ESTUDO COMPARATIVO DE SISTEMAS DE AERAÇÃO PARA A ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ESGOTOS SUZANO

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1 ESTUDO COMPARATIVO DE SISTEMAS DE AERAÇÃO PARA A ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ESGOTOS SUZANO Roque Passos Pvel Escola Polécnca da Unversdade de São Paulo - EPUSP Pedro Alem Sobrnho Escola Polécnca da Unversdade de São Paulo EPUSP Elosa Helena Cherbakan (*) Companha de Saneameno Básco do Esado de São Paulo SABESP. Engenhera Químca dplomada pela Faculdade de Engenhara Indusral FEI, Mesre em Engenhara Hdráulca e Saneameno pela Escola Polécnca da Unversdade de São Paulo USP. Gerene da Dvsão de Operação da Esação de Traameno de Esgoos Suzano, perencene à Undade de Negóco de Traameno de Esgoos da Companha de Saneameno Básco do Esado de São Paulo SABESP. Endereço (*) : Rua Dr. Fauso Ferraz, 7/ apo.13 - Bela Vsa São Paulo SP, CEP: Brasl - Tel.: Fax: e-mal: RESUMO Esudos desenvolvdos pelas equpes de omzação e operação da Esação de Traameno de Esgoos Suzano (ETE), ndcavam redução na efcênca de aeração do ssema exsene (aeradores mecâncos Flsar), em comparação com os valores projeados. Adconalmene, fo observada defcênca na homogenezação e esrafcação na concenração de oxgêno dssolvdo (OD). Com o objevo de elmnar as problemas e, prncpalmene, aumenar a capacdade de ransferênca de oxgêno na plana, foram esudados em escala real os aeradores submersos ABS e a assocação de 3 msuradores Aqua-mxer com os aeradores Flsar. Os esudos foram realzados a parr de análses laboraoras e ensaos em campo, conemplando anda, de forma comparava, a formação de flocos bológcos e o escoameno hdráulco nos reaores, com o ssema de aeração exsene em Suzano. Os resulados mosraram que ambos os ssemas (ABS e Aqua-mxer+Flsar) não obveram efcênca de aeração superor a dos aeradores Flsar, não alcançando, porano, o objevo prncpal dese esudo. Com relação à homogenezação e redução na esrafcação de OD, os aeradores ABS apresenaram bons resulados, gerando, enreano, flocos bológcos pequenos e fráges, o que não aconeceu com a assocação Aqua-mxer+Flsar. Nese caso, os flocos bológcos apresenaram caraceríscas smlares às do ssema exsene, promovendo, enreano, redução na esrafcação de OD apenas na prmera câmara do anque em ese. Já o escoameno hdráulco fo modelado por um reaor de fluxo dsperso com números de dspersão próxmos de 1, para odos os ssemas avalados. Palavras-chave: Aeração, Homogenezação, Lodos Avados, Aeradores. INTRODUÇÃO A Esação de Traameno de Esgoos Suzano, perencene à Companha de Saneameno Básco do Esado de São Paulo- SABESP e localzada no muncípo de mesmo nome, esado de São Paulo/ Brasl, é uma esação de lodos avados convenconal provda de ssema de aeração mecânca superfcal (aeradores cenrífugos Flsar), com vazão méda nomnal de 15 L/s e que raa aualmene, cerca de 7 L/s, recebendo despejos doméscos e ndusras de muncípos localzados no lese da regão meropolana de São Paulo. Esudos desenvolvdos em 1997 e 1998 pelas equpes de operação e omzação da plana, ndcavam sensível redução na efcênca de aeração dos aeradores mecâncos exsenes, em relação aos dados de projeo, além de defcênca na homogenezação e esrafcação na concenração de oxgêno dssolvdo nos anques de aeração, agravada pelos fores despejos de orgem ndusral que chegavam a represenar cerca de 3% da carga orgânca afluene à mesma demandando elevadas massas de oxgêno, o que movou ese esudo comparavo de ssemas de aeração. Também foram avaladas de forma comparava, a formação dos flocos bológcos e o comporameno mcrobológco denro dos anques, as velocdades de sedmenação do lodo avado e a caracerzação do escoameno hdráulco dos anques operando com os dferenes ssemas de aeração.

