GESTÃO INTEGRADA DE SISTEMAS DE … · • Aplicáveis a leitos percoladores, biofiltros e discos...

Filipa Ferreira

SIMULAÇÃO DINÂMICA DO COMPORTAMENTO DE ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUAIS


GESTÃO INTEGRADA DE SISTEMAS DE SANEAMENTO


SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO

2. PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS2.1 Princípios básicos2.2 Tratamento biológico por lamas activadas2.3 Decantação2.4 Outras operações de tratamento de águas residuais

3. CARACTERIZAÇÃO SUMÁRIA DE MODELOS EXISTENTES

3. CASOS DE ESTUDO3.1 ETAR de Manteigas-Valhelhas3.2 ETAR de S. João da Talha, em Loures

Instituto Superior Técnico 27 e 28 de Novembro de 2007

PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS

Princípios básicos

Na formulação dos modelos, a dinâmica dos reactores de mistura completa é caracterizada por equações diferenciais ordinárias.

Acumulação = entrada – saída + (produzido – consumido) ⇔

).(.. 00 VrCQCQVdtdC

c+−=⇔

explicitar tantas equações de balanço de massa quantos os componentes do modelo, incluindo as águas residuais e o oxigénio.

Genericamente, a modelação dinâmica do tratamento de águas residuais é efectuada recorrendo a balanços de massa:


A lei básica da cinemática permite determinar as taxas de reacção (ou taxas de processo) tendo em conta os reagentes envolvidos, Ci, e o valor da constante cinética, k0:

∏⋅=i

iiCkr α

0

As taxas de reacção (entre as quais a taxa de crescimento específico) são parâmetros essenciais para a descrição:

• do crescimento da biomassa• do consumo de substrato (incluindo o oxigénio)• da formação de produtos da reacção.

).(.. 00 VrCQCQVdtdC

c+−=


A taxa de crescimento específico, μ, varia com o tempo, sendo influenciada por factores ambientais como:

• a concentração de substrato, oxigénio, biomassa e de produtos da reacção;

• o pH;• a temperatura;• a intensidade da luz;• a presença de elementos inibidores do crescimento microbiológico.

Alguns modelos disponíveis:

- modelo de Monod (1942)

- modelo de Blackman- modelo de Haldane considera efeitos inibitórios que elevadas

concentrações de substrato tenham em μ

SkS

s

máx

+⋅

=μ

μ


Representação dos modelos de:Monod e Blackman

“Switching functions” modelos de inibição usados para simular fenómenos como a inibição da desnitrificação na presença de oxigénio

Pkk

Pp

p

+=)(μ

Haldane


Tratamento biológico por lamas activadas

Modelos matriciais da IWA:

• Permitem simular a remoção biológica de matéria orgânica, azoto e fósforo:

– ASM1 (Henze et al., 1987)– ASM2 (Henze et al., 1995)– ASM2d (Henze et al., 1999)– ASM3 (Gujer et al., 1999)

• Grande número de componentes e interacções

• Principal limitação: calibração dos parâmetros

Aplicáveis para ETAR destinadas exclusivamenteao tratamento de águas residuais domésticas.


Modelos ASM:• CQO: medida que representa a matéria orgânica e a biomassa

a matéria orgânica é descrita como equivalente em CQOo OD é descrito como uma CQO negativa

• formato matricial baseado em Peterson (1965)

• notação simplificada recomendada por Grau et al. (1982):

• X: componentes particulados;

• S: componentes solúveis;

• índices: B – biomassa, S – substrato, O – oxigénio;• convenção de sinais: negativo para consumo

positivo para produção


Matriz de Petersen para o modelo ASM1:

∑=

⋅=n

jjijir

1

ρν

A matriz inclui:para cada processo, j

componente, i

os coeficientes estequiométricos, νija taxa de processo, ρ

⇒ Obter, para cada componente, a taxa de reacção, r


Representação esquemática:

Síntese:


Decantação

Modelação de decantadores primários:

• Admite-se que as partículas estão separadas umas das outras e não interagem, sendo válida a lei de Stoke.

