UNIVERSIDADE FEDERAL DO CARIRI CURSO DE ENGENHARIA CIVIL – SANEAMENTO SANEAMENTO II
MEMORIAL DE CÁLCULO:
SISTEMA PRELIMINAR DE TRATAMENTO E ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ESGOTO (Tr (T r atame atam en to bi oló ol ógico, gi co, atr avé s de r eator U A SB )
Ivson Sobreira Miranda Thiago Ivo Feitosa Newton de Castro Castro Lopes Maciel Maxel Coelho Rodrigues Maciel
Juazeiro do Norte Outubro de 2014
SUMÁRIO 1. DADOS DO PROJETO: 2. CALHA PARSHALL 3. CAIXA DE AREIA 4. GRADEAMENTO 5. DIMENSIONAMENTO REATOR UASB 5.1 Características do Esgoto 5.2 Concentrações 5.3 Volume do Reator UASB 5.4 Dimensões do Reator 5.5 Verificação da Velocidade Ascensional 5.6 Carga Hidráulica Volumétrica 5.7 Tubos de Distribuição 5.7.1 Quantidade de Tubos 5.7.2 Velocidade de Queda 5.8 Estimativas de Eficiências 5.9 Estimativa das Concentrações do Efluente 5.10
Produção de Metano e Biogás
5.11
Coletor de Gases
5.12 5.12.1 5.12.2 5.12.3 5.12.4 5.13
Decantador Abertura do Decantador Velocidade de Passagem no Decantador Taxa de Escoamento Superficial no Decantador Tempo de detenção hidráulica no Decantador Lodo
1. DADOS DO PROJETO: CARACTERÍSTICAS DA VAZÃO: Consumo médio diário per capita adotado: q = 200 L/hab. dia . Coeficiente de retorno segundo a NBR 9649 da ABNT: Kr= 0,8 Coeficientes de variação de vazão: 0,2m³/s Coeficiente de máxima vazão diária: K1 = 1,2 Coeficiente de máxima vazão horária: K2 = 1,5 Coeficiente de mínima vazão horária: K3 = 0,5 Qmín = 100 L/s = 0,1 m³/s = 8640 m³/dia Qmax = 300 L/s = 0,3 m³/s = 25920 m³/dia Qmed = 200 L/s = 0,2 m³/s = 17280 m³/dia
Como os dados iniciais, foi preciso estimar a população pela vazão média e máxima através das formulas:
Foi utilizado o valor para a população de 108000 habitantes. 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
2. CALHA PARSHALL Diante dos valores de vazões mínimas e máximas de projeto escolheu-se a calha Parshall com as seguintes características (Segundo a NBR/ISSO 9826:2008):
Calha Parshall
Largura da
Equação da vazão
Intervalo de Altura ha (m )
Intervalo de Vazão Q(x10-3 m3/s)
Limite modular
Razão de Submergência
nº
Q(m3 / s )
Garganta b(m )
13
2,40
1,605 ha
6,004
min .
0,08
max .
0,8
min .
100
max .
4000
σc
σ
(experimental)
(recomendado)
0,78
0,7
Cálculo da altura (H): Q (m³/s) = 6,004*ha1,605 Para Qmin = 0,1 m³/s -> Hmin = 0,08 m Para Qmax = 0,3 m³/s -> Hmax = 0,15 m Cálculo do rebaixo (Z): Z=
= -> Z = 0,045 m
Cálculo de (h): h = H – Z Para Qmin -> hmin = 0,035 m Para Qmax -> hmax = 0,105 m
3. 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=
= -> A = 1 m²
Largura de uma câmara da caixa de areia: b =
= -> b = 9,52 m -> badotado = 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(m³/s)
A(m²)
v(m/s)
Verificação
0,1
0,35
0,286
OK!
0,3
1,05
0,286
OK!
