TRATAMENTO ANAERÓBIO DE ESGOTOS

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1 TRATAMENTO ANAERÓBIO DE ESGOTOS

2 TRATAMENTO ANAERÓBIO Sis stemass Anaer róbios X Sistemas Aeró óbios

3 Vantagens - Baixa produção de sólidos, cerca de 5 a 10 vezes inferior à que ocorre nos processos aeróbios, além de que o lodo já se encontra estabilizado bl - Baixo consumo de energia e impacto positivo nos custos operacionais i daestação Desvantagens - Os microrganismos anaeróbios, pelo seu baixo crescimento, são mais susceptíveis a problemas de toxicidade - A partida do processo pode ser lenta, na ausência de lodo de semeadura adaptado d - Baixa demanda de área - Alguma forma de pós-tratamento é usualmente requerida - Baixos custos de implantação, da ordem de US$ 20 a 30 per capita - A bioquímica e a microbiologia da digestão anaeróbia são complexas e ainda precisam ser mais estudadas - Produção de metano, um gás - Possibilidade d de geração de maus combustível de elevado poder odores quando mal projetados e calorífico operados - Tolerância a elevadas cargas - Possibilidade de geração de efluente orgânicas com aspecto desagradável - Aplicabilidade em pequena e grande escala - Baixo consumo de nutrientes - Remoção de nitrogênio, fósforo e patógenos insatisfatória

4 ??????? DIGESTOR

5 Orgânicos Complexos (Carbiodratos, Proteínas, Lipídios) Bactérias Fermentativas (Hidrólise) Orgânicos Simples (Açucares, Aminoácidos, AGCL/Glicerol) Bactérias Fermentativas (Acidogênese) Ácidos Orgânicos (Propionato, butirato, lactato, álcoois) Bactérias Acetogênicas (Acetogênese) Homoacetogênicas H 2 + CO 2 Acetato Metanogênicas hidrogenotróficas Archaea Metanogênicas (Metanogênese) CH 4 + CO 2 Metanogênicas acetoclásticas

6 DE TR RATAME ENTO DE ANAERÓ ÓBIOS EMAS A OTOS SISTE ESGO Sistemas de Baixa Taxa Reatores de mistura completa (CSTR) Tanques Sépticos Lagoas Anaeróbias Sistemas anaeróbios de tratamento de esgotos Com Crescimento Aderido Reatores de Leito Fixo Reatores de Leito Rotatório Reatores de Leito Expandido/Fluidifi cado Sistemas de Alta Taxa Com Crescimento Disperso Reatores de Dois Estágios Reator de Chicanas Reator de Manta de Lodo Reator de Leito Granular Expandido Reator com circulação interna

7 EVOLUÇÃO DOS SISTEMAS ANAERÓBIOS PARA ESGOTOS INDUSTRIAIS

8 EVOLUÇÃO DOS SISTEMAS ANAERÓBIOS PARA ESGOTOS INDUSTRIAIS Cervejarias e indústrias i de bebidas bid (ex. Sucos) Destilarias i e indústrias i de fermentação Indústrias alimentícias Polpa e papel Indústria química e petroquímica Indústria têxtil Aterros sanitários ou industriais percolado Ciclo do enxofre e remoção de metais Etc.

9 EVOLUÇÃO DOS SISTEMAS ANAERÓBIOS PARA ESGOTOS INDUSTRIAIS Valores retirados de companhias renomadas como Paques, Biothane, Biotim, Enviroasia, ADI, Waterleau, Kurita, Degremont, Envirochemie, GWE, Grontmij Acrescentar mais uns 500 de companhias menores ou projetistas independentes.