Modelação de decantadores secundários:

• Modelos descrevem:

– a velocidade de sedimentação

– a sua dependência face à concentração local ao índice de lamas (SVI).

• Modelo empírico de Takács et al. (1991) é o mais correntemente aplicado.


Decantação secundária:

• A decantação secundária constitui um mecanismo determinante na qualidade do efluente das ETAR.

• Principais funções:

– Clarificação: separação da biomassa das águas residuais tratadas, de forma a produzir um efluente final clarificado.

Sedimentação discreta, não floculenta e floculenta

– Espessamento: da biomassa no fundo do decantador, que érecirculada para o reactor biológico.

(limita a capacidade de tratamento da ETAR, sendo condicionada pela sedimentabilidade das lamas e pela concentração de sólidos no reactor).

Sedimentação em manto de lamas (na zona intermédia)Sedimentação por compressão (no fundo)


Modelos 1D:

• Diferente resolução espacial: modelos de 0D a 3D (mais vulgares → 1D)

Objectivos (questões a responder com o modelo) ModeloAvaliar a concentração da biomassa no efluente final, aaltura do manto de lamas e a produção de lamas

1D e/ou 2D associado a um modelo delamas activadas

Esquema de remoção de lamas 2D associado a um modelo de lamasactivadas verificado possivelmente comum modelo 3D

Optimização da geometria (e detalhes construtivos) dodecantador, reabilitação e estudo de correntes dedensidade

2D e/ou 3D

Modelação de decantadores sujeitos à acção do vento 3D

XVXVjjj SBST .. +=+=

• Baseiam-se sobretudo: na equação da continuidadeem balanços de massana teoria do fluxo


A aplicação destes modelos aos decantadores secundários éconcretizada através da divisão deste órgão em n camadas horizontais de espessura constante:

Representação esquemática da abordagem multi-camadas


• Modelos para a velocidade de sedimentação:

– modelo exponencial de Vesilind (1968)– modelo de Takács ou modelo duplo exponencial (1991) – modelo de Cho (1993)

Velocidade de sedimentação obtida pelo modelo de Tákacs

I) Vs=0 ⇒ [SST] < valor mínimo, Xmin;

II) Vs ⇒ [SST]

III) Vs independente da [SST] ⇒ partículas atingiram a dimensão máxima;

IV) sedimentação por compressão é o processo dominante ⇒ Vs reduz-se àfunção de Vesilind


Modelos 2D e 3D:

• Consideram duas ou três coordenadas espaciais.

• Especialmente indicados para simular o comportamento de decantadores secundários não circulares.

Padrões típicos de escoamento em:

D.S. circulares

D.S. rectangulares


• Equações usadas para descrever o escoamento nos D.S. (modelos 2D):

– equação da continuidade;

– duas equações resultantes da conservação do momento, na direcção radial/axial e na direcção vertical;

– equação de transporte sólido (conservação da massa particulada);

– conservação da energia;

– equação da turbulência (incluindo a geração da turbulência e o seu amortecimento, devido à estratificação em camadas);

– equação de estado traduz o efeito dos SST na densidade total da mistura;

– características de sedimentabilidade das lamas


Outras operações de tratamento de águas residuais

Modelos de biomassa fixa:

• Aplicáveis a leitos percoladores, biofiltros e discos biológicos.

• O tratamento biológico é concretizado no biofilme.

• Ocorrem as mesmas reacções que nos processos de biomassa suspensa.

• Considerar ainda a transferência de massa por difusão.

(para fazer chegar os nutrientes aos microrganismos que constituem o biofilme e remover os produtos da reacção do seu interior)

Principal desafio: quantificação e a predição dos processos físicos de fixação e desprendimento do biofilme(formulações empíricas ou semi-empíricas)


• Processos descritos em função do tempo e do espaço (+ complexos)(a conversão ocorre simultaneamente em diferentes locais e a profundidades distintas, no interior do biofilme)

Diagrama conceptual para o modelo de leitos percoladores: (adaptada de Olsson e Newell, 1999)

• Modelos: apresentados sob a forma matricial de Petersenreactor dividido em n secções horizontais:


Modelos para filtração e desinfecção por radiação ultravioleta:

