FATEB - FACULDADE DE TELMACO BORBA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUMICA NFASE EM FABRICAO DE CELULOSE E PAPEL ALEXANDRE MARQUES DE ALMEIDA CLAUDIO MOISES DA SILVA PMILA THAIS HEITKOETER DE MELO KAROLLINE CHRISTINY SZEREMETA DA SILVA

PROJETO DE UMA ESTAO DE TRATAMENTO DE EFLUENTES LQUIDOS (ETE) DE UMA INDSTRIA DE PAPEL TISSUE PELO PROCESSO DE LODOS ATIVADOS

TELMACO BORBA - PR 2009

ALEXANDRE MARQUES DE ALMEIDA CLAUDIO MOISES DA SILVA PMILA THAIS HEITKOETER DE MELO KAROLLINE CHRISTINY SZEREMETA DA SILVA

PROJETO DE UMA ESTAO DE TRATAMENTO DE EFLUENTES LQUIDOS (ETE) DE UMA INDSTRIA DE PAPEL TISSUE PELO PROCESSO DE LODOS ATIVADOS

Trabalho apresentado para a disciplina de Projetos e Processos, do Curso de Engenharia Qumica, da Faculdade de Telmaco Borba, como requisito parcial para aprovao desta disciplina. Professor: Luis Renato Pesch

TELMACO BORBA - PR 2009

iii

SUMRIOLISTA DE FIGURAS .........................................................................................................iv LISTA DE TABELAS ........................................................................................................ v LISTA DE SMBOLOS .................................................................................................... vii 1. DEFINIO DO PROJETO ....................................................................................... 01 2. OBJETIVO DO PROJETO ......................................................................................... 03 3. PREMISSAS DO PROJETO ....................................................................................... 03 4. DESCRIO DO PROCESSO ................................................................................... 05 4.1 Descrio do Processo Industrial: Planta de Aparas ................................................ 05 4.1.1 Mquina de fabricao de papel ...................................................................... 07 4.2 Descrio da ETE de Lodos Ativados ...................................................................... 08 4.2.1 Lodos ativados de aerao prolongada ............................................................ 11 5. CARACTERSTICAS DO EFLUENTE A SER TRATADO .................................. 12 6. BALANO HIDRAULICO E DE MASSA ................................................................ 13 6.1 Cintica das Reaes ................................................................................................. 15 6.2 Memria de Clculo do Sistema de Tratamento ...................................................... 15 6.3 Caractersticas Finais do Efluente Tratado ............................................................... 25 7. DIMENSIONAMENTO DOS EQUIPAMENTOS ................................................... 26 7.1 Tratamento Preliminar .............................................................................................. 26 7.2 Tratamento Secundrio e de Lodo ............................................................................ 29 8. OPERAO DO SISTEMA DE TRATAMENTO.................................................... 41 8.1 Organograma da Empresa ........................................................................................ 41 9. AVALIAO DA VIABILIDADE ECONMICA ................................................... 43 9.1 Cenrio 1: Projeto ETE Lodos Ativados ................................................................... 43 9.2 Cenrio 2: Sem Tratamento Com Multa Diria ........................................................ 46 9.3 Comparativo dos Cenrios Estudados ...................................................................... 47 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ........................................................................... 48 ANEXO A: Resoluo CONAMA N 357/2005 .............................................................. 51 ANEXO B: Fluxograma com Balanos ........................................................................... 65 ANEXO C: Fluxograma com Instrumentao ............................................................... 66 ANEXO D: Planta de Instalao e Layout ...................................................................... 67 ANEXO E: Layout Geral .................................................................................................. 68 ANEXO F: Perfil Hidrulico ............................................................................................ 69

iv

LISTA DE FIGURASFIGURA 1. Fluxograma tpico de um sistema de Lodos Ativados com Aerao Prolongada [Fonte: SPERLING, 1996] .................................................................................................. 12 FIGURA 2. Representao grfica do Balano de Massa [Fonte: PILOTTO, 2004] ......... 13 FIGURA 3. Balano de massa dos slidos no sistema de Lodos Ativados [Fonte: SPERLING, 1996] ............................................................................................................... 16 FIGURA 4. Relaes de dimensionamento das Calhas Parshall, segundo norma ASTM 1941:1975 ............................................................................................................................ 28 FIGURA 5. Simbologia adotada para o projeto dos tanques cilndricos do processo......... 33 FIGURA 6. Organograma proposto para a operao da planta de tratamento. ................... 41

v

LISTA DE TABELASTABELA 1. Premissas pr-definidas para o projeto caractersticas esperadas para o efluente tratado (Anexo A) ..................................................................................................04 TABELA 2. Caractersticas esperadas para o efluente bruto gerados na planta industrial .............................................................................................................................................. 13 TABELA 3. Variveis de Grau de Liberdade definidos para o projeto ............................ 14 TABELA 4. Dados calculados no balano do sistema de Lodos Ativados projetado......... 22 TABELA 5. Dados calculados no balano hidrulico e de massa para a Lagoa de Polimento. ............................................................................................................................ 23 TABELA 6. Dados calculados no balano hidrulico e de massa para o Adensador de Lodo. ................................................................................................................................... 23 TABELA 7. Dados calculados no balano hidrulico e de massa para a Centrfuga Decanter .............................................................................................................................. 24 TABELA 8. Dados calculados no balano hidrulico e de massa para os Produtos Qumicos requeridos (Nutrientes) ....................................................................................... 24 TABELA 9. Dados calculados no balano hidrulico e de massa da sada final do efluente tratado para o rio. ................................................................................................................ 25 TABELA 10. Dados pr-definidos para dimensionamento do tratamento preliminar ....... 26 TABELA 11. Dimensionamento das Calhas Parshall segundo norma ASTM 1941:1975 . 29 TABELA 12. Dados calculados para dimensionamento do tratamento preliminar ............ 29 TABELA 13. Dados pr-definidos para dimensionamento dos tanques de neutralizao, do tanque de aerao, do decantador secundrio e da lagoa de polimento. ............................. 30 TABELA 14. Dados pr-definidos para dimensionamento do adensador, da centrfuga, dos tanques de espuma, de filtrado e de lodo ............................................................................. 31 TABELA 15. Dados pr-definidos para dimensionamento dos tanques de produtos qumicos. ............................................................................................................................. 31 TABELA 16. Dados calculados para os tanques de neutralizao .................................... 38 TABELA 17. Dados calculados para o dimensionamento do tanque de aerao (reator biolgico). ............................................................................................................................39 TABELA 18. Dados calculados para o dimensionamento do decantador secundrio ........ 39 TABELA 19. Dados calculados para o dimensionamento da lagoa de polimento.............. 39

vi TABELA 20. Dados calculados para o dimensionamento do tanque de espuma do decantador secundrio.......................................................................................................... 30 TABELA 21. Dados calculados para o dimensionamento do adensador de lodo ............... 40 TABELA 22. Dados calculados para o dimensionamento do tanque de efluente clarificado do adensador e centrfuga. .................................................................................................. 40 TABELA 23. Dados calculados para o dimensionamento tanque de lodo adensado.......... 40 TABELA 24. Dados calculados para o dimensionamento dos tanques de diluio de produtos qumicos. .............................................................................................................. 41 TABELA 25. Parmetros a serem controlados pelo laboratrio e operador da ETE .......... 42 TABELA 26. Estimativa de custos para implantao do projeto da ETE........................... 43 TABELA 27. Custos previstos com energia eltrica requerida para os equipamentos eletromecnicos da ETE. ..................................................................................................... 44 TABELA 28. Custos estimados de produtos qumicos e recursos humanos ...................... 45

vii

LISTA DE SMBOLOS

Eg Au As hmx. B Ne Nb vg vc hl ho Qeb Xeb Seb Meb pH DBO BQO Acx Bcx L Tes Vareia Hareia l Qa Hmx. Hmin. Z Qneu

Eficincia da grade rea til da grade rea da seo do canal da grade Altura mxima do canal da grade Largura do canal da grade Numero de espao da grade Numero de barras da grade Velocidade da grade Velocidade no canal da grade Perda de velocidade na grade (limpa) Perda de velocidade na grade (obstruda) Vazo de efluente bruto na entrada da ETE Concentrao de slidos suspensos totais (SST) na entrada da ETE Substrato (DBO) presente na entrada da ETE Vazo mssica de efluente na entrada da ETE Potencial hidrognio-inico Demanda bioqumica de oxignio Demanda qumica de oxignio Seo transversal da caixa de areia Largura da caixa de areia Comprimento da caixa de areia Taxa de escoamento superficial Volume dirio de areia removida Altura da areia acumulada diariamente Intervalo entre as limpezas da caixa Volume de areia removida por hora Altura mxima da Calha Parshall Altura mnima da Calha Parshall Altura do degrau Z da Calha Parshall Vazo de NaOH ou H2SO4 para neutralizao do efluente

[%] [m] [m] [m] [m] [-] [-] [m/s] [m/s] [m] [m] [m3/h] [g/m3] [g/m3] [kg/h] [-] [mg/L] [mg/L] [m] [m] [m] [m/m.d] [m/d] [m/d] [d] [L/h] [m] [m] [m] [L/h]

viii Vn Tn Hn Dn Ln Cn Bwn wn TDHta Vnta Vta F/M IVL D Cs xp NO DTO Pta DP Ppa IL mx Y kd Ks Xv EDBOt EDQOt EDBO Xv Volume til do tanque de neutralizao Dimetro do tanque de neutralizao Altura do nvel do liquido do tanque de neutralizao Dimetro do impelidor do tanque de neutralizao Largura da p do tanque de neutralizao Distncia entre o fundo do tanque e o centro do impelidor Largura das chicanas do tanque de neutralizao Largura da p do impelidor do tanque de neutralizao Tempo de deteno hidrulico no tanque de aerao Volume necessrio para o tanque de aerao Volume til do tanque de aerao Relao alimento/microrganismo no tq. de aerao ndice volumtrico de lodo Coeficiente de difuso molecular Concentrao de saturao de O2 na gua Profundidade de penetrao do oxignio Necessidade especfica de Oxignio Consumo de O2 para a oxidao da matria orgnica Potncia requerida para os sopradores de ar Densidade de potncia Potncia requerida por soprador Idade do lodo Taxa de crescimento especfico mxima Coeficiente de produo celular Coeficiente de decaimento bacteriano Constante de saturao Slidos suspensos volteis no tanque de aerao Estimativa terica da eficincia da remoo de DBO do sistema em funo da TDH Estimativa terica da eficincia da remoo de DQO do sistema em funo da TDH Eficincia de remoo de matria orgnica no tanque de aerao Taxa de produo de lodo [%] [kg/d] [%] [m3] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [m] [h] [m3] [m3] [kg DBO/kg SSVTA.d] [mL/g] [m2/s] [mg/L] [m] [kg O2/kg DBO] [kg O2/d] [CV] [W/m3] [CV] [d] [d-1] [mg/mg] [d-1] [mg/L] [mg/L] [%]

ix fb Qar EO rhoar Qnut QN QP Q0rb X0rb M0rb S0rb CO0rb pH0rb TAHds TDHds Ads Dds Vds Q0d X0d M0d S0d CO0d Qr Xr Mr Sr COr Qex Xex Mex Sex COex Estimativa da frao biodegradvel de Xv Vazo volumtrica de ar no sistema Eficincia de oxigenao Densidade da ar Vazo volumtrica de nutrientes (MAP e Uria) Vazo mssica necessria de nitrognio Vazo mssica necessria de fsforo Vazo volumtrica na entrada do tanque de aerao Concentrao de slidos suspensos na entrada do tanque de aerao Vazo mssica na entrada do tanque de aerao Substrato (DBO) na entrada do tanque de aerao Carga orgnica na entrada do tanque de aerao Potencial hidrognio inico no tanque de aerao Tempo de aplicao hidrulico no decantador secundrio Tempo de deteno hidrulico do decantador secundrio rea superficial do decantador secundrio Dimetro do decantador secundrio Volume til do decantador secundrio Vazo volumtrica na entrada do decantador secundrio Concentrao de slidos na entrada do decantador secundrio Vazo mssica na entrada do decantador secundrio Substrato (DBO) na entrada do decantador secundrio Carga orgnica na entrada do decantador secundrio Vazo volumtrica do retorno do lodo para tanque de aerao Concentrao de slidos suspensos do retorno do lodo Vazo mssica do retorno do lodo para tanque de aerao Substrato (DBO) do retorno do lodo para tanque de aerao Carga orgnica do retorno do lodo para tanque de aerao Vazo volumtrica do excesso do lodo para adensador Concentrao de slidos suspensos excesso do lodo para adensador Vazo mssica do excesso do lodo para adensador Substrato (DBO) do retorno do excesso do lodo para adensador Carga orgnica do retorno do excesso do lodo para adensador [-] [m3 Ar/h] [kg O2/kW.h] [kg/m3] [L/h] [kg/L] [kg/L] [m3/h] [g/m3] [kg/h] [g/m3] [kg DBO/h] [-] [m3/m2.h] [h] [m2] [m] [m3] [m3/h] [g/m3] [kg/h] [g/m3] [kg DBO/h] [m3/h] [g/m3] [kg/h] [g/m3] [kg DBO/h] [m3/h] [g/m3] [kg/h] [g/m3] [kg DBO/h]

