FUNDAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DE RONDÔNIA UNIR CAMPUS DE JI-PARANÁ DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA AMBIENTAL

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1 FUNDAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DE RONDÔNIA UNIR CAMPUS DE JI-PARANÁ DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA AMBIENTAL Disciplina: Processos de Tratamento de Esgoto Professora: Nara Luisa Reis de Andrade

2 Reproduzido conforme o fenômeno da autodepuração Tecnologia do tratamento com o objetivo da depuração através: Condições controladas (controle de eficiência) Taxas mais elevadas (solução mais compacta) Microbiologia do tratamento é fundamental para o desenvolvimento do projeto e operação 2

3 Microbiologia do tratamento Principais grupos de organismos envolvidos no tratamento: Bactérias, protozoários, fungos, algas e vermes Desenvolvimento das funções vitais dos organismos dependem de: Energia; Carbono (C); e Nutrientes (N; P; S, K; Mn etc) C:N:P 100:5:1 3

4 Microbiologia do tratamento Geração de energia nas células Organismos aeróbios estritos utilizam apenas o oxigênio livre na sua respiração Organismos facultativos utilizam o oxigênio livre (preferencialmente) ou o nitrato como aceptores de elétron Organismos anaeróbios estritos utilizam o sulfato (SO 4 2- ) ou o dióxido de carbono como aceptores de elétron, não podendo obter energia através da respiração aeróbia Na presença de vários aceptores de elétron disponíveis no meio, o sistema utiliza aquele que produz a mais alta quantidade de energia. Por essa razão, o OD é utilizado primeiramente, e após a sua exaustão, o sistema deixa de ser aeróbio. 4

5 O tratamento dos efluentes será projetado para um ou mais níveis de tratamento sequencias, dependendo: do objetivo a ser alcançado; das características do efluente, dentre outros. 5

6 Níveis de tratamento Preliminar Primário Secundário Terciário Processos envolvidos: Físicos e químicos Biológicos 6

7 Remoção de Matéria Orgânica M.O. dissolvida (DBO solúvel) M.O. em suspensão (DBO suspensa ou particulada) TRATAMENTO SECUNDÁRIO Acelerar os mecanismos de degradação que ocorrem naturalmente nos corpos receptores Inclusão de etapa biológica Remoção de M.O. Reações bioquímicas MICROORGANISMOS 7

8 Inclui unidades de tratamento preliminar; Pode ou não incluir unidades de tratamento primário (Ex: Sistema Australiano) 8

9 MÉTODOS Lagoas de estabilização e variantes Tratamento anaeróbio Lodos ativados e variantes Filtro biológico e variantes Disposição sobre o solo Etc... Escolha em função: Vazão; Carga orgânica; Qualidade final do efluente; Área disponível; Disponibilidade econômica; Clima... 9

10 Definição: São sistemas de tratamento biológico em que a estabilização da matéria orgânica é realizada pela oxidação bacteriológica (oxidação aeróbia ou fermentação anaeróbia) e/ou redução fotossintética das algas). Indicações: É considerada uma opção de tratamento biológico simples e eficiente; Especialmente indicada para pequenas comunidades/pequenas vazões. 10

11 FONTE: 11

12 Principais vantagens Baixo custo de implantação e operação Baixo consumo de energia - quando necessário somente para a EE de esgotos Satisfatória eficiência de remoção de DQO e DBO da ordem de 60-85% Considerável remoção de patógenos (99,99%) e nutrientes (N e P) Elevada concentração e boa desidratabilidade do lodo a ser removido Operação simples, sem esquemas sofisticados, exigindo operadores menos capacitados Principais limitações Necessidade longos tempo de detenção, o que implica em grandes requisitos de áreas (MAIOR ÁREA REQUERIDA ) Atividade biológica afetada pelas condições climáticas locais (temperatura, radiação solar e vento) Possibilidade de rápido reinício mesmo após longas paralisações Emanação de odores (distanciamento mínimo de aglomerados urbanos de 500 m) 12

13 Aspectos construtivos: Movimento de terra de escavação Preparação e proteção de taludes: f(terreno) Fácil implantação......geralmente não se faz uma lagoa isolada... 13

