II-257 CONDIÇÕES DE MISTURA, OXIGENAÇÃO E DESEMPENHO DE UMA LAGOA AERADA DE MISTURA COMPLETA

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1 II-257 CONDIÇÕES DE MISTURA, OXIGENAÇÃO E DESEMPENHO DE UMA LAGOA AERADA DE MISTURA COMPLETA Olivia Souza de Matos (1) Engenheira Civil. Mestre 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. José Paulo Soares de Azevedo Ph.D, Prof. Adjunto do Programa de Engenharia Civil - COPPE/UFRJ Endereço (1) : Rua General Ribeiro da Costa 137/12 Leme Rio de Janeiro/RJ - CEP: Brasil Tel.: (21) (21) FAX: (21) oliviasmatos@yahoo.com.br RESUMO Lagoas aeradas são classificadas como facultativas ou de mistura completa em função da densidade de potência dos equipamentos de aeração. O presente documento discute o desempenho de uma lagoa aerada de mistura completa seguida de lagoa de sedimentação quando submetida à variação do tempo de detenção hidráulico de 4,8 para 2,4 dias. Verifica condições ideais de misturação e de disponibilidade de oxigênio dissolvido, alcançadas pelo uso de um Aerador Tipo Jato. Determina os coeficientes global e específico de remoção de matéria orgânica para ambas as fases e avalia a influência exercida pela concentração de sólidos em suspensão voláteis presente na massa líquida. PALAVRAS-CHAVE: Lagoa Aerada, Mistura Completa, Oxigenação, Coeficiente de Remoção. INTRUÇÃO Lagoas aeradas são classificadas como facultativas ou de mistura completa em função da densidade de potência dos equipamentos de aeração. Lagoas aeradas de mistura completa apresentam densidade de potência dos aeradores maior que 3, W/m 3, tempo de detenção hidráulico compreendido entre 2 e 4 dias, e são seguidas por lagoas de sedimentação. A potência dos equipamentos de aeração é responsável pela agitação e misturação da massa líquida, perfazendo a desejada mistura completa do reator biológico, e pela transferência de massa de oxigênio necessária à manutenção de concentração de oxigênio dissolvido em torno de 2, mg/l. O presente trabalho teve como objetivo variar o tempo de detenção hidráulico de uma lagoa aerada de mistura completa seguida de lagoa de sedimentação e dotada de um Aerador Tipo Jato e avaliar suas condições de misturação, disponibilidade de oxigênio dissolvido, e desempenho na remoção de matéria orgânica e sólidos. A influência da concentração de sólidos em suspensão voláteis presente na massa líquida sobre a remoção de matéria orgânica foi também avaliada. MATERIAIS E MÉTOS A lagoa aerada seguida de lagoa de sedimentação são duas 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, filtração biológica aeróbia, lagoa facultativa e lagoa de maturação. As unidades de tratamento apresentam capacidade para a população equivalente de aproximadamente 5 habitantes. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 A unidade experimental da pesquisa em referência é composta por grade de barras, desarenador e lagoa aerada de mistura completa seguida por uma lagoa de sedimentação, conforme ilustra o fluxograma apresentado na Figura 1. Figura 1: Fluxograma da Unidade Experimental PC 1 Esgoto bruto PC 2 PC Elevatória de esgoto bruto 2 Grade de barras 3 Desarenador 4 Lagoa Aerada de Mistura Completa 5 Lagoa de Sedimentação PC 1 Ponto de coleta 1 (afluente ao CETE Poli/UFRJ) PC 2 Ponto de coleta 2 (efluente lagoa aerada de mistura completa) PC 3 Ponto de coleta 3 (efluente da lagoa de sedimentação) O esgoto bruto afluente à unidade experimental apresenta concentrações médias de 35 mgdqo/l, 153 mgdbo/l, 252 mg/l. A lagoa aerada do CETE/UFRJ é constituída por um tanque de seção trapezoidal, construído em concreto armado, envolto em taludes de terra e apresenta as seguintes dimensões: extensão na profundidade média de 9,7 m, largura na profundidade média de 3, m e profundidade de 2,2 m. Os taludes internos apresentam declividade de 1:2,5, resultando a área superficial de 29,1 m². As Figuras 2 e 3 ilustram a lagoa aerada do CETE/UFRJ. A potência do aerador Tipo Jato, marca AMBIO, é de 3,5 CV. A lagoa de sedimentação, unidade subseqüente à lagoa aerada, apresenta aproximadamente as seguintes dimensões: extensão de 3,6 m (no nível superior); largura de 3,6 m (no nível superior) e profundidade de 2,2 m. Figura 2: Vista da lagoa aerada Figura 3: Vista do Aerador Tipo Jato As condições operacionais da unidade experimental durante a realização da pesquisa variaram segundo o tempo de detenção hidráulico, como demonstrado na Tabela 1. Tabela 1: Condições operacionais da unidade experimental de pesquisa Fase Vazão (m 3 /dia) Tempo de Detenção, dia (*) A 13 4,8 B 26 2,4 (*) na lagoa aerada As condições de misturação foram avaliadas semanalmente através da configuração dos perfis transversal e longitudinal das concentrações de sólidos em suspensão totais () e voláteis () e de oxigênio dissolvido () na massa líquida. A disponibilidade de oxigênio dissolvido foi mensurada no campo, através de ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 oxímetro portátil (marca SHOTT). 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: horas, e segundo os seguintes parâmetros físico-químicos: DBO total, DBO solúvel, e. 