• Desinfecção: modelo proposto pela Water Environment ResearchFoundation (WERF, 1995)

Modelos para digestão anaeróbica:

• Modelo ADM 1 (Anaerobic Digestion Model 1) da IWA

DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS MODELOS EXISTENTES

Caracterização sumária dos modelos

Principais programas comerciais actualmente disponíveis:

• EFOR (DHI)

• BioWin (Envirosim, Canada)

• GPS-X (Hydromantis, Canada)

(Descritos em detalhe no texto de apoio)

• STOAT (WRc)

• WEST (Univ. Ghent, Belgica)

• ASIM (EAWAG, Suiça)

• SIMBA (IFAK, Alemanha)

• AQUASIM (EAWAG)


Modelos utilizados por programas de simulação de drenagem urbana :

Processo Características ProgramaEFOR GPS-X BioWin

Tipo de modeloReactores ASM1 S S Sbiológicos ASM2d S* S S

ASM3 S S SOutros (modelos proprietários) S S S

Decantação modelos simples S S Smodelos de fluxo: log-normal S

exponêncial (Vesilind) S Sduplo exponêncial (Tákacs et al.) S S S

modelos incluindo reações no decantador secundário S S SDigestão anaeróbia AMD1 S SOutros Modelação do pH S S


Outros Modelação do pH S SOperações e Processos unitários

Infra-estruturas afluência de caudal S S Sgerais separadores de caudal S S

misturadores de caudal S Sestações elevatórias S S Ssaída de efluente e de lamas S S S

Tratamento preliminar tanques de equalização S Sgradagem S S

Decantação decantadores primários S S Sdecantadores secundários S S Sdecantação lamelar S

Tratamento secundário reactores de mistura completa (arejamento com difusores ou rotores) S S S(biomassa suspensa) reactores de mistura completa (arejamento superficial) S S

reactores de lamas activadas de fluxo pistão Svalas de oxidação SSBR S* S Sreactor de membranas Slagunagem SOutros S

Processo Características ProgramaEFOR GPS-X BioWin

CASOS DE ESTUDO

ETAR de Manteigas-Valhelhas

Objectivos: Ilustrar a aplicação dos modelos dinâmicos EFOR, Biowin e GPS-X e comparar os resultados de aplicação.

Caracterização da ETAR:– Tratamento terciário (LA arejamento prolongado, filtração e desinfecção)– Pop.projecto = 7 200 e.p.– Qméd = 893 m3/dia

CASOS DE ESTUDO

Modelação da ETAR

Construção do modelo topológico:• Admitiu-se:

– Sistema simplificado não se consideram as operaçõesde filtração e desinfecção

Caudais

0

500

1000

1500

2000

2500

0:00

2:00

4:00

6:00

8:00

10:0

0

12:0

0

14:0

0

16:0

0

18:0

0

20:0

0

22:0

0

Q [m

3/h]

Q afl Q was total Q rec total Q EFinal

Conc. afluentes

0

200

400

600

800

1000

1200

0:00

2:00

4:00

6:00

8:00

10:0

0

12:0

0

14:0

0

16:0

0

18:0

0

20:0

0

22:0

0

Con

c. [m

g/l]

CQO afl SST afl CBO aflPt afl TKN afl NH afl

– Recirculação de caudal = 50% . Qméd– Purga diária de lamas = 41 m3/dia

– Variação diária típica de caudais e concentrações afluentes(Metcalf & Eddy, 2002)

CASOS DE ESTUDO

Modelos usados:• GPS-X: três modelos para o reactor biológico (ASM1, ASM3 e

NewGeneral)D.S. – modelo de fluxo do tipo duplo exponencial

• EFOR: reactor biológico – CNDPD.S. – modelo de fluxo do tipo duplo exponencial

• BioWin: reactor biológico – ASADD.S. – modelo de fluxo do tipo duplo exponencial

CASOS DE ESTUDO

Simulação hidráulica Períodos de tempo seco

GPS-X:• Os resultados da aplicação dos três modelos são muito similares,

sendo as diferenças mais significativas referentes às concentrações em azoto no efluente final.(para as quais se obtêm valores idênticos com os modelos ASM3 e NewGeneral, ligeiramente superiores aos obtidos pelo ASM1)

