Universidade Federal do Rio Grande do Sul Instituto de...

IPH 02058: Tratamento de Água e Esgoto, Capítulo 10 Prof. Gino Gehling

1

Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Instituto de Pesquisas Hidráulicas

Departamento de Obras Hidráulicas

IPH 02058: Tratamento de Água e Esgoto

Engenharia Hídrica

Prof. Gino Roberto Gehling

Agradecimento: O prof. Gino agradece ao prof. Antônio D. Benetti pela

cessão do arquivo fonte deste capítulo10, gerado por ele para a disciplina

IPH 02050 da Engenharia Civil. O mesmo recebeu ajustes de formatação

ao padrão da disciplina IPH 02058 (Tratamento de Água e Esgoto),

oferecida pela primeira vez à Engenharia Hídrica no primeiro semestre de

2016.

Março de 2017


2

10. TRATAMENTO PRIMÁRIO DE ESGOTOS

10.1. OBJETIVOS

O tratamento primário tem o objetivo de remover sólidos suspensos

sedimentáveis. Os sólidos removidos incluem matéria orgânica; desta forma, ocorre

uma redução da DBO no tratamento primário. Segundo Metcalf & Eddy (2003), as

remoções de sólidos suspensos e DBO variam, respectivamente, entre 50% a 70% e

25% a 40%. Pacheco e Jordão (1995) indicam faixas de remoção entre 40% a 60%

(SS) e 25% a 35% (DBO).

10.2. ESTRUTURA FÍSICA

O tratamento primário realiza-se em unidades denominadas de decantadores

primários. Estas unidades são tanques de formato cilíndrico ou retangular. Os

esgotos permanecem dentro do tanque por um certo intervalo de tempo, havendo a

separação de sólidos que são mais densos que o líquido. No fundo do tanque,

braços giratórios e rodos conduzem o lodo para uma zona central de onde deixam o

tanque em direção ao tratamento de lodos. Na superfície, o líquido decantado é

coletado em vertedores, sendo conduzido ao tratamento secundário de esgotos. É

comum a formação de escuma na superfície dos decantadores; por esta razão,

utiliza-se um anteparo com a finalidade de reter a escuma e evitar seu arraste com

o líquido decantado. A escuma recolhida é enviada ao digestor. A Figura 1 apresenta

um decantador primário com vistas em planta e corte.

10.3. O PROCESSO DE SEDIMENTAÇÃO

Em tanques de decantação primária ocorre o processo de sedimentação

chamado floculenta. Neste processo, as partículas coalescem e floculam durante a

sedimentação. As partículas ganham massa e alteram a velocidade de

sedimentação (Figura 2). A aglomeração depende de contatos entre partículas, que

varia em função da taxa de aplicação superficial, profundidade da tanque,

concentração de partículas e gradientes de velocidade no sistema.

Na sedimentação discreta, viu-se que a velocidade crítica era dada pela

Equação (1).

18

)(2S

c

Dgv (1)


3

Figura 1: Decantador primário circular.

Figura 2: Sedimentação floculenta e discreta.

Na sedimentação floculenta, o tamanho da partícula, representada por D na

Equação (1) e sua densidade alteram-se durante a sedimentação.

Até o presente momento não há um modelo matemático que permita

estabelecer parâmetros de projeto para o decantador primário. Os parâmetros são

Sedimentação

discreta

Sedimentação

floculenta


4

determinados através de ensaio de sedimentação ou são usados dados publicados

na literatura.

10.4. TESTE DE SEDIMENTAÇÃO

O conteúdo de todo este ítem 4 seria objeto de uma aula prática em

laboratório. Mas a reduzida carga horária desta disciplina não contempla aulas em

ambiente laboratorial. Assim, o conteúdo a partir daqui até o fim da página 12, que

descreve o teste de sedimentação, não é cobrado em avaliações, constando apenas

para descrição do teste.