x TAHad TDHad Aad Dad Vad Qsa Xsa Msa Qla Xla Mla Q0c X0c M0c Qsc Xsc Msc Qld Xld Mld CS Qec Xec Mec Qesp Vnlp Vulp As Hlp d Kl Q0lp X0lp Tempo de aplicao hidrulico no adensodor de lodo Tempo de deteno hidrulico do adensodor de lodo rea superficial do adensodor de lodo Dimetro do adensodor de lodo Volume til do adensador de lodo Vazo volumtrica na sada de filtrado do adensador de lodo Concentrao de slidos suspensos do filtrado do adensador de lodo Vazo mssica na sada de filtrado do adensador de lodo Vazo volumtrica na sada de lodo adensado Concentrao de slidos suspensos da sada de lodo adensado Vazo mssica na sada de filtrado da sada de lodo adensado Vazo volumtrica na entrada da centrfuga Concentrao de slidos suspensos na entrada da centrfuga Vazo mssica na entrada da centrfuga Vazo volumtrica da sada de filtrado da centrfuga Concentrao de slidos suspensos da sada de filtrado da centrfuga Vazo mssica na sada de filtrado da centrfuga Vazo volumtrica de lodo desidratado na sada da centrfuga Concentrao de slidos do lodo desidratado na sada da centrfuga Vazo mssica de lodo desidratado na sada da centrfuga Carga de slidos da sada de lodo da centrfuga Vazo volumtrica do efluente clarificado do adensador e centrfuga Concentrao de slidos do efluente clarificado dos filtrados Vazo mssica do efluente clarificado dos filtrados Vazo estimada de espuma do decantador secundrio Volume necessrio para a lagoa de polimento Volume til para a lagoa de polimento rea superficial da lagoa de polimento Profundidade til da lagoa de polimento Nmero de disperso da lagoa de polimento Coeficiente de remoo de substrato, para lagoas, com fluxo disperso Vazo volumtrica na entrada da lagoa de polimento Concentrao de slidos na entrada da lagoa de polimento [m3/m.2.h] [h] [m2] [m] [m3] [m3/h] [g/m3] [kg/h] [m3/h] [g/m3] [kg/h] [m3/h] [g/m3] [kg/h] [m3/h] [g/m3] [kg/h] [m3/h] [g/m3] [kg/h] [kg SS/d] [m3/h] [g/m3] [kg/h] [m3/h] [m3] [m3] [m2] [m] [-] [d-1] [m3/h] [g/m3]

xi M0lp S0lp CO0lp Qslp Xslp Mslp Sslp COslp ESt EXt Vazo mssica na entrada da lagoa de polimento Substrato (DBO) na entrada da lagoa de polimento Carga orgnica na entrada da lagoa de polimento Vazo volumtrica na sada da lagoa de polimento Concentrao de slidos na sada da lagoa de polimento Vazo mssica na sada da lagoa de polimento Substrato (DBO) na sada da lagoa de polimento Carga orgnica na sada da lagoa de polimento Eficincia total de remoo de substrato (DBO) no efluente bruto Eficincia total de remoo de slidos suspensos no efluente bruto [kg/h] [g/m3] [kg DBO/h] [m3/h] [g/m3] [kg/h] [g/m3] [kg DBO/h] [%] [%]

1

1. DEFINIO DO PROJETOO projeto proposto por nossa equipe consiste de uma estao de tratamento de efluentes lquidos (ETE) por lodos ativados pelo mtodo de aerao prolongada de uma indstria de papel tissue, sendo que a matria-prima base desta indstria so aparas de papel reciclado e eventualmente celulose branqueada. O processo de tratamento de efluentes por lodos ativados consiste em se provocar o desenvolvimento de uma cultura microbiolgica na forma de flocos (lodos ativados) em um tanque de aerao, que alimentada pelo efluente a ser tratado [5]. Neste tanque, a aerao tem por finalidade proporcionar oxignio aos microorganismos, evitar a deposio dos flocos bacterianos e os misturar homogeneamente ao efluente. Esta mistura denominada "licor" [5]. O oxignio necessrio ao crescimento biolgico introduzido no licor atravs de um sistema de aerao mecnica, por ar comprimido, ou ainda pela introduo de oxignio puro, sendo que neste projeto proposta a aplicao de oxignio por sopradores de ar do tipo roots. O licor enviado continuamente a um decantador (decantador secundrio), destinado a separar o efluente tratado do lodo. O lodo recirculado ao tanque de aerao a fim de manter a concentrao de microorganismos dentro de certa proporo em relao carga orgnica afluente [5]. O sobrenadante do decantador o efluente tratado, pronto para descarte ao corpo receptor ou para tratamento tercirio. O excesso de lodo, decorrente do crescimento biolgico, extrado do sistema sempre que a concentrao do licor ultrapassa os valores de projeto. Este lodo pode ser espessado e desidratado, tendo como aplicao o uso em agricultura ou para fabricao de cermicas em geral, entre outras aplicaes. O tratamento de guas residurias pela ao de microrganismos resulta na estabilizao dos compostos orgnicos poluentes, e emprega reatores (bioreatores) com diferentes configuraes, constituindo verdadeiros ecossistemas microbianos. O principal efeito dos processos biolgicos de tratamento de rejeitos a despoluio ambiental. Entre os diferentes mtodos de tratamento biolgico de efluentes, pode-se citar o processo de lodos ativados, que um mtodo comum e verstil de estabilizar os resduos orgnicos presentes em guas residurias. Este processo aerbio consiste primeiramente, na assimilao da matria orgnica por uma massa ativa de microrganismos em suspenso. Posteriormente, a ocorrncia de floculao dos microrganismos e outros materiais coloidais em suspenso tornam a biomassa (massa biolgica), ou floco, sedimentvel, o

2 que determina a produo de um efluente de qualidade elevada. A floculao ou aglutinao biolgica permite a separao dos microrganismos em suspenso, do meio lquido, dentro do decantador secundrio, proporcionando assim, o seu retorno ao tanque de aerao. Por conseguinte, a eficincia global do processo de lodos ativados e, consequentemente, a qualidade do efluente final diretamente dependente da sedimentabilidade do floco e do processo. Os mtodos fsico-qumicos nem sempre so suficientes para obteno de uma boa eficincia no tratamento, sendo assim, empregam-se mtodos biolgicos, com a utilizao de microorganismos que provocam a depurao do ambiente a ser tratado. Os mtodos biolgicos podem ser classificados tambm como tratamento secundrio, onde, segundo VON SPERLING (1996, 2005), a essncia do tratamento secundrio de esgotos domsticos a incluso de uma etapa biolgica. Porm a incluso desta etapa biolgica no mais especifica para esgotos domsticos, sendo aplicada tambm em efluentes industriais. Ainda de acordo com VON SPERLING (1996, 2005), uma vasta gama de microorganismos pode ser detectada num esgoto domstico ou industrial. Dentre estes microorganismos os que mais se destacam so: as bactrias, os fungos, protozorios e algas.

Bactrias e Arquias: so os microorganismos mais importantes e numerosos, sendo responsveis pela decomposio e estabilizao da matria orgnica e de demais poluentes;

Protozorios: so os elementos mantenedores do equilbrio das vrias formas de organismos; Algas: no possuem funo especifica, ao contrario, podem ser fruto do prprio desenvolvimento do tratamento. A anlise apurada destes microorganismos pode indicar se o esgoto possui

quantidades significativas de patognicos ou se uma Estao de Tratamento Biolgica est em perfeitas condies. Segundo VON SPERLING (1996, 2005), no tratamento secundrio a remoo da matria orgnica efetuada por reaes bioqumicas, realizadas por microorganismos, enquanto nos tratamentos preliminar e primrio predominam mecanismos de ordem fsica. Sendo assim, uma Estao de Tratamento de Efluentes pode ser classificada pelos seguintes nveis de tratamento.

Nvel Preliminar: remoo de slidos grosseiros;

3

Nvel Primrio: remoo de slidos suspensos totais; Nvel Secundrio: remoo de matria orgnica; Nvel Tercirio: remoo de poluentes especficos. As principais vantagens do processo de Lodos Ativados, quando comparadas com

os demais mtodos de tratamento, so:

Grande eficincia na reduo da matria orgnica; Ocupa espao reduzido; Investimento e custo operacional compatveis com fabricas de papel; Admite variao na vazo e na carga orgnica aplicadas; No produz mau cheiro; No favorece a proliferao de insetos e vermes.

2. OBJETIVO DO PROJETOProjetar uma estao de tratamento de efluentes pelo processo de lodos ativados com aerao prolongada, de uma indstria de papel tissue que tem como principal matria-prima aparas de papel reciclado. Sendo o efluente tratado lanado em um corpo receptor do tipo Classe III. O objetivo principal da Estao de Tratamento de Efluentes transformar a matria orgnica poluidora em subprodutos, de forma que o lquido lanado no corpo receptor atenda aos padres da Legislao vigente regulamentada no Brasil pelo CONAMA (Conselho Nacional do Meio Ambiente), onde o rgo oficial fiscalizador no Paran o IAP (Instituto Ambiental do Paran). Contribuindo para a reduo da poluio ambiental e melhor bem estar da comunidade em geral, preservando os recursos naturais.

3. PREMISSAS DO PROJETOAs premissas para este projeto esta diretamente relacionada com a qualidade do efluente tratado que lanado no rio (corpo receptor), conforme resoluo do CONAMA 357/2005 Artigo 16 e 34 descrito no Anexo A, para um rio de Classe III. Para a elaborao do projeto da Estao de Tratamento de Efluentes Lquidos, as premissas pr-definidas de projeto so descritas na TABELA 1.