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11 SISTEMAS ANAERÓBIOS DE ALTA TAXA

12 SISTEMAS ANAERÓBIOS DE ALTA TAXA Características ti que devem ser conseguidas nos SAAT para suportarem elevadas COVs: Elevada capacidade de retenção de lodo ativo no reator sob as condições de operação quando maior a quantidade de lodo retido maior será a potencial de aplicação do COV. Suficiente contato do esgoto com o lodo. Altas taxas de reação e ausência de sérias limitações de transferência de massa. A biomassa mantida deve ser suficientemente adaptada ou ter capacidade de aclimatação ao esgoto em questão. Prevalência de condições ambientais favoráveis para todos os organismos requeridos dentro do reator sob todas as condições operacionais impostas.

13 SISTEMAS DE ALTA TAXA COM CRESCIMENTO ADERIDO

14 DE TR RATAME ENTO DE ANAERÓ ÓBIOS EMAS A OTOS SISTE ESGO Sistemas de Baixa Taxa Reatores de mistura completa (CSTR) Tanques Sépticos Lagoas Anaeróbias Sistemas anaeróbios de tratamento de esgotos Com Crescimento Aderido Reatores de Leito Fixo Reatores de Leito Rotatório Reatores de Leito Expandido/Fluidifi cado Sistemas de Alta Taxa Com Crescimento Disperso Reatores de Dois Estágios Reator de Chicanas Reator de Manta de Lodo Reator de Leito Granular Expandido Reator com circulação interna

15 FILTRO ANAERÓBIO: INTRODUÇÃO Podem ter o sentido ascendente ou descendente. São constituídos por uma biomassa que cresce aderida a um meio suporte e uma que cresce nos vazios e no fundo falso (FA ascendente). A maioria da atividade anaeróbia encontrada nos FA de fluxo ascendente é da biomassa não aderida ao meio suporte.

16 FILTRO ANAERÓBIO: INTRODUÇÃO

17 FILTRO ANAERÓBIO: INTRODUÇÃO Filtro anaeróbio

18 FILTRO ANAERÓBIO: VANTAGENS Elevada idaded de lodo (superior a 20 dias) conseguida pelo crescimento da biomassa aderida ao meio suporte ou não. Resistem bem às variações do afluente e propiciam boa estabilidade ao efluente, com baixa perda dos sólidos biológicos. Não necessitam de inóculo para a partida. Propiciam i enorme liberdade d de projeto. Têm construção e operação muito simples.

19 FILTRO ANAERÓBIO: VANTAGENS Esgotos concentrados e diluídos mais indicados para esgotos predominantemente solúveis colmatação aumenta com o SS. São projetados com um baixo TDH pequeno São projetados com um baixo TDH pequeno volume.

20 FILTRO ANAERÓBIO: DESVANTAGENS Entupimento e formação de caminhos preferenciais (fluxo ascendente).

21 FILTRO ANAERÓBIO: FINALIDADES DO MEIO SUPORTE Permitir o acúmulo de grande quantidade de biomassa, com o conseqüente aumento do tempo de retenção celular. Melhorar o contato entre os constituintes do despejo afluente e os sólidos biológicos contidos no reator. Atuar como uma barreira física, evitando que os sólidos sejam carreados para fora do sistema de tratamento. Ajudar a promover a uniformização do escoamento no reator.

22 FILTRO ANAERÓBIO: CARACTERÍSTICAS DO MEIO SUPORTE Estruturalmente resistentes e suficientemente leves. Biológica e quimicamente inertes e que facilitem a rápida colonização dos microrganismos. Facilitem a distribuição do fluxo e dificultem a obstrução. Elevada porosidade.

23 FILTRO ANAERÓBIO: CARACTERÍSTICAS DO MEIO SUPORTE Elevada área superficial. Preço baixo. Fácil aquisição.

24 FILTRO ANAERÓBIO: TIPOS DE MEIO SUPORTE

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28 FILTRO ANAERÓBIO DE FLUXO ASCENDENTE São projetados com maior freqüência do que os de fluxo descendente. Desde 1981 aproximadamente 140 plantas foram construídas para vários tipos de esgotos domésticos e industriais (aproximadamente 6% do total oa de sistemas sse asde alta aaaa taxa instalados). ados) Experiências satisfatórias com COVs de até 10 Experiências satisfatórias com COVs de até 10 kgdqo/m3.dia.