O teste de sedimentação é realizado em uma coluna de diâmetro de 15 cm e

profundidade superior a 2,00 m. Nesta coluna são feitas saídas nas profundidades

de 0,60 m, 1,20 m e 1,80 m (Figura 3).

Figura 3: Coluna para o teste de sedimentação.

H1 = 0,60

m

H2 = 1,20 m

H3 = 1,80

m


5

Procedimento para o teste de sedimentação

1o) Encher a coluna com o esgoto a ser testado, mantendo uma concentração

uniforme em toda a coluna, com auxílio de um misturador.

2o) Em tempos pré-determinados, coletar amostras nas saídas 1, 2 e 3, medindo as

concentrações de sólidos suspensos.

Por que as medidas são realizadas a 0,60 m, 1,20 m e 1,80 m? Isto deve-se

ao fato de ser 2,0 m a profundidade mínima de decantador primário. Os resultados

do teste permitirão determinar a remoção de sólidos em suspensão em função da

taxa de aplicação superficial e tempo de detenção.

Exemplo:

Um esgoto possui concentração de sólidos suspensos de 430 mg/L. Um teste

de sedimentação com este esgoto apresentou os resultados mostrados no Quadro

(1). Com base nestes dados, estabeleça a relação entre percentagem de remoção

de sólidos com a taxa de aplicação superficial e tempo de detenção.

Quadro 1: Resultados do teste de sedimentação

Tempo (min)

Concentração de Sólidos Suspensos (mg/L)

0,60 m 1,20 m 1,80 m

0 430 430 430

5 357 387 396

10 310 346 366

20 252 299 316

30 198 254 288

40 163 230 252

50 144 196 232

60 116 179 204

75 108 143 181

Procedimento

1o) Calcular a percentagem de sólidos suspensos removidos em cada amostra.

A fração de sólidos que permanece em suspensão é dado por:


6

Fração de sólidos que permanecem na suspensão = 0

,

C

C ht (2)

sendo Ct,h = concentração de sólidos em suspensão na altura H e tempo t;

C0 = concentração de sólidos suspensos no tempo t = 0, 430 mg/L

A fração de sólidos removida é o complemento da Equação (2).

Fração removida = 1 - 0

,

C

C ht (3)

O Quadro (2) apresenta os percentuais de sólidos suspensos removidos em cada

altura e tempo t. A Figura (4) mostra o gráfico dos dados do Quadro (2).

Quadro 2: Sólidos suspensos removidos a altura H nos tempos de detenção

Tempo Rt,h (%)

(min) 0,60 m 1,20 m 1,80 m

0 0 0 0

5 17 10 8

10 28 20 15

20 41 30 27

30 54 41 33

40 62 47 41

50 67 54 46

60 73 58 53

75 75 67 58


7

Remoção de sólidos suspensos vs tempo de detenção

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Tempo de detenção (min)

SS

rem

ovid

os (

%)

H = 0,60 m

H = 1,20 m

H = 1,80 m

Figura 4: Remoção de sólidos suspensos vs tempo de detenção

2o) Calcular os tempos de detenção, em cada altura, que correspondem aos

percentuais de sólidos suspensos removidos.

Estas informações são retiradas do gráfico da Figura (4). Por exemplo, os

tempos de detenção requeridos para que 20% de sólidos suspensos sejam

removidos, respectivamente nas alturas 0,60 m, 1,20 m e 1,80 m, são 6,5, 10,5 e

14,5 minutos. O Quadro (3) apresenta os tempos de detenção calculados para as

percentagens de sólidos removidos. Com base nos dados do Quadro (3) prepara-se

o gráfico do perfil de sedimentação, com as curvas de iso-eficiências (Figura 5).