4 TABELA 1. Premissas pr-definidas para o projeto caractersticas esperadas para o efluente tratado (Anexo A). Premissas de Projeto DBO 5 dias a 20C OD (Oxignio Dissolvido) Turbidez Cor Slidos Sedimentveis Temperatura pH Dados 10,0 < 4,0 Mx. 100,0 Mx. 75,0 < 1,0 < 40 6,0 a 9,0 UN. mg/L O2 mg/L O2 UNT mg Pt/L mL/L C -

De acordo com o Art. 16 do CONAMA, para as guas de Classe III so estabelecidos algumas outras condies para o efluente lanado no corpo receptor:

No verificao de efeito txico agudo a organismos, de acordo com os critrios estabelecidos pelo rgo ambiental competente, ou, na sua ausncia, por instituies nacionais ou internacionais renomadas, comprovado pela realizao de ensaio ecotoxicolgico padronizado ou outro mtodo cientificamente reconhecido;

Materiais flutuantes, inclusive espumas no naturais: virtualmente ausentes; leos e graxas: virtualmente ausentes; Substncias que comuniquem gosto ou odor: virtualmente ausentes; No ser permitida a presena de corantes provenientes de fontes antrpicas que no sejam removveis por processo de coagulao, sedimentao e filtrao convencionais;

Resduos slidos objetveis: virtualmente ausentes; Coliformes termotolerantes: para o uso de recreao de contato secundrio no dever ser excedido um limite de 2500 coliformes termotolerantes por 100 mililitros em 80% ou mais de pelo menos 6 amostras, coletadas durante o perodo de um ano, com freqncia bimestral. Para dessedentao de animais criados confinados no dever ser excedido o limite de 1000 coliformes termotolerantes por 100 mililitros em 80% ou mais de pelo menos 6 amostras, coletadas durante o perodo de um ano, com freqncia bimestral. Para os demais usos, no dever ser excedido um limite de 4000 coliformes termotolerantes por 100 mililitros em 80% ou mais de pelo menos 6 amostras coletadas durante o perodo de um ano, com periodicidade bimestral. A E. Coli poder ser determinada em substituio ao parmetro coliformes termotolerantes de acordo com limites estabelecidos pelo rgo ambiental competente;

5

4. DESCRIO DO PROCESSO 4.1 Descrio do Processo Industrial: Planta de Aparas a unidade onde so processadas as aparas separando os contaminantes que podem prejudicar a qualidade do produto final. composta pelos seguintes equipamentos:

Esteira transportadora: onde os fardos de aparas so liberados dos arames que os envolvem e so dispostas na esteira, alimentando o desagregador; Desagregador de alta consistncia: onde se inicia realmente o processo industrial. Trata-se de um tanque cilndrico com capacidade de 12 m3 dotado de um rotor helicoidal, onde so adicionadas as aparas e a gua. Aps 15 a 20 minutos de operao as aparas so desmanchadas, constituindo-se na polpa celulsica. Neste processo as impurezas contidas nas aparas, principalmente os plsticos, no so picados facilitando a sua posterior remoo;

Descontaminador: um equipamento onde feita a primeira separao das fibras boas das impurezas. A massa retirada do desagregador pela suco de uma bomba e passa por uma peneira que separa as impurezas maiores; ao final da operao as impurezas so lavadas para separar as fibras boas que so enviadas junto com a polpa e as impurezas so enfardadas e enviadas para o armazenamento temporrio de resduos slidos;

Tanque de massa TQ 01: recebe a polpa do desagregador e a mantm sob agitao; Depurador centrfugo de mdia consistncia: sua funo retirar os contaminantes pesados como pedras, parafusos, clipes, grampos, porcas, etc; Depurador primrio de mdia consistncia: removem contaminantes como pequenos pedaos de plsticos, elsticos, pedaos de isopor, lascas de metal, pedras de pequeno tamanho que escapam do equipamento anterior, etc. A massa aceita e isenta de contaminantes segue diretamente para o tanque de massa TQ 02 e os contaminantes mais uma poro de fibras segue diretamente para o depurador secundrio;

Depurador secundrio de mdia consistncia: recebe o fluxo de rejeito do depurador primrio. A massa aceita segue para o tanque seguinte; Tanque de massa TQ 02: recebe a massa oriunda da depurao mantendo-a em agitao;

6

Depurador centrfugo primrio em baixa consistncia: separam da polpa as partculas de pequeno tamanho pelo efeito da fora centrfuga; Depurador centrfugo secundrio em baixa consistncia: tem a funo de continuar a separao das fibras das impurezas, agora em maior concentrao. As fibras retornam para a entrada a entrada do depurador primrio e o rejeito ainda misturado com fibras segue para o estgio seguinte;

Depurador centrfugo tercirio em baixa consistncia: recebe o rejeito do depurador secundrio e tem a funo de completar a separao das fibras da areia. A massa isenta de areia retorna para a entrada do depurador secundrio e a areia depositada numa caamba;

Depurador primrio em baixa consistncia: recebe o fluxo de massa do depurador centrfugo. Tem a funo de separar partculas extremamente pequenas como fios de linha, plsticos, isopor, aparas no totalmente desagregadas, pedaos solidificados de colas, palitos, e tudo mais que conseguiu passar pelos estgios anteriores de limpeza. O aceite de massa depurada segue para o estgio seguinte, e o rejeito constitudo de fibras e as impurezas seguem para a prxima etapa;

Depurador secundrio em baixa consistncia: recebe o rejeito do depurador primrio. Tem por funo separar completamente as fibras dos rejeitos. A massa, agora totalmente isenta de impurezas segue para a etapa seguinte, e as impurezas so dispostas na caamba da desagregao;

Lavador de tela inclinada (Side Hill): recebe o fluxo de massa e gua, em baixa consistncia, diretamente do depurador primrio e do secundrio. A sua funo separar a carga mineral e as tintas dissolvidas na gua. A massa segue para a etapa seguinte do processo e o filtrado segue para o sistema de clarificao de gua carregando parte das partculas de tinta e da carga mineral;

Lavador de tambor: recebe a massa do lavador de tela inclinada; Tanque de massa TQ 03: recebe a massa oriunda da etapa de lavagem mantendo-a em agitao; Caixa de nvel: a sua funo manter um fluxo constante para a etapa seguinte; Rosca engrossadora: sua funo elevar a consistncia da massa para 10% possibilitando a estocagem num volume menor. Torre de estocagem: recebe a massa da rosca engrossadora (a 10% de consistncia), sua funo armazenar a massa num volume suficiente para suprir a mquina de papel durante o horrio de ponta;

7

Clarificador de gua: recebe as guas contendo tinta e carga mineral oriundas da etapa de lavagem. Sua funo , por processos fsico-qumicos, retirar da gua os slidos suspensos e neutralizar a tinta dissolvida, produzindo a gua clarificada, reutilizada no processo da Planta de Aparas e nos chuveiros de lavagem na mquina de papel. Como resduo retirado neste processo um lodo contendo carga mineral e uma poro de tinta, sendo conduzido para Estao de Tratamento de Efluentes.

4.1.1 Mquina de fabricao de papelA mquina de papel formada por um conjunto de equipamentos, tais como:

Circuito de aproximao: o conjunto formado por uma caixa de nvel, por tanque cilndrico destinado a coletar as guas oriundas da mquina de papel, por uma bomba de mistura onde a massa diluda com gua, por um depurador e por uma peneira vibratria para receber o rejeito do depurador e separar eventuais contaminantes da massa;

Formador Crescent Former: constitudo de um rolo formador e por cinco rolos auxiliares, um a tela, um esticador e um regulador de tela. Fazem parte ainda os chuveiros para a lavagem contnua da tela, a carenagem e a calha para desaguamento;

Caixa de entrada: aplica a suspenso de polpa celulsica pressurizada, num jato uniforme atravs dos lbios da caixa de entrada no espao entre a tela formadora e feltro. Um grade volume de gua separado atravs da tela e o feltro conduz a folha mida para a zona de secagem;

Secagem: constituda de um cilindro, de um feltro, de rolos guias do feltro de esticador e de regulador do feltro, de caixa de sustentao da folha, de tubo condicionador de feltro e de caixa de vcuo de dupla fenda, estruturas, calhas, raspadores de rolos, chuveiros de limpezas do feltro e dos rolos. O cilindro continuamente abastecido com vapor saturado no seu interior, aquecendo a superfcie onde ocorre a troca trmica com a folha, evaporando a gua e secando a folha;

Enroladeira: a folha j seca enrolada num tubete at dimetro desejado. Uma vez formada, a bobina removida e colocada no estoque para converso para o produto final.

8

4.2 Descrio da ETE de Lodos AtivadosO sistema de tratamento proposto uma ETE pelo processo de Lodos Ativados, da modalidade Aerao Prolongada de fluxo Contnuo. Neste processo, seus tanques e acessrios tm as seguintes funes genricas [4]:

Tanque de Aerao: promover o desenvolvimento de uma colnia microbiolgica (biomassa), a qual consumir a matria orgnica do efluente; a quantidade de biomassa expressa como SSTA (slidos em suspenso no tanque de aerao);

Aeradores, Compressores ou Sistema de Oxignio Puro (Sopradores de Ar): fornecer oxignio ao licor, mantendo no mesmo uma concentrao adequada (1,5 2,0 mg/L) de Oxignio Dissolvido, necessrio ao metabolismo dos microorganismos aerbicos;

Decantador Secundrio: separar a biomassa que consumiu a matria orgnica do efluente, a qual sedimenta-se no fundo do decantador, permitindo que o sobrenadante seja descartado como efluente tratado, j com sua carga orgnica reduzida e isento de biomassa;

Bombas de Recirculao: retornar a biomassa ao tanque de aerao, para que a mesma continue sua ao depuradora; o crescimento da biomassa contnuo, ocorrendo a necessidade de um descarte peridico de quantidades definidas da mesma. Os sistemas de tratamento por lodos ativados so os mais amplamente

empregados no mundo todo em tratamentos de esgotos e em tratamentos de efluentes industriais, principalmente pela alta eficincia alcanada associada pequena rea de implantao requerida, quando comparado a outros sistemas de tratamento (SPERLING, 2005). Este processo est baseado na oxidao bioqumica dos compostos orgnicos e inorgnicos presentes nos efluentes, mediada por uma populao microbiana diversificada e mantida em suspenso num meio aerbio. A eficincia do processo depende, dentre outros fatores, da capacidade de floculao da biomassa ativa e da composio dos flocos formados (BENTO, et. al., 2005). Em tratamentos de efluentes a simples aerao no suficiente para tratar a gua, sendo necessrio provocar a atividades dos microorganismos, da o nome lodo ativado que tem origem na Inglaterra (activated sludge), antigamente pensava-se que a atividade provinha do lodo, mas atualmente sabe-se que a atividade vem do prprio esgoto, atravs

9 da formao de flocos, estes flocos que recebem o nome de lobo ativado (IMHOFF, 2002). Os processos biolgicos reproduzem, de certa maneira, os processos que ocorrem em um corpo d gua aps o lanamento de despejos. No corpo d gua, a matria orgnica convertida em produtos mineralizados inertes por mecanismos puramente naturais, caracterizando o assim chamado fnomeno de autodepurao. Em uma estao de tratamento de esgotos os mesmos fenmenos bsicos ocorrem, mas a diferena que h em paralelo a introduo de tecnologia. Essa tecnologia tem como objetivo fazer com que o processo de depurao se desenvolva em condies controladas (controle da eficincia) e em taxas mais elevadas (soluo mais compacta). A compreenso da microbiologia do tratamento de esgotos , portanto, essencial para a a otimizao do projeto e operao dos sistemas de tratamentos biolgicos. No passado, as estaes de tratamento eram projetadas por engenheiros tendo por base critrios essencialmente empricos. Nas timas dcadas, o carter multidiciplinar da Engenharia Sanitria tem sido reconhecido, e os bilogos tem trazido fundamentais contribuies para a compreeno do processo. O conhecimneto racional tem se expandido, com o comcomitante decrscimo do nvel de empirismo, possibilitando a que os sistemas venham a ser projetados e operados em bases mais slidas. O resultado tem sido o aumento da eficincia e a reduo nos custos (SPERLING, 1996, p.11). A massa microbiana envolvida nos processos aerbios constituida basicamente por bactrias e protozorios. Outros organismos como fungos e rotferos podem ser eventualmente encontrados, mas a sua importncia menor. A capacidade dos fungos se sobreviver em faixas de pH reduzidas e com pouco nitrognio faz com que os mesmos possam ser importantes no tratamento de certos despejos industriais. No entanto, fungos de estrutura filamentosa podem prejudicar a decantabilidade do lodo, reduzindo a eficincia do processo. Os rotferos so eficientes no consumo de bactrias dispersas e pequenas partculas de matria orgnica. A sua presena no efluente indica um eficiente processo de purificao biolgica (METCALF & EDDY, 1991 p. 30). O processo de Lodos Ativados um sistema de tratamento biolgico em que a estabilizao da matria orgnica realizada pela oxidao bacteriolgica (oxidao aerbia). O sistema de Tratamento proposto neste projeto composto de:

Gradeamento: tem por funo remover slidos grosseiros. No gradeamento, o material de dimenses maiores do que o espaamento entre as barras retido; Caixa de areia prismtica retangular por gravidade: o mecanismo de remoo da

10 areia simplesmente o de sedimentao: os gros de areia, devido s suas maiores dimenses e densidade, vo para o fundo do tanque, enquanto a matria orgnica, sendo de sedimentao bem mais lenta, permanece em suspenso, seguindo para a jusante;