2 OBJETIVO Avalar em escala real e de forma comparava com o ssema de aeração exsene na Esação de Traameno de Esgoos - ETE Suzano (aeradores Flsar), os aeradores submersos ABS (ssema Frngs) e a assocação de rês msuradores de fluxo descendene (Aqua-mxer) com os aeradores exsenes (Flsar), como possíves alernavas para melhora na aeração e homogenezação da plana, elmnando ou reduzndo a níves aceáves a esrafcação verfcada na concenração de oxgêno dssolvdo e a deposção de sóldos suspensos na prmera e úlma câmara dos anques de aeração, aproxmando ao máxmo o escoameno hdráulco nos anques de aeração, ao de reaores msura complea, bem como, gerando flocos bológcos melhor formados e consequenemene, mas ressenes. DESCRIÇÃO DOS SISTEMAS DE AERAÇÃO ESTUDADOS Os eses foram realzados em escala real, no período de mao de a novembro de 1, em rês dferenes anques de aeração da ETE Suzano (anques A, C e D), cujas dmensões ndvduas são de 16 x 8 x 4,5m. Os ensaos comparavos foram desenvolvdos em rês eapas, face prncpalmene, à dfculdade em dsponblzar-se e colocar-se em operação odos os equpamenos e acessóros dos ssemas de aeração esudados. No anque de aeração A, foram nsalados na prmera eapa dos eses, aeradores submersos ABS, em número de 8 undades, poênca nomnal de 75 cv (cada) e capacdade de ransferênca de oxgêno em condções de campo (segundo o fabrcane), de 1,8 kg O /kwh. No anque de aeração C, foram nsalados na prmera e segunda eapa dos esudos, 3 msuradores de fluxo descendene Aqua-mxer (7,5 cv cada), na prmera, ercera e quna câmaras do anque (cada anque possu ses câmaras), assocados a cnco aeradores mecâncos superfcas Flsar exsenes (fluxo ascendene, poênca ndvdual de 1 cv e capacdade de ransferênca de oxgêno em condções de campo de 1,8 kg O /kwh - dados de projeo da esação). Na ercera eapa, as msuradores foram ransferdos para o anque D, al permanecendo aé a conclusão do presene esudo, lembrando que o anque D operou como anque referênca durane as duas prmeras eapas de esudo (com 5 aeradores mecâncos superfcas de baxa roação Flsar, orgnas do projeo). ENSAIOS REALIZADOS Como do anerormene, as alernavas esudadas foram comparadas com o ssema de aeração aualmene em operação, vsando a obenção de melhoras para as varáves já menconadas. Com ese fm, foram avaladas: As capacdades de ransferênca de oxgêno e efcêncas de aeração em campo, ulzando-se para al, eses com peróxdo de hdrogêno (H O ). As concenrações de oxgêno dssolvdo (OD) alcançadas nos anques de aeração pelos ssemas em ese, ao longo de suas exensões e profunddades, ulzando-se para ano, oxímeros de campo. As concenrações de sóldos suspensos cenrfugados (SSC) e de sóldos suspensos oas (SST) mandas ao longo da exensão e profunddade dos anques, avalando-se a ocorrênca ou não de deposções. Aspecos mcrobológcos, como, po e número de mcroorgansmos enconrados nos anques em ese, amanho e ressênca dos flocos formados. As velocdades de sedmenação dos lodos bológcos dos dferenes anques em ese. Os comporamenos hdráulcos dos anques de aeração operando com as dferenes alernavas de aeração/homogenezação em esudo. Aualmene, vsando mnmzar mpacos causados prncpalmene por cargas de choque ou óxcas (efluenes ndusras), o ssema bológco de Suzano como um odo, opera no modo msura complea. Para deermnar-se enão, os números de dspersão caracerzando-se o escoameno hdráulco, foram realzados eses com raçador radosóopo ( 8 Br), com njeção po pulso. Vale desacar que as concenrações de sóldos suspensos oas (SST) e de oxgêno dssolvdo (OD), foram monoradas em 4 dferenes ponos dos anques de aeração a 1,, 3 e 4 m de profunddade cada, vsando avalar-se, prncpalmene, a ocorrênca de esrafcação.

