Assim, serão quatro lagoas de maturação em paralelo cuja dimensão à meia profundidade é: 150x560m Relação L/B = 3,7 A inclinação dos taludes será adotada em função das características do terreno = 1V / 2H e a borda livre adotada será de 0,60m. A partir desses dados é possível calcular as principais dimensões de cada lagoa. Dimensão Terreno Espelho de água Meia profundidade Fundo
Comprimento (m) 564,40 562,00 560,00 558,00
Largura (m) 154,40 152,00 150,00 148,00
21
Estimativa do número mais provável de coliformes fecais no efluente final: Considerando lagoas de fluxo disperso, tem-se o modelo de WEHNER & WILHEM:
( ) 4.a.e 2 d 1
N N 0
=
a=
( ) (− ) (1 + a )2 .e 2d − (1 − a )2 .e 2d a
1 + 4.k d .θ .d
a
Em que, N0: número de coliformes fecais no afluente (NMP/100mL) N: número de coliformes fecais no efluente (NMP/100mL) d: coeficiente de dispersão (d=0 fluxo pistão e d=∞ mistura completa) d =
( L / B ) (− 0,261 + 0,254.( L / B ) + 1,014.( L / B )2 )
L: comprimento da lagoa (m) B: largura da lagoa (m) kd: constante de reação (dia-1) Lagoa facultativa: kd = 0,2 a 0,4 d-1 Lagoa de maturação: kd = 0,3 a 0,8 d-1 θ:
tempo de detenção hidráulico (dia)
Estimativa do número mais provável de coliformes fecais no efluente final: Dados: No = 2,4 x 107 NMP/100mL (Esgoto bruto) kd = 0,3 d-1 (Lagoa facultativa) kd = 0,6 d-1 (Lagoa de maturação)
Estimativa de coliformes fecais nas Lagoas facultativas: L/B = 3,1 d =
( L / B ) (− 0,261 + 0,254.( L / B ) + 1,014.( L / B )2 )
kd = 0,3 d-1 θ = 20,0 dias a=
1 + 4.k d .θ .d
a = 2,87
d = 0,3018
22
N N 0
4.a.e
=
)2
(1 + a .e
(a 2d )
(12d )
−
)2
(1 − a .e
(− a 2d )
N/No = 3,64 x 10-1 No = 2,4 x 107 NMP/100mL N = 3,64 x 10-1 . 2,4 x 107 = 8,7 x 106 NMP/100mL
Estimativa de coliformes fecais nas Lagoas de maturação (3 em série): L/B = 3,7 θ = 7,0 dias kd = 0,6 d-1 No = 8,7 x 106 NMP/100mL
Lagoa de maturação 1:
No = 8,7 x 106 NMP/100mL d = 0,2541 a = 2,30 N/No = 6,54 x 10-2 N = 5,7 x 105 NMP/100mL
Lagoa de maturação 2:
No = 5,7 x 105 NMP/100mL d = 0,2541 a = 2,30 N/No = 6,54 x 10-2 N = 3,7 x 104 NMP/100mL
Lagoa de maturação 3:
No = 3,7 x 104 NMP/100mL d = 0,2541 a = 2,30 N/No = 6,54 x 10-2 N = 2.420 NMP/100mL
23
Exercício de lagoa aerada aeróbia seguida por lagoa de decantação de lodo DADOS: •
VAZÕES DE PROJETO INÍCIO: Qmín = 275 L/s FINAL: Qmáx = 1000 L/s Qméd = = 550 L/s = 47520 m3 /dia
LAGOA AERADA AERÓBIA • • • •
DBO média na entrada da lagoa (So) = 275 mg/L = 0,275 Kg/m3 Carga de DBO na entrada da lagoa = 0,275x47520 = 13068 Kg/dia Tempo de detenção hidráulico (TDH) = 3 dias (típico 2 a 4 dias, < 5dias) Coeficiente de produção de sólidos (Yobs) = 0,58 dia-1
Cálculo do volume da lagoa (V): V = TDH .Qméd = 3dias.47520 = 142560m 3
Cálculo da área da lagoa (A): Adotando profundidade da lagoa (h) = 3,50m (Típica de 2,5 a 5,0m) A =
V h
=
142560 2 = 40731m 3,5
