Lodos Ativados Dimensionamento_batelada

A R T I G O T ÉCNICO

TIVADOS POR B ATELADA DIMENSIONAMENTO DE LODOS A TIVADOS UTILIZANDO OS PRINCIPIOS DA TEORIA DO FLUXO DE SÓLIDOS ARCOS VON S PERLING M

Doutor Dou tor em Enge En genharia nharia Ambiental. Professor Professor Adjun Adjunto to do Departament D epartamentoo de Engenh Engenharia aria Sanitária Sanitária e Ambient Ambiental al da UFMG

RESUMO

ABSTRACT

O trabalho apresenta uma nova metodologia para o dimensionamento de reatores seqüenciais por batelada. O dimensionamento dimensionament o usa o conceito da d a velocidade velocidade de sediment sedimentaçã açãoo zonal do lodo e a teoria do fluxo limite de sólidos, auxiliando na definição dos tempos de sedimentação e repouso e da concentração de sólidos sólidos em suspensão suspensão no lodo sedimentado sediment ado no fundo do tanque. tanqu e. Outras Out ras rotinas rotin as de dimensionamento constantes da liteliteratura usam o Índice Volumétrico de Lodo (IVL – teste de 30 minutos), minu tos), e o tempo para a sedimentação sedimentação do lodo no reator é baseado baseado unicame un icament ntee na experiência, experiência, independentemente independent emente da concentração centr ação do lodo na fase de reação. reação. A velocidade velocidade de sedimentasediment ação zonal e o fluxo limite lim ite de d e sólidos são são calculados com base b ase em em coeficientes obtidos obt idos para para cada uma das cinco possív p ossíveis eis faixas faixas de sediment sedimentabilidade: abilidade: ótima, boa, b oa, média, ruim e péssima. péssima. Os coeficient cientes es de sedimentabilidade sedimentabilidade foram obtidos por meio de uma um a combinação combin ação de valores valores apresent apresentados ados em várias referências, com dados de um grande núm n úmero ero de estações de lodos ativados em escala plena operando em diferentes países. A rotina de dimensionamento proposta no trabalho é simples, prática e conceitualmente conceitualmen te justificável, justificável, acreditando-se acreditan do-se que possa represenrepresentar um avanço com relação a outras atualmente descritas em livros-texto livros-t exto clássicos. clássicos.

T he paper pres presents ents a new methodology m ethodologyfor the the design design of Sequencing Sequencing Batch Reactors. The design uses the concept of the hindered settling velocity of the sludge and the solids flux theory, helping in the definition of the settling and idle times during the cycle and of the suspend uspended ed solids solids concentrat concentration ion in the the settl settled ed slud sludge ge.. Other Ot her design design routines presented in the literature use the Sludge Volume Index (30-min (30- minute ute sett settleme lement nt in the test), test), and the t he time for sludge sludgesettling ettlin g in the the reactor reactor is i s based based purely on experience, experience, regardless regardlessof the the sludge concentration during the react phase. The hindered settling velocity and the limiting solids flux are calculated based on coefficients obtained for each one of five possible sludge settleability ranges (very good, good, fair, poor and very poor). The settling coefficients have been been obtained obtained throug throughh the the combin combinati ation on of valuespres presented in man manyy references, with data from a large number of operating full-scale activated sludge plants in different countries of the world. The design routine introduced in the paper is simple, practical and conceptuall conceptuallyy justifiabl justifiable, e, and is believed believed to repres represent ent a step step in advancement in relation to other ones currently described in classic textbooks.

PALAVRAS-CHAVE: Tratamento de esgotos, lodos ativados, reator seqüencial por batelada, velocidade de sedimentação zonal, fluxo limite de sólidos sólidos

KEYWORD KEYW ORDS: S: Wastewater Wastewater treatm treatment, ent, activated activat ed sludge, sludge, sequenc sequencin ingg bacth reactor, hindered settling velocity, solids flux theory.

INTRODUÇÃO O trabalho t rabalho apresenta apresenta uma seqüência de cálculo para o dimensionamento do volume do reator r eator e das durações dos ciclos operacionais de reatores reator es de lodos ativados seqüenciais seqüenciais por batelada (fluxo intermit int ermitente ente e nível variáve variável) l) utiliza ut ilizand ndoo os princípios prin cípios da velocidade velocidade de sedimentação zonal zonal e da teoria do fluxo limite limit e de sólidos. O princípio do processo de lodos ativados por batelada consiste na incorporação de todas t odas as unidades de proces pro ces-sos e operações normalmente associadas ao tratamento convencional de lodos ativados, quais sejam, sejam, deca d ecant ntação ação primária, oxidação biológica bio lógica e decant decantação ação sesecundária, cundária, em um único tanque. Utiliz U tilizanan-

do um tanque único, esses processos e operações passam passam a ser simplesmente simplesment e seqüências no tempo, temp o, e não unidades un idades sepaseparadas como ocorre nos processos convencionais de fluxo contínuo. O processo de lodos ativados com fluxo intermitente intermit ente é ainda freqüentemente utiliz ut ilizado ado na modalidade de aeração aeração prolongada, quando qu ando o tanque tan que único ún ico passa passa a exe exercer rcer também tamb ém a função de digestão (aeróbia) do lodo, dispensando unidades de digestão separadas. O processo processo consiste consiste de um reator de de mistura completa onde ond e ocorrem todas as etapas do tratamento trat amento.. Isso é conseg conseguido uido através do estabelecimento de ciclos de operação com durações definidas. A massa biológica biológica permanece no reator durante dur ante todos tod os os ciclos, ciclos, eliminando eliminand o dessa forma forma a

