Dimensionamento de sistemas de trabalhos biológicos e físico-químicos.
DEBI - Departamento de Estudos Básicos e Instrumentais
Introdução
Norma Brasileira — NBR 9800/1987, efluente líquido industrial é o despejo líquido proveniente do estabelecimento industrial, compreendendo emanações de processo industrial, águas de refrigeração poluídas, águas pluviais poluídas e esgoto doméstico
Introdução
• As caraterísticas físicas, químicas e biológicas dos efluentes variam:
Tipo de indústria
Período de operação
Matéria-prima utilizada
Reutilização de água
Introdução• Efluente líquido pode ser
Solúvel ou com sólidos em suspensão
Com ou sem coloração
Orgânico ou inorgânico
Com temperatura baixa ou elevada.
• Determinações mais comuns para caracterizar a massa líquida
Físicas (temperatura, cor, turbidez, sólidos etc.)
Químicas (pH, alcalinidade, teor de matéria orgânica,
metais etc.)
Biológicas (bactérias, protozoários, vírus etc.).
INTRODUÇÃO
Introdução
Conhecimento da vazão e da composição
Determinação das cargas de poluição / contaminação
Definir o tipo de tratamento Avaliar o enquadramento na legislação ambiental Estimar a capacidade de autodepuração do corpo
receptor
Alternativas de tratamento
Prevenção à poluição
Qualquer prática que vise a redução e/ou eliminaçãoVolume, concentração ou toxicidade das cargas
poluentes na própria fonte geradora.
Modificações nos equipamentosProcessos ou procedimentosReformulação ou replanejamento de produtosSubstituição de matérias-primas e substâncias
tóxicas
Alternativas de tratamento
• É fundamental que a indústria disponha de sistema para tratamento ou condicionamento desses materiais residuais
Para isso é preciso que sejam respondidas algumas perguntas, como:
a) Qual o volume e composição dos resíduos gerados? b) Esses resíduos podem ser reutilizados na própria indústria?c) Esse material pode ser reciclado e comercializado?d) Quanto custa coletar, transportar e tratar esses resíduos ? e) Existe local adequado para destino final desses resíduos ?
Sistemas de tratamento de efluentes
• Classificados de acordo com princípios
Físicos
Químicos
Biológicos:
• Parâmetros de projetos: são o tempo de retenção celular (θc)
Tempo de retenção celular ou idade do lodo (θc)
VXc
dXV
dt
Onde:X = Concentração de microorganismos (mg/L)V= volume do reator (m3)dX/dt = taxa de geração de microrganismo (mg/Ld)
• Tempo de detenção hidraúlica (TDH)
VTDH
Q Onde :
V= volume útil do reator (m3)Q = vazão do efluente (m3/h)
• Relação alimento/microrganismo: baseia-se na relação entre a materia rogânica do efluente a ser tratado e a quantidade de microorganismos necssários para degrada-la
A Q DBO
M V SSV
Onde:Q : vazão do efluente utilizado na alimentação do reator (L.d-1)DBO: demanda bioquímica do efluente (g L-1) V: volume da unidade aerada do reator (L)SSV: sólidos suspensos voláteis (g L-1)A/M : é expressa em g DBO ou g DQO fornecida por dia por g SSV.
• A relação A/M geralmente assume valores compreendidos entre 0,3 e 0,8 Kg DBO/Kg SSVd e para sistemas de aeração prolongada, 0,08 a 0,15 Kg DBO/Kg SSV dia
Dimensionamento de sistemas de trabalhos físicos e químicos
Tratamento preliminar• Remoção de sólidos grosseiros (pedaços de madeira,
plásticos, folhas, cascas, hastes, ramos, penas, ossos etc.)
• Finalidade da remoção de sólidos grosseirosproteção de bombas, tubulações, transportadores, peças
especiais, aeradores, etc. facilitar escoamento;remoção parcial da carga poluidora melhoria da
eficiência em unidades subseqüentes;aspectos estéticos.
Equipamentos utilizados na separação sólido/líquido– Grades– Peneiras
Grades– Limpeza manual– Limpeza automática
Espaçamento entre barras à função das dimensões do material a ser removido.