SST e O2 no TA1

2000250030003500

400045005000

0:00

2:00

4:00

6:00

8:00

10:0

012

:00

14:0

016

:00

18:0

020

:00

22:0

0

SST

[mg/

l]

0

1

2

3

4

5

O2

[mg/

l]

MLSS OD

Conc. no efluente final

010203040506070

0:00

2:00

4:00

6:00

8:00

10:0

012

:00

14:0

016

:00

18:0

020

:00

22:0

0

Conc

. [m

g/l]

CQO EFinal SST EFinal CBO EFinalTKN EFinal Pt EFinal OD EFinal

Conc. de azoto no efluente final

0

1020

3040

0:00

2:00

4:00

6:00

8:00

10:0

012

:00

14:0

016

:00

18:0

020

:00

22:0

0

Con

c. [m

g/l]

Nt EFinal TKN EFinal NO EFinal

CASOS DE ESTUDO

EFOR:

• [SST] obtida no tanque de arejamento é >> da obtida pelo GPS-X:– 5300 mg SST/L versus 3500 mg SST/L

• [N] no efluente final (Kjedahl, nitritos e nitratos):– GPS-X conduziu a valores ≈ 4 e 25 mg/l– EFOR conduziu a valores ≈ 22 e 28 mg/l

SST e O2 no TA1

3000

3500

4000

4500

5000

5500

0:00

2:00

4:00

6:00

8:00

10:0

012

:00

14:0

016

:00

18:0

020

:00

22:0

0

SST

[mg/

l]

0

1

2

3

4

5

O2

[mg/

l]

MLSS OD


010203040506070

0:00

2:00

4:00

6:00

8:00

10:0

0

12:0

014

:00

16:0

0

18:0

0

20:0

0

22:0

0

Conc

. [m

g/l]

SST efl TKN efl CQO eflOD efl Pt efl


01020304050

0:00

2:00

4:00

6:00

8:00

10:0

012

:00

14:0

016

:00

18:0

020

:00

22:0

0

Conc

. [m

g/l]

NO efl TKN efl Nt efl

[N Kjedahl] são indicadoras de deficiente nitrificação

Este processo não é completamente simulado no modelo dinâmico CNDP

CASOS DE ESTUDO

BioWin:

• Os resultados obtidos são similares aos obtidos pelo GPS-X.

SST e O2 no TA1

3000

3500

4000

4500

50000:

002:

004:

006:

008:

0010

:00

12:0

014

:00

16:0

018

:00

20:0

022

:00

SS

T [m

g/l]

0

1

2

3

4

5

O2

[mg/

l]

MLSS DO


01020304050607080

0:00

2:00

4:00

6:00

8:00

10:0

0

12:0

0

14:0

0

16:0

0

18:0

0

20:0

0

22:0

0

Conc

. [m

g/l]

CQO efl SST efl CBO eflTKN efl Pt efl DO efl


01020304050

0:00

2:00

4:00

6:00

8:00

10:0

012

:00

14:0

016

:00

18:0

020

:00

22:0

0

Con

c. [m

g/l]

Nt efl TKN efl NO efl

CASOS DE ESTUDO

Resultados do modelo:

• GPS-X é considerado o mais completo dos modelos em análise.

• EFOR e BioWin não permitem a especificação de todos os parâmetros que caracterizam o afluente.(Ex.: apenas SST, CQO, CBO5 e N Kjeldahl)

• GPS-X: esta limitação não existedispõe de uma ferramenta útil (“Influent Adviser”)para tornar perceptíveis as relações entre parâmetros

• EFOR e BioWin não apresentam, para os modelos proprietários, referências técnicas perfeitamente elucidativas.

• EFOR é o programa mais difícil de utilizar, apresentando resultados muito diversos dos outros dois modelos e apenas minimamente satisfatórios se se utilizar o modelo proprietário.

CASOS DE ESTUDO

ETAR de S. João da Talha

Objectivos: Definir procedimentos de gestão e/ou beneficiação do sistema, que contribuam para a mitigação dos principais problemas de exploração actuais.