Vol. Vol. 6 - Nº 3 - jul/set 2001 e Nº 4 - out/dez 2001

necessidade necessidade de d e decantadores decantad ores separad separados os e das elevatórias de recirculação de lodo. O s ciclos ciclos normais norm ais de tratamento trat amento são são ilustrados tr ados na Figura 1 e sumariados sumariado s na TabeTabela 1. 1.Enchimento (entrada de esgoto bruto ou decantado no reator) 2.Reação (aeração/mistura da massa líquida líqui da conti contida da no reator) reator) 3.Sedimentação (sedimentação e se paração dos sólidos em suspensão do esgoto tratado) 4.Esvaziamento (retirada do esgoto tratado do reator) 5.Repouso (ajuste de ciclos e remoção do lodo excedent excedente) e)

engenha enge nhari ri a sanit sanit ária ári a e amb ambiental iental

147

M ARCOS VON S PERLIN G ARCOS VON

O C I N C É

ETAPA DO CICLO

T O G I T R

ENCHIMENTO

AERAÇÃO

ligada / desligada

A REAÇÃO

ligada

SEDIMENTAÇÃO

RETIRADA DO SOBRENADANTE

desligada

desligada

REPOUSO

Há outras configurações do sistema de operação intermitente, bem como outras modalidades de ciclos operacionais, por exemplo, visando à remoção biológica de nitrogênio e fósforo. A análise destas variantes foge ao escopo do presente trabalho, embora os princípios básicos do mesmo possam ser aplicáveis. A literatura clássica apresenta algumas metodologias de dimensionamento de reatores de lodos ativados por batelada (Eckenfelder Jr., 1989; Metcalf & Eddy, 1991; Randall et al, 1992; Orhon & Artan, 1994). Todas estas metodologias adotam o IVL (Índice Volumétrico do Lodo) para a estimativa da concentração e do volume do lodo sediment ado. Trabalhos recentes, de avaliação da tecnologia e do estado da arte (Artan et al, 2001; Teichgräber et al, 2001) mantém o IVL como parâmetro definidor do comportamento da etapa de sedimentação.

ligada / desligad a

Fig. 1 - Ciclos do processo de operação intermitente

Von Sperling (1997) propôs uma nova metodologia, utilizando o conceito da velocidade de sedimentação zonal para estimar o tempo de sedimentação, a con-

Tabela1 - Etapas do ciclo de operação de um reator intermitente Etapa

Descrição

Enchimento

- A operação de enchimento consiste da adição do esgoto e do substrato para a atividade microbiana - O ciclo de enchimento pode ser controlado por válvulas de bóia até um volume pré-estabelecido ou por temporizadores para sistemas com mais de um reator. Um método simples e comumente ap licado pa ra controlar o ciclo de enchimento é baseado no volume do reator, resultando em tempos de enchimento inversamente relacionados à vazão afluente. - A fase de enchimento pode incluir várias fases de operação e está sujeita a vários modos de controle, denominados enchimento estático, enchimento com mistura e enchimento com reação. - O enchimento estático envolve a introdução do esgoto sem mistura ou aeração. Este tipo de enchimento é mais comum em estações que objetivam a remoção de nutrientes. Nestas aplicações, o en chimento estático é acompanhado de um enchimento com mistura, de forma a que os microrganismos estejam expostos a uma quantidade suficiente de substrato, ao passo que se mantêm condições anóxicas ou anaeróbias. Tanto a mistura quanto a aeração são efetuadas no estágio de enchimento com reação. - O sistema pode alternar entre enchimento estático, enchimento com mistura e en chimento com reação ao l ongo do ciclo op eracional.

Reação

- O obj etivo do estágio de reaç ão é completar as reações iniciadas durante o enchimento. - A etapa de reação pode compreender mistura, aeração, ou ambos. Como no caso do ciclo de enchimento, os processos desejados podem requerer ciclos alternados de aeração. - A duração da fase de reação pode ser controlada por temporizadores, pelo nível do líquido ou pelo grau de tratamento, através de monitoramento do reator. - Dependendo da quantidade e d uração da aeração durante a fase de enchimento, pode ou não ha ver uma fase de reação d edicada.

Sedimentação

- A se paração s ólido-líquido oc orre durante a fase de sedimentação, análoga à operação de u m decantador secundário em uma ETE convencional. - A sedimentação em um sistema intermitente pode ter uma eficiência superior à de um decantador de fluxo contínuo, devido ao maior repouso do líquido em u m tanque de batelada, sem interferência de entrada e saída de líquidos.

Esvaziamento (retirada do sobrenadante)

- O efluente clarificado é r etirado durante a fase de esvaziamento. - O es vaziamento pode ser efetu ado através de vários mecanismos, os mais comuns sendo vertedores flutuantes ou ajustáveis. - A ca pacidade de decantação é uma das limitações de operação e equipamento existentes em um sistema de b atelada.

