SIMULAÇÃO DINÂMICA DO COMPORTAMENTO DE … · • Aplicáveis a leitos percoladores, biofiltros...
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SIMULAÇÃO DINÂMICA DO
COMPORTAMENTO DE ETAR
DOUTORAMENTO EM ENGENHARIA DO AMBIENTE
UNIDADE CURRICULAR DE
GESTÃO INTEGRADA DE SISTEMAS DE SANEAMENTO
Filipa Ferreira
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ÍNDICE (9ª AULA)
1. PRINCÍPIOS BÁSICOS DA MODELAÇÃO MATEMÁTICA.
2. CARACTERIZAÇÃO SUMÁRIA DE MODELOS EXISTENTES.
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PRINCÍPIOS BÁSICOS DA
MODELAÇÃO MATEMÁTICA
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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 VrCQCQVdt
dCc
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:
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PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS
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
i
iCkr
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 VrCQCQVdt
dCc
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PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS
A taxa de crescimento específico, , 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
Sk
S
s
máx
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PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS
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 Pk
kP
p
p
)(
Haldane
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PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS
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 exclusivamente
ao tratamento de águas residuais domésticas.
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PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS
Modelos ASM:
• CQO: medida que representa a matéria orgânica e a biomassa
a matéria orgânica é descrita como equivalente em CQO
o 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
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MODELAÇÃO E GESTÃO AVANÇADA DE INFRA-ESTRUTURAS DE
SANEAMENTO: SISTEMAS DE DRENAGEM E ETAR
PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS
Matriz de Petersen para o modelo ASM1:
n
j
jijir1
A matriz inclui:
para cada processo, j
componente, i
os coeficientes estequiométricos, ij
a taxa de processo, ρ
Obter, para cada componente,
a taxa de reacção, r
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MODELAÇÃO E GESTÃO AVANÇADA DE INFRA-ESTRUTURAS DE
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PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS
Representação
esquemática:
Síntese:
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PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS
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.
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PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS
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 é
recirculada 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)
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PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS
Modelos 1D:
• Diferente resolução espacial: modelos de 0D a 3D
(mais vulgares → 1D)
Objectivos (questões a responder com o modelo) Modelo
Avaliar a concentração da biomassa no efluente final, a
altura do manto de lamas e a produção de lamas
1D e/ou 2D associado a um modelo de
lamas activadas
Esquema de remoção de lamas 2D associado a um modelo de lamas
activadas verificado possivelmente com
um modelo 3D
Optimização da geometria (e detalhes construtivos) do
decantador, reabilitação e estudo de correntes de
densidade
2D e/ou 3D
Modelação de decantadores sujeitos à acção do vento 3D
XVXVjjj SBST ..
• Baseiam-se sobretudo: na equação da continuidade
em balanços de massa
na teoria do fluxo
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PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS
A aplicação destes modelos aos decantadores secundários é
concretizada através da divisão deste órgão em n camadas
horizontais de espessura constante:
Representação esquemática da abordagem multi-camadas
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PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS
• 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
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PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS
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
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PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS
• 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
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PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS
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)
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MODELAÇÃO E GESTÃO AVANÇADA DE INFRA-ESTRUTURAS DE
SANEAMENTO: SISTEMAS DE DRENAGEM E ETAR
PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS
• 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 Petersen
reactor dividido em n secções horizontais:
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PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS
Modelos para filtração e desinfecção por radiação ultravioleta:
• Desinfecção: modelo proposto pela Water Environment Research
Foundation (WERF, 1995)
Modelos para digestão anaeróbica:
• Modelo ADM 1 (Anaerobic Digestion Model 1) da IWA
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PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS
Modelação integrada
Necessário pragmatismo: evitar modelos demasiadamente complexos
(maximizar simplicidade garantindo fiabilidade).
Simulação simultânea: só se justifica quando há controlo em tempo real
mas é muito útil para perceber a dinâmica do sistema.