Assim, serão dez lagoas aeradas em paralelo cuja dimensão à meia profundidade profundid ade é: 45x91m Relação L/B = 2,0 A inclinação dos taludes será adotada em função das características do terreno = 1V / 2H e a borda livre adotada será de 0,60m. A partir desses dados é possível calcular as principais dimensões de cada lagoa. Dimensão Terreno Espelho de água Meia profundidade Fundo
Comprimento (m) 100,40 98,00 91,00 84,00
Largura (m) 54,40 52,00 45,00 38,00
24
Cálculo da taxa de aplicação superficial de DBO ( λ s): s): 13068 x10 4 λ s = = = 2564 kgDBO / ha.dia áreaespelh o 10(98 x52) (típico 1000 a 3000kgDBO/ha.dia) DBO
Cálculo da DBO de saída do efluente (Se): Adotando 80% de eficiência de remoção de DBO, temos uma DBO de saída do efluente (Se): Se = 0,2xSo = 0,2x0,275 = 0,055 Kg/m3
Estimativa da produção de sólidos suspensos (P): P = Yobs.Qméd .( So − Se) = 0,58 x 47520 x (0,275 − 0,055) = 6064 Kg / dia
SISTEMA DE AERAÇÃO • •
Temperatura média de inverno (Ti) = 15ºC Temperatura média de verão (Tv) = 25º
Pode-se considerar a necessidade de O2 como sendo 1,2Kg O2 /KgDBO removida para lagoas aeradas. Deve-se adotar a temperatura do verão (situação mais crítica em termos de necessidade de O2). Então, corrige-se a DBO para essa temperatura. DBO 25 º
= DBO 20 º x1,047
( 25 º −20 º )
=
0,275 x1,047 ( 25
− 20 )
DBO 25 º
= DBO 20 º x1,047
( 25 º −20 º )
=
0,055 x1,047 ( 25
− 20 )
=
0,346 Kg / m 3 (na entrada)
=
0,069 Kg / m 3 (saída da
lagoa) DBO removida
=
0,346 − 0,069 = 0,277 Kg / m 3
Cálculo da carga de DBO diária removida (DBOdiária): DBOdiária = DBOremovida xQméd = 0,277 x 47520 = 13163KgDBO / dia
Cálculo da necessidade total de O2 (OD): OD = (2 KgO2 / KgDBO).( DBOdiária) = 2 x13163 = 26326 KgO2 / dia = 1097 kgO2 / h
Cálculo da potência dos aeradores mecânicos (Pot): Adotando aeradores de baixa rotação de 40CV com capacidade de transferência de oxigênio de 0,41 kgO2 /CV.hora, diâmetro de influência de mistura de 30 m e profundidade de alcance de 4 m, tem-se:
25 Pot =
OD C
=
1097 = 2676CV 0,41
Portanto, para cada lagoa a potência necessária é de aproximadamente 268CV. Considerando a área superficial da lagoa (98 x 52 m), o diâmetro de influência do aerador (30 m) e a potência necessária, pode-se prever 8 aeradores de 40CV resultando na capacidade instalada total de 10 lagoas x 8 aeradores/lagoa x 40CV = 3200CV ou 320CV por lagoa.
Verificação da densidade de potência resultante (dp): dp =
Potência ( watts) Vu
=
320 x 735,5 3 = 16W / m 14333
> 3W/m3 OK! (típico 3 a 5 W/m3)
LAGOA DE DECANTAÇÃO Tempo de detenção = 1 dia (típico entre 1 e 2 dias) Tempo de retirada do lodo = 2 anos (típico entre 2 e 4 anos)
Cálculo do volume da lagoa (Vs): O volume da lagoa de sedimentação é dado pela somatória do volume de decantação (Vdec) com o volume de armazenamento do lodo (Vlodo).