8

Quadro 3: Tempos de detenção e percentagem de remoção em cada altura H Perfil de Sedimentação

Remoção (%)

t (min)

0,60 m 1,20 m 1,80 m

0 0,0 0,0 0,0

5 1,2 2,5 3,7

10 2,5 5,0 6,5

20 6,5 10,5 14,5

30 11,5 19,0 25,0

40 18,0 30,0 39,0

50 27,0 44,0 56,5

60 38,5 61,5 77,5

70 55,0 87,5 -

75 75,0 - -

Figura 5: Perfil de sedimentação

3o) Calcular a percentagem de remoção de sólidos suspensos versus a taxa de

aplicação superficial

A velocidade de sedimentação efetiva de uma partícula é definida pelo tempo

gasto pela partícula para atingir a zona de lodo (1,80 m no teste)

t

HvS (4)


9

Uma suspensão contém partículas com diferentes velocidades de sedimentação

efetiva.

Partículas com velocidade de sedimentação efetiva vS igual ou maior que a

velocidade crítica vsc serão completamente removidas. A velocidade crítica é

a taxa de aplicação superficial (m3/m2dia)

Partículas com velocidade de sedimentação efetiva vS menor que a

velocidade crítica vsc serão removidas a uma taxa igual a razão vS/vsc, ou,

equivalentemente, a razão h/H.

As velocidades de sedimentação efetivas são obtidas a partir do perfil de

sedimentação.

3.1) Do Quadro (3), retirar os valores dos tempos de detenção (min) para remoção

de sólidos de 5%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50% e 60%. As velocidades de

sedimentação efetiva serão a razão entre a altura 1,80 m e os respectivos tempos.

Estes dados encontram-se no Quadro (4).

Quadro 4: Velocidade de sedimentação efetiva

Remoção Tempo vS

(%) (min) (m/h)

5 3,7 29,2

10 6,5 16,6

20 14,5 7,4

30 25,0 4,3

40 39,0 2,8

50 56,5 1,9

60 77,5 1,4

3.2) Para cada tempo de detenção, calcular a percentagem de remoção de sólidos.

Por exemplo, considere o tempo de detenção de 25 minutos. Neste caso, a

velocidade crítica é 4,3 m/h. De acordo com o perfil de sedimentação, 30% das

partículas serão removidas porque atingem a profundidade de 1,80 m em 25 minutos

ou menos. Para partículas com vS menor que 4,3 m/h, a fração removida será dada

por

ii

isc

i,sf

H

hf

v

v (5)


10

Neste caso, hi será a altura média que corresponde ao intervalo de remoção. Por

exemplo, entre o intervalo 30% a 40%, a altura média será o valor médio entre 1,8 m

e 1,0 m.

1o intervalo: 30% a 40%

fração removida = 078,0100

)3040(

8,1

1

2

)0,18,1(



)4050(

8,1

1

2

)55,00,1(



)5060(

8,1

1

2

)38,055,0(



)6070(

8,1

1

2

)28,038,0(


Fração removida = 007,0100

)7075(

8,1

1

2

)20,028,0(

Desta forma, a fração de sólidos suspensos que será removida quando a velocidade

crítica for de 4,3 m/h será:

Fração total removida = 0,30 + 0,078 + 0,043 + 0,026 + 0,018 + 0,007 = 0,472

(~ 47%)

O mesmo procedimento é repetido para os outros tempos de detenção. Estes

resultados são tabulados (Quadro 5) e plotados (Figura 6).

Quadro 5: Remoção por tempo de detenção

Tempo (min)

Sólidos Removidos (%)

3,7 13,4

6,5 20,1

14,5 33,9

25,0 47,3

39,0 55,0

56,5 64,3

77,5 71,1


11

Sólidos suspensos removidos versus tempo de detenção

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

Tempo de detenção (min)

Só

lid

os s

usp

en

so

s r

em

ovid

os (

%)

Figura 6: Remoção de sólidos suspensos por tempo de detenção

3.3) Calcular a percentagem de sólidos suspensos removidos em função da taxa de

aplicação superficial.

O Quadro (6) apresenta as taxas de aplicação superficiais correspondentes

as velocidades críticas e os percentuais de sólidos removidos. A Figura (7)

apresenta o gráfico relacionando remoção de sólidos versus taxa de aplicação.