Repouso

- A fase final é denominada de repouso, sendo utilizada apenas em aplicações com vários tanques. - O tempo alocado à fase de r epouso depende do tempo requerido para o ta nque precedente completar o seu ciclo completo. - O des carte de lodo ocorre tipicamente nesta fase.

Fonte: EPA (1993), von Sperling (1997)

148 engenhari a sanit ária e ambiental

Vol. 6 - Nº 3 - jul/set 2001 e Nº 4 - out/dez 2001

POR BATELAD A UTILIZANDO OS PRINCIPIOS DA TEORIA DO FLUX O DE SÓLIDOS DIMENSIONAMENTO DE LODOS ATIVADOS ADOSPOR TELADA UXO

centração e o volume do lodo sedimentado. N o entanto, a sistemática proposta por von Sperling (1997) necessitava de um processo de iteração nos cálculos, não contando, portanto, com a simplicidade de um dimensionamento totalmente seqüencial. Posteriormente, von Sperling (1998) simplificou a metodologia de cálculo, removendo a etapa de cálculo iterativo. O presente trabalho avança com relação às seqüências propostas por von Sperling, por utilizar ainda os princípios da teoria do fluxo limite de sólidos para a estimativa da concentração de sólidos em suspensão no lodo de fundo, na fase de repouso. Esta estimativa é relevante, pois é este lodo de fundo que compõe a fração de lodo excedente a ser retirado do reator, e a estimativa de sua concentração é importante para o projeto da etapa de processamento do lodo. A consideração do comportamento dos sólidos no processo de lodos ativados é fundamental, pois a maior parte da DBO efluente do sistema é devida ao escape de sólidos em suspensão com o efluente na etapa de sedimentação, gerando DBO particulada.

ABORDAGEM SIMPLIFICADA PARA A ESTIMATIVA DA VELOCIDADE DE SEDIMENTAÇÃO ZONAL E DO FLUXO LIMITE DE SÓLIDOS A teoria do fluxo de sólidos é uma

importante ferramenta para a simulação do comportamento da sedimentação do lodo ativado, podendo ser utilizada para dimensionamento e controle. No entanto, a sua utilização é muitas vezes dificultada, devido ao desconhecimento a priori dos parâmetros caracterizadores da sedimentabilidade do lodo, a menos que o dimensionamento seja para a expansão de uma estação já existente, com um lodo já conhecido. A velocidade de sedimentação v é função da concentração de sólidos em suspensão X, decrescendo com o aumento de X. Há várias relações empíricas para expressar v em função de X, mas a mais freqüentemente utilizada é: v = v o .e − K.X

(1)

onde: v = velocidade de sedimentação da interface na concentração X (m/h) X =concentração de sólidos em suspensão no lodo ativado (kg/m3) vo = coeficiente, expressando a velocidade de sedimentação da interface numa concentração X=0 (m/h) K = coeficiente de sedimentação 3 (m /kg) Visando a ampliar a utilização da teoria do fluxo limite de sólidos, uma série de autores (White, 1976; Johnstone et al, 1979; Tuntoolavest & Grady, 1982; Koopman & Cadee, 1983; Pitman, 1984; Daigger & Roper, 1985; Ekama & Marais, 1986; Wahlberg & Keinath,

1988, 1995; Catunda et al (1987,1989) ; von Sperling, 1990; Daigger, 1995) procuraram expressar a velocidade de sedimentação do lodo em função de variáveis facilmente determináveis ou assumív eis, como o Índice Volumétrico do Lodo (IVL e suas variantes). Uma vez estimada a velocidade de sedimentação do lodo, podese facilmente empregar a teoria do fluxo limite para projeto e operação. No entanto, cada autor utilizou uma forma distinta de expressar o Índice Volumétrico do Lodo, dificultando a obtenção de valores unificados. Von Sperling e Fróes (1998, 1999) conjugaram os dados obtidos pelos autores acima, apresentando uma formulação única, baseada em faixas de sedimentabilidade. Parte da proposição de von Sperling e Fróes encontra-se descrita a seguir. A Tabela 2 apresenta as faixas típicas de sedimentabilidade, segundo as diversas variantes do teste do Índice Volumétrico de Lodo. A interpretação da Tabela 2 é que sedimentabilidade média pode ser caracterizada por um lodo com um IVL de 150 ml/g, um IVLD de 130 ml/g, um IVLA de 110 ml/g e um IVLA3,5 de 90 ml/g. Esta unificação segundo as faixas de sedimentabilidade forma a base comum, através da qual os valores obtidos pelos diversos autores citados acima podem ser integrados. Para cada faixa de sedimentabilidade (ótima a péssima), foi calculada a média dos valores de vo e K obtidos pelos diversos autores (ver Tabela 3). Baseado nos

Tabela 2 - Faixa e valor es típicos (médio s) d e IVL, segundo suas quatro variantes e as cinco faixas de sedimentabilidade Faixa de valores do Índice Volumétrico de Lodo (ml/g) Sedimentabilidade