Tipo de grade
Espaçamento(mm)
Espessuras mais usuais (mm)
40 10 e 13
Grosseira 60 10 e 13
80 10 e 13
100 10 e 13
20 8 e 10
Média 30 8 e 10
40 8 e 10
10 6,8 e 10
Fina 15 6,8 e 10
20 6,8 e 10
Abertura ou espaçamento e dimensões entre das barras
Espaçamento entre barras à função das dimensões do material a ser removido;
• Grades finas (3/8” a 3/4”) à partículas de 1-2 cm;• Grades médias (3/4” a 1 1/2”) à partículas de 2-4 cm;• Grades grosseiras (> 1 1/2") à partículas de 4-10 cm
t a = 20 mm a = 25 mm a = 30 mm
6 mm 75% 80% 83,4%
8 mm 73% 76,8% 80,3%
10 mm 67,7% 72,8% 77%
13 mm 60% 66,7% 71,5%
Eficiência do sistema de gradeamento (E)
a = espaçamento entre as barrast = espessura das barras
Inclinação– 45 a 60o com a horizontal à limpeza manual;– 60o com a horizontal à limpeza mecânica.
• O projeto de Norma Brasileira PNB - 570 impõe que para vazões de dimensionamento superiores a 250 L/s as grades deverão possuir dispositivo de remoção mecanizada do material retido.
Dimensionamento• Velocidade de escoamento do líquido• Muito alta arraste de material retido;• Muito baixa acúmulo por sedimentação mau
cheiro– limpeza manual à 0,30 m s-1 < v < 0,60 m s-1
– limpeza mecânica à 0,60 m s-1 < v < 1,0 m s-1
Dimensionamento da área necessária para o canal das barras
• As velocidades recomendadas através das barras são de:
• Máxima: 0,75 m/s;• Mínima: 0,40 m/s.
QAu
v
Onde:Au - área útil (livre entre barras) (m2);Q – vazão de água residuária (m3 s-1);v – velocidade de escoamento (m s-1).
o Portanto ( )
*a t
S Aua
Onde:S – seção do canal (m2);a – espaçamento entre barras (cm);t – espessura das barras (cm)
Escolhendo-se a espessura e o espaçamento entre barras determina-se a eficiência E
AuS
E
• Perda de carga nas grades:– Pode-se utilizar a fórmula de Metcalf & Eddy
2 2
1,43 *2
V vHf g
Onde V = Velocidade através das grades (usual = 0,6 m/s);v = Velocidade a montante de aproximaçãog = 9,8 m/s2;Hf = perda de carga nas barras.
Operação e manejo do sistemaLimpeza contínua da grade
Evitar represamento e arraste de material
Material sólido removido Secagem para facilitar transporte e encaminhamento
para:
IncineraçãoAterro sanitárioAlimentação animalCompostagem Incorporação ao solo
O processo anaeróbio através de reatores de manta
de lodo apresenta inúmeras vantagens em relação
aos processos aeróbios convencionais
Reatores Anaeróbios de Fluxo Ascendente com manta de lodo / UASB
(Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactors)
VantagensSistema compacto, com baixa demanda de área;Baixo custo de implementação e de operação;Baixa produção de lodo;Baixo consumo de energia;Satisfatória eficiência de remoção de DBO/DQO, da ordem de 65-75%;Possibilidade de rápido reinicio;Elevada concentração de lodo excedente;Boa desidratabilidade o lodo.
Reatores Anaeróbios de Fluxo Ascendente com manta de lodo / UASB
(Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactors)
DesvantagensPossibilidade de emanação de maus odores;Baixa capacidade do sistema em tolerar cargas tóxicas;Elevado intervalo de tempo necessário para a partida no reator;Necessidade de uma etapa de pós-tratamento.
Apesar do conhecimento acumulado sobre os reatores UASB em nosso país.
Não há ainda um roteiro claro e sistematizado, acessível ao projetistas, sobre o dimensionamento desses reatores
É importante que os diversos critérios e parâmetros de projetos de reatores UASB sejam expressos de uma forma compreensível e sequencial
Reatores Anaeróbios de Fluxo Ascendente com manta de lodo / UASB
(Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactors)
Princípios do processo• Os princípios mais importantes que governam a
operação de um reator de manta de lodo• As características do fluxo ascendente devem
assegurar o máximo contato entre a biomassa e o substrato;
• Os curto-circuitos devem ser evitados, de forma a garantir tempos suficientes para a degradação da matéria orgânica;
Reatores Anaeróbios de Fluxo Ascendente com manta de lodo / UASB
(Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactors)
• O sistema deve ter um dispositivo bem projetado, capaz de separar de forma adequada o biogás, o líquido e os sólidos, liberando os dois primeiros e permitindo a retenção do último;
• O lodo na região da manta deve ser bem adaptado, com alta atividade metanogênica específica (AME) e excelente sedimentabilidade (granulado, uma vez que este tipo de lodo apresenta características bem melhores que as do lodo floculento)
Reatores Anaeróbios de Fluxo Ascendente com manta de lodo / UASB
(Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactors)
• Configurações típicas• Inicialmente concebidos para o tratamento de
efluentes industriais como estruturas cilíndricas ou prismático-retangulares, onde as áreas dos compartimentos de digestão e de decantação eram iguais, configurando-se, portanto, reatores de paredes verticais.