Comprimento da caixa de areia:
L = 25 x hmax = 25 * 0,105 -> L = 2,62 m
Verificação da Taxa de Aplicação Superficial: TAS = = -> TAS = 989,31 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 = 0,2*86400*0,03*10-3 -> V = 5,2 * 10 -1 m³/d
Altura diária de areia acumulada na caixa de areia:
-> Qa = 0,0198 m/d
Qa = =
Adotando-se o intervalor de limpeza da caixa de areia a cada 7 dias, ha = 0,0198 * 7 = 0,1386 m -> Adotar d = 0,25 m
4. GRADEAMENTO DADOS: Grade com barras de ferro Espessura (t) = 0,95 cm Espaçamento entre barras (a) = 2,5 cm Grade média 3/8 x 1 1/2
Eficiência das barras: E = = -> E = 0,725
Área útil: Velocidade entre barras (Vb) = 0,60 m/s (adotado) Vb = 0,40 a 0,75 m/s Au = Qmax/Vb = 0,3/0,6-> Au = 0,5 m² Área total da seção do canal: At = = -> At = 0,69 m²
Largura do canal da grade: b0 = = -> b0 = 6,57 m -> b0 adotado = 6,60 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 valo r de “Au” e por fim se encontra o valor de “Vb”. Q(m³/s) At(m²) Au(m²) Vb(m/s) Verificação 0,1 0,231 0,167 0,60 OK! 0,3 0,693 0,502 0,60 OK! Número de barras: N = = -> N = 191,3 barras -> Nadotado = 191 barras
Verificação da distância entre barra extrema e lateral do canal: e = ½ x {660 – [191 x 0,95 + (191 - 1) x 2,5]} e = 1,775 cm (< 2,5 cm) OK! Cálculo do perfil hidráulico para Q max: Cálculo da perda de carga na grade:
hf = 1,429 * Grade limpa: V b =
Onde b b = b0 – N * t = 6,60 – 191 * 0,0095
-> bb = 4,7855 m
Cálculo de h 0 (Equação de Bernoulli): (antes da grade = depois da grade) h0 +
= h + + h
f
, v , g e h f temos: Substituindo os valores de V 0 , h
h0 + = 0,105 + + 1,429* Utilizando recursos computacionais (Excel)
h0 = 0,1116128m
Como mostra a figura no início deste trabalho: hf = h0 – h = 0,1116128 - 0,105 -> hf = 0,0066128 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 (V b’) 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 = 0,14914m
h f = 0,04414 m
Adotamos (mínimo): hf = 0,15 m ( 0,15 m – limpeza manual). 5. DIMENSIONAMENTO REATOR UASB 5.1 Características do esgoto - Carga orgânica:
Onde: L0 – Carga orgânica do esgoto afluente para os parâmetros escolhidos – DQO e DBO (kg/dia); P – População atendida (hab.); c – Contribuição per capita do parâmetro escolhido – DQO e DBO. As contribuições consideradas no projeto, de acordo com a NBR 12209/2011 foram: - CDBO = 60 g/hab.dia, para a DBO; - CDQO = 120 g/hab.dia, para a DQO; Assim tem-se:
5.2 Concentrações As concentrações para os parâmetros de DBO e DQO são dadas pela formula:
Onde: S0 – Concentração do esgoto afluente para os parâmetros escolhidos – DQO e DBO (mg/L); L0 – Carga orgânica do esgoto afluente para os parâmetros escolhidos – DQO e DBO (kg/dia); Qméd – Vazão média de projeto (m³/dia). Assim tem-se:
Verificando as concentrações para a vazão máxima:
Para o projeto serão consideradas as concentrações do esgoto afluente para a vazão média, pois tendem a apresentar a concentração que realmente existirá durante a maior parte do tempo no reator UASB, além de garantirem maior segurança quanto a remoção de DBO e DQO.
5.3 Volume do reator UASB Para o projeto, foi utilizado o dimensionamento pelo Critério da Carga Hidráulica Volumétrica, que consiste em achar um volume a vazão em um tempo de detenção hidráulica. Segundo a NBR 12209/2011, o Tempo de Detenção Hidráulica para a vazão média, considerando a temperatura média do esgoto no mês mais frio do ano e o volume total do UASB, deve ser igual ou superior a: - 6 h para temperatura do esgoto superior a 25°C; - 7 h para temperatura do esgoto entre 22ºC e 25ºC; - 8 h para temperatura do esgoto entre 18ºC e 21ºC; - 9 h para temperatura do esgoto entre 15ºC e 17ºC. Para o projeto foi considerado uma temperatura de 25ºC, pelo clima regional ter temperaturas maiores que esta ao longo do dia. Logo, o Tempo de Detenção Hidráulica escolhido foi de 6 horas. O volume pode ser definido pela formula:
Onde: VUASB – Volume do reator (m³); TDH – Tempo de detenção hidráulica (horas); Qmáx – Vazão Máxima de Projeto (m³/h).
5.4 Dimensões do reator A NBR 12209/2011, estabelece apenas alturas recomendadas, entre 4 e 6 m. Por se tratar de um volume considerável, optou-se pela maior altura possível, h = 6 m. Além disso por questões construtivas, escolheu-se uma seção retangular Logo a área necessária para o reator é:
Após varias tentativas de medidas, chegou-se a dimensões em que parâmetros futuros deste memorial serão de grande importância.