Cálculo do volume de decantação (Vdec): Vdec = Qméd .1dia = 47520 x1 = 47520m 3
Cálculo do lodo retido anualmente ∆X: ∆ X = 0,5 xP = 0,5.( 6064).(365) = 1106680Kg / ano
Admitindo-se que a concentração de sólidos totais no lodo adensado seja de 50Kg/m3 e o tempo de acúmulo de 2 anos, tem-se: 2 x1106680 ∆ X 3 Vlodo = = = 44267m 50 50 Então, Vs = Vdec + Vlodo = 47520 + 44267 = 91787m 3
Cálculo da área total da lagoa (As): Admitindo-se profundidade (h) = 4,0m 91787 2 = 22947m 4 h Considerando 10 lagoas de decantação, a área de cada lagoa é de 2295 m2. As =
Vs
=
26
Exercício de filtro biológico de alta taxa DADOS: •
VAZÕES DE PROJETO o o
Qmín = 275 L/s Qmáx = 1000 L/s
Qméd = 550 L/s = 47520 m3 /dia DBO = 200mg/L = (0,200Kg/m3) x (47520 m3 /dia) = 9504kg/dia o
• •
PARÂMETROS DE PROJETO o Taxa de aplicação superficial - pedra: 10 a 40m3 /m2.dia e plástico: 10 a 75m3 /m2.dia o Carga orgânica volumétrica – pedra: 0,4 a 2,5KgDBO/m3.dia e plástico: 0,5 a 3,0KgDBO/m3.dia o Profundidade – pedra: 1,5 a 2,5m e plástico: 4,0 a 12,0m o Razão de recirculação – pedra: 1 a 2 e plástico: 1 a 3 o Área dos furos da laje de fundo: 15% da área da laje de fundo o Área de ventilação: 1% da área superficial
Figura 6 - Esquema do Filtro Biológico
Cálculo da taxa de recirculação (R): Admitir que: - DBO solúvel no líquido recirculado = Se = 20mg/L (típico 10 a 30mg/L) - DBO aplicada ao filtro = Si = 100mg/L (típico 50 a 150mg/L) - Eficiência do decantador primário na remoção de DBO = 30% (típico 25 a 35%)
27 DBO efluente ao decantador primário = So = (1 - 0,30).200 = 140mg/L Si =
Qméd x S 0
+ QR x Se
Qméd + QR
100 =
(47520 x 140) + (QR x 20) 47520 + QR
QR = 23760m 3 / dia
Assim a taxa de recirculação é: R
=
23760 = 0,5 Qméd 47520 QR
=
Cálculo da vazão aplicada no filtro (Qaplic): Qaplic = QR + Qméd = 23760 + 47520 = 71280m 3 / dia
Cálculo da carga de DBO afluente ao filtro: -3
Carga DBO = Qaplic. x Si = 71280 (100 x 10
) = 7128kg/dia
Cálculo do volume útil do filtro biológico (Vf): Considerando o meio suporte de pedra britada COV = 1,2kg/m3.dia (adotado) Vf = Carga DBO / COV = 7128/1,2 = 5940m3
Cálculo da área superficial do filtro biológico (Asf): Adotando a profundidade do filtro (h) = 2,0m Af = Vf/h = 5940/2 = 2970m2 Deverão ser utilizados quatro filtros de 31m de diâmetro, perfazendo uma área de 755m2 e volume de 1510m3 por filtro.
Verificação da taxa de aplicação superficial (TAS): TAS =
Qaplic Af
=
71280 3 2 = 23,6m / m .dia = 983mm / h 4 ⋅ 755
Área necessária de aberturas para a ventilação: Aaber = 0,01. Af = 0,01(755) = 7,55m2
(típico 10 a 40m3 / m2.dia)
28
Área de drenagem dos esgotos à saída do filtro: Adren = 0,15. Af = 0,15(755) = 113,25m2
Dimensionamento do distribuidor rotativo: Para o cálculo da velocidade de rotação do aspersor (n), utiliza-se a seguinte fórmula: TAS = I ⋅ a ⋅ n
Onde: TAS – taxa de aplicação superficial em mm/h (recomenda-se que seja ≥ 800mm/h) I – intensidade de lavagem adotada = 4mm/rotação (pedra britada: 2 a 6mm/rotação do braço; meio plástico: 3 a 9mm/rotação do braço) a – número de braços de aspersores = 2 (típico 2 ou 4) n – velocidade de rotação dos braços do aspersor (típico de 50 a 400 rph): n=
TAS I ⋅ a
=
983 = 123.rph 4⋅2
29
Exercício de cloração DADOS: •
VAZÕES DE PROJETO Qmín = 275 L/s Qmáx = 1000 L/s
• • •
Qméd = 550 L/s = 47520 m3 /dia Profundidade da lâmina líquida: 3,5 m Dosagem máxima de cloro: 2,5 mg/L (determinada por meio de ensaio em batelada em aparelho de Jar Test ) Tempo de contato: 30 min
Cálculo do volume do tanque de contato:
θ h
V ol
=
V ol Q
= Q.θ h = 1,0
m
3
/ s.30 min .60 s / min = 1.800 m 3
Definição da geometria do tanque de contato:
1.800 m 3 AS = = H 3,5 m V ol
≅ 515 m
2
Relação L/B = 3 a 4 Admitindo uma relação entre o comprimento e sua largura igual a 3, tem-se que:
AS = B. L = 3 B . 2
= 515
m2
∴
B = 13,10 m
Portanto, adota-se:
B = 13,0 m e L = 40,0 m Determinação do número de câmaras (n): Admitindo L/b = 10, L/(B/n) = 10
