FILTROS BIOLÓGICOS AERÓBIOS
SISTEMAS DE FILTROS BIOLÓGICOS AERÓBIOS Grade
Caixa de areia
Decantador Primário
Filtros Biológicos
Decantador Secundário
Rio Adensamento
Digestão
Secagem PHD-2411 Sa neamento I
Lodo “Seco” 18
Reator UASB + Filtro Biológico Aeróbio SISTEMAS DE FILTROS BIOLÓGICOS AERÓBIOS Esgoto Tratado Grade
Caixa de areia
Reator UASB
Filtros Biológicos
Decantador Secundário
Rio Lodo Secagem
Lodo “Seco” PHD-2411 Saneamento I
18
FILTROS BIOLÓGICOS AERÓBIOS Bioquímica e Microbiologia (CH2O)X + O2 → CO2 + H2O + (CH2O)Y (CH2O)X → CH4 + CO2 + H2O + (CH2O)Y + H2 + H3C-COOH + ⋅ ⋅
Filtro Biológico - Estrutura do Biofilme
Na parte externa do biofilme predominam bactérias como aerobacter, flavobacter, pseudomonas e alcalígenes. Na parte interna do biofilme, predominam microrganismos como sphaerotilus natans, nocárdia e beggiatoa. As bactérias nitrificadoras, Nitrossomonas e Nitrobacter podem aparecer na parte baixa dos filtros descendentes, onde se verificam baixa DBO carbonácea e elevada concentração de oxigênio dissolvido. Fungos como o Mucor, Penicillium e Fusarium também tormam parte do processo. Complementam o ecossistema de filtros biológicos protozoários como os ciliados Opercularia, Epystilis e Vorticella, além de micrometazoários como os rotíferos. Algas podem aparecer na parte superior do filtro, aberta e exposta à luz solar.Alí também se hospedam verrnes, caramujos e larvas de insetos.
ETE CAÇADORES - CAMBÉ/PR
Características dos Materiais de Enchimento dos Filtros Característica/ Material Pedras Plástico
Área superficial Massa específica 2 3 3 específica (m/m ) (kg/m ) 50 - 70 800 - 1450 100 - 200 30 - 100
Porosidade 40 - 60 94 - 97
Sistema de Drenagem - Fundo Falso do Filtro
Arranjos Típicos
Equação Fundamental Sh / So = 10
-k.h.(A/Q)^n
,onde:
Sh e So : Concentração de substrato (DBO) à profundidade h e à entrada do filtro, mg/L k : Constante da velocidade de remoção de substrato, d
-1
h : Profundidade do leito, m A : Área do filtro, m
2 3
Q : Vazão afluente aos filtros, m /d n : Característica do material de enchimento, n = 0,44 para pedras e 0,67 para anéis plásticos. -1
o
k varia entre 0,12 e 0,2 d para esgoto sanitário a 20 C. Para outras temperaturas corrige-se k através de: kToC = k20oC * 1,08
(T – 20)
Estudos em Laboratório k.h.(A/Q)^n
So / Sh = 10
n
log (So / Sh) = k.h.(A/Q)
Portanto, lançando-se em gráfico log (So / Sh) contra h x (A/Q)n tem-se uma reta cujo coeficiente angular corresponde ao valor de k.
Equação de Eckenfelder -K.h.(Sa^m).(A/Q)^n
Sh / So = 10
Em que:
K: Constante da velocidade da reação, m/d h: profundidade do leito, m 3 Q: Vazão, m /d 2 A: Área superficial do filtro, m Sa : Área superficial específica do material de enchimento, 2 3 m /m m e n : Características do material de enchimento. Metcalf & Eddy recomendam usar m = n = 1, caso não se tenham dados mais específicos.