Medidor de vazo efluente bruto tipo Calha Parshall: recebe o efluente sem slidos grosseiros e sem areia para medio da vazo na entrada da estao; Tanques de neutralizao: neutraliza as cargas alcalinas ou cidas do efluente a fim de manter um pH estvel na entrada do tratamento biolgico; Tanque de aerao (reator biolgico): onde ocorre a degradao da matria orgnica via ao do crescimento aerbio de microrganismos; Decantador secundrio: no decantador secundrio ocorre a sedimentao dos slidos (biomassa), permitindo que o efluente final saia clarificado. Os slidos sedimentados no fundo do decantador secundrio so recirculados para o reator, aumentando a concentrao de biomassa no mesmo, o que responsvel pela elevada eficincia do sistema;

Tanque de espuma do decantador secundrio: armazena a espuma removida do decantador secundrio; Adensador de lodo: concentra o lodo biolgico em excesso proveniente do sistema de lodos ativados; Tanque de lodo biolgico: armazena o lodo adensado a fim de alimentar a centrfuga para desidratao deste lodo; Centrfuga Decanter (sistema de desidratao de lodo biolgico): desidrata o lodo biolgico adensado a um teor de slidos acima de 20%; Tanque de efluente clarificado do adensador e centrfuga decanter: armazena o efluente clarificado do adensador e da centrfuga para recirculao no processo ou encaminhamento direto para lagoa de polimento;

Tanques de diluio de cido sulfrico: onde ocorre o preparo da soluo de cido sulfrico para dosagem no processo para neutralizao do efluente; Tanques de diluio de hidrxido de sdio: onde ocorre o preparo da soluo hidrxido de sdio para dosagem no processo para neutralizao do efluente; Tanques de diluio de nutrientes (Uria e MAP): onde ocorre o preparo da soluo de nutrientes para dosagem na entrada do tanque de aerao; Tanque de diluio de antiespumante: tanque de preparo de antiespumante para dosagem na sada da lagoa e no tanque de aerao para controle da formao de

11 espuma;

Lagoa de polimento: responsvel pelo polimento da matria orgnica residual na sada do decantador secundrio; Medidor de vazo efluente tratado tipo Calha Parshall: mede a vazo de efluente tratado para o rio.

4.2.1 Lodos ativados de aerao prolongadaNo sistema de lodos ativados convencional, o lodo permanece no sistema de 4 a 10 dias (idade do lodo). Com este perodo, a biomassa retirada no lodo excedente requer ainda uma etapa de estabilizao no tratamento do lodo, por conter ainda um elevado teor de matria orgnica biodegradvel na composio de suas clulas (SPERLING, 2005, p.305). No entanto, caso a biomassa permanea no sistema por um perodo mais longo, com uma idade do lodo da ordem de 18 a 30 dias (da o nome aerao prolongada), recebendo a mesma carga de DBO do efluente bruto que o sistema convencional, haver uma menor disponibilidade de alimento para as bactrias (SPERLING, 2005, p.305). Devido maior idade do lodo, o reator possui um maior volume (o tempo de deteno do lquido em torno de 16 a 24 horas) e, em decorrncia, uma maior quantidade de biomassa. Portanto, h menos matria orgnica por unidade de volume do tanque de aerao, e por unidade de massa microbiana. Como resultado, as bactrias, para sobreviver, passam a utilizar nos seus processos metablicos a prpria matria orgnica componente das suas clulas. Esta matria orgnica celular convertida em gs carbnico e gua atravs da respirao (SPERLING, 2005, p.305). Isto corresponde a uma estabilizao da biomassa, ocorrendo no prprio tanque de aerao. Enquanto no sistema convencional a estabilizao do lodo feita em separado (na etapa de tratamento de lodo), na aerao prolongada ela feita conjuntamente, no prprio reator. Desta forma, o fluxograma do tratamento do lodo requer apenas uma etapa de adensamento e desidratao, dispensando a etapa de digesto (estabilizao) (SPERLING, 2005, p.305). J que no h necessidade de se estabilizar o lodo biolgico excedente, procura-se evitar no sistema de aerao prolongada tambm a gerao de alguma outra forma de lodo, que venha a requerer posterior estabilizao. Deste modo, os sistemas de aerao prolongada usualmente no possuem decantadores primrios, para evitar a necessidade de se estabilizar o lodo primrio. Com isto, obtm-se uma grande simplificao no

12 fluxograma do processo: no h decantadores primrios nem unidades de digesto de lodo (SPERLING, 2005, p.305). A conseqncia desta simplificao do sistema o maior gasto de energia para a aerao, j que o lodo estabilizado aerobiamente no reator. Por outro lado, a reduzida disponibilidade de alimento e a sua praticamente total assimilao fazem com que a aerao prolongada seja um dos processos de tratamento de efluentes industriais e domsticos mais eficientes na remoo de DBO (SPERLING, 2005, p.305).

FIGURA 1. Fluxograma tpico de um sistema de Lodos Ativados com Aerao Prolongada [Fonte: SPERLING, 1996].

5. CARACTERSTICAS DO EFLUENTE A SER TRATADOAs provveis caractersticas dos efluentes gerados na planta industrial considerados para a execuo do projeto so descritos na TABELA 2. Onde so apresentadas as caractersticas de vazes mxima, mnima e mdia, como tambm a qualidade mdia dos efluentes lquidos a ser tratados na planta de tratamento de efluentes.

13 TABELA 2. Caractersticas esperadas para o efluente bruto gerados na planta industrial. Efluente Bruto Vazo mdia Vazo mxima Vazo mnima DBO 5 dias DQO Slidos Suspensos Totais (SST) Temperatura mdia pH 65,48 98,03 36,56 640 1600 718 27 7,6 m3/h m3/h m3/h mg/L mg/L mg/L C -

O mtodo utilizado para as medies de vazo do efluente industrial atravs de Calha Parshall. O mtodo utilizado para estimao da vazo de efluente sanitrio a Tabela da NBR 7229 ABNT. A periodicidade das descargas contnua.

6. BALANO HIDRAULICO E DE MASSAA fim de realizar o balano material e hidrulico do processo, foram definidas algumas variveis como Grau de Liberdade do projeto, que so descritos na TABELA 3. O balano de massa de reatores envolve a entrada e sada de materiais no reator e reaes cinticas de produo e consumo de substrato e biomassa. Como o balano de massa baseia-se na lei da conservao de massa, a quantidade de material acumulado deve ser igual quantidade de material que entra menos a quantidade que sai mais a quantidade transformada dentro de um volume qualquer. Acmulo = Entrada Sada + Produo Consumo

FIGURA 2. Representao grfica do Balano de Massa [Fonte: PILOTTO, 2004].

14 TABELA 3. Variveis de Grau de Liberdade definidos para o projeto. Grau de Liberdade Dados UN. Calha Parshall Dosagem H2SO4 ou NaOH 10 L/h Tanque de Neutralizao Tempo de deteno hidrulico (TDH) 1,5 h Tanque de Aerao (Reator Biolgico) Razo de recirculao de slidos 0,3 Coeficiente de decaimento bacteriano (kd) 0,09 d-1 Taxa de crescimento especfico mxima (max) 1,758 d-1 Constante de saturao (KS) 60 mg/L Coeficiente de produo celular (Y) 0,99 mg/mg Dosagem de antiespumante 5 L/h Concentrao antiespumante 1 % Decantador Secundrio Taxa de aplicao de slidos 9,6 kg SS/m2.d Fator de segurana decantador 100 % Percentagem de remoo de espuma 1 % Eficincia de remoo de slidos 90 % Profundidade til 3,5 m Tanque de Espuma Tempo de deteno hidrulico (TDH) 5 h Lagoa de Polimento Tempo de deteno hidrulico (TDH) 3 d Dosagem de antiespumante 5 L/h Concentrao antiespumante 1 % Adensador de Lodo Concentrao lodo removido 4 % Eficincia de adensamento 90 % Taxa de aplicao de slidos 17 kg SS/m2.d Fator de segurana adensador 100 % Profundidade til 3,5 m Centrifuga Desidratao de Lodo Eficincia remoo de slidos centrfuga 90 % Teor de slidos secos no lodo desidratado 30 % Tanque de Efluente Clarificado Adensador e Centrfuga Tempo de deteno hidrulico (TDH) 1,5 h Tanque de Lodo Biolgico Adensado Tempo de deteno hidrulico (TDH) 1,5 h O fluxograma proposto para o projeto mostrado no Anexo B, onde tambm so mostrados os valores do balano hidrulico e de massa para o sistema de tratamento especificado neste projeto (Lodos Ativados de Aerao Prolongada).

15

6.1 Cintica das ReaesNo sentido de projetar sistemas para tratamento de esgoto, necessrio conhecer o comportamento da variao da composio e da concentrao dos materiais no reator biolgico, assim como a taxa em que tais variaes ocorrem. Muitas das reaes que ocorrem em sistemas para tratamento de esgoto so lentas e sua cintica considerada importante. A equao geral que relaciona a taxa de variao da concentrao da substncia no tempo com a prpria concentrao da substncia, pode ser expressa (ARCEIVALA, 1981, p. 562):

dCA n = K A CA dt

(1)

Onde CA = concentrao da substncia reagente A (mg/L); KA = constante de reao (dia-1); n = ordem da reao (para n = 1 reao de primeira ordem, para n = 2 reao de segunda ordem, e assim por diante). Os principais fatores que podem afetar os valores de KA so: a) temperatura; b) presena de catalisadores; c) presena de substncias txicas; d) disponibilidade de nutrientes e fatores de crescimento; e) outras condies ambientais. As reaes de ordem zero (n = 0) no dependem da concentrao CA e portanto a taxa dCA/dt constante, como mostra a equao:

dC A = KA dt

(2)

Certas reaes catalisadoras ocorrem de acordo com esta cintica de ordem zero. As reaes de primeira ordem (n =1) so aquelas onde a taxa de mudana da concentrao da substncia A proporcional primeira potncia da concentrao:

dCA = K A CA dt

(3)

6.2 Memria de Clculo do Sistema de TratamentoO balano material e hidrulico foi realizado considerando o processo em regime estacionrio atravs de equaes algbricas de balano, como tambm balanos cinticos

16 no reator biolgico (tanque de aerao) e na lagoa de polimento. O dimensionamento dos equipamentos foi calculado amarrado com os balanos de massa e hidrulico, usando o MS-Excel como ferramenta de programao dos modelos matemticos. As equaes so descritas seguindo a ordem do processo.

FIGURA 3. Balano de massa dos slidos no sistema de Lodos Ativados [Fonte: SPERLING, 1996]. Para o balano de massa no sistema de Lodos Ativados, considera-se o tanque de aerao como um reator de mistura completa. Os reatores de mistura completa apresentam fluxo contnuo e ocorre uma disperso mxima das substncias que entram no reator. Desta forma, o contedo do reator homogneo e as concentraes so iguais em qualquer ponto do reator. No estado estacionrio temos a concentrao afluente constante implicando numa concentrao efluente constante, ou seja, no varia ao longo do tempo. O balano de massa para um reator de mistura completa no estado estacionrio, para uma substncia biodegradvel seguindo uma cintica de primeira ordem (dS/dt = K*S), nos fornece a seguinte equao:

d (S 0 d Vta ) = 0 = Q0 rb S 0 rb Q0 rb S 0 d K s S 0 d Vta dtOnde: S0d = concentrao de substrato (DBO) no efluente (mg/L); S0rb = concentrao de substrato (DBO) no afluente (mg/L); Q0rb = vazo no reator (m/dia);

(4)

17 Ks = taxa de remoo de substrato (dia-1); Vta = volume do reator (m). A equao (4) pode se reescrita na seguinte forma, possibilitando uma estimativa da concentrao de substrato no efluente:

S0 d =Ou:

S0 rb 1 + K s (Vta Q0 rb ) S0 rb 1 + K s TDH ta

(5)

S0 d =

(6)

Tanques quadrados ou circulares com alto grau de agitao, como por exemplo lodos ativados, usados no tratamento de esgoto com freqncia se aproximam de condies ideais de mistura completa (ARCEIVALA, 1981, p. 572). De acordo com a equao (4), o balano de massa de um reator de mistura completa considerando como compostos os microorganismos existentes, estes representando a biomassa, e o substrato afluente, teremos:

Vta

dX 0 d ' = Q0 rb X 0 rb Q0 rb X 0 d + rg Vta dt

(7)