Desafio à modelação:forte contribuição industrial ⇒ ↑ variabilidade Q e CP afluentes

Campanhas experimentais de 24h (tempo seco): caracterizar as afluências à ETAR

CASOS DE ESTUDO

Caracterização da ETAR

• ETAR– Trat. físico-químico & biológico (LA)– A funcionar desde 1997.– Pop.projecto = 130 000 e.p.– Qméd doméstico = 5 980 m3/dia– Qméd total (dom+ind) = 12 582 m3/dia

Actualmente, 65 % da carga poluente de origem industrial:– Fima, Iglo e Sores– Robbialac, – Saint-Gobain, Copam– Outras…

CASOS DE ESTUDO

Campanhas experimentais e medição de caudal:

entrada da ETAR jusante do tratamento primário tanque de arejamento efluente finalentrada da ETAR jusante do tratamento primário tanque de arejamento efluente final

Hora Temp. pH OD Conduti- CBO5 N total Nitratos Nitritos Azoto CQO SST P totalvidade (NO3) (NO2) Kjeldahl

[h.min] [ºC] [ - ] [mg/l] [mS/cm] [mg/l] [mg/l] [mg/l] [mg/l] [mg/l] [mg O2/l [mg/l] [mg/l]SA1 (CJ1)

22:00 17.01 8.46 12.69 755 367 73 <3 <0.2 73 740 244 6.20:00 17.64 9.04 34.87 826 227 40.2 <3 0.6 40 470 123 6.63:00 16.42 8.22 4.31 694 81 28.6 <3 2.1 28 160 52 3.15:00 18.92 7.54 4.73 5550 245 63 <3 <0.2 63 630 278 3.68:00 17.00 8.94 6.05 788 97 48.2 9 0.6 48 270 113 5.59:00 16.88 9.03 3.05 812 197 93.4 <3 1.3 93 480 228 7.9

10:00 18.27 9.25 24.68 1162 168 79 <3 3.2 78 580 260 12.112:00 16.60 8.99 7.37 1018 169 57 <3 <0.2 57 420 183 6.914:00 16.94 8.28 3.20 982 238 44 <3 <0.2 44 520 167 6.916:00 17.20 8.20 3.04 693 246 45 <3 <0.2 45 520 157 4.618:00 16.71 8.95 6.03 835 221 39 <3 <0.2 39 397 266 5.620:00 16.83 9.37 4.01 250 205 42.4 4 1.5 41 470 225 8.2

Hora Temp. pH OD Conduti- CBO5 N total Nitratos Nitritos Azoto CQO SST P totalvidade (NO3) (NO2) Kjeldahl

[h.min] [ºC] [ - ] [mg/l] [mS/cm] [mg/l] [mg/l] [mg/l] [mg/l] [mg/l] [mg O2/l [mg/l] [mg/l]SA1 (CJ1)

22:00 17.01 8.46 12.69 755 367 73 <3 <0.2 73 740 244 6.20:00 17.64 9.04 34.87 826 227 40.2 <3 0.6 40 470 123 6.63:00 16.42 8.22 4.31 694 81 28.6 <3 2.1 28 160 52 3.15:00 18.92 7.54 4.73 5550 245 63 <3 <0.2 63 630 278 3.68:00 17.00 8.94 6.05 788 97 48.2 9 0.6 48 270 113 5.59:00 16.88 9.03 3.05 812 197 93.4 <3 1.3 93 480 228 7.9

10:00 18.27 9.25 24.68 1162 168 79 <3 3.2 78 580 260 12.112:00 16.60 8.99 7.37 1018 169 57 <3 <0.2 57 420 183 6.914:00 16.94 8.28 3.20 982 238 44 <3 <0.2 44 520 167 6.916:00 17.20 8.20 3.04 693 246 45 <3 <0.2 45 520 157 4.618:00 16.71 8.95 6.03 835 221 39 <3 <0.2 39 397 266 5.620:00 16.83 9.37 4.01 250 205 42.4 4 1.5 41 470 225 8.2

CQO - 12 e 13 Jan 2005

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

22 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

t [h]

CQ

O [m

g O

/l]

Caudais médios horários - 12 e 13 Jan

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

22 23 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

t [h]

Q [m

3/h]

Qméd afluente Qméd efluente Qméd recirculação Qméd retornos

CASOS DE ESTUDO

Modelação da ETAR: aplicação do GPS-X

Construção do modelo topológico:

• caracterização física detalhada de cada órgão da ETAR e do respectivo equipamento:

– tanque de homogeneização, decantadores primários e secundários, reactor biológico …

• caracterização dos critérios e metodologias de operação da ETAR.