14 VARIAÇÕES: Lagoas facultativas (LF) Lagoas anaeróbias (LA) Lagoa aerada facultativa (LAF) Lagoas aeradas de mistura completa (LAE)+Lagoas de sedimentação Lagos de maturação (LM) Lagoas em série (+ de 1 tipo de lagoas de tratamento) 14

15 Sist. Austaliano 15

16 Lagoas de estabilização e variantes Problemas ocasionados por projetos mal elaborados e/ou operação ineficiente Exalação de maus odores; Estética desfavorável, gerando efluente com elevada concentração de SS; Efluente com DBO elevada; Coliformes fecais em excesso; Potencializar a proliferação de vetores (Moscas). 16

17 Variante mais simples; Retenção de esgotos por longos períodos de tempo (TDH elevado = grandes áreas!!); Vantagens e desvantagens dependem dos fenômenos naturais. Base teórica: Fenômenos de autodepuração 17

18 FLUXOGRAMA TÍPICO Trat. preliminar Geralmente requer + tratamento (ex. lagoas em série) Dispensa trat. Primário: Suporta altas taxas de DBO e sólidos. 18

19 Aspectos biológicos do tratamento 19

20 Perfeito equilíbrio entre consumo e produção de O 2 e CO 2 Bactérias respiração consumo de oxigênio produção de gás carbônico M.O + O 2 CO 2 + H 2 O + E Algas fotossíntese /respiração produção de oxigênio consumo de gás carbônico CO 2 + H 2 O + E M.O + O 2 Sol Elevada proximo a superfície Consumo de O 2 durante o dia (diversas bact.) 20

21 DESCRIÇÃO DO PROCESSO Remoção da MO é realizada pelos mecanismos: digestão aeróbia e anaeróbia; e sedimentação e acumulação do lodo no fundo da lagoa; A DBO solúvel e finamente particulada é estabilizada aerobiamente por bactérias dispersas no meio líquido, ao passo que a DBO suspensa tende a sedimentar, sendo convertida anaerobiamente por bactérias no fundo da lagoa. 21

22 DESCRIÇÃO DO PROCESSO O oxigênio requerido pelas bactérias aeróbias é fornecido pelas algas, através da fotossíntese. 15 x mais produção do que consumo de O 2 22

23 23

24 CARACTERÍSTICAS DO EFLUENTE Cor verde (algas verdes cloroficeas/cianobacterias) Elevado teor de oxigênio dissolvido Sólidos em suspensão (não sedimentável) Remoção de 70 a 90% de DBO (TDH de 15 a 20 dias) 24

25 INFLUÊNCIA DAS CONDIÇÕES AMBIENTAIS FATOR Radiação solar Temperatura Vento INFLUÊNCIA Velocidade de fotossíntese Velocidade de fotossíntese Taxa de decomposição bacteriana Solubilidade e transferência de gases Condição de mistura Condições de mistura Reaeração atmosférica Mistura: Minimiza zonas estagnadas Transporta algas não motoras para zona fótica Transporta O 2 para o fundo REQUERIDA!!! - Variável... 25

26 PARÂMETROS DE PROJETO Tempo de detenção (TDH=V/Q): t necessário para que os microorganismos estabilizem M.O. (BACTÉRIAS) Profundidade: 15 a 20 dias 1,5 a 3,0 m Taxa de aplicação superficial (TAS ou Ls) (requisitos de área: A = L/L S ): Geometria (relação comprimento/largura) Adoto TDH ou; Adoto h e determino TDH. Região quente (Tméd>20 C): 240 a 350 kgdbo 5 /ha.d; Região fria: 100 a 240 kgdbo 5 /ha.d 26

27 27

28 Conhecimento disponível limitado para otimizar a profundidade Tendência de se adotar lagoas não muito rasas H = 1,5 A 3,0 m 28

29 PARÂMETROS DE PROJETO Taxa de aplicação superficial (TAS) determino a ÁREA: A (ha)=carga DBO total aflu. (kgdbo5/d )/TAS Área requerida per capita (m²/hab): 2 a 5 m² 29