Onde dX0d/dt = taxa de variao na concentrao de microorganismos (mg/m.dia); Vta = volume do reator (m); Q0rb = vazo de efluente no tanque de aerao (m/s); X0rb = concentrao de microorganismos no afluente (mg/m); X0d = concentrao de microorganismos no efluente (mg/m); rg = taxa de crescimento lquido (mg/m.dia); Na equao (7) e nas equaes que dela sero derivadas, a concentrao de microorganismos representada pelos slidos suspensos volteis (SSV). Esta representao parte da idia de que a poro voltil proporcional atividade da massa microbiana em questo (METCALF & EDDY, 1991, p. 376). Ao substituirmos a taxa lquida, r`g, pela expresso (8), teremos a expresso a (9):rg' = Vta mx X 0 d S 0 d (K s + S 0 d ) X 0d S 0d dX 0 d = Q0 rb X 0 rb Q0 rb X 0 d + mx k d X 0 d Vta (K s + S 0 d ) dt

(8) (9)

Onde S0d = concentrao de substrato no efluente do reator (mg/L);

18 Considerando que a concentrao de microrganismos no afluente seja praticamente inexistente e que o estado estacionrio prevalea, a equao (9) pode ser simplificada para a seguinte expresso:0 = Q 0 rb 0 Q 0 rb X 0 d + mx X 0 d S 0 d k d X 0 d Vta (K s + S 0 d )

(10) (11)

Q0 rb mx X 0 d S0 d 1 = kd = (K s + S0 d ) Vta TDH taOnde TDHta = tempo de deteno hidrulica no tanque de aerao (dias);

A equao (7) e conseqentemente a equao (9) representam o balano de massa da massa de microorganismos num reator de mistura completa. O balano de massa correspondente ao substrato expresso da seguinte maneira:

Vta

dS0 d = Q0 rb S0 rb + rSU Vta dt

(12)

Onde S0rb = concentrao de substrato no afluente (mg/m); S0d = concentrao de substrato no efluente (mg/m). Substituindo a equao (13) na equao (12) e considerando o estado estacionrio, teremos:

rSU = Vta E

k X 0 d S0 d (K s + S0 d )

(13) (14)

dS0 d k X 0 d S0 d = Q0 rb S 0 rb+ (K s + S0 d ) dt

(S0rb S0d ) TDHta k X 0d S0d = 0 ( K s + S0 d )

(15)

As concentraes no efluente do substrato e dos microorganismos podem ser obtidas atravs das equaes acima descritas, e as seguintes simplificaes podem ser realizadas: resolvendo a equao (11) pelo termo S0rb/(Ks + S0rb), substituindo-a na equao (15) e simplificando pelo termo k = mx/Y, teremos a seguinte expresso para a concentrao no efluente de microorganismos:

X 0d =

Y (S0 rb S0 d ) (1 + kd TDHta )

(16)

A expresso para a concentrao no efluente do substrato pode ser obtida igualando as equaes (15) e (16):

19

S0 d =

K s (1 + TDH ta kd ) TDH ta (Y k kd ) 1

(17)

As equaes (16) e (17) podem ser utilizadas para fazer uma previso da qualidade final do efluente na sada do tanque de aerao e entrada no decantador secundrio, quando os coeficientes cinticos so conhecidos ou estimados. Neste projeto foram estimados os valores dos coeficientes cinticos, atravs de dados Tabelados na literatura, no entanto se faz necessrio um estudo cintico do efluente a ser tratado em carter experimental, a fim de se determinar experimentalmente os valores dos coeficientes cinticos. Para o balano hidrulico e de massa na sada do reator biolgico e entrada do decantador secundrio, teremos:

Q0d = Qr + Q0rb Qsd = Q0rb Qex Q0d = Qu + Qsd X 0d Q0d = X uQu + X sd QsdQr = Qsd ( X sd + X 0 d ) ( X 0d X r )

(18) (19) (20) (21) (22) (23)

Xr =

X 0 d (R + 1) R

Onde R a razo de recirculao de slidos do decantador para o tanque de aerao, sendo este definido como 0,3. Para o balano do excesso de lodo biolgico removido do sistema, tem-se:

Qex =

Vta X v IL X r

(24)

Balano total e de componentes na entrada da lagoa de polimento, levando em considerao o retorno de efluente clarificado do adensador e centrfuga (filtrado removido do lodo), tem-se:

Qec = Qsa + Qsc X ecQec = X saQsa + X scQscX ec =

(25) (26) (27)

( X saQsa + X scQsc ) (Qsa + Qsc )

20 Balano de massa total e no componente para a sada do adensador de lodo, lodo adensado, tem-se:

Qsa = Qex + Qesp Qla X ex Qex = X la Qla + X sa Qsa X esp QespSubstituindo a equao (28) na (29) e isolando Qla, tem-se:

(28) (29)

Qla =

X ex Qex X sa Qex X sa Qesp + X espQesp X la X sa

(30)

Balano de massa total e nos componentes para o lodo desidratado na sada da centrfuga, tem-se:

Qcs = Q0c Qld X ld Qld = X 0c Q0c X sc QscSubstituindo a equao (31) na (32) e isolando Qld, tem-se:Qld = Q0 c ( X 0 c X sc ) X ld X sc

(31) (32)

(33)

As concentraes de slidos na sada do efluente clarificado do decantador secundrio, do adensador e da centrfuga decanter foram estimadas atravs da eficincia de remoo de slidos, definidas como grau de liberdade do projeto atravs das equaes:

X Eds X sd = X 0 d 0 d 100 X Ead X sa = X ex ex 100 X Ec X sc = X 0c 0c 100 decantador secundrio, do adensador de lodo e da centrfuga decanter.

(34) (35) (36)

Onde: Eds, Esd, Ec so respectivamente as eficincias de remoo de slidos do Para a necessidade de nutrientes, a biomassa formada atravs da decomposio de material orgnico contm 12,3% de nitrognio e 2,6% de fsforo (JOHAN e HANNU, 2000). Conforme aumenta a idade do lodo e da biomassa, o seu teor em nitrognio cai para 7% e os seus contedos de fsforo para 1%. Estes valores podem ser usados para calcular o nitrognio e fsforo requeridos no processo, como segue.

Nitrognio (kg d ) =

0,123 X v 0,07(0,77 f b )X v + 0,77 0,77

(37)

21

Fosforo (kg d ) =

0,026 X v 0,01(0,77 f b )X v + 0,77 0,77

(38)

Onde Xv a produo de excesso de lodo, kg SSV/d. Fazendo-se o balano para a lagoa de polimento, considerou-se um comportamento de um reator biolgico de fluxo disperso anaerbio. Segundo FONSECA (2005), o comportamento hidrodinmico de uma lagoa de polimento no obedece aos regimes ideais de mistura completa e de fluxo em pisto. Na verdade, se estabelece um regime hidrulico intermedirio denominado fluxo disperso, no qual o nmero de disperso, o coeficiente de remoo de matria orgnica e o tempo de deteno so as variveis (FONSECA, 2005). Atravs da equao (39), pode-se determinar a coeficiente de remoo de matria orgnica (DBO residual na sada da lagoa).S slp = S 0 lp 4 ae

( 1 2 d )2

(1 + a )

2

e

(a 2d )

(1 a ) e

( a 2d )

(39) (40)

a = 1 + 4 Klp TDHlpOnde S0lp a concentrao de DBO total afluente (mg/L); Sslp concentrao de substrato (DBO) no efluente (mg/L); Klp o coeficiente de remoo de DBO, para 20C (d-1); TDHlp o tempo de deteno hidrulico (dias); d o nmero de disperso.

O coeficiente de remoo de matria orgnica (Klp), para lagoas com fluxo disperso a 20C, pode ser obtido por meio de uma equao, proposta por Vidal (1983) apud FONSECA (2005), que leva em considerao apenas a taxa de aplicao de carga orgnica (CO0lp). No entanto neste projeto optou-se pela equao proposta por Mara e Silva (1979) apud FONSECA (2005), que desenvolveram uma equao, equao (41), semelhante a partir de dados de lagoas-piloto da Universidade Federal da Paraba que utiliza o tempo de deteno hidrulico (TDHlp) como parmetro de calculo.K lp = 0 ,527 (1 + 0 ,052 TDH lp )

(41)

Considerou-se, tambm neste projeto, que a concentrao de slidos no efluente da lagoa de polimento estimada atravs das mesmas equaes de balano para um reator de mistura perfeita utilizadas no tanque de aerao, equao (16). Nas TABELAS 4, 5, 6, 7, 8 e 9 so mostrados todos os resultados calculados nos balanos em cada equipamento do sistema de tratamento proposto.

22 TABELA 4. Dados calculados no balano do sistema de Lodos Ativados projetado. Entrada Reator Biolgico (Tanque de Aerao) Q0rb 65,49 m3/h X0rb 718,00 g/m3 M0rb 47,02 kg/h S0rb 640,0 g/m3 CO0rb 41,91 kg DBO/h pH0rb 6,80 Entrada de Ar no Tanque de Aerao Qar 3749,011 m3 Ar/h EO 1,303 kg O2/kW.h rhoar 1,157 kg/m3 Entrada Decantador Secundrio Q0d 77,50 m3/h X0d 515,16 g/m3 M0d 42,42 kg/h S0d 60,60 g/m3 CO0d 4,70 kg DBO/h Sada Decantador Secundrio Qsd 60,31 m3/h Xsd 25,76 g/m3 Msd 1,55 kg/h Ssd 60,60 g/m3 COsd 3,65 kg DBO/h Lodo Biolgico Removido do DS Qu 17,19 m3/h Xu 2232,38 g/m3 Mu 38,37 kg/h Su 60,60 g/m3 COu 1,04 kg DBO/h Retorno de Lodo para Tanque de Aerao Qr 12,01 m3/h Xr 2232,38 g/m3 Mr 26,81 kg/h Sr 60,60 g/m3 COr 0,73 kg DBO/h Excesso de Lodo Removido para Adensador Qex 5,18 m3/h Xex 2232,38 g/m3 Mex 11,56 kg/h Sex 60,60 g/m3 COex 0,31 kg DBO/h

23 TABELA 5. Dados calculados no balano hidrulico e de massa para a Lagoa de Polimento. Entrada para Lagoa de Polimento Q0lp X0lp M0lp S0lp CO0lp 66,06 47,37 3,13 60,60 4,00 m3/h g/m3 kg/h g/m3 kg DBO/h m3/h g/m3 kg/h g/m3

Filtrado do Adendador e Centrifuga para Lagoa de Polimento Qec Xec Mec Sec 5,75 274,20 1,58 60,60

TABELA 6. Dados calculados no balano hidrulico e de massa para o Adensador de Lodo. Sada de Espuma do DS para Adensador Qesp 0,6 m3/h m3/h g/m3 kg/h m3/h g/m3 kg/h

Sada de Lodo Adensado Qla Xla Mla 0,27 40000,00 10,94

Sada Filtrado Clarificado do Adensador Qsa Xsa Mas 5,51 111,62 0,61

24 TABELA 7. Dados calculados no balano hidrulico e de massa para a Centrfuga Decanter. Entrada de Lodo na Centrfuga Q0c X0c M0c 0,27 40000,00 10,94 m3/h g/m3 kg/h m3/h g/m3 kg/h m3/h g/m3 kg/h kg SS/d

Sada de Filtrado Clarificado da Centrfuga Qsc Xsc Msc 0,24 4000,00 0,96

Sada de Lodo Desidratado da Centrfuga Qld Xld Mld CS 0,033 300000 9,982 239,57

TABELA 8. Dados calculados no balano hidrulico e de massa para os Produtos Qumicos requeridos (Nutrientes). Dosagem necessria de N e P Qnut QN QP Qtotal 50 2,08 0,42 2,50 L/h kg/h kg/h kg/h

Requisitos de Nutrientes N P 4,952 1,009 kg N/100 kg DBO kg P/100 kg DBO

gua Diluio para os Produtos Qumicos Qad 70 L/h

25 TABELA 9. Dados calculados no balano hidrulico e de massa da sada final do efluente tratado para o rio. Sada da Lagoa de Polimento para o Rio Qslp Xslp Mslp Sslp COslp ESt EXt 66,06 39,64 2,62 9,65 0,637 98,49 94,48 m3/h g/m3 kg/h g/m3 kg DBO/h % %

De acordo com o balano material e hidrulico realizado para este projeto, podese verificar que a qualidade calculada para o efluente tratado a ser lanado no corpo receptor atente s regulamentaes exigidas pelo CONAMA fiscalizado no Paran pelo IAP. O valor calculado no projeto para o DBO de 9,65 mg/L, obtendo, assim, uma reduo de DBO de 98,5%.