29 FILTRO ANAERÓBIO DE FLUXO ASCENDENTE Ainda podem ser considerados atrativos para esgotos solúveis, principalmente quando o processo de granulação não ocorrerá de maneira satisfatória. Nos últimos anos, somente foram registradas 6 novas instalações (1% do total).

30 FILTRO ANAERÓBIO DE FLUXO ASCENDENTE

31 FILTRO ANAERÓBIO DE FLUXO ASCENDENTE Afluente Tubos para remoção de lodo Meio suporte Flocos e grânulos ativos Efluente

32 FILTRO ANAERÓBIO DE FLUXO ASCENDENTE

33 FILTRO ANAERÓBIO DE FLUXO DESCENDENTE

34 FILTRO ANAERÓBIO DE FLUXO DESCENDENTE Afluente Tubos perfurados distribuição Meio suporte Efluente Tubos perfurados coleta

35 FILTRO ANAERÓBIO DE FLUXO DESCENDENTE Dispositivos de distribuição

36 Dispositivos de distribuição FILTRO ANAA AERÓBIO DE FLUXF XO DESCENDENTE

37 FILTRO ANAERÓBIO: ASPECTOS CONSTRUTIVOS E OPERACIONAIS Remoçãodolodoemexcesso(limpezadoleito) drenagem dos líquidos (por descarga de fundo ou sucção) com vazão maior que no fluxo normal remoção lodo de excesso operação pode ser auxiliada por aspersão de efluente tratado ou água limpa sobre o leito. Freqüência de remoção (da ordem de 3 a 6 meses) função das concentrações do afluente, do tipo de material suporte (granulometria e forma) e da altura do leito, etc.

38 FILTRO ANAERÓBIO: CRITÉRIOS DE PROJETO Como pós-tratamento de efluentes domésticos de reatores anaeróbios Parâmetro Unidade d Q med Q max, d Meio suporte Pedra Pedra Altura da camada de meio suporte m 0,8-3,0 0,8-3,0 TDH h Taxa de aplicação m3/m2.d superficial Carga orgânica kgdbo/m3.d 0,15-0,50 0,15-0,50 Carga orgânica no meio kgdbo/m3.d 0,25-0,75 0,75 0,25-0,75 0,75 suporte

39 FILTRO ANAERÓBIO: CRITÉRIOS DE PROJETO Podem ser ascendente ou descendente, d afogados ou não. São normalmente cobertos quando são abertos colocar uma camada de brita. Laje do fundo falso: aberturas de 2,5 cm, espaçadas 15 cm entre si. Di t ib i ã d t á d i fl ê i d 3 Distribuição do esgoto área de influência de 3 m2. Para tubos perfurados D ~ 1,0cm, distantes 20cm entre si.

40 FILTRO ANAERÓBIO: CRITÉRIOS DE PROJETO Coleta por meio de canaletas ou tubos perfurados, cuja quantidade deve ser igual aos tubos de distribuição. Nos filtros retangulares e tubos perfurados canaletas ou tubos coletores de efluente devem ser dispostos paralelamente aos tubos de distribuição (Distância < 1,5m). Tubos guias com D < 200mm área de influência de 3m2. Construídos em concreto armado, plástico de alta Construídos em concreto armado, plástico de alta resistência ou PRFV.

41 FILTRO ANAERÓBIO: EXEMPLO DE DIMENSIONAMENTO

42 SISTEMAS DE ALTA TAXA COM CRESCIMENTO DISPERSO

43 DE TR RATAME ENTO DE ANAERÓ ÓBIOS EMAS A OTOS SISTE ESGO Sistemas de Baixa Taxa Reatores de mistura completa (CSTR) Tanques Sépticos Lagoas Anaeróbias Sistemas anaeróbios de tratamento de esgotos Com Crescimento Aderido Reatores de Leito Fixo Reatores de Leito Rotatório Reatores de Leito Expandido/Fluidifi cado Sistemas de Alta Taxa Com Crescimento Disperso Reatores de Dois Estágios Reator de Chicanas Reator de Manta de Lodo Reator de Leito Granular Expandido Reator com circulação interna

