II A INFLUÊNCIA DO COMPORTAMENTO HIDRODINÂNICO NO DESEMPENHO DE UMA LAGOA DE ESTABILIZAÇÃO FACULTATIVA

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1 II A INFLUÊNCIA DO COMPORTAMENTO HIDRODINÂNICO NO DESEMPENHO DE UMA LAGOA DE ESTABILIZAÇÃO FACULTATIVA Patrícia Weibert Fonseca Engenheira Civil. Mestranda da Área Interdisciplinar em Engenharia Ambiental - COPPE/UFRJ. Isaac Volschan Junior D.Sc., Prof. Adjunto do Depto. de Recursos Hídricos e Meio Ambiente - Escola Politécnica/ UFRJ. Eduardo Pacheco Jordão Dr.Eng., Prof. Adjunto do Depto. de Recursos Hídricos e Meio Ambiente - Escola Politécnica /UFRJ. João Sérgio Fajardo Roldão M.Sc., Pesquisador do Programa de Engenharia Civil da COPPE/UFRJ José Paulo Soares de Azevedo Ph.D, Prof. Adjunto do Programa de Engenharia Civil da COPPE/UFRJ Endereço: Rua General Garzon 28/601 - Lagoa - Rio de Janeiro/RJ - CEP: Brasil. Tel.: (21) (21) FAX: (21) patriciawf@yahoo.com RESUMO O trabalho teve como objetivo caracterizar a dispersão da lagoa de estabilização facultativa do CETE/UFRJ e compara-la ao que preconizam relações empíricas baseadas em configuração geométrica do reator. Ensaios de traçadores foram realizados para determinação do número de dispersão. Condições próprias de misturação e circulação da massa líquida e de significativa recirculação interna influenciaram o resultado obtido. Coeficientes de remoção de matéria orgânica foram também determinados em função do desempenho da unidade. A influência do número de dispersão sobre a eficiência de remoção de matéria orgânica foi avaliada. A caracterização do modelo de dispersão não ideal é comprovada, quando constatadas eficiências intermediárias àquelas obtidas por meio de modelos ideais de dispersão. Valores de coeficientes de remoção de matéria orgânica sugeridos para modelos de dispersão não ideal aplicam-se também para o caso da lagoa facultativa do CETE/UFRJ. PALAVRAS-CHAVE: Lagoa de Estabilização Facultativa, Traçadores, Fluxo Disperso, Coeficientes de Remoção INTRODUÇÃO O comportamento hidrodinâmico de uma lagoa de estabilização não obedece aos regimes ideais de mistura completa (1) e de fluxo em pistão (2). Na verdade, se estabelece um regime hidráulico intermediário denominado fluxo disperso (3), no qual o número de dispersão, o coeficiente de remoção de matéria orgânica e o tempo de detenção são as variáveis. S = S 0 /(1 + k.t) equação (1) S = S 0 e kt equação (2) 1/ 2d 4ae S= S 0 2 a/2d 2 (1+a) e - 1-a e -a/2d equação (3) a= 1+4Ktd ( ) onde: S: Concentração de DBO total afluente (mg/l) S 0 : Concentração de DBO filtrada efluente (mg/l) k 20 : Coeficiente de remoção de DBO, para 20 C t: Tempo de detenção hidráulico (dias) d: Número de dispersão ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 A literatura indica relações empíricas entre o número de dispersão e a geometria do reator e entre o coeficiente de remoção de matéria orgânica e a taxa de aplicação de carga orgânica. As relações preconizadas por Von Sperling (4), Yanez (5), Agunwamba (6) e Polprasert e Batharai (7) são utilizadas para a determinação do número de dispersão em função extensão (L), largura (B), profundidade útil (h), tempo de detenção hidráulico (t) e viscosidade cinemática ( ) (Von Sperling, 1995). d = 1 ( L / B ) ( L / B) ( L B) + ( L B) 2 d = 0, ,254. / 1,014 / ( ) ( ) 0,410 0, ,385. H / B B+ H t v H H d = 0, LBH.. L B ( + ) 1,489 ( LH. ) 0,489 1,511 0,184. tv.. B 2. H. B d = equação (4) equação (5) equação (6) equação (7) Através de ensaios de traçadores, o presente trabalho teve como objetivo caracterizar a dispersão em uma lagoa de estabilização facultativa e compara-la ao que preconizam as relações empíricas citadas pela literatura. Com base no contínuo monitoramento do processo e aplicando-se o modelo de fluxo disperso para remoção de matéria orgânica, obteve-se os respectivos coeficientes de remoção para cada uma das dispersões caracterizadas: por meio do ensaio de traçadores e por meio das relações empíricas citadas. MATERIAIS E MÉTODOS A lagoa de estabilização facultativa é uma das 15 unidades experimentais que compõem o Centro Experimental de Tratamento de Esgotos da UFRJ. O CETE/UFRJ tem como missão atender aos objetivos acadêmicos de ensino e pesquisa