IVL

IVLD

IVLA

IVLA3,5

Faixa

Típico

Faixa

Típico

Faixa

Típico

Faixa

Típico

Ótima

0 - 50

45

0 - 45

40

0 - 50

45

0 - 40

35

Boa

50 - 100

75

45 - 95

70

50 - 80

65

40 - 80

60

Média

100 - 200

150

95 - 165

130

80 - 140

110

80 - 100

90

Ruim

200 - 300

250

165 - 215

190

140 - 200

170

100 - 120

110

Péssima

300 - 400

350

215 - 305

260

200 - 260

230

120 - 160

140

Notas: As faixas foram determinadas em função de análise das diversas referências citadas Os valores típicos foram, na maior parte das vezes, considerados como a média da faixa IVL: Índice Volumétrico do Lodo IVLD: Índice Volumétrico do Lodo com Diluição IVLA: Índice Volumétrico do Lodo com Agitação IVLA3,5: Índice Volumétrico do Lodo com Agitação, expresso na concentração de SS = 3,5 g/L


engenhari a sanit ária e ambiental

149

O C I N C É

T O G I T R

A


O C I N C É

T O G I T R

A

valores de vo e K de cada autor, calculouse o fluxo de sólidos limite em função de Q u /A, segundo metodologia (ver von Sperling e Fróes, 1998, 1999) [Q u = vazão de retirada de lodo pelo fundo (lodos ativados de fluxo contínuo) ou velocidade de expansão ascensional da camada concentrada de lodo no fundo (lodos ativados por batelada), em m3 /h; A = área superficial para decantação, em m2]. Em seguida, para cada autor e para cada faixa de sedimentabilidade, determinou-se através da análise da regressão a relação entre o fluxo de sólidos limite (GL) e Q / r A, segundo uma equação multiplicativa da forma GL = p.(Q u /A)q. Após tal, para cada faixa de sedimentabilidade, calculou-se a média dos valores de p e q obtidos pelos diversos autores, os quais estão apresentados na Tabela 3. De posse dos valores de vo, K, p e q para cada faixa de sedimentabilidade, pode ser efetuado o dimensionamento da etapa de sedimentação do lodo ativado.

Com a unificação proposta, não há a necessidade de se trabalhar com os valores dos diversos autores e com os distintos Índices Volumétricos do Lodo, mas tão somente com as faixas de sedimentabilidade estimadas para o lodo. A utilização destes conceitos para o dimensionamento de reatores seqüenciais por batelada está apresentada no item seguinte.

SEQÜÊNCIA DE CÁLCULO PARA O DIMENSIONAMENTO DOS REATORES POR BATELADA Apresenta-se a seguir a seqüência de cálculo utilizada para o dimensionamento do volume do reator e das durações dos ciclos operacionais dos reatores por batelada. A metodologia proposta enfoca um ciclo operacional objetivando a remoção da DBO, sendo composto das se-

guintes etapas: enchimento, reação, sedimentação, esvaziamento e repouso. As alturas, volumes e concentrações de interesse no dimensionamento do reator por batelada estão apresentadas na Figura 2. Dados de entrada:

· Idade do lodo (qc) e concentração de SSVTA (Xv) Aidade do lodo relaciona-se ao tempo ativo do ciclo, o qual corresponde aos períodos de enchimento e reação. A idade do lodo pode ser adotada segundo os critérios convencionais para lodos ativados de fluxo contínuo. A concentração de SSVTA refere-se à etapa de reação, em que todos os sólidos estão suspensos no reator. O s valores de SSVTApodem ser adotados também segundo os critérios convencionais para lo-

Figura 2 - Alturas, volumes e concentrações de interesse no dimensionamento de um reator por batelada Tabela 3 - Valores dos coeficientes v o , K, p, q em função das faixas de sedimentabilidade

Sedimentabilidade

Velocidade de sedimentação (m/h)v = v o.e-K.X

(kg/m2.h)

Fluxo limite GL = p.(Qu/A)q

v o (m/h)

K (m3/kg)

p

q

Ótima

10,0

0,27

14,79

0,64

Boa

9,0

0,35

11,77

0,70

Média

8,6

0,50

8,41

0,72

Ruim

6,2

0,67

6,26

0,69

Péssima

5,6

0,73

5,37

0,69

estequiométricos

v: velocidade de sedimentação da interface (m/h) X: concentração de SS no reator, na etapa de reação (SSTA), ou seja, também no lodo a sedimentar (kgSS/m3) GL: fluxo de sólidos limite (kg/m 2.h) Q u: velocidade ascensional da camada de lodo denso no fundo do reator, na etapa de sedimentação) (em um decantador de fluxo contínuo, corresponderia à velocidade de retirada pelo fundo) (m 3/h) A: área superficial da unidade de decantação, igual à área superficial do reator (m 2) v o, K, p, q: coeficientes


dos ativados de fluxo contínuo. A concentração de SSTAé obtida da forma usual, dividindo-se SSVTA pela relação SSV/ SS no reator. · Coeficientes cinéticos e Os coeficientes cinéticos e estequiométricos (Y, Kd, f b, e SSVTA/ SSTA) podem ser adotados como os mesmos dos sistemas de lodos ativados de fluxo contínuo (ver von Sperling, 1997). · Número de ciclos por dia O número de ciclos por dia (m) é função do tempo total desejado para o ciclo. Assim, caso se deseje a duração total do ciclo de 6 h, o número de ciclos por dia será de (24 h/d) / (6 h/ciclo) = 4 ciclos/d.