Quadro 6: Taxas de aplicação vs remoção de sólidos suspensos

Tempo vS Taxa Apl. Remoção

(min) (m/h) (m3/m2.dia) (%)

3,7 29,2 701 13,4

6,5 16,6 399 20,1

14,5 7,4 179 33,9

25,0 4,3 104 47,3

39,0 2,8 66 55,0

56,5 1,9 46 64,3

77,5 1,4 33 71,1


12

Taxa de aplicação superficial vs remoção de sólidos suspensos

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750

Taxa de aplicação superficial (m3/m

2dia)

Rem

oção

SS

(%

)

Figura 7: Taxa de aplicação superficial vs remoção de sólidos suspensos

4. Equações de remoção de DBO e sólidos suspensos em decantadores

primários

O gráfico da Figura (6) pode ser representado pela equação (6) (Metcalf &

Eddy, 2003).

tba

tR

(6)

sendo: R = eficiência de remoção esperada (%)

t = tempo de detenção, [h]

a, b = constantes empíricas

A Equação (6) é válida tanto para SS quanto para DBO. O Quadro (7) mostra os

valores das constantes a e b para DBO e SS.

Quadro 7: Valores das constantes a e b para DBO e SS

a B

DBO 0,018 0,020

SS 0,0075 0,014

Os coeficientes do Quadro 7 são válidos apenas com estimativas para esgotos

sanitários.


13

5. REQUISITOS DE PROJETO PELA NBR 12209/2011

Vazão de dimensionamento do decantador primário deve ser a vazão máxima

horária afluente a ETE;

A taxa de aplicação superficial deve ser:

o 60 m3/m2dia quando preceder a filtração biológica

o 90 m3/m2dia quando preceder o processo de lodos ativados

o 90 m3/m2dia quando for o processo de decantação primária

quimicamente assistida

ETE com vazão de dimensionamento maior que 250 L/s deve ter mais de um

decantador primário

Tempo de detenção hidráulica

o 3 horas para vazão média

o > 1 hora para vazão máxima

Taxa de escoamento através do vertedor de saída 500 m3/dm de vertedor

Em decantadores com remoção mecanizada de lodo, a altura mínima de água

deve ser 3,5 m; em decantadores sem remoção mecanizada de lodo a

altura mínima deve ser 0,5 m.

Exemplo de aplicação

Escolhe-se uma taxa de aplicação que corresponda a % desejada de

remoção de sólidos suspensos. Por exemplo, para 60% de remoção de SS, a taxa

de aplicação superficial é de aproximadamente 50 m3/m2.dia (Figura 7). Para a

vazão máxima de 450 L/s, são necessários, no mínimo, dois decantadores. A área e

o diâmetro de cada decantador serão:

2

23

3

8,388400.86/50

1

2

450,0m

dia

s

diamms

m

Tx

QA

A

QAplTx

mmA

D 2,224

8,38844 2

Valores típicos para diâmetros de decantadores primários situam-se entre 12

m e 45 m.

De acordo com a NBR 12209/2011, a altura mínima de água no decantador

mecanizado deverá ser de 3,5 m. O volume do decantador será:


14

323

m8,360.1m5,3m8,388s

m

2

450,0HAV

Verificação dos tempos de detenção

Vazão máxima:

h7,1

hs3600

sm

2

450,0

m8,1360

Q

Vt

3

3

Vazão média:

h0,3

hs3600

sm

2

250,0

m8,1360

Q

Vt

3

3

Vazão mínima:

h0,6

hs3600

sm

2

125,0

m8,1360

Q

Vt

3

3

O requerimento de tempo de detenção é atendido.

Caso usássemos a TAS especificada pela NBR 12209 para decantador que

precede o sistema de lodos ativados, a área do decantador seria:

TAS = 90 m3/m2dia

2

2

3

3

m216

diamm90

1

dia

s86400

s

m

2

450,0A

. O diâmetro correspondente é

1,6 m.