⇒
ΣL/b ≥ 40
e b = B/n
n = 10.B/L = 10(13)/40 = 3,25
b = B/n = 13/4 = 3,25 m ΣL/b
= 40(4)/3,25 = 49
≥
40 Ok!
n = 4 câmaras
⇒
30 40,0
3,25 3,25
13,0
Cálculo do consumo diário de cloro Consumo =
Massa tempo
= Q.C
86.400 m3 / dia.2,5 g / m3 Consumo = 1.000 g / kg
=
216 kgCl2 / dia
Dimensionamento da quantidade a armazenar Considerando o tempo de armazenagem de 20 dias, tem-se: Consumo = 216 kg / dia.20 dias
=
4.320 kgCl2
Opção 1 : Cloro gasoso (Cl2)
Sabendo que cada cilindro de cloro gasoso tem aproximadamente 900 kg, tem-se: Número de cilindros N = 4320/900 = 4,8 cilindros Portanto, adota-se: 5 Cilindros de 1 tonelada cada
31
Opção 2 : Hipoclorito de sódio (NaOCl)
Considerando uma solução de NaOCl com concentração de 12,0% em massa de Cl2 e
massa específica da solução de 1.220 kg/m3 Concentraç ãosolução
M solução
=
M produto M solução
= 36.000
=
M solução
ρ solução
=
0,12 =
4.320 kgCl2 M solução
kg
Massa específica ρ solução V olume
⇒
=
M solução V
36.000 kg 1.220 kg / m3
=
29,5 m3
Portanto, adota-se o volume de hipoclorito de sódio de 30,0 m3
32
Exercício de desinfecção com radiação ultravioleta (UV) DADOS: •
VAZÕES DE PROJETO Qmín = 275 L/s Qmáx = 1000 L/s
• • • • • •
• • •
Qméd = 550 L/s = 47520 m3 /dia Concentração média de DQO: 83 mg/L Concentração média de SST: 30 mg/L Turbidez média (T) =18 UT Densidade média de coliformes fecais (No) =1,0 × 105 NMP/100mL Absorbância (Abs) = 0,229 cm–1 Em experimentos com reator em batelada e em fluxo contínuo realizados com efluente com características semelhantes ao em questão, foi observada uma dose efetiva de 21 mJ/cm2 para atingir o padrão de efluente desinfetado desejado N < 1,0 × 103 NMP/100 mL. Ou seja, Dose de UV (D) = 21 mJ/cm2 (mJ = mW.s) Espessura de lâmina líquida de (e) = 4,0 cm (típico 2 a 6 cm) Tempo de exposição mínimo (tmín) = 40 segundos (típico ≤ 60 seg) Lâmpadas emersas - O reator UV deverá ser composto por lâmpadas UV de baixa pressão e baixa intensidade, cada uma com 30 W de potência nominal, com eficiência de P254 = 8,3 W a 254 nm no início de funcionamento e após 100 horas de uso. A eficiência de reflexão da radiação UV (254 nm) estimada para o refletor de alumínio é de f = 70%.
Cálculo do volume do reator (V): V = Qmáx . tmín = 1000 x 10-3 . 40 = 40 m3
Cálculo da área superficial do reator (A): A = V/e = 40 / 0,04 = 1000 m2
As lâmpadas podem ser distribuídas em 210 módulos, cada um com largura (L) de 0,95 m e comprimento (B) de 5,0 m. Cálculo do número de lâmpadas em cada módulo (n):
Da =
2,303. Abs.e D . n.P254 . f .tmín = (1 − exp 2,303. Abs.e ) A −
Onde, Da = dose aplicada Abs = absorbância a 254 nm (cm-1) e = espessura da lâmina líquida (cm) D = dose efetiva (mJ/cm2) n = número de lâmpadas P254 = eficiência da lâmpada (mW)
33 = eficiência de reflexão f = tmín = tempo de exposição mínimo (seg) A = área superficial do tanque de contato (m2) n=
2,303. Abs.e D . . A P254 . f .tmín(1 − exp 2,303. Abs.e ) −
n = 10 lâmpadas em cada módulo.
=
2,303.0,229.4.21.(0,95 x5,0 x10 4 ) 8,3 x103.0,7.40.(1 − e 2,303( 0, 229).4 ) −