Desc.Sistema de
drenagem
Bacias de
detençãoETAR
Meio receptor (lençoís freáticos) Meio receptor (águas superficiais)
Precipitação
efluente tratado
descargas directas de excedentes
águas pluviais (através de "BMP")águas pluviais (através de "BMP")
Abordagem
integrada:
“simular a interacção entre dois ou mais sistemas físicos que são
governados por diferentes equações”
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PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS
Problemas relativos à modelação integrada:
• resolução temporal dos diferentes sub-modelos com ordens de
magnitude muito diversas;
• diferente complexidade na descrição do escoamento e das
condições de mistura;
• eventual deficiência ao nível da modelação da qualidade nos
colectores;
• tipo de fraccionamento de oxigénio dissolvido e de compostos
azotados considerado:
processos de conversão em rios e colectores → CBO;
modelos ASM (baseados em balanços de massa) → CQO.
• troca de informação entre diferentes softwares é difícil
concretização.
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CARACTERIZAÇÃO SUMÁRIA DE
MODELOS EXISTENTES
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CARACTERIZAÇÃO SUMÁRIA DE
MODELOS EXISTENTES
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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)
Ex. modelos para
modelação integrada:
• WEST (Origem Bélgica) – ETAR e meios receptores
• AQUASIM (REICHERT, 1994) – ETAR e rios (não inclui colectores)
• SIMBA – Colectores, ETAR e rios
• ICS (Integrated Catchment Planning) – MOUSE, STOAT e MIKE 11(DHI e WRc)
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DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS MODELOS EXISTENTES
Modelos utilizados por programas de simulação de drenagem urbana :
Processo Características Programa
EFOR GPS-X BioWin
Tipo de modelo
Reactores ASM1 S S S
biológicos ASM2d S* S S
ASM3 S S S
Outros (modelos proprietários) S S S
Decantação modelos simples S S S
modelos de fluxo: log-normal S
exponêncial (Vesilind) S S
duplo exponêncial (Tákacs et al.) S S S
modelos incluindo reações no decantador secundário S S S
Digestão anaeróbia AMD1 S S
Outros Modelação do pH S S
Operações e Processos unitários
Infra-estruturas afluência de caudal S S S
gerais separadores de caudal S S
misturadores de caudal S S
estações elevatórias S S S
saída de efluente e de lamas S S S
Tratamento preliminar tanques de equalização S S
gradagem S S
Decantação decantadores primários S S S
decantadores secundários S S S
decantação 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 S
valas de oxidação S
SBR S* S S
reactor de membranas S
lagunagem S
Outros S
Tratamento secundário leitos percoladores S
(biomassa fixa) biofiltros S
Reactor híbrido biomassa suspensa e biomassa fixa S
Tratamento de filtros de areia S
afinação filtros de membranas. S
desinfecção por radiação ultravioleta S
Tratamento de lamas espessador S
digestor aeróbio S S
digestor anaeróbio S S
desidratação S S
Diversos adição de reagentes químicos (alumínio ou ferro) S S S
adição de polímeros S
adição de metanol S S S
Diversos
Controlo da ETAR ligado/desligado S S S
PID S S S*
temporizador S S S
"feedback/feed forward" S
Cálculo da idade das lamas S S S
S - considera a modelação; S* - considera a modelação, mas não explicitamente
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DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS MODELOS EXISTENTES
Processo Características Programa
EFOR GPS-X BioWin
Tipo de modelo
Reactores ASM1 S S S
biológicos ASM2d S* S S
ASM3 S S S
Outros (modelos proprietários) S S S
Decantação modelos simples S S S
modelos de fluxo: log-normal S
exponêncial (Vesilind) S S
duplo exponêncial (Tákacs et al.) S S S
modelos incluindo reações no decantador secundário S S S
Digestão anaeróbia AMD1 S S
Outros Modelação do pH S S
Operações e Processos unitários
Infra-estruturas afluência de caudal S S S
gerais separadores de caudal S S
misturadores de caudal S S
estações elevatórias S S S
saída de efluente e de lamas S S S
Tratamento preliminar tanques de equalização S S
gradagem S S
Decantação decantadores primários S S S
decantadores secundários S S S