30 PARÂMETROS DE PROJETO Geometria (relação comprimento/largura) O projeto poderá aproveitar o terreno e sua topografia (relação adequada L/B); Maior eficiência Sistemas com L/B elevados fluxo pistão; Sistemas com L/B ~ 1 (mistura completa) série; Sistemas com L/B ~ 1 (mistura completa) única. Menor ef. (compostos de ordem 1) No entanto, o regime de mistura completa é mais indicado quando se tem despejos sujeitos a grande variabilidade de cargas: diluição do afluente (lagoas fac. primarias) Recomendação: L/B = 2 A 4 30

31 LODO Taxa de acúmulo média 0,03 a 0,08 m 3 /hab.ano Baixa taxa de acúmulo Acumulação por vários anos sem necessidade de REMOÇÃO 31

32 32

33 Dimensionar uma lagoa facultativa e propor o fluxograma do sistema, com base nos dados abaixo: População: hab; Vazão afluente: Q= 3000 m³/d; DBO af.: So=350 mg/l DBO ef.:sf=55mg/l Temperatura: 23 C; SS = 80 mg/l Considerar: a) K (20 o C) = 0,3 A 0,4 d -1 ; b) 1mgSS/l = 0,35mgDBO/l Kt = K 20 *ϴ (T-20) θ = 1,05 (Silva e Mara, 1979) 33

34 Constituem-se em uma forma alternativa de tratamento onde a existência de condições estritamente anaeróbias é essencial. Para isso, há lançamento de uma grande carga de DBO por unidade de volume da lagoa. A taxa de consumo de oxigênio é várias vezes superior à taxa de produção. 34

35 Tratamento de esgotos domésticos e despejos industrias orgânicos Frigoríficos Laticínios Altas cargas orgânicas (DBO)!! Bebidas 35

36 ESTABILIZAÇÃO ANAERÓBIA: transforma compostos orgânicos complexos em produtos mais simples. 1. Liquefação e formação de ácidos (bactérias acidogênicas) Conversão de M.O a outras formas (ácidos orgânicos): fase digestão ácida 2. Formação de metano (bactérias metanogênicas) DBO removida (M.O convertida a metano, gás carbônico, água): fase fermentação metânica ou alcalina Produção de material celular; Produtos mal cheirosos (gás sulfidrico H 2 S,); ph baixa para 6, até 5. Formação de escuma de cor cinzenta e aspecto feio; Maus odores desaparecem ph sobe para 7,2 ou 7,5; Temperatura deve manter-se acima de 15 C. 36

37 Considerações sobre a existência de etapa anaeróbia em um reator aberto Causa de preocupação: 1. Bactérias sensíveis as condições ambientais; 2. Possibilidade de geração de maus odores (ácidos); 3. Interrupção na remoção de DBO. 37

38 Condições para o desenvolvimento das bactérias metanogênicas: Ausências de oxigênio dissolvido; Temperatura do líquido adequada (acima de 15 C); ph adequado (próximo ou superior a 7) Lagoa Anaeróbia Sólidos sedimentáveis Etapa inicial remoção de poluentes: ação de forças físicas Microrganismos da degradação da MO, são encontrados em toda massa líquida 38

39 A crosta cinzenta escura de escuma, típica de lagoas anaeróbias extremamente benéfica! Impede desprendimento gás sulfídrico; Impede entrada de luz solar; Conserva e uniformiza a temperatura. 39

40 Eficiência de remoção de DBO 50 a 70% Necessidade de unidade posterior de tratamento Sistemas de lagoas anaeróbias seguidas de lagoas facultativas Sistema Australiano 40

41 Remoção da DBO de 50-70% na lagoa anaeróbia (mais profunda e com menor volume); DBO remanescente é removida na lagoa facultativa; Sistema ocupa uma área inferior ao de uma lagoa facultativa única. 41

42 SISTEMA AUSTRALIANO Corpo Receptor Grade Cx de areia Medição de vazão Lagoa Anaeróbia Lagoa Facultativa Fase Sólida Fase Sólida 45 a 70% do requisito de uma lagoa facultativa única Redução de custos de aquisição de terreno e obras civis. 42

43 LODO Lagoas devem ser limpas quando camada de lodo atingir aprox. a metade da altura útil. Taxa de acúmulo: 0,03 a 0,1m³/hab.ano. 43