5.5 Verificação da velocidade ascensional Deve-se verificar a velocidade de ascensão do fluxo dentro do UASB. A NBR 12209/2011 estabelece que para a vazão media, a velocidade de ascensão deve ser inferior ou igual a 0,7 m/h, e para a vazão máxima deve ser inferior ou igual a 1,2 m/h. A velocidade ascensional é dada por:
Onde: Vasc – Velocidade ascensional (m/h); Q – Vazão de projeto, máxima ou média (m³/h); AUASB – Área adotada do reator UASB (m³). Logo:
5.6 Carga Hidráulica Volumétrica A NBR 12209/2011, estabelece valores máximos de Carga Hidráulica Volumétrica (CHV); para a vazão média o máximo deve ser de 4 m³/m³.dia, para a vazão máxima esse valor máximo passa para 6 m³/m³.dia. A Carga Hidráulica Volumétrica (CHV) é encontrada dividindo a vazão pelo volume do reator UASB.
Onde: CHV – Carga Hidráulica Volumétrica (m³/m³. dia); Q – Vazão de projeto, máxima ou média (m³/dia); VUASB – Volume adotado do reator UASB (m³). Logo:
5.7 Tubos de distribuição Quanto aos tubos de distribuição, A NBR 12209/2011 estabelece um diâmetro nominal mínimo de 75 mm. No entanto para decidiu-se utilizar a recomendação da NBR 5626 – Instalações Prediais de Agua Fria, que estabelece um diâmetro mínimo para ramais iguais a 100 mm. A NBR 12209/2011, estabelece que cada tubo deve influir num máximo de 3 m² da área do reator. Para o projeto foi utilizado uma área de influencia igual a 2,5 m².
5.7.1 Quantidade de tubos A quantidade pode ser determinada por:
Onde: Nc – Quantidade de condutores; A - Área do reator (m²); Ai – Área de influencia do condutor (m²).
Assim:
5.7.2 Velocidade de queda A velocidade de queda é dada por:
Onde: Vq – Velocidade de queda (m/s); Nc – Quantidade de condutores;
A - Área transversal de um condutor( P/ =100; A = 0,007854 m² ); Para o projeto, tem-se:
Literaturas especializadas na área de sanitárias estabelecem uma velocidade máxima de queda inferior ou igual a 0,2 m/s, assim a velocidade de projeto atende as especificações.
5.8 Estimativas de eficiências A eficiência de remoção de DBO pode ser dada pela formula:
Onde o TDH é o Tempo de Detenção Hidráulica (horas).
5.9 Estimativa das concentrações do efluente As concentrações de DBO e DQO são dadas pela formula:
Onde: Sf – Concentrações no efluente do parâmetro analisado (DBO e DQO) (mg/L); So – Concentrações no afluente do parâmetro analisado (DBO e DQO) (mg/L);
EUASB – Eficiência de remoção do parâmetro analisado (DBO e DQO) (%); Para as concentrações calculadas pela vazão média, tem-se:
Para as concentrações calculadas pela vazão máxima, tem-se:
Segundo a Portaria Nº 154 - Artigo 4º, as concentrações de esgotos efluentes máxima de DBO e DQO que podem ser jogadas em corpos d’agua são respectivamente, 60 mg /L e 200 mg/L. Isso significa que deverá ser construído uma estrutura de pós-tratamento ao UASB.
5.10
Produção de metano e biogás
Para a produção de metano tem-se a formula:
( ) Onde: DQOCH4 – Parcela da DQO convertida em CH 4 (kgDQO/dia); Q – Vazão de projeto, máxima ou media (m³/dia); S0DQO – Concentração afluente da DQO (kgDQO/m³); SfDQO – Concentração efluente da DQO (kgDQO/m³); YOBS – Coeficiente de produção de sólidos no sistema, em termos de DQO. Para o projeto foi considerado igual a 0,21 (kgDQO lodo/kgDQOAPLICADO). Para o projeto, tem-se:
Tambem foi corrigida a temperatura do reator, para definir o real volume de metano produzido:
Onde:
K(t) – Fator de correção da temperatura do UASB (kgDQO/m³); K – DQO correspondente a 1 mol de CH 4 = 64 gDQO/mol; R – Constante universal dos gases = 0,08206 (atm.L/molºK); Tk – Temperatura operacional do UASB em Kelvin
25ºC +273 = 298 K
Logo:
Convertendo o valor da vazão mássica para a vazão volumétrica com o fator K(t), temse:
Para avaliar a produção real de biogás, considerou-se 75% do metano inserido no biogás:
5.11
Coletor de gases
Foi escolhido uma quantidade de 6 conjuntos de coletor de gases. Essa escolha será justificada adiante neste memorial. A abertura do coletor de gases foi de 60 cm, largura suficiente para tubulações de coleta e queima do biogás. Outra consideração feita foi dispor o comprimento dos coletores de gases na largura do reator. A área do coletor de gases é dada por:
Onde: Ag - Área de todos os coletores de gases (m²); Cg – Comprimento de um coletor de gases = 24 (m); Lg – Largura total dos coletores de gases = 6*0,6 = 3,6 (m); Logo:
Para verificar a taxa de liberação do biogás, utilizou se a seguinte formula:
Onde: vg - Taxa de liberação do biogás (m³/m².h); QBG – Vazão de biogás, média ou máxima (m³/h); Ag – Area do coletor de gases (m²); Logo:
Segundo literaturas especializadas (CHERNICHARO, 2007), a taxa de liberação mínima de biogás é de 1 m³/m².h. Para as duas vazões de biogás calculadas, a taxa excede a mínima.