CASOS DE ESTUDO

Modelos usados:• reactor biológico: modelo “mantis”, similar ao ASM1 da IWA

(simula a remoção de carbono, azoto e fósforo).

• decantadores: modelo “simple1d”, modelo 1D multi-camadas, baseado na teoria do fluxo.(utiliza o modelo duplo exponencial de Takács).

Simulação hidráulica:• Períodos de tempo seco (≡ com as campanhas experimentais).

CASOS DE ESTUDO

SST e O2 no TA

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

2800

3000

22:0

023

:00

0:00

1:00

2:00

3:00

4:00

5:00

6:00

7:00

8:00

9:00

10:0

011

:00

12:0

013

:00

14:0

015

:00

16:0

017

:00

18:0

019

:00

20:0

021

:00

t [h]

SST

[mg/

l]

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

O2

[mg/

l]

xmlss TA (SLR): SST somlss TA (SLR): OD


0

5

10

15

20

25

22:0

023

:00

0:00

1:00

2:00

3:00

4:00

5:00

6:00

7:00

8:00

9:00

10:0

011

:00

12:0

013

:00

14:0

015

:00

16:0

017

:00

18:0

019

:00

20:0

021

:00

t [h]

Con

c. [m

g/l]

Nt modelado Nt medido TKN modeladoTKN medido NO2 e NO3 modelado NO2 e NO3 medido

Resultados obtidos após calibração:

Calibração do modelo:

• É possível ajustar os resultados do modelo aos valores medidos.

• Parâmetros que mais influenciam os resultados de modelação:μH, bH, μA , bA e kH (Ensaios de respirometria seriam vantajosos para

aferir os valores de alguns destes parâmetros)

CASOS DE ESTUDO

Resultados do modelo:• caudais em tubagens de ligação

• concentrações e taxas de processos para os componentes do modelo em todos os órgãos (Ex.: concentrações no afluente, nas escorrências na ETAR, no efluente final e no tanque de arejamento; idade das lamas)

Caudais

0

5000

10000

15000

20000

25000

22:0

023

:00

0:00

1:00

2:00

3:00

4:00

5:00

6:00

7:00

8:00

9:00

10:0

011

:00

12:0

0

13:0

014

:00

15:0

0

16:0

017

:00

18:0

0

19:0

020

:00

21:0

0

t [h]

Q [m

3/d]

Q afluente

Q efluente

Q recirculaçãoQ lamas prim.

Q lamas sec.

Q escorrêcias


0

20

40

60

80

100

120

14022

:00

23:0

00:

001:

002:

003:

00

4:00

5:00

6:00

7:00

8:00

9:00

10:0

011

:00

12:0

013

:00

14:0

015

:00

16:0

017

:00

18:0

019

:00

20:0

021

:00

t [h]

Con

c. [m

g/l]

CQO modelado

SST modelado

Nt modelado

Pt modelado

OD modelado

CQO medido

SST medido

Nt medido

Pt medido

OD medido

Validação do modelo problemas nas campanhas experimentais…

CASOS DE ESTUDO

• A contribuição industrial reflecte-se em relações estequiométricasdas afluências ao sistema diferentes das usuais para as águas residuais domésticas.

Potencial toxicidadedo afluente à ETAR

Provável a ocorrência de “washout” dos microrganismos autotróficos, mais sensíveis, ou a sua inibição.

(o projecto ECORIVER detectou ecotoxicidade no afluente à ETAR)

• Dada a: reduzida idade das lamassignificativa contribuição industrial

Obrigado pela atenção!!!





GESTÃO INTEGRADA DE SISTEMAS DE … · • Aplicáveis a leitos percoladores, biofiltros e discos...

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