6.3 Caractersticas Finais do Efluente TratadoDe acordo com as simulaes e definies das premissas do projeto, as seguintes caractersticas podem ser esperadas no efluente lquido tratado para o corpo receptor.

pH: entre 6,5 a 8,5; Temperatura: inferior a 40 C; Slidos em suspenso: inferior a 40 mg/L; Oxignio dissolvido (OD): inferior a 4,0 mg/L; DBO: inferior a 10 mg/L; BQO: inferior a 330 mg/L; Regime de lanamento: vazo mxima de at 1,5 vezes a vazo mdia do perodo de atividade diria; Materiais flutuantes: virtualmente ausente.

Sendo assim, esses valores atendem a legislao ambiental vigente, de acordo com a lei do CONAMA 357/2005, captulo III, Seo 2, Art. 16 (Anexo A).

26

7. DIMENSIONAMENTO DOS EQUIPAMENTOSO dimensionamento dos equipamentos foi calculado considerando uma rea total disponvel de 72.600 m2. Para a implantao deste projeto a rea construda ser de 3.600 m2. Portanto, restar uma rea livre total de 69.000 m2 de rea.

7.1 Tratamento PreliminarTem por principal objetivo a remoo de grande parte dos slidos grosseiros que por ventura cheguem ETE, pois estes slidos podem causar danos aos equipamentos posteriores. Para o dimensionamento do tratamento preliminar ou pr-tratamento, alguns parmetros descritos na TABELA 10, foram definidos. TABELA 10. Dados pr-definidos para dimensionamento do tratamento preliminar. Gradeamento Espessura das barras (espe b) 0,01 m Espaamento entre as barras (espa b) 0,025 m Inclinao da grade 45 Velocidade passagem grade 0,6 m/s Material retido nas grades 0,023 L/m3 Caixa de Areia Velocidade horizontal de fluxo 0,3 m/s Velocidade sedimentao areia 2,0 cm/s Taxa de areia retida 0,04 L/m3 Altura de areia depositada 0,3 m Material de construo concreto armado Calha Parshall (2 UN.) Garganta 9 pol. Constante de projeto (n) 1,53 Constante de projeto (K) 1926 Material de construo PRFV Seguindo a sequncia do fluxograma do projeto, as equaes aplicadas para os clculos de dimensionamento, foram:

Gradeamento: efluente bruto equalizado, entrada na estao de tratamento.

espa b Eg = 100 (espe b espa b )

(42)

27

Au = As =

Qmx vg Au Eg

(43)

(44) (45) (46) (47) (48) (49) (50)

hmx = H mx ZB= As hmx

Ne =

(espa b + espe b )Qmx (hmx B Eg )

(B espe b )

Nb = Ne + 1vg =

vc =

Qmx (hmx B )

2 vg vc2 hl = 19 ,62

(

) 1,4286

(51)

2 2 vg vc2 ho = 19,62

(

) 1,4286

(52)

Caixa de Areia: efluente equalizado sem slidos grosseiros, decantador de areia.Acx = B cx = Qmx v cx Acx h mx

(53) (54) (55) (56) (57) (58) (59)

L = 25 hmxTes = Qmx Bcx L

Vareia =

(Tareia Qeb )1000Vareia (L Bcx )

H areia =I=

H dep H areia

28

Calha Parshall (2 unidades): medidor de vazo de efluente bruto e do efluente final tratado para o rio.1

H mx

Q = mx K

n

(60)

Q H min = min K Z=

1

n

(61) (62)

[(Qmx H min ) (Qmin H mx )] (Qmx Qmin )

Os tamanhos das Calhas Parshall so designados pela largura da garganta (trecho contrado). A norma vigente no Brasil a norma NBR/ISO9826:2008. Porm, tendo em vista ser uma norma relativamente nova, a grande maioria das calhas Parshall existentes obedecem norma ASTM 1941:1975. Os valores de dimensionamento e projetos das Calhas Parshall so mostrados na FIGURA 4 e na TABELA 11.

FIGURA 4. Relaes de dimensionamento das Calhas Parshall, segundo norma ASTM 1941:1975.

29 TABELA 11. Dimensionamento das Calhas Parshall segundo norma ASTM 1941:1975. DimensesW A (in) (mm) 9 880 2/3 B C D E T G K M N P R X Y A (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) 587 864 381 575 762 305 457 76,2 305 114,3 1080 406 50,8 76,2

Na TABELA 12 so mostrados os valores calculados para o dimensionamento do tratamento preliminar, compreendendo os equipamentos j descritos. TABELA 12. Dados calculados para dimensionamento do tratamento preliminar. Eg Au As hmx B Ne Nb vg vc hl ho A Bcx L Tes Vareia Hareia I Hmx Hmin Z Gradeamento 0,714 0,045 0,064 0,108 0,587 16 17 0,600 0,429 0,013 0,039 Caixa de Areia 0,091 0,839 2,705 1036,8 0,063 0,028 11 Calha Parshall 0,143 0,075 0,035

m2 m2 m m m/s m/s m m m2 m m m3/m2.d m3/d m dias m m m

7.2 Tratamento Secundrio e de LodoO tratamento secundrio tem como principal objetivo reduzir a DBO (demanda bioqumica de oxignio) solvel, utilizando processos de oxidao biolgica, esse tipo de

30 tratamento remove a maior parte os compostos orgnicos presentes numa gua residual e a remoo de matria orgnica por degradao biolgica acarreta um consumo de oxignio e um crescimento microbiano. Para o dimensionamento do tratamento secundrio, alguns parmetros descritos nas TABELAS 13, 14 e 15, foram definidos. TABELA 13. Dados pr-definidos para dimensionamento dos tanques de neutralizao, do tanque de aerao, do decantador secundrio e da lagoa de polimento. Tanques de Neutralizao Tipo misturadores Turbina eixo vertical Potncia misturadores (2x) 5 CV Material de construo concreto armado Tanque de Aerao (Reator Biolgico) DBOafl (S0) 640 mg/L SSVTA (Xv) 3500 mg/L Idade do Lodo (c) 25 dias Profundidade til 5 m Comprimento 28 m Largura 14,15 m Espessura das paredes 0,3 m Espessura laje de fundo 0,3 m Material de construo Concreto armado Custo aproximado concretagem 1100 R$/m3 Necessidade especfica de O2 30 kg O2/kg DBO Concentrao de O2 no ar (Cg) 299,3 g O2/m3 Massa especfica do ar 1,2 kg/m3 Porcentagem de O2 no ar 23,2 % Perda de carga sistema de ar 0,02 m Eficincia do motor e soprador 80 % Presso soprador de ar 100000 Pa Rendimento do soprador de ar 8 % Decantador Secundrio Inclinao do fundo 01:12 Potncia bomba de lodo 5 CV Presso bomba de lodo 20 mca Tipo bomba de lodo deslocamento positivo Lagoa de Polimento Material barragem de argila compactada Comprimento lagoa 48 m Largura lagoa 25 m Profundidade til 4 m Profundidade total 4,5 m

31 TABELA 14. Dados pr-definidos para dimensionamento do adensador, da centrfuga, dos tanques de espuma, de filtrado e de lodo. Adensador de Lodo Massa especfica do lodo adensado 1030 kg/m3 Tipo bomba extrao lodo deslocamento positivo Potncia bomba extrao lodo 1 CV Presso bomba de lodo 15 mca Centrifuga Desidratao de Lodo Tipo centrfuga Decanter Modelo PIERALISI FP 600 2RS/M Potncia requerida 11 kW Rotao 4100 RPM Relao L/B 2,62 Dimetro do tambor 353 mm Tanque de Espuma Tipo bomba de espuma Centrfuga Potncia bomba de espuma 0,5 CV Presso bomba de espuma 10 mca Tipo misturador Turbina eixo vertical Potncia misturador 5 CV Material de construo PRFV Tanque de Efluente Clarificado: Adensador e Centrfuga Tipo misturador Turbina eixo vertical Potncia misturador 2 CV Tipo de bomba Centrfuga Potncia da bomba 0,5 CV Presso da bomba 10 mca Material de construo PRFV Tanque de Lodo Biolgico Adensado Tipo misturador Turbina eixo vertical Potncia misturador 7,5 CV Tipo bomba de transferncia deslocamento positivo Potncia bomba de transferncia 1 CV Presso bomba 15 mca Material de construo PRFV

32 TABELA 15. Dados pr-definidos para dimensionamento dos tanques de produtos qumicos. Tanque de diluio de H2SO4 Quantidade 2 tanques Volume 500 L Material Fibra de vidro Potncia misturador 2 CV Tipo bomba dosadora diafragma pneumtica Vazo bomba dosadora 50 L/h Presso bomba dosadora 12 mca Potncia bomba dosadora 0,5 CV Tanque de diluio de NaOH Quantidade 2 tanques Volume 500 L Material Fibra de vidro Potncia misturador 2 CV Tipo bomba dosadora diafragma - pneumtica Vazo bomba dosadora 50 L/h Presso bomba dosadora 12 mca Potncia bomba dosadora 0,5 CV Tanque de diluio de Uria de MAP Quantidade 2 tanques Volume 500 L Material Fibra de vidro Potncia misturador 2 CV Tipo bomba dosadora diafragma pneumtica Vazo bomba dosadora 50 L/h Presso bomba dosadora 12 mca Potncia bomba dosadora 0,5 CV Tanque de diluio de Antiespumante Quantidade 1 tanques Volume 500 L Material Fibra de vidro Potncia misturador 2 CV Tipo bomba dosadora diafragma - pneumtica Vazo bomba dosadora 50 L/h Presso bomba dosadora 12 mca Potncia bomba dosadora 0,5 CV

33 Todos os tanques deste projeto, com exceo do sistema de lodos ativados (tanque de aerao) e da lagoa de polimento, so considerados de desenho cilndrico. Sendo assim, esses tanques podem ser projetados seguindo as relaes geomtricas apresentadas na FIGURA 5. Os tanques projetados por este mtodo so:

Tanques de neutralizao; Tanque de espuma do decantador secundrio; Tanque de lodo biolgico do adensador de lodo; Tanque de efluente clarificado do adensador e centrfuga decanter; Tanques de diluio de cido sulfrico; Tanques de diluio de hidrxido de sdio; Tanques de diluio de nutrientes (Uria e MAP); Tanque de diluio de antiespumante;

FIGURA 5. Simbologia adotada para o projeto dos tanques cilndricos do processo. As equaes de projeto dos tanques so apresentadas a seguir, sendo relaes geomtricas normalmente adotadas para projeto de agitadores e dimensionamento de tanques cilndricos.

H =1 T L 1 = D 4 C 1 = T 3

(63) (64) (65)

34

D 1 = T 3 w 1 = D 5 Bw 1 = T 10 w 1 = T 15tratamento secundrio, as equaes aplicadas so descritas a seguir:

(66) (67) (68) (69)

Dando sequncia para o dimensionamento dos demais equipamentos do Tanques de Neutralizao: Muitos efluentes industriais contm elevadas cargas cidas ou alcalinas que requerem neutralizao antes de serem submetidas a tratamento biolgico, ou antes, de serem descarregadas. No tratamento biolgico, o pH dever estar entre 6,5 a 8,5, para garantir uma atividade microbiana tima.