5.12
Decantador
Para o bom funcionamento do reator, necessário um bom dimensionamento do decantador, suas aberturas, e do defletor de gases. A NBR 12209/2011 estabelece que: - O defletor de gases deve trespassar pelo menos 15 cm a abertura de passagem da câmara de digestão para o decantador; - A profundidade mínima útil do decantador deve ser de 1,5 m, sendo pelo menos 0,3 m de parede vertical; - O ângulo das paredes inclinadas do compartimento de decantação deve ser maior que 50º em relação a horizontal. Esta ultima regra fez com que os resultados obtidos na quantidade de coletores de gases, disposição largura/comprimento e dimensões; se tornassem o arranjo mais correto possível para o reator. Foi escolhido uma altura para o decantador ( hd) igual a 3 m, sendo 0,3 m de parte reta e 2,7 m de parte inclinada. Para a construção do defletor, foi escolhida uma altura de 20 cm, e bissetriz igual 1,95 m.
5.12.1 Abertura do Decantador Foi escolhido uma largura entre a parede do reator e o decantador igual a 1,8 m. Sendo assim a área total das aberturas dos decantadores é igual a:
Onde: Aa - Área total das aberturas dos decantadores (m²); La – Largura de todas as aberturas dos decantadores = 21,6 (m); Cd – Comprimento do decantador = 24 (m);
Determinou-se uma projeção horizontal das paletas do separador igual a 1,65 m. A largura total de um separador GLS é igual a 3,9 m (1,65+1,65+0,6). Por artifícios geométricos chegou-se a uma largura media (L m) de 3,1 m, um ângulo com a horizontal de aproximadamente 59º e um volume do decantador (V d) igual a 2339,28 m³. Com a largura média calcula-se a área média no decantador.
Onde: Am - Area média do decantador (m²); Lm – Largura média de todas as aberturas dos decantadores = 37,2 (m); Cd – Comprimento do decantador = 24 (m); Logo:
5.12.2 Velocidade de passagem no Decantador Quanto a velocidade de passagem, NBR 12209/2011 estabelece que, para a vazão média, esta velocidade não deve ser maior que 2,5 m/h; e para a vazão máxima, deve ser inferior a 4 m/h. Este parâmetro é calculado pela formula:
Onde:
va – Velocidade de passagem do compartimento de digestão para o decantador (m/h); Q – Vazão de projeto, média e máxima (m³/h); Aa - Área total das aberturas dos decantadores (m²); Logo:
5.12.3 Taxa de Escoamento Superficial no Decantador Deve-se verificar a velocidade (taxa) de escoamento superficial no decantador pela formula:
Onde: va – Taxa de escoamento ascendente no decantador (m³/m².h); Qmáx – Vazão máxima de projeto (m³/h); Am - Área média total dos decantadores (m²); Logo:
A norma estabelece um limite máximo de 1,2 m³/m².h .
5.12.4 Tempo de detenção hidráulica no Decantador Verifica-se também o Tempo de Detenção Hidráulica para o decantador, pela formula:
Onde: TDHd – Tempo de Detenção Hidráulica no decantador (h); Q – Vazões de projeto, média ou máxima (m³/h); Vd- Volume do decantador (m³); Logo:
Segundo a NBR 12209/2011; para a vazão media, o Tempo de Detenção Hidraulica no decantador deverá ser superior ou igual a 1,5 h; para a vazão máxima, o Tempo de Detenção Hidráulica no decantador deverá ser superior ou igual a 1h.