dos cursos de graduação e pós-graduação da UFRJ voltados à engenharia de recursos hídricos, sanitária e ambiental. Consiste em uma central de operações, processos e tecnologias, dotada ainda das seguintes unidades de tratamento de esgotos: grade de barras, desarenador por gravidade, desarenador aerado, decantação primária convencional, decantação primária quimicamente assistida, reator UASB, tanque séptico, filtro anaeróbio, filtro aerado submerso, lodos ativados, lagoa aerada, lagoa de sedimentação, lagoa facultativa e lagoa de maturação. As unidades de tratamento apresentam capacidade para população equivalente da ordem de 500 habitantes. No presente caso, o aparato experimental é constituído por grade de barras, desarenador e uma lagoa de estabilização facultativa, conforme ilustra o fluxograma apresentado na Figura 1. A lagoa de estabilização facultativa apresenta as seguintes dimensões: extensão na profundidade média de 12,63m, largura na profundidade média de 2,78m e profundidade de 1,62m. Os taludes internos apresentam declividade de 1:5, resultando a área superficial de 46,05m². As figuras 2 e 3 ilustram a lagoa facultativa do CETE Poli/UFRJ. Durante a realização do experimento a lagoa facultativa esteve submetida à carga orgânica de 250KgDBO/ha.d e ao tempo de detenção hidráulico de 9 dias. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 Figura 1: Fluxograma da unidade experimental PC 01 Esgoto bruto 2 3 PC 02 1 Elevatória de esgoto bruto 2 Grade de barras 3 Desarenador 4 Lagoa de Estabilização Facultativa PC 01 Ponto de coleta 01 (afluente ao CETE Poli/UFRJ) Pc 02 Ponto de coleta na lagoa facultativa Figura 2: Vista da Lagoa Facultativa fora de carga Figura 3: Vista da Lagoa Facultativa em carga A avaliação de desempenho da unidade experimental se baseou no monitoramento do esgoto afluente e efluente, segundo amostras simples, coletadas 2 vezes por semana, às 15:00 horas, e segundo os seguintes parâmetros físico-químicos: temperatura, DBO e DBOfiltrada. Todas as análises foram processadas no Laboratório de Engenharia do Meio Ambiente da Escola Politécnica da UFRJ, de acordo com o que preconiza o Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. O ensaio de traçadores para a determinação do número de dispersão foi realizado duas vezes para uma melhor caracterização do comportamento hidrodinâmico da lagoa facultativa do CETE Poli/UFRJ. Em cada ensaio, utilizou-se dois tipos de traçadores: Amidorodamina e Uranina. Em ambos os ensaios foram utilizadas as mesma quantidades de traçador: 1,6g de Amidorodamina e 1g de Uranina. Além disso, também foram mantidas as mesmas as condições operacionais da lagoa facultativa: 250 KgDBO/ha.dia e tempo de detenção de 9 dias. A injeção dos traçadores foi efetuada por meio de um dispositivo de Mariotte para manutenção de vazão constante e durou aproximadamente 3 minutos, sendo considerada do tipo instantânea devido ao grande tempo de detenção da lagoa facultativa. O ensaio foi conduzido pelo Laboratório de Traçadores da COPPE/UFRJ. As figuras 4 e 5 ilustram a injeção realizada na calha Parshall da unidade experimental. O primeiro ensaio, iniciado em 22 de novembro de 2004, teve a duração de 20 dias. As amostras foram coletadas por intermédio de um coletor de amostras automático do tipo Manning, junto ao vertedor do efluente da lagoa, segundo a freqüência de amostragem de 3 em 3 horas. O segundo ensaio, iniciado em 29 de março de 2005, teve a duração de 14 dias. Nos primeiros 6 dias de ensaio, a freqüência de amostragem foi horária, passando para períodos 3 horas durante os 8 dias ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 subseqüentes. As amostras foram da mesma forma coletadas automaticamente, junto ao vertedor do efluente da lagoa. Figura 4: Dispositivo de Mariotte Figura 5: Pluma de traçador na calha A modificação da freqüência de amostragem deveu-se a experiência adquirida no primeiro ensaio, quando a configuração da curva de passagem do traçador para os primeiros dias, não mostrou-se muito bem definida para caracterização da dispersão, como mostram as Figuras 6 e 7. Coletadas, as amostras eram reservadas e adequadamente preservadas com clorofórmio, e encaminhadas para o