44 REATOR UASB Reator anaeróbio de manto de lodo e fluxo ascendente (UASB). Desenvolvido na Holanda, na Universidade de Wageningen, no fim dos anos 70 pelo Prof. Dr. Gatze Lettinga e sua equipe de pesquisadores). Início: Em experimentos com FA, observou-se a presença de grânulos livres. Consolidação: viagem do prof. Lettinga à Africa do Sul observou o desenvolvimento de grânulos compactos em um Clarigester (ancestral do UASB) tratando vinhaça (produção de vinho).

45 REATOR UASB Nascimento a partir do reconhecimento de que o suporte inerte não era necessário para reter lodo de alta qualidade no reator. Possuía também um fluxo ascendente como a maioria dos filtros anaeróbios. Primeira planta piloto: refinaria de açúcar de beterraba na Holanda.

46 REATOR UASB: VANTAGENS Não há necessidade de mistura mecânica. Devido a boa capacidade de sedimentação do lodo pode-se trabalhar com velocidades superficiais elevadas sem o risco de varrimento da biomassa. O bom contato do esgoto com a biomassa é conseguido com um sistema de distribuição eficiente na base do reator ou como resultado da agitação causada pelo produção do biogás.

47 REATOR UASB: VANTAGENS Suporta moderadas COVs (10 a 15 kgdqo/m 3.dia). Sistema compacto. Baixo custo de operação. Sistema robusto.

48 REATOR UASB

49 REATOR UASB RETANGULAR

50 REATOR UASB RETANGULAR: PAQUES

51 REATOR UASB RETANGULAR

52 REATOR UASB RETANGULAR

53 REATOR UASB CIRCULAR

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55 REATOR UASB CIRCULAR

56 REATOR UASB CIRCULAR

57 PROJETO DE REATORES UASB

58 PROJETO DE REATORES UASB 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. O sistema deve ter um dispositivo bem projetado, capaz de reter os sólidos e de liberar bem o biogás e o efluente. As bolhas de biogás se dirigem ao topo do reator carreando água e sólidos (lodo e partículas sólidas).

59 PROJETO DE REATORES UASB A manta de lodo deve ser bem adaptada, d com alta atividade metanogênica específica e lodo com boa capacidade de retenção. A manta de lodo ocupa aproximadamente metade do volume do reator e consiste de grânulos ou flocos de elevada capacidade de sedimentação. O reator UASB pode ser limitado tanto organicamente (COV) como hidraulicamente (CHV)

60 PROJETO DE REATORES UASB Carga orgânica volumétrica (COV): Depende da quantidade de biomassa retida no sistema normalmente kgssv/m3 de reator (incluindo o compartimento de decantação) Depende da atividade metanogênica específica kgdqo/kgssv.dia Depende da capacidade de mistura do esgoto afluente com a manta de lodo fator de contato (fc), normalmente entre 0 e 1.

61 PROJETO DE REATORES UASB Carga orgânica volumétrica (COV): T (ºC) Esgoto rico em Esgoto pobre em Esgotos com Esgotos com AGVs AGVs SS-DQO < 5% SS-DQO entre 5-40% , ,

62 PROJETO DE REATORES UASB Carga orgânica volumétrica (COV): COV QS V COV = carga orgânica volumétrica (kgdqo.m -3.d -1 ) Q = vazão (m 3.d -1 ) S = concentração do substrato afluente (kgdqo.m -3 ) V = volume total do reator (m 3 )

63 PROJETO DE REATORES UASB Carga orgânica volumétrica (COV): V QS COV V = volume total do reator (m 3 ) COV = carga orgânica volumétrica (kgdqo.m -3.d -1 ) Q = vazão (m 3.d -1 ) S = concentração do substrato afluente (kgdqo.m -3 ) COV de projeto em escala plena têm sido inferior a 15 kgdqo/m3.dia COV para esgoto doméstico usualmente de 2,5 a 3,5 kgdqo/m3.dia