Fórmula do NRC –National Research Council o
20 • Válida para esgoto doméstico preenchido com pedras, a C: a) Sem recirculação de esgoto tratado à entrada do filtro: 1/2
EDBO (%) = 100 / [1 + 0,433 * (W/V) ]
Em que:
EDBO (%) = Eficiência na remoção de DBO, em porcentagem W = Carga de DBO aplicada ao filtro, em kg/dia 3
V = Volume do filtro, em m
a) Com recirculação: 1/2
EDBO (%) = 100 / [1 + 0,433 * (W / V*F)] Onde: 2
F = ( 1 + r ) / ( 1 + 0,1*r) onde r =Qr / Q EDBO (%) = Eficiência na remoção de DBO, em porcentagem W = Carga de DBO aplicada ao filtro, em kg/dia 3
V = Volume do filtro, em m
CLASSIFICAÇÃO DOS FILTROS BIOLÓGICOS AERÓBIOS Característica
Baixa Taxa
Taxa de Aplic. Hidráulica 3 2 (m /m /dia)
1-4
Taxa Intermediár ia 4 - 10
Alta Taxa
Torre Biológica
10 - 40
40 – 200
Taxa de Aplic. Vol. de DBO 3 (kgDBO/m /dia) Profundidade do Leito (m) Material de Enchimento Fator de Reciclo ( r = Qr / Q) Consumo de 3 Energia (W/m ) Problemas com Moscas
0,08 – 0,32
0,24 – 0,48
0,32 – 1,0
0,8 – 6,0
1,5 – 3,0
1,25 – 2,25
1,0 – 3,0
4,5 – 12,0
pedra
pedra
pedra/ plást
plástico
0
0-1
1-3
1-4
2–4
2-8
6 - 10
10 - 20
grande
pequeno
raro
nenhum
Recirculação de esgoto tratado para a entrada dos filtros biológicos Balanço de massa na entrada do filtro: Q * So + Qr * S e = ( Q + Qr ) * S i Em que: So = DBO do esgoto afluente ao filtro, antes da mistura com o reciclo Se = DBO do efluente final, após o
decantador secundário
Si = DBO do esgoto afluente ao filtro, depois da mistura com o reciclo Q = Vazão média de esgoto sanitário Qr = Vazão de
recirculação de esgoto tratado
Dividindo-se pela vazão média de esgotos (Q): So + r * S
e
= S i *( 1 + r )
Si = ( So + r * S
e
)/(1 + r)
Exercício de dimensionamento Filtro Biológico Aeróbio de alta taxa Dados: • População atendida: 38.900 hab • Carga de DBO dos esgotos: 2100 kg/dia 3 média de esgotos: 101,7 L/s = 366m /h = 8789 • Vazão 3 m /dia
a) Determinação da vazão de recirculação Admitindo-se a DBO dos esgotos à entrada dos filtros, após a mistura com o fluxo de recirculação, S i = 100 mg/L e a DBO dos efluentes finais, S e = 20 mg/L, tem-se: Si = ( So + r * S e ) / ( 1 + r ) 100 = ( So + r * 20 ) / ( 1 + r ) 3
DBO dos esgotos: 2.100 / 8789 = 0,239 kg/m = 239 mg/L Eficiência dos decantadores primários na remoção de DBO: 30% DBO dos esgotos à entrada dos filtros: So = 0,7 x 239 = 167 mg/L Portanto, 3 3 r = 0,84 ⇒ Qr = 85,2L/s = 307 m /h = 7.361 m /dia
a) Determinação da carga de DBO afluente aos filtros: 3 Carga DBO = ( Q + Qr ) * Si = ( 8789 + 7361 ) * 0,1 kg/m = 1617 kg/dia b) Determinação do volume útil
Considerando-se enchimento de plástico, será usada a taxa de 3 aplicação volumétrica de DBO de 1,2 kg/m /d. O volume útil de filtros necessário será: 3
VF.B. = 1617 / 1,2 = 1348 m
Considerando-se a profundidade do útil de 2,70 m, a área necessária será: AF.B. = 1348 / 2,70 = 500 m
2
Deverão ser utilizados dois filtros de 18 m de diâmetro, perfazendo a 2 3 área de 254,5 m e volume de 687 m por filtro. a) Verificação da taxa de escoamento superficial, com base na vazão média de esgotos: 3
2
Qméd. / As = (8789 + 7361) / 509 = 31,8 m /m /d
a) Área necessária de aberturas para ventilação: 2