Vn = Qeb TDHn

(70)

Tanque de Aerao (Reator Biolgico): onde ocorre a oxidao biolgica da matria orgnica pelo processo de lodos ativados.TDH ta = Q 0 rb V nta

(71) (72) (73) (74) (75) (76) (77) (78) (79) (80)

Vnta =

Q0 rb S0 rb X v (F M ) Q0 rb S0 rb Vta X v

F M= IVL =

X 0 rb 1000 Xv

D = 11012 T 2 + 1,0 1011 T + 1,0 1009xp = D TDH

Cs = 14,652 4,1022 101 T + 7 ,9910 103 T 2 7 ,7774 105 T 3

DTO = 1,42 Y Q0d (S0rb S0d ) + (1,42 fb kd X v Vnta )NO = Qar = DTO CO0 rb DTO 0 ,232 1,2 s

35

EO =

DTO PtaPar 28 ,97 8314 TK

(81) (82)

rho ar =

Para a aerao por ar difuso, a potncia requerida para os sopradores pode ser expressa em termos da vazo de ar e da presso a ser vencida, da seguinte forma (PPEL, 1979 apud SPERLING, 2005).Pta = Q ar l g (d i + H ar ) s 0,75

(83)

Onde: Pta a potncia requerida (CV);

l o peso especfico do lquido (1000 kg/m3);g a acelerao da gravidade (9,81 m/s2); di a profundidade de imerso dos difusores (m);

Har a perda de carga no sistema de distribuio de ar (m); s a eficincia do motor e do soprador.As funes bsicas de um sistema de aerao, na maioria dos sistemas de tratamento com aerao, so (SPERLING, 1996): a) Oxigenao do efluente em tratamento; b) Mistura do lquido, de forma a manter a biomassa em suspenso. Para a consecuo do segundo objetivo, necessrio a introduo de uma potncia suficiente por unidade de volume, para impedir que os slidos sedimentem. Esta relao representada atravs do conceito da densidade de potncia (DP), expressa como:

DP =

Pta 0,75 1000 Vta

(84)

Quanto maior a densidade de potncia, maior a quantidade de slidos em suspenso que ficam dispersos no meio lquido.

IL =

X v Vnta Qex X r

(85) (86) (87)

k=

mx YY (S 0 rb S 0 d ) IL 1 + k d IL TDH

Xv =

EDBOt = 100 1 0,70 TDH 0 ,50

(

)

(88)

36E DQOt = 100 1 0 ,68 TDH 0 ,35

(

)

(89) (90)

fb =

0,8 1 + 0,2 kd IL

Onde EDBOt e EDQOt, so respectivamente as eficincias tericas de remoo de DBO e DQO calculadas empiricamente.

Decantador Secundrio: remove os slidos presentes no lodo do tanque de aerao;

TAH ds = TDH ds =Ads = Dds =

Q0 d Ads Vds Q0 d

(91) (92) (93) (94) (95)

M 0d fs TAS ds 4 Ads

Vds = Ads hdsOnde fs o fator de segurana definido para o projeto; TAHds a taxa de aplicao de hidrulica do decantador secundrio; Dds o dimetro do decantador secundrio.

Lagoa de Polimento: tem por objetivo alcanar um certo polimento na qualidade do efluente, em termos de remoo de matria orgnica.

Vnlp = Qmx TDH lp

(96) (97)

As =

Vnlp hulp Vnlp Q0lp hlp TDHlp

TDHlp = TAHlp =d=

(98)

(99) (100) (101)

(L B ) 2 0,261 + 0,254 (L B ) + 1,014 (L B )

a = 1 + 4 Klp TDHlp

Onde d o nmero de disperso da lagoa, calculado segundo YANEZ (1993) apud SPERLING (2000).

37

Tanque de Espuma: recolhe a espuma formada no decantador secundrio;

Vesp = Qesp TDH esp

(102)

Adensador de Lodo por gravidade: desidrata parcialmente o lodo em excesso do sistema de lodos ativados;

TAH ad = TDH ad =Aad = Dad =

Qex Aad Vad Qex

(103) (104) (105) (106) (107)

M ex fs TAS ad 4 Aad

Vad = Aad hadOnde fs o fator de segurana definido para o projeto; TAHad a taxa de aplicao de hidrulica do adensador; Dad o dimetro do adensador.

Tanque de Efluente Clarificado do Adensador e Centrfuga: recolhe e armazena o filtrado clarificado do adensador e centrfuga para retorno ao processo.

Vec = Qec TDHec

(108)

Tanque de lodo adensado: recolhe e armazena o lodo biolgico adensado com teor de slidos com aproximadamente 4%;

Vec = Q0c TDHla

(109)

Nas TABELAS 16 a 24, a seguir so mostrados os resultados dos dimensionamentos de todos os equipamentos pertencentes ao tratamento secundrio e tratamento do lodo biolgico.

38 TABELA 16. Dados calculados para os tanques de neutralizao. Tanque 1 Neutralizao Vn1 49,116 m3 Tn1 3,969 m Hn1 3,969 m Dn1 1,323 m Ln1 0,331 m Cn1 1,323 m Bwn1 0,397 m wn1 0,265 m Ttotal Htotal Volume Total Tanque 2 Neutralizao Vn2 49,116 m3 Tn2 3,969 m Hn2 3,969 m Dn2 1,323 m Ln2 0,331 m Cn2 1,323 m Bwn2 0,397 m wn2 0,265 m 7,94 m 3,97 m 98,23 m3

TABELA 17. Dados calculados para o dimensionamento do tanque de aerao (reator biolgico). Tanque de Aerao (Reator Biolgico Aerbio) TDH Vnta Vta F/M IVL D xp Cs NO DTO Pta DP Ppa IL K Xv EDBOt EDQOt EDBO Xv fb S0/X0 30,25 1981,00 1981,00 0,145 205,10 2,00 x 10-9 0,026 7,87 1,99 2003,95 85,47 32,36 42,74 25,00 1,78 3500,69 87,27 79,38 90,53 277,39 0,552 0,891 h m3 m3 kg DBO5/kg SSVTA.d mL/g m2/s m mg/L kg O2/kg DBO kg O2/d CV W/m3 CV Dias d-1 mg/L % % % kg/d kg/kg -

39 Na TABELA 18, so mostrado os valores calculados de projeto para o tempo de deteno hidrulico (TDH), para a taxa de aplicao hidrulica ou taxa de escoamento superficial, da rea, do dimetro e do volume do decantador secundrio. TABELA 18. Dados calculados para o dimensionamento do decantador secundrio. Decantador Secundrio TAHds TDHds Ads Dds Vds 0,365 9,580 212,12 16,43 742,40 m3/m2.h h m2 m m3

TABELA 19. Dados calculados para o dimensionamento da lagoa de polimento. Vnlp Vulp As TDHlp Hlp L/B TAHLP d Klp a Lagoa de Polimento 4756,13 4800,0 1189,03 3,03 4,00 1,92 1,32 0,48 0,46 1,92 m3 m3 m2 dias m m m/d d-1 -

TABELA 20. Dados calculados para o dimensionamento do tanque de espuma do decantador secundrio. Tanque de Espuma Vesp 3,016 m3 Tesp 1,566 m Hesp 1,566 m Desp 0,522 m m Lesp 0,130 m Cesp 0,522 m Bwesp 0,157 m wesp 0,104

40 Para o adensador de lodo, as mesmas consideraes so vlidas do decantador secundrio, sendo o que diferencia os dois equipamentos que o decantador possui um raspador mecnico de lodo e o adensador trabalha somente por ao da gravidade. TABELA 21. Dados calculados para o dimensionamento do adensador de lodo. TAHad TDHad Aad Dad Vad Adensador de Lodo 0,159 m3/m3.h 22,061 h 32,63 m2 6,45 m 114,22 m3

TABELA 22. Dados calculados para o dimensionamento do tanque de efluente clarificado do adensador e centrfuga. Tanque de Efluente Clarificado do Adensador e Centrfuga Vec Tec Hec Dec Lec Cec Bwec wec 8,621 2,222 2,222 0,741 0,185 0,741 0,222 0,148 m3 m m m m m m m

TABELA 23. Dados calculados para o dimensionamento tanque de lodo adensado. Tanque de Lodo Adensado Vla Tla Hla Dla Lla Cla Bwla wla 1,368 1,203 1,203 0,401 0,100 0,401 0,120 0,080 m3 m m m m m m m

41 TABELA 24. Dados calculados para o dimensionamento dos tanques de diluio de produtos qumicos. Tanques de Produtos Qumicos Vac Tac Hac Dac Lac Cac Bwac wac 0,500 0,860 0,860 0,287 0,072 0,287 0,086 0,057 m3 m m m m m m m

8. OPERAO DO SISTEMA DE TRATAMENTO 8.1 Organograma da EmpresaOs funcionrios para a operao da planta de tratamento devero ser quatro operadores de nvel tcnico (um por turno), mais um supervisor no horrio administrativo de nvel superior (engenheiro). A manuteno do sistema de tratamento ser realizada pelas equipes de manuteno geral da fbrica.

GERENTE INDUSTRIAL

SUPERVISOR

OPERADOR DA ETE

FIGURA 6. Organograma proposto para a operao da planta de tratamento.

42

8.2 Recomendaes de OperaoO laboratrio de um sistema de efluentes est como o corao para o ser humano, pois quem controla os fluxos e d condies de vida ao sistema biolgico. Se o corao no pulsa a vida cessa. Se o laboratrio no analise e interpreta as amostras, a vida tambm cessa. Assim sendo, os dados fornecidos pelo laboratrio devem ser utilizados continuamente nas tomadas de decises visando o bom funcionamento da Estao de Tratamento de Efluentes (ETE). Vrios parmetros so utilizados para avaliao do desempenho da ETE e a cada resultado se associa uma interpretao e uma ao para manter ou corrigir a vida da biologia no sistema. O objetivo principal do sistema de tratamento remover a matria orgnica do despejo, oxidando-a e estabilizando-a de tal maneira que minimizar qualquer efeito que sua descarga poder causar ao meio ambiente. Para o operador da ETE alcanar este objetivo necessrio conhecer.

A qualidade de matria orgnica (alimento ou DBO); A qualidade dos microorganismos (atividade biolgica); A temperatura ideal para o desenvolvimento da atividade biolgica; A concentrao de nutrientes (nitrognio e fsforo); O tempo de deteno hidrulico e a vazo de efluente. Portanto os operadores devem manter os itens acima sob controle e numa faixa

ideal, para que o objetivo do processo seja atingido. O tratamento biolgico projetado para aceitar pequenas variaes do despejo liquido industrial (at 20 % acima dos dados de projeto). Ajustes no processo devem ser realizados pelo operador sempre que houver necessidade, para que a operao seja eficiente e econmica. Os seguintes parmetros devem ser controlados pelo operador. TABELA 25. Parmetros a serem controlados pelo laboratrio e operador da ETE. pH DBO DQO SS Temp. SST Efluente Bruto Tanque de Aerao Decantador Secundrio Lodo de Recirculao X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X OD N X X X P X X X X Microscopia

43

9. AVALIAO DA VIABILIDADE ECONMICAAlm de atender s questes ambientais, uma instalao de tratamento de efluentes de lodos ativados deve ser eco-eficiente. Para tanto, necessrio que operacionalmente tanto o balano hidrulico quanto o de massas sejam favorveis e que o investimento feito tenha retorno. Os custos do tratamento de efluentes variam amplamente com as caractersticas do efluente, processo adotado, clima, critrios de projeto, condies locais e custos locais unitrios de mo de obra, materiais, terreno e energia (SPERLING, p. 398, 2005). A estimativa de custos deve compreender o levantamento dos custos de implantao e os custos anuais de operao (distribudos no tempo) (ARCEIVALA, 1981). Os custos anuais de operao compreendem:

Juros de emprstimo para execuo do projeto; Amortizao dos emprstimos; Depreciao da ETE; Seguro da ETE; Custos de operao e manuteno da ETE. Para comprovar a viabilidade econmica deste projeto, optou-se por um

comparativo de dois cenrios diferentes, sendo que o primeiro cenrio foi calculado a viabilidade econmica do projeto proposto e o segundo cenrio considera uma situao no qual no exista tratamento especifico para os efluentes gerados na planta industrial, atravs do mtodo do valor presente total.