64 PROJETO DE REATORES UASB Tempo de detenção hidráulica (TDH) mínimo: Dependerá do tipo delodoque está sendo cultivado Das características dos despejos Da máxima carga hidráulica volumétrica (CHV) Da máxima velocidade ascensional (nunca superior a 1m/h se não for lodo granular) Quando o sistema pode tolerar elevada velocidade ascensional (por exemplo de 6m/h com um lodo granular de boa qualidade) redução substancial no volume do reator Para reatores projetados para elevadas COVs or reatores são limitados pela turbulência causada pelo biogás máxima velocidade do biogás permitida da ordem de 2 a 3 m/h

65 PROJETO DE REATORES UASB Tempo de detenção hidráulica (TDH) mínimo: TDH V Q TDH = tempo de detenção hidráulica (d -1 ) Q = vazão (m 3.d -1 ) V = volume total do reator (m 3 )

66 PROJETO DE REATORES UASB Temperatura do esgoto ( C) TDH para esgotos doméstico (h) Qmed Qmax,d 15 a 18 > 10,0 > 7,0 18 a 22 > 8,0 > 5,5 22 a 25 > 7,0 > 4,5 > 25 > 6,0 > 4,0

67 PROJETO DE REATORES UASB Carga hidráulica volumétrica (CHV) máxima: CHV Q 1 V TDH CHV = carga hidráulica volumétrica (m 3.m -3.d -1 ) Não deve ultrapassar 3,5 m3/m3.dia calculada Não deve ultrapassar 3,5 m3/m3.dia calculada com base na vazão média.

68 PROJETO DE REATORES UASB Adaptação para efluentes de baixas concentrações (incluem esgoto sanitário): Critério i carga hidráulica (não carga orgânica). Baixas V asc importante p/ retenção de biomassa e estabilidade do processo. Reatores com menor altura e maior seção transversal. Efluentes industriais geralmente precedidos de unidade de equalização (vazão e carga orgânica).

69 PROJETO DE REATORES UASB Carga biológica i (carga de lodo): carga orgânica aplicada ao sistema em relação à quantidade de biomassa presente no reator QS CB M CB = carga biológica ou carga de lodo kgdqo/kgsvt.dia) Q = vazão (m3/dia) S = concentração do substrato afluente (kgdqo/m3) M = massa de microrganismos presentes no reator (kgssv) 0,05 a 0,15 kgdqo/kgssv.dia f (esgoto)

70 PROJETO DE REATORES UASB Velocidade d superficial i de fluxo (ou ascensional): Q va v = velocidade superficial do fluxo, ou ascensional (m/h) Q = vazão (m3/h) A = área da seção transversal do reator (m2) Ou v QH V H TDH H = altura a do reator (m)

71 PROJETO DE REATORES UASB Velocidade superficial de fluxo (ou ascensional): Vazão afluente Velocidade Velocidade ascensional (m/h) para lodo floculento ascensional (m/h) para lodo granular Vazão média 0,5 0, Vazão máxima < 1,1 1 Picos temporários < 1,5

72 PROJETO DE REATORES UASB Separador trifásico, defletores e tubos de distribuição do afluente e coleta do efluente: Grande variedade conforme o fabricante, normalmente o reator é patenteado Especial atenção à distribuição do esgoto quando a COV é baixa quando a turbulência causada pela produção do biogás é limitada Experiências i em escala plena mostram que quando COV > 5 kgdqo/m3.dia o biogás se encarrega da boa mistura melhoria nos problemas de transferência de massa Em reatores EGSB a distribuição do afluente é menos crítica devido à menor área

73 PROJETO DE REATORES UASB Separador trifásico, defletores e tubos de distribuição do afluente e coleta do efluente: Tipo de lodo COV (kgdqo/m3.dia) Área de influência da distribuição (m2/tubo) Floculento de densidade < 1 2 média (20-40 kgst/m3) > 3 Floculento denso (> 40 kgst/m3) < > , Granular < 2 0, > 4 > 2

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77 SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO DO AFLUENTE

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89 DIMENSIONAMENTO COMPARTIMENTO DE DIGESTÃO E DECANTAÇÃO (SEPARADOR TRIFÁSICO): DEFLETOR, CALHA DE COLETA DO EFLUENTE, CALHA COLETA DO BIOGÁS, ETC.