Aabert = 0,01 * AF.B. = 0,01 * 254,5 = 2,55 m
b) Área de drenagem dos esgotos à saída do filtro: 2
Adren = 0,15 * AF.B. = 0,15 * 254,5 = 38,2m
Fotografia dos filtros biológicos percoladores
Material de enchimento e distribuidor de esgoto
Decantador secundário
FILTROS BIOLÓGICOS AERADOS SUBMERSOS Os critérios básicos para o dimensionamento de filtros biológicos de alta taxa, para se obter efluente final com DBO ≤ 30 mg/l para um afluente de DBO ≅ 100 mg/l, são: Taxa de aplicação de DBO por área de enchimento– CA CA ≤ 12 g DBO/m²xdia CV ≤ 0,88 kg DBO/m3xdia para enchimento com pedra, com área superficial específica de ~70 m²/m³. Considerando-se inicialmente a taxa de aplicação volumétrica de 0,8 kg DBO/m3xdia, tem-se, para o ano 2022: Carga de DBO = 1.037 kg/dia VFB = 1.037 / 0,8 = 1.296 m3
Considerando-se 03 filtros biológicos aerados de leito submerso, o volume útil por filtro biológico será de 1.296 / 3 = 432 m3. Considerando-se a profundidade do leito de brita No. 4 igual a 2,8 m, a área superficial necessária de cada filtro será 432 / 2,8 = 154 m2. Utilizando-se filtros com diâmetro D = 14 m, a área de cada filtro será de 154 m2 e o volume útil será de 2,8 * 154 = 431 m3 por filtro. O volume útil total (três filtros) será de 431 * 3 = 1.293 m3. Considerando-se a implantação de apenas 02 (dois) filtros aerados na primeira etapa, o volume útil disponível será de 2 * 431 = 862 m3. Considerando-se a área superficial específica da brita No. 4 igual a 70m2/m3, tem-se as seguintes condições operacionais:
PARÂMETRO
ANO 2002
ANO 2012
ANO 2022
kg/dia
497
739
1037
Volume útil de filtros aerados
m3
862
862
1293
Taxa apl volumétrica de DBO
kg/ m3.dia
0,58
0,86
0,80
m2
60.340
60.390
90.510
g/m2.dia
8,2
12,2
11,5
Área superficial de filtros
m2
308
308
462
Vazão média de esgotos
m3/dia
5.630
8.981
11.625
Vazão máxima de esgotos
m3/dia
8.951
13.660
18.006
Taxa de escoam sup p/Qméd
m3/m2/dia
18,3
28,9
25,2
Taxa de escoam sup p/Qmáx
m3/m2/dia
29,1
44,4
39,0
Carga DBO
Área superficial total brita 4 Taxa DBO/Aench (CA)
Área útil de passagem (área de vazios) do sistema de apoio do material de enchimento deve ser superior a 15% da área superficial do filtro. Apas. > 0,15 * 154 = 23 m2 A alimentação do esgoto deve ter a melhor distribuição possível dentro do filtro, que será de fluxo ascendente e deverá ser junto ao piso da câmara de entrada ao fundo do filtro. A aeração será através de tubos perfurados, com saídas laterais e horizontais de ar, ou através de difusores de bolha grossa, sempre mais próximo à laje de suporte das pedras. A saída de ar deverá estar sempre acima da tubulação de alimentação de esgoto, para evitar subida do ar pela tubulação de alimentação.
Principais características dos filtros biológicos: No. de unidades : 03 (02 na 1a. etapa) Forma – circular em planta Diâmetro, em planta D = 14,0 m Altura do material de enchimento hu = 2,8 m Área superficial = 154 m2 por unidade Volume útil = 431 m³ por unidade ALIMENTAÇÃO DOS FILTROS BIOLÓGICOS AERADOS SUBMERSOS Os filtros biológicos serão alimentados por tubulação central, vertical, que irá até 0,5 m abaixo da laje de suporte das pedras.