3 Tese de ransferênca de oxgêno e deermnação da efcênca de aeração em campo.- A capacdade de ransferênca de oxgêno e efcênca de aeração dos ssemas, junamene com a capacdade de homogenezação foram as varáves de maor mporânca nese esudo. Fo ulzado o méodo não esaconáro com adção de peróxdo de hdrogêno (H O ) para a deermnação das capacdades de oxgenação dos ssemas esudados em condções reas de operação. O méodo consse na elevação da concenração de oxgêno dssolvdo (OD) denro do anque em ese, a valores da ordem de 5 mg/l, aravés da adção de solução de H O a 5%, acompanhando-se o decameno desa ao longo do empo em ponos represenavos do reaor (fgura 1), escolhdos conforme procedmeno ASCE (1991) para medção de ransferênca de oxgêno em água lmpa. O anque deve er a almenação e o reorno de lodo nerrompdos pelo menos uma hora anes do níco do ensao, a fm garanr-se a esabldade e predomíno de respração endógena no ssema, evando-se nerferêncas por bruscas varações na carga afluene. Concenração (mg/l) Tempo decorrdo (h) Fgura 1: Curva de decameno da concenração de oxgêno dssolvdo com o empo O peróxdo deve ser adconado no menor empo e de forma mas homogênea possível (menos que 5 mnuos), razão pela qual, deve ser dsposo em bombonas dsrbuídas ao redor do anque e despejadas smulaneamene. Traando-se de um oxdane fore, cudados especas devem ser omados para evar-se acdenes, como o uso de luvas, boas de PVC, óculos e capas de proeção, ec. Em posse dos dados de OD meddos em campo (ulzando-se oxímeros), é raçada a curva real de decameno do oxgêno e é calculado, ulzando-se um méodo maemáco não lnear (no presene esudo, fo ulzada a ferramena Solver da planlha Excel), o valor do αfk la (coefcene de ransferênca de massa de oxgêno de processo), que será ulzado na consrução da curva eórca de decameno. A fórmula dese modelo é dada pela equação abaxo (CHM GORE & Sorre Lmed; Hydromans, 1996): C = C e + ( α F kla. ) ( C C ) o e (1) Onde: αfk la = coefcene de ransferênca de massa de oxgêno de processo (h -1 ) C = concenração de OD (mg/l) no empo C e = concenração de OD no equlíbro, normalmene, valor da cauda da curva (mg/l) C = concenração de OD ncal, normalmene valor de pco da curva real (mg/l) = empo (h) O valor do αfk la deermnado em ensao de campo para cada ssema de aeração em esudo, é calculado a parr da méda arméca enre os valores de αfk la enconrados para os ponos de monorameno que apresenam melhores ajuses enre as curvas real e eórca. 3

4 Calculado o valor médo de αfk la para o ssema em esudo, deermna-se sua capacdade de oxgenação na emperaura do ese ulzando-se a equação : CO T C = αfk la(t).(c s C r ).V. 4 1 () Lembrando-se que: CO TºC = Capacdade de oxgenação à emperaura T (kg O /d) C r = Concenração resdual de oxgêno requerda (mg/l) = Concenração de sauração à emperaura T (mg/l) C s Corrgndo-se o valor do αfk la para a emperaura de C aravés da equação 3: k (T ) la(t) = kla().θ (3) Calcula-se a capacdade de oxgenação do ssema à C : CO C = αfk la().(c C s () r ).V. 4 1 (4) Desa forma, a capacdade de oxgenação será máxma se a concenração resdual requerda de oxgêno for gual a zero. O valor resdual recomendado para o esudo em quesão, fo de 1,5 mg/l de OD. A efcênca de aeração é obda, dvdndo-se a capacdade de oxgenação ou axa de ransferênca de oxgêno (TTO), pela poênca ava dos aeradores medda em campo no momeno do ensao, expressando-se o resulado em kg O /kwh. Caracerzação do escoameno hdráulco nos anques.- O comporameno do escoameno hdráulco nos anques, ambém nfluencado pelos ssemas de aeração/homogenezação em esudo, consuu-se numa mporane varável avalada nese rabalho. O raçador 8 Br, fo njeado de forma nsanânea e proporconal à vazão afluene a cada uma das quaro comporas de almenação dos anques esudados, medndo-se a concenração ou, nese caso, radação (cpm), na saída dos mesmos. Com os dados meddos em campo, foram levanadas as curvas de dsrbução do empo de resdênca (DTR), calculados os empos reas de deenção hdráulca ( ou TMR) e os respecvos números de dspersão (d), que ndcam o espalhameno do empo de deenção hdráulca real das parículas do fludo em escoameno e é a parr da sua deermnação que normalmene é fea a classfcação do comporameno hdrodnâmco. Dz-se que um reaor em um comporameno de msura complea quando d em valor elevado. Teorcamene, quando um reaor opera em regme de msura complea, o valor de d ende ao nfno. Por ouro lado, quando d é gual a zero, o reaor esá operando com escoameno ubular. Quando < d <, o reaor esá operando em regme de escoameno dsperso (Arcevala, 1981; Kellner; Pres, 1999). Assm, a parr da curva concenração ou conagem (C) x empo (), obém-se a curva normalzada E() x empo (), de modo que a área sob a curva seja gual à undade (Levenspel, 196): C() E() = C().d (5) O empo médo de resdênca (TMR ou ) é dado por (Levenspel, 196): 4