Reatores Anaeróbios de Fluxo Ascendente com manta de lodo / UASB
(Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactors)
Esquemas mais freqüentes de formas de reatores UASB
• Quanto à forma do reator em planta, estes podem ser circulares ou retangulares
• Reatores de seção circular são mais econômicos do ponto de vista estrutural, usualmente utilizado para o atendimento de pequenas populações
Reatores Anaeróbios de Fluxo Ascendente com manta de lodo / UASB
(Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactors)
Efluente
Defletores
CH4 ; CO2
Leito do lodo
Efluente
Separador de 3 fases
Gás Partículas de lodo
Critérios e parâmetros de projetoUm dos aspectos mais importantes do
processo através de reatores de manta de lodoHabilidade em desenvolver e manter um lodo
de elevada atividade e de excelentes características de sedimentação
Reatores Anaeróbios de Fluxo Ascendente com manta de lodo / UASB
(Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactors)
Para que isto ocorra alguns parâmetros devem ser observados:
Carga orgânica volumétrica
QxSCOV
V
Onde:COV = carga orgânica volumétrica (kgDQO/m3.d);Q = vazão (m3/d);S = concentração de substrato afluente (kgDQO/m3);V = volume total do reator (m3).
Reatores Anaeróbios de Fluxo Ascendente com manta de lodo / UASB
(Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactors)
Carga hidráulica volumétrica e tempo de detenção hidráulica
A carga volumétrica equivale ao inverso do tempo de detenção hidráulica no reator.
Pode ser entendida como a quantidade (volume) de esgotos aplicados diariamente ao reator, por unidade do mesmo
Reatores Anaeróbios de Fluxo Ascendente com manta de lodo / UASB
(Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactors)
VTDH
Q
QCHV
V
Onde:TDH = tempo de detenção hidráulica (d);CHV = carga hidráulica volumétrica (m3/m3.d);V = volume total do reator (m3);Q = vazão (m3/d).
Reatores Anaeróbios de Fluxo Ascendente com manta de lodo / UASB
(Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactors)
• Carga biológica (carga de lodo)• A carga biológica ou carga de lodo refere-se à
quantidade (massa) de matéria orgânica aplicada diariamente ao reator, por unidade de biomassa presente no mesmo
Q SCB
M
Onde:CB = carga biológica ou carga de lodo (kgDQO/kgSVT.d);Q = vazão (m3/d);S = concentração de substrato afluente (jgDQO/m3);M = massa de microrganismos presentes no reator (kgSVT/m3).
Altura do reatorEstá em função:
do tipo de lodo das cargas orgânicas das velocidades superficiais impostas ao sistema
Para o caso de tratamento de esgotos domésticos, com lodo tipo floculento, as alturas úteis ficam entre 4,0 e 5,0m assim distribuídas:
Material do reatorA degradação anaeróbia de determinados compostos
pode levar à formação de subprodutos altamente agressivos, aliados às próprias características dos esgotos
Os materiais utilizados na construção de reatores anaeróbios devem resistir a corrosão.
concreto e o aço têm sido os materiais mais empregados, sendo normalmente feita uma
proteção interna à base de epóxi
Eficiência de reatores UASBA estimativa da eficiência do sistema é feita através
de relações empíricas, obtidas a partir de resultados experimentais de reatores em operação.
Puderam-se expressar as eficiências através da quantidade de DQO e DBO removidas
• Custos de reatores UASB• Os custos de construções de reatores UASB têm sido
bastante variados (10 a 40 dólares per capita), com valores médios usuais se situando na faixa de US$20/hab a US$30/hab, excluído o valor de aquisição do terreno.
• Os custos relacionados a manutenção e operação de reatores UASB, os valores têm variado bastante (cinqüenta centavos a dois dólares per capita por ano)
035100 1 0,68DQOE TDH
0,50100 1 0,70DBOE TDH
Onde:EDQO = eficiência do reator UASB em termos de remoção de DQO (%);TDH = tempo de detenção hidráulica ;0,68 = constante empírica;0,35 = constante empírica;EDBO = eficiência do reator UASB em termos de remoção de DBO (%);0,70 = constante empírica;0,50 = constante empírica.