44 Parâmetros de Projeto Lagoas Facultativas Lagoas Anaeróbias TDH = 15 a 20 dias; Prof = 1,5 a 3m; TAS: 240 a 350 kgdbo 5 /ha.d; L/B = 2 a 4 Eficiência (DBO) = 70 a 90% x TDH = 3 a 6 dias; Prof = 3,5 a 5m; TAS: até 1000 kgdbo 5 /ha.d; L/B = 1 a 3 Eficiência (DBO) = 50 a 70% 44

45 Principal parâmetro: Taxa de aplicação volumétrica (L v ) V = L/Lv L = carga de DBO afluente (KgDBO/d) L v = Taxa de aplicação Volumétrica (kg DBO/m 3.d) V = volume requerido para a lagoa Taxas de aplicação volumétrica admissíveis para projeto de lagoas anaeróbias em função da temperatura. Temperatura média do ar mais frio-t( C) Taxa de aplicação volumétrica admissível-l v (KgDBO/m 3.d) 10 a 20 0,02T-0,10 20 a 25 0,01T-0,10 >25 0,35 45

46 SISTEMA AUSTRALIANO 3 a 6 dias -LAGOA FACULTATIVA TDH: 15 a 20 dias Prof: 1,5 a 3m 46

47 SISTEMA VANTAGENS DESVANTAGENS 47

48 Exemplo: Dimensionar uma lagoa anaeróbia para os seguintes dados: População: hab. Vazão afluente: m 3/ d DBO afluente :350mg/L Temperatura: T=23 C e L v = 0,15kgDBO 5 /m³d Eficiência de remoção de DBO desejada de 60% *Verificar ef. para : Ef = 2T+20 (MARA, 1997). Solução: Carga de DBO total 350mg/L = 350g/m 3 V = L/Lv Taxa de aplicação volumétrica Carga de DBO: L= Q x conc. = 3000m 3 /d x 0,350 Kg/m 3 = 1050kg/d 48

49 Cálculo do volume requerido V = L/Lv V = 1050kgDBO/d 0,15kgDBO/m 3.d = 7000m 3 Verificação do tempo de detenção hidráulico θ h = V/ Q Requerivel ajustar TDH θ h = 7000m m 3 /d θ h = 2,3d Obs: lagoa com esse baixo tempo de detenção deve ter sua entrada pelo fundo. 49

50 Exemplo de Dimensionamento Profundidade adotada - 4,5m Área média: V=volume da lagoa e; A m = V/h h = profundidade. A m = 7000 m 3 /4,5m = 1.556m 2 * Vamos adotar 2 lagoas Área de cada lagoa = 1.556m 2 /2 = 778m 2 50

51 Exemplo de Dimensionamento Possíveis dimensões de cada lagoa: Caso seja adotadas 2 lagoas em paralelo e uma relação comprimento/largura(l/b) igual a 2,5 em cada lagoa ter-se-á: Área de cada lagoa = 1.556m 2 /2 = 778m 2 A=B.L = (2,5.B).B = 2,5.B 2 778m 2 = 2,5.B 2 B = 18 m A=B.L e 778 = 18.L L = 43m Possível dimensões de cada lagoa: 43 m x 18 m 51

52 Exemplo de Dimensionamento Eficiência de remoção de DBO desejada de 60% DBO efl = S 0 (1 E/100) DBO efl = 350 (100 60/100) DBO efl = 140mg/L O efluente da lagoa anaeróbia é o afluente da lagoa facultativa! 52

53 Considerar para lagoa facultativa secundaria: K= 0,27 d -1 (0,25 a 0,32 d -1 ); Fazer correção de K para T = 23 C. 53

54 LAGOAS AERADAS Sistema predominantemente aeróbio; Disponibilidade de área reduzida alternativa à lagoa facultativa; Adicionada à lagoas facultativas que operam no limite da capacidade, sem área para expansão. Variações: Aerada facultativa; Aerada de mistura completa + lagoa de sedimentação. Introdução de mecanização: + Manutenção e operação; Consumo de energia elétrica. 54

55 LAGOAS AERADAS FACULTATIVAS Processo: Mantém oxigenação (> taxas de decomposição M.O.); Não mantém os sólidos dispersos na massa líquida. Aerador de eixo vertical: turbilhonamento Camada de lodo: anaerobiose Introdução de mecanização; Placas protetoras de concreto no solo. 55