· Tempo de geração de despejos por dia

No caso de esgotos domésticos, assume-se a chegada de afluentes durante 24 horas por dia. No caso de efluentes de indústrias que trabalhem durante uma jornada, pode-se adotar tempos menores, compatíveis com o período de geração de despejos, como por exemplo, 8 h/ d. N este caso, pode-se ter 1 ciclo/d, com uma duração do ciclo de 8 h. · Altura do reator A altura total do reator (H tot) (profundidade útil) deve ser selecionada em função do equipamento de aeração e das condições locais. H tot usualmente encontra-se dentro da seguinte faixa: 3,5 a 4,5 m (aeração mecânica) e 4,5 a 6,0 m (ar difuso). Dados de saída a) Duração de certas etapas do ciclo

O tempo total do ciclo é dado por: Ttotal =

24 m

(2)

O tempo ativo é o que define o volume do reator, e pressupõe atividade de remoção durante as fases de enchimento e reação propriamente dita. T ativo = T ench + T reac = T total - (Tsedim + + T retir + T repou)

(3)

O tempo de entrada de afluente no ciclo não é simplesmente 24/m, pois pode haver casos em que haja geração de despejos por menos de 24 h (p.ex., 8 h). T entradadeafluentenociclo =T geração de afluente / m

(4)

V reac =

f b =

Y .θ c .Q.(So − S) X v .(1 + f b .K d .θ c )

0,8 1 + 0,2.K d .θ c

Volume para reação O volume de reação (Vreac) é calculado segundo a fórmula tradicional de fluxo contínuo, utilizando ainda o conceito da fração biodegradável f b:

(6)

Q m

(7)

É interessante comentar que a relação Vreac /Vench é comparável a razão de recirculação de lodo em sistemas de lodos ativados de fluxo contínuo (Artan et al, 2001).

Antes de se iniciar a retirada do sobrenadante, o lodo deve sedimentar uma altura igual à altura de enchimento mais uma altura de transição. Esta altura de transição é incluída por segurança, para impedir que o nível do vertedor de saída coincida com o nível do lodo sedimentado. Desta forma, há acima da camada de lodo uma camada de transição, clarificada, que permanecerá mesmo após a retirada do sobrenadante. A altura de transição H trans é normalmente fixada como uma fração da altura de enchimento (f Hench). O valor de f Hench é usualmente adotado em torno de 0,1 a 0,2 (H trans igual a 10% a 20% de H ench). Desta forma, o volume de transição é: (8)

Volume total O volume total de reator é igual a:

c) Alturas das camadas

V ench Area

=

V ench (V tot /Htot )

(10)

Altura de transição A altura de transição H trans é normal-mente fixada como uma fração da altura de enchimento (f Hench). Desta forma, a altura de transição é: H trans = f Hench x H ench

(11)

Altura de lodo H lodo = H tot - (Hench + H trans) (12) d) Concentração e massa de SSTA

Volume de transição

Vtot = Vreac + Vench + Vtrans

T

A altura de enchimento é obtida a partir da relação entre o volume de enchimento e o volume total: Hench =

O volume de enchimento em cada ciclo corresponde ao volume afluente por dia (vazão afluente) dividido pelo número de ciclos por dia:

V ench =

H tot: adotado nos dados de entrada Altura de enchimento

Volume de enchimento

Vtrans = f Hench x Vench b) Volume do reator

(5)

(9)

A concentração de sólidos em suspensão totais no reator (mg/l), na fase de reação, corresponde a: X =

X v (SSV/SS)

(13)

A massa de SSTAno reator (kg) é: Mx =

X.V tot 1000

(14)

e) Número de reatores Deve-se selecionar aqui o número de reatores (n). Todos os cálculos precedentes foram relativos aos volumes totais de todos os reatores. Em sistemas que recebem vazão 24 h/d, há necessidade de mais de um reator. Em sistemas que recebem vazão apenas algumas horas por dia, pode-se adotar um reator apenas. f) Volume de cada reator

O volume de cada reator (m3) corresponde ao volume total dividido pelo número de reatores:

Altura total



O C I N C É

151

O G I T R

A


O C I N C É

V reator

T O G I T R

A

T retir £ T tot – (Tench + T reac + T sedim) (20)

V = tot n

(15) Tempo de repouso

g) Tempos operacionais dentro do ciclo

O tempo de repouso é o tempo que falta para completar o ciclo.

Tempo de enchimento O tempo de enchimento T ench (h) corresponde ao tempo de entrada de afluente por ciclo (calculado na Equação 4) dividido pelo número de reatores (n): T ench = T entrada afluente por ciclo / n

(16)

i) Concentração de SS no fundo do reator (lodo excedente)

Para efeito de comparação com sistemas de lodos ativados de fluxo contínuo, pode-se estabelecer um tempo de detenção hidráulico nominal, que corresponde a Ttotal .(Vtot /Vench) (Artan et al, 2001).

Este item representa a principal contribuição do presente trabalho. Caso o lodo excedente seja extraído do fundo do reator, ao final da fase de retirada do sobrenadante, ou seja, durante a fase de repouso, este terá sofrido um adensamento. D urante a sedimentação zonal, a interface sólido-líquido sedimenta-se mantendo a concentração X, ou seja, SSTA mantida durante o período de reação. A velocidade de sedimentação da interface é dada pela equação e valores apresentados na Tabela 3. À medida em que os sólidos sedimentam, forma-se no fundo uma camada de lodo denso, que tende a propagar-se para cima, já que não há retirada de sólidos pelo fundo, como em um decantador secundário convencional (ver Figura 3). Para estimar-se a concentração de lodo no fundo do reator, utilizam-se os princípios da teoria do fluxo de sólidos limite. O fluxo é a carga de sólidos por unidade de área (kg/m2.h) O fluxo de sólidos aplicado (Ga) é igual ao produto da velocidade de sedimentação (v) e da concentração de sólidos na interface (X):

h) Vazão de retirada de cada reator

Tativo = Ttot .