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102 DIMENSIONAMENTO DESCARTE DO LODO, AMOSTRAGEM, VISITA, E SISTEMADE DESIDRATAÇÃO (NORMALMENTE LEITOS DE DESIDRATAÇÃO (NORMALMENTE LEITOS DE SECAGEM)

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107 PROJETO DE REATORES UASB TRATANDO ESGOTOS DOMÉSTICOS Critério/parâmetro Faixa de valores, em função da vazão Para Q med Para Q máx d Carga hidráulica volumétrica (m 3 /m 3.dia) < 3,5 < 5,5 Tempo de detenção hidráulica (h) > 7,0 > 4,5 Velocidade superficial do fluxo (m/h) 0,5-0,7 < 1,1 Velocidade nas aberturas para o < 2,5 < 4,0 decantador (m/h) Taxa de aplicação superficial no < 0,8 < 1,2 decantador (m/h) Tempo de detenção hidráulica no decantador (h) > 1,5 > 1,0

108 PROJETO DE REATORES UASB TRATANDO ESGOTOS DOMÉSTICOS Distribuição do afluente Para Qmed Diâmetro do tubo de distribuição do afluente (mm) Diâmetro do bocal de saída do tubo de distribuição (mm) Desnível entre a soleira do tubo de distribuição e o NA 0,2-0,3 do decantador (m) Distância entre o bocal de saída e o fundo do reator (m) 0,1-0,2 Área de influência de cada tubo de distribuição (m 2 ) 2,0-3,0 Coleta de biogás Largura mínima da câmara de gás do separador 025 0,25 trifásico (m) Taxa mínima de liberação de biogás (m 3 /m 2.h) 1,0 Taxa máxima de liberação de biogás (m 3 /m 2.h) 3,0-5,0 Concentração de metano no biogás (%) 70-80

109 PROJETO DE REATORES UASB TRATANDO ESGOTOS DOMÉSTICOS Compartimento de decantação Para Qmed Trespasse dos defletores de gás, em relação à abertura 0,1-0,2 para o decantador (m) Inclinação das paredes do decantador (graus) > 50 Profundidade do compartimento de decantação (m) > 1,5 Coleta do efluente Submergência do retentor de escuma ou do tubo de 0,20-0,30 coleta do efluente (m) Número de vertedores triangulares (unidades/m 2 reator) 1-2

110 PROJETO DE REATORES UASB TRATANDO ESGOTOS DOMÉSTICOS Produção e amostragem do lodo Para Qmed Coeficiente de produção de sólidos (kgsst/kgdqoapl) 0,10-0,20 Coeficiente de produção de sólidos em termos de DQO ,11-0,23 (kgdqolodo/kgdqoapl) Concentrações esperadas do lodo de descarte (%) 2-5 Densidade do lodo (kgsst/m 3 ) Diâmetro das tubulações de descarte de lodo (mm) > 150 Diâmetro das tubulações de amostragem de lodo (mm) 50

111 DIMENSIONAMENTO REATOR UASB

112 PÓS-TRATAMENTO DE REATORES ANAERÓBIOS

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114 PÓS-TRATAMENTO DE REATORES ANAERÓBIOS UASB seguido por lagoas de polimento (LP) UASB seguido por biofiltros aerados submersos (BF) UASB seguido por filtros anaeróbios UASB seguido por lodos ativados (LA) UASB seguido por disposição no solo

115 UASB SEGUIDO POR LP

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