5 = Ed Ed 1 (6) Se a curva de dsrbução é conhecda somene para um número dscreo de valores do empo, enão (Levenspel, 196):.E.. (7) A quandade descrva segune de maor mporânca é a dsposção da dsrbução. Isso é comumene meddo pela varança σ (Levenspel, 196): ou, anda, na forma dscrea: σ = _ (8) Cd Cd _ = Cd Cd σ _ C C = C C _ (9) A varança represena o quadrado da amplude da dsrbução e em undades de (empo). Ela é parcularmene úl quando se preende ajusar curvas expermenas a uma de váras famílas de curvas eórcas. No raameno dos modelos, com freqüênca consderamos convenene medr o empo em undades de empo médo de resdênca. Isso dá enão, uma medda admensonal (Levenspel, 196): e Analogamene; θ = d dθ = σ σ θ = (1) (11) (1) Levenspel (1974), desenvolveu um méodo esaísco para deermnar expermenalmene o valor de d baseado na curva de varação da concenração de um raçador em função do empo. Conhecda a varança (σ θ ), pode-se calcular o número de dspersão d aplcando-se a equação proposa por Levenspel (1974) para reaores fechados: 5

6 σ θ =.d.d.(1 e 1 d ) (13) RESULTADOS EXPERIMENTAIS E CONCLUSÕES Concluídas as rês eapas dos eses, os resulados mosraram que: Os aeradores ABS embora apresenem excelene capacdade de homogenezação, facldade e flexbldade de nsalação e manuenção, elmnação percepva dos aerossós (smlarmene aos ssemas de ar dfuso po dfusores cerâmcos ou membranas), e consderável redução na esrafcação da concenração de oxgêno, sua efcênca de aeração em condções de processo mosrou-se nferor à do ssema exsene para as condções locas, conforme apresenado nas abelas 1 e. A relavamene baxa profunddade do anque pode er conrbuído para esa reduzda efcênca. De um modo geral, apenas os flocos formados no anque A (aeradores ABS), apresenaram-se menores e mas fráges. As populações mcrobanas formadas nos rês anques esudados manveram-se basane smlares. A assocação dos rês msuradores Aqua-mxer aos aeradores da plana, mosrou-se efcene em ermos de msura de sóldos (fguras comparavas 5 e 6) e redução na esrafcação do oxgêno dssolvdo (fguras comparavas 3 e 4), apenas na prmera câmara dos anques (pono de monorameno 1). Não houve aumeno na efcênca de aeração ou melhora em qualquer ouro parâmero avalado. Também os msuradores Aqua-mxer mosraram-se basane fráges para as condções dos anques de aeração em esudo, obrgando a freqüenes paralsações para manuenção nos mesmos. Pode-se consderar que para a assocação dos 3 msuradores com os aeradores Flsar, pracamene não houve alerações na efcênca de aeração em condções de processo em comparação com o ssema exsene na plana. A dscrea redução no valor da efcênca (abela ), pode esar relaconada com o lmado número de ponos de monorameno ulzado no ensao para a deermnação da axa de ransferênca de oxgêno (foram ulzados em méda 5 a 6 meddores e OD sendo 4 o número mínmo recomendado). No aspeco hdráulco, odos os anques com os ssemas de aeração/ homogenezação esudados, apresenaram caraceríscas de reaores de fluxo dsperso, represenados por um únco reaor com grande dspersão (os números de dspersão deermnados para os anques A, C e D foram,9473;,9397 e,943 respecvamene). O anque A (aeradores submersos ABS) apresenou maor número de dspersão, embora com valor muo próxmo dos demas. Anda com relação ao aspeco hdráulco, pode-se consderar que os ssemas esudados pracamene não apresenaram zonas moras ou curo crcuos, poso os empos médos de resdênca (TMR=5:5, 5:59 e 6:3 h, respecvamene) deermnados em ensaos com raçador, erem sdo superores aos empos eórcos de deenção hdráulca ( h =3:44, 4:8 e 3:54 h, respecvamene), calculados a parr do volume de cada anque dvddo por suas respecvas vazões afluenes, embora a homogenezação não enha se mosrado muo efcene, prncpalmene nos anques C e D. A curva padronzada E(θ)xθ (fgura ) mosra a semelhança do escoameno hdráulco nos anques. Curva padronzada E(θ ) x θ 1, 1, E(θ),8,6,4, Tanque A Tanque D Tanque C, -, θ Fgura : Curva padronzada E (θ) x θ para os anques de aeração A (aeradores ABS), C (Aquamxer+Flsar) e D (Flsar ou anque referênca). 6