V reac V tot

(17)

O tempo de reação Treac é igual ao tempo ativo Tativo (calculado na Equação 17) menos o tempo de enchimento Tench (calculado na Equação 16): T reac = T ativo - T ench

A vazão de retirada de sobrenadante é diferente da vazão de entrada no reator, pelo fato da retirada ser concentrada em um período mais curto. Esta maior vazão tem implicações no dimensionamento das estruturas e tubulações de saída. O número de retiradas de efluente por dia é igual ao produto do número de ciclos por dia (m) e o número de reatores (n):

Tempo de reação

(18)

Tempo de sedimentação

Vazão de cada retirada = Volume de cada retirada / Tretir (24)

(21)

T repou = T tot – (Tench + Treac + Tsedim + Tretir)

Tempo ativo O tempo ativo corresponde aos tempos de enchimento e de reação, sendo dado pela razão entre os volumes de reação e total:

A vazão de cada retirada (m3 /h) é dada pelo quociente entre o volume de cada retirada e o tempo de retirada (Tretir):

Número de retiradas por dia =m . n (22) O volume de cada retirada (m3) corresponde ao volume afluente diário (Q) dividido pelo número de retiradas por dia: Volume de cada retirada = Q / (m.n) (23)

Ga = X.v = X.vo.e-K.X

(25)

A velocidade de sedimentação (m/ h) é dada, para diferentes sedimentabilidades do lodo, pela equação e valores apresentados na Tabela 3. O tempo (h) gasto para que a interface lodo-líquido sedimente a distância (H ench + H trans) é dado por:

t=

(Htrans + Hench ) v

(19)

Tempo de retirada do sobrenadante O tempo de retirada do sobrenadante deve ser adotado. O valor máximo deve satisfazer ao seguinte critério:

Figura 3 - Representação esquemática das camadas de lodo após a fase de retirada do sobrenadante: (a) camada superior (concentração X, altura Hlodo retir , volume V lodo retir ) e (b) camada de lodo concentrado no fundo (concentração X conc , altura H conc , volume V conc )




O dimensionamento pode ser feito para a condição em que o fluxo limite seja igual ao fluxo aplicado. O fluxo limite é dado pela equação empírica apresentada na Tabela 3, conjuntamente com os valores típicos dos coeficientes, apresentados na mesma tabela. Como o fluxo aplicado é igual ao fluxo limite, tem-se que: Ga = GL = p . (Q u /A)q

(26)

Em decorrência, a velocidade de expansão ascensional da camada de lodo adensado (Q u /A) é: (1/q)

 G  Q u /A =  a    p 

(27)

Admitindo-se que o lodo excedente seja extraído após a fase de retirada do sobrenadante (durante a fase de repouso), a altura da camada de lodo após os tempos de sedimentação e retirada (H lodo retir) depende do produto da velocidade de sedimentação zonal pelo soma de Tsedim + Tretir: H lodo retir = H tot – (Tsedim +Tretir) . v (28) A altura da camada de lodo adensado, após um tempo igual ao tempo de sedimentação mais o tempo de retirada do sobrenadante, é dada por:

 Q u   (29)  A 

Hconc = (Tsedim + Tretir ) . 

A massa total de SSno reator é igual à massa na camada de lodo em sedimentação (com concentração X) mais a massa de lodo concentrado no fundo (Xconc). Desta forma, tem-se: Vtot.X = (Vlodo retir -Vconc).X + Vconc.Xconc (30)

Como os volumes são proporcionais às respectivas alturas, a Equação 30 pode ser escrita como:

X conc = X.

(Htot − Hlodo retir + H conc ) Hconc

efluente: S = 9 mg/l (32)

Caso o lodo excedente seja retirado desta camada de lodo adensado, ele sairá com uma concentração igual a Xconc. A retirada do lodo excedente pressupõe a extração de um determinado volume diário. O volume diário a ser retirado corresponde ao quociente da carga de sólidos em suspensão produzida e a ser retirada (não abordada neste trabalho, mas calculada de forma convencional) pela concentração do lodo excedente (calculado acima). O volume de lodo excedente a ser retirado em cada ciclo, durante a fase de repouso, corresponde ao volume diário total de lodo dividido pelo produto do número de ciclos e o número de reatores (m.n). É interessante saber-se o volume de lodo concentrado disponível no início da fase de repouso (extração do lodo excedente). Este volume é dado pelo produto da área do reator e a altura da camada de lodo concentrado (H conc):

 V  V conc = H conc . tot    Htot 

Dimensionar um sistema de lodos ativados seqüencial por batelada, com idade do lodo de aeração prolongada. Os dados de entrada são os mesmos adotados por von Sperling (1997), mas a seqüência de dimensionamento, principalmente o item relacionado à estimativa da concentração do lodo sedimentado, é específica do presente trabalho.