56 Critérios de projeto: Similar à lagoa facultativa; TDH = 5 a 10 dias; K= 0,6 a 0,8 d -1 ; Profundidade da lagoa: 2,5 a 4m: - Compatível com o sistema de aeração; - Necessidade de camada aeróbia ~ 2m para oxidação de gases da decomposição anaeróbia do lodo de fundo. 56

57 Critérios de projeto: Requisitos de oxigênio (RO) estabilização da DBO: RO= a.q.(so-s)/1000 RO= [kgo 2 /d] a=coef. 0,8 a 1,2 [kgo 2 /kgdbo 5 ] Q= vazão af. [m³/d] So= Conc. DBO af. [g/m³] S = Conc. DBO ef. [g/m³] 1000= conversão (g/kg) Potência Requerida (RE): RE = RO/(24*Eocampo) RE = requisito energético [kw]; 24= dia para hora Sendo: EO= eficiência de oxigenação EO campo = 0,55 a 0,65*EOpadrão EO padrão: 1,2 a 2,0 kgo 2 /kwh 57

58 LAGOAS AERADAS FACULTATIVAS SISTEMA DE AERAÇÃO Aeradores mecânicos flutuantes de eixo vertical e alta rotação Aeradores de turbina com aspiração; Aeração por ar difuso. Requisitos: Dist. Homogênea; > n de aeradores na entrada da lagoa; Reg. Final da lagoa sem aerador; Min. 2 aeradores. 58

59 LAGOAS AERADAS FACULTATIVAS SISTEMA DE AERAÇÃO kw = CV*0,75 59

60 LAGOAS AERADAS FACULTATIVAS Taxa de acúmulo de lodo 0,03 a 0,08 m 3 /hab.ano Removido quando a camada atingir uma espessura que possa ser afetada pelos aeradores, ou quando redução do volume útil seja substancial (1/3 da altura útil) 60

61 Essencialmente aeróbias; Elevada energia introduzida por unidade de volume da lagoa faz com que os sólidos e biomassa permanecem dispersos no meio líquido (mistura completa); Aumento da eficiência na remoção da DBO, decorrente da maior concentração de biomassa no meio líquido, permitindo um volume inferior ao da LAF (menor área requerida dentre as lagoas!!); Devido ao elevado teor de sólidos (biomassa) no efluente é requerido uma unidade de decantação; Lodo da lagoa de decantação deve ser removido em períodos de poucos anos (1-5 anos); 61

62 Critérios de projeto: Similar às anteriores; TDH = tempo de retenção celular 2 a 4 dias Profundidade da lagoa: 2,5 a 4m: 62

63 Lagoas de decantação: Destinadas à remoção de SÓLIDOS EM SUSPENSÃO; NÃO REMOÇÃO DE M.O. Parâmetros: TDH < 4 dias (evita crescimento de algas); Prof. Maior ou igual a 3m (camada aeróbia acima do lodo) 63

64 Tipo de lagoa Facultativa primária (esgoto bruto) Facultativa secundária Aerada facultativa Aerada mistura completa Coeficiente de remoção de DBO (K), médio, a 20ºC [d-¹] 0,3 a 0,4 d-¹ 0,25 a 0,32 d-¹ 0,6 a 0,8 d-¹ 1,0 a 1,5 d-¹ Equação de ajuste de T Kt = K 20 *ϴ (T-20) θ = 1,05 (Silva e Mara, 1979) Eficiência de remoção de DBO 64

65 Dados: População: hab. Vazão afluente: m 3/ d DBO afluente :350mg/L Temperatura: T=23 C e L v = 0,15kgDBO 5 /m³*d Eficiência de remoção de DBO desejada de 60%. (Comprovar com cálculo da eficiência de remoção, considerando a lagoa como um modelo mistura completa). Fazer proposições de fluxograma do sistema. 65

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69 OBRIGADA... -Dados para seguro visita `a ETE -Mudança de datas seminários e P2 10/11/ SEMINÁRIOS: Efluentes Industriais 17/11/ SEMINÁRIOS: Reuso de águas residuárias 24/11/2015 P2 69