laboratório, para filtração à vácuo, com o objetivo de reduzir a turbidez e melhorar o procedimento de leitura da florescência no espectrofluorímetro. RESULTADOS As Figura 6, 7, 8 e 9 ilustram a curva de passagem dos diferentes traçadores em ambos os ensaio Figura 6: Primeiro ensaio, Amidorodamina Curva de Passagem - P5 (Amidorodamina) 4 35,00 Conc. Medida 3 25, ,00 1 5,00 22/11 24/11 26/11 28/11 30/11 2/12 4/12 6/12 8/12 10/12 Hora do dia Figura 7: Primeiro ensaio, Uranina 14,00 12,00 1 8,00 6,00 4,00 2,00 Curva de Passagem Vertedor (Uranina) 22/11 25/11 28/11 1/12 4/12 7/12 10/12 Hora do dia Conc. Medida Figura 8: Segundo ensaio, Amidorodamina 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 Curva de Passagem Vertedor (Amidorodamina) 29/3 30/3 31/3 1/4 2/4 3/4 4/4 5/4 6/4 7/4 8/4 9/4 10/4 11/4 Dia Seqüência1 Figura 9: Segundo ensaio, Uranina 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 Curva de Passagem Vertedor (Uranina) 29/3 30/3 31/3 1/4 2/4 3/4 4/4 5/4 6/4 7/4 Hora do dia Conc. Medida ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 Na Tabela 1 são apresentados os números de dispersão obtidos em função das equações (8), (9) e (10): t m = t x c / c equação (8) σ² = ( t² x C / c) - t² m equação (9) s t² = σ² / t² m = 2d 2d² [ 1 exp(-1/d)] equação (10) onde: t: tempo acumulado do ensaio (d) c: concentração medida de traçador (mg/l) t m : tempo de detenção hidráulico médio σ²: variância adimensional Tabela 1: Determinação do número de dispersão 1º. Ensaio 2º. Ensaio Fator Amidorodamina Uranina Amidorodamina Uranina t x C 5346, ,40 348,22 112,10 C 924,29 279,45 92,72 28,54 t² x C 49116, , ,84 700,72 tm 5, , , , t²m 33, , , ,42741 σ² 19, , , , σ t² 0, , , , d 0,54 0,54 0,54 0,54 Observa-se que para ambos os ensaios e traçadores utilizados obteve-se o mesmo número de dispersão. Em contra ponto ao experimento realizado, na Tabela 2 são apresentados os números de dispersão obtidos por meio de relações empíricas associadas às dimensões da lagoa facultativa, ao tempo de detenção hidráulico e à viscosidade cinemática. Para o caso, aplicam-se os seguintes valores: extensão da lagoa facultativa na profundidade média (L) de 12,63m, largura da lagoa na profundidade média (B) de 2,78m, profundidade útil da lagoa (h) de 1,62m, tempo de detenção hidráulico (t) de 9 dias e viscosidade cinemática ( ) de 7m 2 /d. Tabela 2: Número de dispersão para as diferentes relações empíricas Relações empíricas Número de dispersão Von Sperling (4) 0,220 Yanez (5) 0,208 Agunwamba (6) 0,113 Polprasert e Batharai (7) 0,016 Observa-se que o mesmo valor obtido nos 4 ensaios de traçadores (d=0,54) difere dos valores calculados por meio das relações empíricas. As curvas oscilatórias descendentes demonstradas nos gráficos das Figuras 6, 7, 8 e 9 demonstram que a lagoa apresenta condições próprias de misturação e circulação da massa líquida, características de comportamento de significativa recirculação interna. Para as condições operacionais impostas à lagoa facultativa - taxa de aplicação de carga orgânica de 250 KgDBO/ha.dia, tempo de detenção de 9 dias e temperatura média de 29ºC, o gráfico da Figura 10 ilustra o seu desempenho por meio de 12 dias de amostragem, no período compreendido entre os meses de março e abril de 2005, época de realização do 2º. ensaio de traçadores.. Na Tabela 3 são apresentados os coeficientes de remoção de DBO obtidos para cada um dos 12 dias de amostragem, segundo o modelo de fluxo disperso anteriormente apresentado (3) e para cada um dos números de dispersão obtidos: por meio dos ensaios de traçadores e por meio das relações empíricas. Observa-se que os valores indicados, já encontram-se corrigidos pela lei de Arrhenius (θ=1,05) para a temperatura de 20ºC. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Figura 10: Gráfico do desempenho da lagoa facultativa 250 Desempenho da Lagoa Facultativa DBO afluente DBO filtrada efluente DBO Dias Tabela 3: Coeficiente k 20 para os diferentes números de dispersão Dias de Amostras N. de Dispersão ,540 0,224 0,156 0,250 0,385 0,329 0,190 0,093 0,138 0,125 0,121 0,348 0,157 0,210 0,220 0,182 0,132 0,201 0,292 0,255 0,157 0,083 0,119 0,108 0,105 0,268 0,133 0,170 0,208 0,180 0,131 0,199 0,288 0,252 0,155 0,082 0,117 0,108 0,104 0,264 0,132 0,168 0,113 0,162 0,121 0,177 0,250 0,221 0,142 0,077 0,109 0,100 0,097 0,231 0,121 0,151 0,016 0,140 0,108 0,152 0,204 0,184 0,124 0,072 0,098 0,091 0,088 0,191 0,108 0,130 Considerando no entanto os modelos ideais de mistura completa (1), usualmente adotado no dimensionamento de lagoas facultativas, e de fluxo em pistão (2), são também apresentados na Tabela 4 os respectivos coeficientes k 20. Tabela 4: Coeficientes k 20 para fluxo pistão e mistura completa Dias de Amostras Modelos ideais (1) 0,407 0,239 0,487 1,035 0,778 0,316 0,120 0,202 0,177 0,168 0,859 0,241 0,419 (2) 0,136 0,105 0,147 0,196 0,177 0,121 0,070 0,089 0,089 0,087 0,184 0,105 0,126 A influência das diferenças entre os coeficientes k 20 obtidos por meio do ensaio de traçadores (d=0,54), dos calculados pelas relações empíricas e aqueles obtidos por modelos ideais de dispersão é observada no gráfico da Figura 11. As curvas determinadas no gráfico da Figura 11 permitem relacionar um dado coeficiente k 20 a diferentes eficiências de remoção. Por exemplo, para o coeficiente médio de remoção alcançado por meio do ensaio de traçadores (k 20 =0,210), obtém-se para a dispersão determinada experimentalmente, a eficiência de remoção de 73,3%; para a relação empírica proposta por Von Sperling, a eficiência de 77,5%; por Yanez, 77,8%; por Agunwamba, 80,2%; e por Polprasert e Batharai, 84%. Quando considerados no entanto os modelos ideais de mistura completa e de fluxo em pistão, as eficiências alcançadas seriam de respectivamente, 65,4% e 85%. Assim, obtendo-se por meio do ensaio de traçadores e por meio das relações empíricas, eficiências de remoção intermediárias aos valores obtidos por meio dos modelos de dispersão ideais, caracteriza-se muito adequadamente o comportamento hidrodinâmico da lagoa obedecendo a um modelo intermediário e de dispersão não ideal. Média Média ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 Figura 11: Gráfico da eficiência versus coeficiente de remoção Coeficiente de Remoção (K) 1,1 0,9 0,7 0,5 0,3 Mistura Completa Ensaio de Traçador Von Sperling Yanez Agunw amba Polpraset e Bathai Fluxo Pistão 0, Eficiências Por fim, segundo as relações empíricas propostas por Arceivala (11) Vidal (12) (Von Sperling, 1995), para modelos não ideais de fluxo disperso e para a temperatura de 20ºC, obtém-se para a aplicação de carga orgânica de 250 kgdbo/ha.d, os respectivos coeficientes k 20 de 0,171 e 0,142, valores próximos aos calculados por meio da relações empíricas, pelo modelo de fluxo em pistão e pelo ensaio de traçadores. K = 0,132 Log L s 0,146 equação (11) K = 0, ,5 x 10-4 L s equação (12) CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES A realização de 4 ensaios de traçadores permitiu a determinação do número de dispersão da lagoa facultativa do CETE/UFRJ. O valor obtido diferiu dos valores calculados por meio de relações empíricas que consideram principalmente a configuração geométrica da lagoa. Certamente, as diferenças são devidas às condições próprias de misturação e circulação da massa líquida, demonstrando significativa recirculação interna na lagoa. Percebe-se que embora os números médios de dispersão determinado e calculados tenham variado entre 0,13 e 0,21, quando analisadas as eficiências médias de remoção, verifica-se que estiveram limitadas entre 73,3% e 84,0%. O trabalho demonstra o modelo de dispersão não ideal da lagoa facultativa, em função da obtenção de eficiências de remoção intermediárias às eficiências alcançadas por modelos de dispersão idealizados. Os coeficientes k 20 sugeridos por Arceivala e Vidal para as condições operacionais da lagoa facultativa ajustaram-se aos obtidos por meio dos ensaios de traçadores e aqueles obtidos por meio das relações empíricas. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. JORDÃO, E. P.e PESSOA, C. A. Tratamento de Esgotos Domésticos. Rio de Janeiro. ABES VON SPERLING, M. Princípios do Tratamento Biológico de Águas Residuárias. Vol. 3. Lagoas de Estabilização. Belo Horizonte. DESA/UFMG YANEZ, F. Lagunas de Estabilizacion. CEPIS KELLNER, E. e PIRES, E. C. Lagoas de Estabilização. Projeto e Operação. ABES ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7