6. BALANÇO DE MASSAS PARA SÓLIDOS SUSPENSOS E DBO NO

DECANTADOR PRIMÁRIO

6.1. OBJETIVO

O balanço de massas objetiva determinar a quantidade de sólidos suspensos

e DBO que seguirão ao tratamento de lodos e ao tratamento biológico. Estas

informações são necessárias para o dimensionamento das estruturas.


15

6.2. EQUAÇÕES DESCRITIVAS

O teor de lodos é geralmente dado em termos de percentagem de sólidos. De

acordo com metcalf & Eddy (2003), o teor de sólidos típico em lodos do decantador

primário varia entre 5% e 9 %, com valor típico de 6%.

O volume de lodo irá depender da massa e teor de sólidos, e da gravidade

específica do lodo (Equação 7)

SLOH

S

fS

MV

2

(7)

sendo V = vazão de lodos, [L3/T]

MS = massa de sólidos removidos por dia, [M/T]

H2O = massa específica da água, [M/L3]

SL = densidade específica do lodo, [ - ]

fS = fração de sólidos no lodo, [ - ]

Na Equação (7), as seguintes unidades representam as variáveis:

Lodod

L

Lodokg

SSkg

1

OHL

OHkg

lodoL

Lodokg

1

OHL

OHkg

1

d

SSkgV

2

2

2

2

A Equação (7) é deduzida a partir do conceito de massa específica.

L

LL

V

M

LO2H

L

L

LL

S

MMV

(8)

A fração de sólidos fs é a razão entre a massa de sólidos e a massa de lodo

(Equação 9).

L

ss

M

Mf (9)

s

sL

f

MM (10)

Substituindo-se a Equação (10) na (8), chega-se a Equação (7).

Densidade relativa é a razão entre a massa específica da substância e a massa

específica da água. No caso do lodo, a densidade relativa será:


16

OH

LLS

2

(11)

A massa específica do lodo, por sua vez, corresponde a razão entre a massa do

lodo e seu volume (Equação 12)

L

LL

V

m (12)

A massa de lodos corresponde a soma entre a massa de sólidos e a massa de água.

A massa de sólidos é igual a soma entre a massa de sólidos voláteis e sólidos fixos.

O volume de lodo é igual a soma dos volumes de água, sólidos voláteis e fixos.

SOHL mmm 2

(13)

FVS mmm (14)

FVOHL mmmm 2

(15)

SOHL VVV 2

(16)

FVS VVV (17)

FVOHL VVVV 2

(18)

De uma maneira geral, tem-se que:

OHOH 22

1

V

mS

Assim, O2HL

L

OH

LL

1

V

mS

2

OHL

LL

S

mV

2

1

Da mesma forma, O2HF

FF

O2HV

VV

O2HOH

OH

OH

1

V

mV;

1

S

mV;

1

S

mV

2

2

2

. Substituindo

na Equação (18),

OHF

F

OHV

V

OHOH

OH

OHL

L

S

m

S

m

S

m

S

m

2222

1111

2

2

F

F

V

V

OH

OH

L

L

S

m

S

m

S

m

S

m

2

2 (19)

Dividindo a Equação (19) por mL,

LF

F

LV

V

LOH

OH

LL

L

mS

m

mS

m

mS

m

mS

m 1111

2

2


17

F

F

V

V

OH

OH

L S

f

S

f

S

f

S

2

21

(20)

sendo f = fração em massa.

Exemplo

Considerar que o efluente do tratamento preliminar tenha concentrações de

sólidos suspensos de 350 mg/L, sendo 75% voláteis e 25% fixos. A DBO é de 300

mg/L

Figura 8: Balanço de massas no decantador primário

Admitir que:

60% dos sólidos suspensos são removidos no decantador primário.