9.1 Cenrio 1: Projeto ETE Lodos AtivadosOs custos de implantao estimados do projeto da estao de tratamento de efluentes esto descritos na TABELA 26. TABELA 26. Estimativa de custos para implantao do projeto da ETE. Equipamentos eletromecnicos Movimentao de terra (terraplanagem) Construo civil Total 700.000,00 180.000,00 500.000,00 1.380.000,00 R$ R$ R$ R$

44 O custo de operao foi estimado atravs do consumo de energia eltrica total, do consumo estimado de produtos qumicos e dos recursos humanos da planta de ETE projetada. O consumo de energia eltrica requerida para a operao da planta projetada mostrada na TABELA 27. Somando as potncias requeridas de todos os equipamentos eltricos existentes na planta, e utilizando ento, um valor de tarifa de energia eltrica mais impostos, segundo a Copel de 0,6558 R$/kW.h, tm-se um valor do custo operacional de energia eltrica por ms na ETE. TABELA 27. Custos previstos com energia eltrica requerida para os equipamentos eletromecnicos da ETE. Energia Eltrica Potncia Misturador dos Tqs. de Neutralizao Potncia Bomba de Lodo do Decentador Secundrio Potncia Bomba Tq. de Espuma Potncia Misturador Tq. de Espuma Potncia Bomba de Lodo do Adensador Potencia Motor da Centrifuga Potncia Misturador Tq. de Filtrado Potencia Bomba Tq. de Filtrado Potncia Misturador Tq. de Lodo Potencia Bomba Tq. de Lodo Potncia Misturador Tq. de cido Sulfrico Potncia Bomba Dosadora Tq. de cido Sulfrico Potncia Misturador Tq. de Soda Caustica Potncia Bomba Dosadora Tq. de Soda Caustica Potncia misturador Tq. de Nutrientes Potncia Bomba Dosadora Tq. de Nutrientes Potncia Misturador Tq. de Antiespumante Potncia Bomba Dosadora Tq. de Antiespumante Potncia Requerida para os Sopradores de Ar Potncia Total Requerida Consumo de Energia Requerida por Ms Custo Unitrio de Energia Eltrica Custo Total de Energia Eltrica Custo Total de Energia Eltrica por Ano Potncia requerida 7,500 kW 3,750 kW 0,375 kW 3,750 kW 0,750 kW 11,000 kW 5,625 kW 0,750 kW 5,625 kW 3,750 kW 1,500 kW 0,375 kW 1,500 kW 0,375 kW 1,500 kW 0,375 kW 1,500 kW 0,375 kW 64,106 kW 114,481 kW 82426,141 kW.h/ms 0,6558 R$/kW.h 54.055,06 R$/ms 648.660,76 R$/ano

Na TABELA 28 so demonstrados os custos totais estimados de recursos humanos e de produtos qumicos para a operao da planta de ETE. As estimativas dos custos operacionais para este projetos so bastante variveis,

45 devido grande variao prevista para as vazes e caractersticas do efluente gerados no processo fabril. Custos de manuteno e outros custos indiretos no foram aqui considerados, pois sua estimao muito incerta e varivel. TABELA 28. Custos estimados de produtos qumicos e recursos humanos. Produtos Qumicos kg/ms cido Sulfrico 98% 300,00 Soda Caustica 98% 100,00 Uria 1494,47 MAP (fosfato de monoamnio) 304,59 Antiespumante 10,00 Custo Total de Produtos Qumicos (R$/ms): Custo Total de Produtos Qumicos (R$/ano): Recursos Humanos Salrio (R$) Operador Turno 1 600,00 Operador Turno 2 600,00 Operador Turno 3 600,00 Operador Turno 4 600,00 Engenheiro Supervisor 3000,00 Custo Total por Ms: 5.400,00 Custo Total por Ano: 64.800,00 R$/kg 0,750 0,068 0,712 7,000 5,000 R$/ms 225,00 6,79 1064,06 2132,11 50,00 3.477,97 41.735,58

R$/ms R$/ano

Portanto os custos totais para a operao da planta, estimados segundo demonstrado nas TABELAS 27 e 28, ficam em torno de:

Custo Total por Ms: R$ 62.933,03; Custo Total por Ano: R$ 755.196,34. Considerando um investimento total de R$ 1.380.000,00, o custo total de

operao da planta por ano de R$ 755.196,34 e estimando uma depreciao linear em 10 anos e uma taxa mnima de atratividade de 10 % a.a, pode-se calcular o valor presente total neste perodo de projeto, atravs da equao (110):

P = A

(1 + i )n 1 n i (i + 1)

(110)

Onde: A = o gasto anual de operao da ETE; P = o valor presente de gastos anuais constantes; i = a taxa de juros anual; n = nmeros de anos.

46

(1 + 0,10)10 1 P = 755.196,34 10 0,10 (0,10 + 1)

= 4.640.354,58 R$

Sendo assim, tem-se o valor presente total: Ptotal = custo de implantao + valor presente dos gastos anuais Ptotal = 1.380.000,00 + 4.640.354,58 = R$ 6.020.354,58

9.2 Cenrio 2: Sem Tratamento Com Multa DiriaA fim de se obter a viabilidade econmica do projeto, considera-se agora um segundo cenrio com as mesmas condies de depreciao linear em 10 anos e uma taxa mnima de atratividade de 10 % a.a, para a mesma empresa de papel tissue. Sendo este tipo de empresa geradora de efluentes com alta capacidade poluidora, pode-se exemplificar um cenrio onde a mesma empresa no possua uma planta de tratamento de efluentes na suas instalaes fabris. Compreendendo crime ambiental, o rgo fiscalizador no Paran, o IAP, determina a imediata ao de correo e adaptao do processo s leis ambientais vigentes, com aplicao de multa diria a partir da data de expirao do prazo mximo para a total efetuao das devidas modificaes aprovadas pelo IAP. A multa pode variar de R$ 50,0 a R$ 50.000.000,0, de acordo com o Art. 75, Captulo VI da Lei n 9.605, de 12 de fevereiro de 1998, Lei de Crimes Ambientais (IBAMA, 1998). O valor presente para um cenrio sem uma planta de tratamento de efluente calculada a partir de uma multa diria no valor de R$ 500,0 por clausula de infrao ambiental cometida, sendo estas infraes definidas atravs de analises quantitativas e qualitativas dos impactos ambientais produzidos pela empresa. Considera-se, portanto, um cenrio onde os seguintes itens esto fora dos parmetros estabelecidos por lei, sujeitos ento a implicao de multa diria.

OD (Oxignio Dissolvido); DBO (Demanda Bioqumica de Oxignio); DQO (Demanda Qumica de Oxignio); Slidos sedimentveis e totais; Turbidez; pH; Temperatura. Utilizando a equao (110) pode-se calcular o valor presente para este cenrio,

47 com a aplicao de sete infraes ambientais sujeitos a multa diria de R$ 500,00 sendo, portanto R$ 3.500,0 de multa diria. Como a anlise comparativa feita anualmente, multiplica-se este valor por 365 dias, obtendo uma multa de R$ 1.277.500,00 por ano. Calculando o valor presente com depreciao de 10% para um perodo de 10 anos, tem-se:

Ptotal

(1 + 0,10)10 1 = 1.277.500,0 10 0,10 (0,10 + 1)

= 7.849.684,48 R$

O valor presente total para um cenrio sem a instalao de uma planta de tratamento de efluentes igual a R$ 7.849.684,48.

9.3 Comparativo dos Cenrios EstudadosComparando os dois cenrios, tem-se a viabilidade econmica deste projeto: Cenrio 1 Projeto proposto, ETE Lodos Ativados: VP = R$ 6.020.354,58; Cenrio 2 Sem ETE, multa diria por infrao cometida: VP = R$ 7.849.684,48

Portanto, verifica-se que de acordo com SPERLING (2005) em funo do menor valor presente pode-se viabilizar economicamente o projeto aqui proposto, com custos descritos no cenrio 1. A presente anlise foi efetuada de maneira bem simplificada. Outras consideraes de ordem econmica e financeira podem ser agregadas, de forma a subsidiar o estudo da viabilidade econmica.

48

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS[1] VON SPERLING, MARCOS. Princpios do Tratamento Biolgico de guas Residurias: Princpios Bsicos do Tratamento de Esgotos. DESA/UFMG. Belo Horizonte, 1996. [2] VON SPERLING, MARCOS. Princpios do Tratamento Biolgico de guas Residurias: Introduo Qualidade das guas e ao Tratamento de Esgotos. DESA/UFMG. Vol. 1, 3 Edio. Belo Horizonte, 2005. [3] GULLICHSEN, JOHAN; PAULAPURO, HANNU. Papermarking Science And Technology Book 19, Environmental Control. Fapet Oy, Helsinki, Finland 2000. [4] ARCEIVALA, S. J. Principles of Reactor Design. In: ___. Wastewater Treatment and Disposal: Engineering and Ecology in Pollution Control. 1.ed. [s.l.]: Marcel Dekker, 1981. p.561-600. [5]______. MANUAL DE OPERAO, LODOS ATIVADOS. Acqua Engenharia e

Consultoria S/C Ltda. So Paulo, SP [6]______. MANUAL DE OPERAO E INSTALAO: CALHA PARSHALL,

MEDIDOR DE VAZO EM CANAIS ABERTOS. InControl S/A. So Paulo, SP. Novembro de 2008. [7] BOFF MACIEL, CRISTIANE. Microbiologia de Lodos Ativados da Empresa FRAS-LE. Monografia Engenharia Qumica. Universidade de Caxias do Sul. Caxias do Sul. 2002. [8] YNEZ, FABIAN. Lagunas de Estabilizacion: Teoria, Diseo, Evaluacion y Mantenimiento. ETAPA Cuenca.1993. Pg. 421. [9] LIOI NASCENTES, ALEXANDRE. Avaliao da Eficincia de Sistema de Tratamento de Esgotos do Tipo Manta de Lodo Filtro Biolgico Aerbio,

49 Aplicado Em Escala Piloto. Fiocruz, Fundao Oswaldo Cruz. Rio de Janeiro, RJ. Junho de 2004. [10] IMHOFF, K. KLAUS. Manual de Tratamento de guas Residurias. Trad. de M. L. HESS. So Paulo. Ed. Edgard Blucher, 1996. [11] PILOTTO, JULIANA SEIXAS. Contribuies Para Modelagem Matemtica Do Comportamento Dos Tanques Spticos Para Remoo De Matria Orgnica. Dissertao Mestrado em Engenharia de Recursos Hdricos e Ambiental. UFPR. Curitiba, 2004. [12] BENTO, A. P.; SEZERINO, P. H.; PHILIPPI, L. S.; REGINATTO; V.; LAPOLLI F. R. Caracterizao da Microfauna em Estao de Tratamento de Esgotos do Tipo Lodos Ativados: Um Instrumento de Avaliao e Controle do Processo. Eng. sanit. ambiental. 329 Vol.10, N 4, 329-338 out/dez 2005. [13] FONSECA, PATRCIA WEIBERT. Avaliao do Desempenho e Caracterizao de Parmetros em Lagoas Facultativa e de Maturao. Dissertao Mestrado. COPPE/UFRJ. Agosto, 2005. [14] ORNELAS, PEDRO. Reuso De gua Em Edifcios Pblicos: O Caso Da Escola Politcnica Da UFBA. Dissertao de Mestrado. UFBA. Salvador 2004. [15] METCALF & EDDY. Wastewater Engineering Treatment, Disposal and Reuse. 3. ed. United States: McGraw Hill, 1991. [16] PIERALISI 06/04/2009. [17] ______. Resoluo CONAMA No 357/2005. Dispe sobre a classificao dos corpos de gua e diretrizes ambientais para o seu enquadramento, bem como estabelece as condies e padres de lanamento de efluentes, e d outras providncias. Dirio Oficial da Repblica Federativa do Brasil. Braslia, 2005. DO BARSIL LTDA. Disponvel na Acessado URL: em:

50

ANEXOS ANEXO A: Resoluo CONAMA N 357, De 17 de Maro de 2005 ANEXO B: Fluxograma com Balanos ANEXO C: Fluxograma com Instrumentao ANEXO D: Planta de Instalao e Layout ANEXO E: Layout Geral ANEXO F: Perfil Hidrulico

51

ANEXO A: Resoluo CONAMA N 357, De 17 de Maro de 2005CAPTULO I DAS DEFINIES Art. 2 Para efeito desta Resoluo so adotadas as seguintes definies: I guas doces: guas com salinidade igual ou inferior a 0,5 %; II guas salobras: guas com salinidade superior a 0,5 e inferior a 30 %; III guas salinas: guas com salinidade igual ou superior a 30 %; IV ambiente lntico: ambiente que se refere gua parada, com movimento lento ou estagnado; V - ambiente ltico: ambiente relativo a guas continentais moventes; VI - aqicultura: o cultivo ou a criao de organismo