Vazão afluente média: Q = 9.820 m3 /d Concentração de DBO afluente: So = 341 mg/l Concentração de DBO solúvel


Tempo total do ciclo (Equação 2): 24 m

=

24 3

= 8 h/ciclo

Tempo ativo (Equação 3):

EXEMPLO DE DIMENSIONAMENTO DE REATOR POR BATELADA

Em decorrência, a concentração do lodo adensado na camada concentrada de fundo é dada através de rearranjo da Equação 31:

a) Duração de certas etapas do ciclo

(33)

Os requisitos de oxigênio e a produção de lodo são estimados segundo a formulação convencional para lodos ativados de fluxo contínuo.

Dados do afluente e efluente:

Critérios de projeto (adotados no presente exemplo): Idade do lodo: qc = 25 d Concentração de SSVTA (durante reação): Xv = 2415 mg/l Número de ciclos por dia: m = 3 (adotado) Tempo de geração de afluente por dia = 24 h Altura total do reator: H tot = 4,00 m

Ttotal =

j) Requisitos de oxigênio e produção de lodo

H tot.X = (H lodo retir - Hconc).X + H conc.Xconc (31)

Coeficientes (adotados): Coeficiente de produção celular: Y = 0,6 Coeficiente de respiração endógena: Kd = 0,08 d-1 Relação SSV/SS no reator: SSV/SS = 0,69 (típico para aeração prolongada)

T ativo = T ench + Treac = Ttotal - (Tsedim + T retir + T repou) = 8 - (1,2 + 1,0 + 0,0) = 5,8 h Tempo de entrada de afluente no ciclo (Equação 4): T entrada de afluente no ciclo = Tgeração de afluente / m = 24 / 3 = 8 h b) Volume do reator

Fração biodegradável dos sólidos em suspensão voláteis (Equação 6): f b =

=

0.8

1 + 0.2.K d .θ c 0.8

1 + 0.2x0.08x25)

= = 0,57

Volume de reação (Equação 5):


153

O C I N C É

T O G I T R

A


O C I N C É

V reac

T O G I T R

A

=

Q.(So − S) = = X v .(1 + f b .K d .θ c ) Y .θ c .

X =

0,6x25x9820x(341− 9) = 9.463 m3 2415x(1+ 0,57x0,08x25)

Volume de enchimento em cada ciclo (Equação 7):

14):

X v

=

(SSV/SS)

2415 0,69

= 3500 mg/l

Massade SSTA no reator (Equação

Mx =

X.V tot 1000

=

3500x13063 1000

= 45721kgSS

Q m

=

9820 3

= 3273 m 3

Adotar 3 reatores (outros números podem ser tentados, e verificado o melhor dimensionamento). Portanto:

Volume de transição Vtrans, adotando-se f Hench=0,1 (H trans igual a 10% de H ench) (Equação 8): Vtrans = f Hench x Vench =

n=3

Volume de cada reator (Equação

= 0,1 x 3273 m = 327 m

c) Alturas das camadas

do) 10):

V reator = ciclo 16)

Altura total: H tot = 4,00 m (adotaAltura de enchimento (Equação

V tot 13063 = = 4354 m3 n 3

=

V ench Area

3273 (13063/4,00)

=

V ench (V tot /Htot )

0,94

V reac V tot

= 8,0 x

9463 13063

= 5,8 h

Adotar Tretir = 0,5 h Tempo de repouso (Equação 21): T repou = Ttot – (T ench + T reac + T sedim + T retir) = = 8,0 – (2,7 + 3,1 + 1,2 + 0,5) = 0,5 h

Tempo de reação (Equação 18): T reac = T ativo - T ench = 5,8 - 2,7 = 3,1 h Os tempos componentes do ciclo

H trans = f Hench x H ench = 0,10 x 1,00 = 0,10 m

H lodo = H tot - (H ench + H trans) = 4,00 – (1,00 + 0,10) = 2,90 m

= 1,17 h

Tempo de enchimento (Equação

Tativo = Ttot .

Altura de lodo (Equação 12):

=

Tretir £ T tot – (T ench + T reac + T sedim) £ 8,0 – (2,7 + 3,1 + 1,2) £ 1,0 h

=

Altura de transição (Equação 11):

0,10 + 1,00

v

Tempo de retirada do sobrenadante (Equação 20):

T ench = T entrada afluente por ciclo / n = 8,0 / 3 = 2,7 h

= 1,00 m

(Htrans + H ench )

g) Tempos operacionais dentro do

Tempo ativo (Equação 17): H ench =

Tsedim =

=

3

Vtot = Vreac + Vench + Vtrans = 9463 + 3273 + 327 = 13063 m3

Tempo gasto para que a interface lodo-líquido sedimente a distância Hench + H trans (Equação 19):

f) Volume de cada reator

15):

Volume total do reator (Equação 9):

vo = (8,6+6,2)/2 = 7,4 K = (0,50+0,67)/2 = 0,59 v = 7,4.e(-0,59.X/1000)= = 7,4.e(-0,59x3500/1000) = 0,94 m/h

e) Número de reatores

V ench =

Assumindo-seuma sediment abilidade entre média e ruim, tem-se que a velocidade de sedimentação zonal é dada por (coeficientes interpolados da Tabela 3, entre a sedimentabilidade média e a sedimentabilidade ruim):

Etapa

Nomenclatura

Duração (h)

Percentagem do total (%)