decantação 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 S
valas de oxidação S
SBR S* S S
reactor de membranas S
lagunagem S
Outros S
Tratamento secundário leitos percoladores S
(biomassa fixa) biofiltros S
Reactor híbrido biomassa suspensa e biomassa fixa S
Tratamento de filtros de areia S
afinação filtros de membranas. S
desinfecção por radiação ultravioleta S
Tratamento de lamas espessador S
digestor aeróbio S S
digestor anaeróbio S S
desidratação S S
Diversos adição de reagentes químicos (alumínio ou ferro) S S S
adição de polímeros S
adição de metanol S S S
Diversos
Controlo da ETAR ligado/desligado S S S
PID S S S*
temporizador S S S
"feedback/feed forward" S
Cálculo da idade das lamas S S S
S - considera a modelação; S* - considera a modelação, mas não explicitamente
Processo Características Programa
EFOR GPS-X BioWin
Tipo de modelo
Reactores ASM1 S S S
biológicos ASM2d S* S S
ASM3 S S S
Outros (modelos proprietários) S S S
Decantação modelos simples S S S
modelos de fluxo: log-normal S
exponêncial (Vesilind) S S
duplo exponêncial (Tákacs et al.) S S S
modelos incluindo reações no decantador secundário S S S
Digestão anaeróbia AMD1 S S
Outros Modelação do pH S S
Operações e Processos unitários
Infra-estruturas afluência de caudal S S S
gerais separadores de caudal S S
misturadores de caudal S S
estações elevatórias S S S
saída de efluente e de lamas S S S
Tratamento preliminar tanques de equalização S S
gradagem S S
Decantação decantadores primários S S S
decantadores secundários S S S
decantação 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 S
valas de oxidação S
SBR S* S S
reactor de membranas S
lagunagem S
Outros S
Tratamento secundário leitos percoladores S
(biomassa fixa) biofiltros S
Reactor híbrido biomassa suspensa e biomassa fixa S
Tratamento de filtros de areia S
afinação filtros de membranas. S
desinfecção por radiação ultravioleta S
Tratamento de lamas espessador S
digestor aeróbio S S
digestor anaeróbio S S
desidratação S S
Diversos adição de reagentes químicos (alumínio ou ferro) S S S
adição de polímeros S
adição de metanol S S S
Diversos
Controlo da ETAR ligado/desligado S S S
PID S S S*
temporizador S S S
"feedback/feed forward" S
Cálculo da idade das lamas S S S
S - considera a modelação; S* - considera a modelação, mas não explicitamente
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DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS MODELOS EXISTENTES
Modelo GPS-X
Modelos para processos biológicos, físicos e químicos:
• Reactores biológicos – ASM1, ASM2d e ASM3; modelos
proprietários: Mantis; TwoStepMantis, NewGeneral, Prefermenter;
ADM1.
• Decantadores secundários – modelo 1-D de Vesilind/Takács.
• Filtração – modelo de Iwasaki-Horner.
• Modelo para cálculo do pH e diversos modelos empíricos
Principais módulos:
• Builder – definiçãao do “layout” da ETAR.
• Simulator – simualação da ETAR.
• Analyser e Optimizer – análise de sensibilidade dos parâmetros
do modelo e de optimização da exploração das ETAR.
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DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS MODELOS EXISTENTES
• Dynamic Parameter Estimation (DPE) – estimar parâmetros face
a medições “on-line” dados previamente disponíveis.
• Advanced Control Module – simula o controlo da ETAR ccom
temporizadores que definem ciclos de operação dos
equipamentos.
• Influent Advisor – folha de Excel que auxilia a caracterização do
afluente à ETAR, de acordo com os dados de medição.
• Model Developer – permite adicionar modelos próprios ou alterar
os modelos pré-definidos através de uma aplicação em Microsoft
Excel, baseada na representação matricial (matriz de Petersen).
• DDE Add-in – permite a interligação do GPS-X com o Excel, para
o tratamento dos resultados de simulação.
• M2G:MOUSE – converte os resultados do MOUSE para que
possam ser usados como “input” do GPS-X.
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DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS MODELOS EXISTENTES
Blocos disponívies:
• Infra-estruturas gerais e tratamento preliminar
• Tratamento primário e secundário
• Tratamento de afinação
• Tratamento de lamas