35% da DBO é removida

Teor de sólidos no lodo = 6%

75% dos sólidos são voláteis, 25% são fixos

Massa específica da água = 1,0 kg/L

Massa específica dos sólidos voláteis = 1,0 kg/L

Massa específica dos sólidos fixos = 2,5 kg/L

A carga de sólidos entrando no decantador será Q0X0 =

Q0X0 = SSdia

kg

dia

s

m

L

mg

kg

L

mg

s

m560.7400.861010350250,0

3

363

Carga de sólidos no efluente primário = QEXE = 0,40 x 7.560 = 3.024 kg/dia SS

Carga no lodo = QUXU = 7.560 – 3.024 = 4.536 kg/dia SS

O volume diário de lodo produzido no decantador primário é dado pela

Equação (7).

Q0, X0 QE, XE

QU, XU


18

MS = 4.536 kg/dia SS

H2O = 1,0 kg/L

fS = 6%/100% = 0,06

SL = densidade relativa do lodo, [ - ]

As frações de água e sólidos do lodo são, respectivamente, 0,94 e 0,06, ou 94/100 e

6/100. Dos sólidos, 75% são voláteis; portanto a fração de sólidos voláteis e fixos

são, respectivamente, 0,045 e 0,015, ou 4.5/100 e 1.5/100. Substituindo-se na

Equação (20), têm-se

0091,1S9910,05,2

1

100

5.1

0,1

1

100

5.4

0,1

1

100

94

S

1L

L

A densidade relativa do lodo será 1,0091, dado

OHm

OHkg1000

1

lodom

lodokg10091

2

3

23

Substituindo os valores de MS, H2O, fS e SL na Equação (7),

dia

lodom9,74

dia

lodoL74918

lodoskg100

SSkg6

OHm

OHkg1000

1

lodom

lodokg10091

OHm

OHkg1000

dia

SSkg536.4

V3

2

3

23

2

3

2

Resumo

1. Vazões

dia

m

L

m

dia

s

s

LQ

333

0 2160010400.86250

dia

m9,74Q

3

U

dia

m1,525.219,74600.21Q

3

E

2. Cargas

Sólidos: Afluente - dia

kgXQ 560.700

Efluente - dia

kgXQ EE 024.3

Lodo - dia

kgXQ UU 536.4


19

DBO Afluente = 300 mg/L x 0,250 m3/s x 10-6 kg/mg x 103L/m3 x 86.400 s/dia

= dia

DBOkg480.6

DBO efluente tratamento primário = 6.480 x (1 – 0,35) = dia

DBOkg212.4

DBO lodo primário = 6.480 – 4.212 = dia

DBOkg268.2

3. Concentrações

Afluente - sólidos: X0 = 350 mg/L

- DBO: C0 = 300 mg/L

Efluente primário – sólidos: XE = 350 x (1 – 0,60) = 140 mg/L

CE = 300 x (1 – 0,35) = 195 mg/L

Lodo primário – sólidos: L

SSmg60561

m

L10

1

kg

mg10

dia

m9,74

dia

kg536.4

X

3

3

6

3U

DBO: L

DBOmg3028010

dia

m9,74

dia

kg268.2

C 3

3U

Os resultados encontram-se resumidos na Figura 9.

Figura 9: Resumo do balanço de massas no decantador primário.

Q0 = 21.600 m3/dia

X0 = 350 mg/L C0 = 300 mg/L Carga SS = 7.560 kg/dia

Carga DBO = 6.480 kg/dia

QE = 21.487 m3/dia

XE = 140 mg/L CE = 195 mg/L Carga SS = 3.024 kg/dia

Carga DBO = 4.212 kg/dia

QU = 74,9 m3/dia

Xu = 60.561 mg/L Cu = 30.280 mg/L Carga SS = 4.536 kg/dia Carga DBO = 2.268 kg/dia


20

7. REFERÊNCIAS

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12209: projeto de estações de tratamento de esgoto sanitário. Rio de Janeiro, 2011. JORDÃO, E. P.; PESSÔA, C. A. Tratamento de esgotos domésticos. 4. ed. Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental: Rio de Janeiro, 2005. METCALF & EDDY, INC. Wastewater engineering: treatment and reuse. 4rd ed. New York: McGraw-Hill, 2003..

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