NECESSIDADE DE OXIGÊNIO: Os filtros operarão como sistema biológico aeróbio de taxa intermediária e sem nitrificação, requerendo cerca de 1,0 kgO2/kgDBO removida. Considerando, por segurança, DBO do efluente de 20 mg/l, a necessidade de oxigênio será, para o ano 2022, de: NEC.O2= (1.037 – 11.625x0,02)x1,0 = 804,5 kgO2/dia ou ~ 34 kgO2/hora. A aeração será com bolhas grossas, atravessando o leito de pedras. Para hu = 2,8 m de enchimento + 0,7 de água η ≅ 12% η = η0 x λ Para T = 28ºC CSW = 7,7 mg/l β = 0,95
η ≅ 0,57 * 0,12 = 0,068 ou η ≅ 6,8% Será η adotado η = 6,8% ∴ necessidade de introdução de oxigênio será de 34 / 0,068 = 500 kgO2/hora ou 2.176 kg ar/hora ou ainda 1.814 Nm3ar/hora ou Qar = 30,0 Nm3ar/minuto por filtro. Para atender às horas de pico, será considerada uma vazão de ar de 37 Nm3 ar/minuto e pressão de 5 m.c.a.
- SISTEMA DE FORNECIMENTO DE AR Serão utilizados 03 sopradores (01por filtro e mais 01 de reserva) para Q ≅ 12,5 Nm3ar/minuto, pressão de 5,0 mca - PRODUÇÃO DE LODO NOS FILTROS BIOLÓGICOS A produção de lodo nos filtros biológicos de alta taxa é de cerca de 0,9 kg SS/kg DBO removida ou cerca de 0,7 kg SS/kg DBO aplicada para eficiência de remoção de DBO entre 75% e 80% no filtro biológico aerado submerso. Será considerado: ∆X = 0,7 kg SS/kg DBO aplicada ∆XV = 0,53 kg SSV/kg DBO aplicada
ANO
CARGA DBO ∆XFILTRO BIOL ∆XV.FILTRO BIOL APLICADA (kg (kg DBO/dia) SS/dia) (kg SSV/dia)
2002
497
350
263
2012
739
517
392
2022
1.037
726
550
DECANTADOR SECUNDÁRIO Para efluentes de filtros biológicos, que podem ser aplicados para filtros biológicos submersos aerados, o parâmetro básico de dimensionamento é a taxa de escoamento superficial, qA. Pela NB 570/90 – qA ≤ 36 m3/m2xdia para Valores usuais para DBO < 30 mg/l: qA = 16 a 32 m3/m2xdia para (usual 24 m3) qA,máx < 40 a 48 m3/m2xdia para Qmáx A taxa de escoamento linear através do vertedor de saída deve ser ≤ 380 m3/m2xdia para .
Vazões de dimensionamento dos decantadores
ANO
(m3/dia)
Qmáx (l/s)
2002
5.630
103,6
2012
8.981
158,1
2022
11.625
208,4
Área necessária : A ≥ (208,4 * 86,4) / 40 = 484,4 m2 para o ano 2022 Ou A ≥ (208,4 * 86,4) / 40 = 450 m2 para o ano 2022. Será utilizado 01 decantador secundário com D = 24 m. Área do decantador = 452 m2 Comprimento do vertedor = 75,4 m As taxas de escoamento superficial para as diferentes situações são:
qA
ANO
ÁREA
qA,máx
2002
452 m²
12,5 m3/m2xdia
19,8 m3/m2xdia
2012
452 m²
19,9 m3/m2xdia
30,2 m3/m2xdia
2022
452 m²
25,7 m3/m2xdia
39,8 m3/m2xdia
Taxa de escoamento linear pelos vertedores (qL) Para 2022 para qL = 11.625 / 75,4 = 154 m3/m.dia para Qmáx qL = (208,4 * 86,4) / 75,4 = 239 m3/m.dia - Profundidade do decantador: A profundidade útil do decantador secundário será hu = 3,0 m junto à parede lateral - Alimentação do decantador: A máxima vazão afluente ao decantador será de ~ 208 l/s. Será utilizado diâmetro de Ø 500 mm.