7 8, 7, 6, 5, 4, 3,, 1,, Tanque C - Po. 1 1m m 3 m 4 m Fgura 3: Concenração de OD no anque C (Aqua-mxer+Flsar) - eapa. Esrafcação reduzda. 8, 6, 4,,, Tanque D - Po. 1 1m m 3 m 4 m Fgura 4: Concenração de OD no anque D (referênca) - eapa. Esrafcação acenuada. 5, 4, 3,, 1,, Tanque C - Po. 1 1m m 3 m 4 m Fgura 5: Concenração de SST no anque C (Aqua-mxer+Flsar) - eapa. Não há deposção de sóldos. 1, 8, 6, 4,,, Tanque D - Po. 1 1m m 3 m 4 m Fgura 6: Concenração de SST no anque D (referênca) - eapa. Deposção de sóldos a 4 m de profunddade. 7

8 Tabela 1: Capacdades de oxgenação deermnadas em campo (eses com adção de peróxdo de hdrogêno) Ssema aerador Tanque Daa do ensao Temperaura (ºC) αfk la médo a Tº C (h 1 ) αfk la médo a º C (h 1 ) CO (TºC) e C r =1,5 mg/l (kg O /d) CO (ºC) e C r =1,5 mg/l (kg O /d) CO máx(ºc) e C r =, mg/l (kg O /d) ABS A ,3 5, ,6 5.6, ,36 Referênca D ,19 11, , 1.835, , Referênca D ,9 1, , 1.48, 1.3, Aqua-mxer + Flsar Aqua-mxer + Flsar C ,17 6, , 6.74, 7.395, D ,49 11,4 1.88, 1.7, 13.53, Tabela : Efcêncas de aeração deermnadas em campo (eses com adção de peróxdo de hdrogêno) Efcênca de CO Ssema Daa do (ºC) e C r CO máx(ºc) e Efcênca máx. Poênca aeração, ºC e Tanque =1,5 mg/l C aerador ensao r =, mg/l de aeração ºC (kg O /d) (kg O /d) ava (kw) C r =1,5 mg/l (kg O (kg O /kwh) /kwh) ABS A , ,36 347,67,67,8 Referênca D , , 35,4 1,48 1,8 Referênca D , 1.3, 37,5 1,8 1,56 Aqua-mxer + Flsar Aqua-mxer + Flsar C , 7.395, 95,7,86 1,4 D , 13.53, 43,7 1,5 1,8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Amercan Socey of Cvl Engneers ASCE (1991). Measuremen of Oxygen Transfer n Clean Waer; ANSI/ASCE, USA. Arcevala, S. J. (1981). Wasewaer reamen and dsposal; Engneerng and ecology n polluon conrol, New York: Marcel Dekker, Inc. Cherbakan, E. H. (199). Esudo Comparavo de Ssemas de Aeração para uma Esação de Traameno de Esgoos pelo Processo de Lodos Avados, São Paulo, 48 p. Dsseração (Mesrado)-Escola Polécnca, Unversdade de São Paulo. CHM GORE & Sorred Lmed; Hydromans, Inc. (1996). Gudance manual for sewage reamen plan process auds, Mnsry of Envronmen and Energy, Onaro. Kellner, E.; Pres, E.C. (1999). Avalação de modelos de cálculo do número de dspersão para lagoas de esablzação; Revsa Engenhara Sanára e Ambenal ABES, v.4, n.3, jul./ago. 1999, n.4, ou./dez. 1999, p Levenspel O. (196). Chemcal Reacon Engneerng; New York, Wley. Levenspel O. (1974). Engenhara das reações químcas: cálculo de reaores; São Paulo, Edgard Blücher Lda. Waer Polluon Conrol Federaon - WPCF (1988). Aeraon. A wasewaer reamen process; WPCF Manual of Pracce FD-13, ASCE Manuals and Repors on Engneerng Pracce N 63. Alexandra. 8

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