Enchimento

Tench

2,7

33,8

Reação

Treac

3,1

38,8

Sedimentação

Tsedim

1,2

15,0

Retirada

Tretir

0,5

6,2

Repouso

Trepou

0,5

6,2

Total

-

8,0

100,0

d) Concentração e massa de SSTA

Concentração de SS totais no reator, na fase de reação (Equação 13):




são reumidos a seguir: As percentagens de tempo alocado para cada fase são relativamente próximas às apresentadas em EPA (1993) e Chernicharo e von Sperling (1993). h) Vazão de retirada de sobrenadante de cada reator

Número de retiradas de efluente por dia (Equação 22): Número de retiradas por dia = m . n = 3 x 3 = 9 retiradas/d 23):

Volume de cada retirada (Equação

Volume de cada retirada = Q / (m.n) = 9820 / (3x3) = 1091 m3 /retirada 24):

Vazão de cada retirada (Equação

=4,00 – (1,20+0,50)x0,94 = = 2,40 m Altura da camada de lodo concentrado, após as fases de sedimentação e retirada (Equação 29):

 Q  Hconc = (Tsedim + Tretir ) .  u  =  A  = (1,2 + 0,5) x 0,32 = 0,54 m

Concentração de SS na camada de lodo adensado, no fundo do reator, após as fases de sedimentação e retirada (Equação 32):

X conc

= X.

= 3500.

(H tot

− H lodo retir + H conc )

=

H conc

(4,00 − 2,40 + 0,54 )

=

0, 54

Vazão de cada retirada = Volume de cada retirada / T retir = 1091 / 0,5 = 2182 m3 /h = 606 l/s i) Concentração de SS no lodo sedimentado

Fluxo de sólidos aplicado (Ga) (Equação 25 e v calculada no item g): Ga = C.v = (3500/1000) x 0,94 = 3,29 kg/m2.h Velocidade de expansão ascensional da camada de lodo adensado (Q u /A) (Equação 27 e coeficientes p e q interpolados da Tabela 3, entre a sedimentabilidade média e ruim): p = (8,41+6,26)/2 = 7,34 q = (0,72+0,69)/2 = 0,71

 Ga  (1/q)  3,29 (1/0,71) Q u/A =   =   = 0,32m/h p 7,34     Altura da camada de lodo, após os tempos de sedimentação e retirada, ou seja, assumindo retirada do lodo excedente na fase de repouso (Equação 28, com v calculado no item g): H lodo retir = H tot – (T sedim + T retir) . v =

= 13870 mg/l = 1,39%

Esta concentração corresponde à concentração do lodo excedente, caso o mesmo seja extraído após a fase de retirada do sobrenadante (durante a fase de repouso). Volume de lodo concentrado no fundo do reator, no início da fase de repouso (Equação 32):

 V tot    = H  tot   13063  = 1764 m 3 = 0,54 x    4,00 

V conc = H conc .

Numa segunda alternativa, caso o lodo excedente fosse retirado logo após a fase de sedimentação, ou seja, durante a fase de retirada do sobrenadante (no caso, por exemplo, de não haver fase de repouso), a concentração do lodo adensado no fundo seria a mesma já calculada, mas a altura desta camada de lodo concentrado seria menor. Neste caso, a altura da camada de lodo concentrado seria dada por:

Ainda numa terceira alternativa, caso o lodo excedente fosse retirado durante a fase de reação, a concentração do lodo seria igual à concentração de SSTA (X), ou seja, 3500 mg/l (0,35%). Como o lodo, nestas condições é bem mais diluído que o lodo adensado, o volume a ser retirado de lodo excedente é proporcionalmente maior, segundo o fator de multiplicação (Xconc /X). j) Requisitos de oxigênio e produção de lodo

Os cálculos podem seguir as metodologias convencionais para os sistemas de fluxo contínuo. Ao se dimensionar a potência, notar que a potência consumida diz respeito a 2 reatores, que poderão estar simultaneamente em reação. A potência instalada, no caso de aeradores mecânicos, é 1,5 (= 3 reatores existentes / 2 reatores em reação) vezes a potência consumida, uma vez que todos os reatores devem ter aeradores instalados, mesmo que em um dos reatores os aeradores estejam momentaneamente desligados.

CONSIDERAÇÕES FINAIS O presente trabalho apresenta uma metodologia de cálculo com grande ênfase no comportamento dos sólidos no sistema, considerados como fator de influência na alocação dos tempos dentro do ciclo. Naturalmente que o sistema de lodos ativados por batelada envolve também aspectos bioquímicos de grande importância para o desempenho do sistema. O roteiro apresentado engloba estes aspectos, no tocante à remoção de DBO. No entanto, caso se deseje operar o reator por batelada para remoção biológica de nitrogênio ou fósforo, passam a ser necessários tempos dentro do ciclo em condições anóxicas ou anaeróbias. A cinética destes processos não está incluída neste trabalho, no qual determinações experimentais, tais como potencial redox ou taxa de consumo de oxigênio (respirometria) podem ser de grande utilidade.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

H conc = T sedim . (Q u /A) = = 1,2 x 0,32 = 0,38 m


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155

O C I N C É

T O G I T R

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Av. Contorno 842 - 7 andar 30110-060 Belo Horizonte-MG Tel: (31) 3238-1935 Fax: (31) 3238-1879 E-mail: [email protected]


Lodos Ativados Dimensionamento_batelada

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