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 (WEF). RESULTADOS Nas Figuras 4 e 5 são apresentados os perfis transversais e longitudinais, representativos das concentrações médias de sólidos em suspensão totais e voláteis e de oxigênio dissolvido, e relativos às duas fases do experimento. A condição de mistura completa deve-se à densidade de potência de 42 W/m 3 promovida pelo equipamento de aeração instalado, valor superior ao sugerido pela literatura especializada, da ordem de 3, W/m 3. As concentrações de no interior da lagoa são superiores ao mínimo recomendado, da ordem de 2, mg/l, em função da elevada capacidade de transferência de oxigênio do sistema de aeração. As concentrações de, em ambas as fases, estão compreendidas entre os limites de 1 e 36 mg/l recomendados pela literatura (Jordão e Pessôa, 1995). Figura 4: Perfis transversais e longitudinais de e na lagoa aerada saída efluente entrada afluente 3º terço da lagoa 2º terço da lagoa 1º terço da lagoa zona final zona intermediária zona inicial Figura 5: Perfis transversais e longitudinais de na lagoa aerada saída efluente 9, 9,1 8,5 7,6 9, 9,1 7,1 8,9 8,4 9, 8,3 7,5 6,9 entrada afluente 3º terço da lagoa 2º terço da lagoa 1º terço da lagoa zona final zona intermediária zona inicial Para as duas fases da pesquisa, os perfis obtidos claramente demonstram a completa mistura no interior da lagoa aerada. Percebe-se que apenas no 1º terço da lagoa, na zona inicial e junto ao fundo, concentrações de, e diferentes das concentrações encontradas nas outras porções da massa líquida em mistura. O fato é devido à entrada do esgoto afluente ocorrer por intermédio de tubulação de 1 m de extensão, apoiada junto ao fundo da lagoa. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 As séries temporais apresentadas nos gráficos das Figuras 6 e 7 demonstram, em relação aos parâmetros DBO e, o comportamento da unidade durante as duas fases da pesquisa. Figura 6: Série temporal do comportamento de DBO total Concentração dias Afluente Efluente Lagoa Aerada Efluente Lagoa de Sedimentação Figura 7: Série temporal do comportamento de Concentração dias Afluente Efluente Lagoa Aerada Efluente Lagoa de Sedimentação As Tabelas 2 e 3 indicam para as diferentes condições operacionais as respectivas estatísticas descritivas das concentrações efluentes de DBO e relativas ao sistema lagoa aerada seguida de lagoa de sedimentação. Os gráficos Box and Whiskers das Figuras 8 e 9 ilustram as estatísticas descritivas anteriormente apresentadas para cada uma das condições operacionais. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 Tabela 2: Estatísticas descritivas da concentração efluente de DBO total do sistema lagoa aerada seguida de lagoa de sedimentação Fase Quantidade de dados (um) Média Mínimo Máximo Coeficiente de Variância Mediana Desvio padrão Percentis 1% Percentis 25% Percentis 5% Percentis 75% A , B , Tabela 3: Estatísticas descritivas da concentração efluente de do sistema lagoa aerada seguida de lagoa de sedimentação Fase Quantidade de dados (um) Média Mínimo Máximo Coeficiente de Variância Mediana Desvio padrão Percentis 1% Percentis 25% Percentis 5% Percentis 75% A , B , Figura 8: Box and Whiskers do comportamento de DBO total efluente % 5% 2 1 9% 1% Mín Máx 75% Figura 9: Box and Whiskers do comportamento de efluente % 5% 9% 1% Mí n Máx 75% Em relação ao desempenho do sistema lagoa aerada seguida de lagoa de sedimentação, há a compreensão preliminar que a diminuição do tempo de detenção da lagoa, resulte em perda de qualidade do efluente tratado, como indicam todas as estatísticas descritivas de ambas as fases. De fato, a média aritmética e os percentis de 1%, 25%, 5%, 75 % e 9% demonstram o melhor desempenho da. Não obstante, a diferença entre os resultados encontrados nas duas condições estudadas, não justifica a adoção de um tempo de detenção de 4,8 dias, como praticado na. O experimento com a lagoa com metade deste tempo de detenção, 2,4 dias,, demonstrou que os resultados obtidos são plenamente aceitáveis para as exigências legais, em geral. Nas Tabelas 4 e 5 são apresentadas concentrações de DBO afluente e DBO filtrada efluente da unidade da lagoa aerada, de 18 dias monitorados, e os respectivos coeficientes de remoção de matéria orgânica obtidos. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Tabela 4: Concentrações de DBO afluente, efluente filtrada, e coeficientes de remoção de matéria orgânica da unidade da lagoa aerada () Parâmetros FASE A Dia da amostragem 5/8 1/8 17/8 19/8 Temperatura (ºC) 27,4 25,2 26,8 27,8 27,8 29,2 29,1 3,7 28, 28, 28, DBO afluente DBO filtrada efluente K TºC (d -1 ) 2,2 1,5 1,3 1,1 2, 1,4 2, 2,7,9 3, 1,8 K 2ºC (d -1 ) 1,6 1,2,9,7 1,4,9 1,3 1,6,6 2, 1,2 Tabela 5: Concentrações de DBO afluente, filtrada e coeficientes de remoção de matéria orgânica da unidade da lagoa aerada () Parâmetros FASE B Dia da amostragem 22/11 24/11 29/11 Temperatura (ºC) 28,6 29,4 28,8 28,1 29,8 3,2 3,2 3,2 29,4 DBO afluente DBO filtrada efluente K TºC (d -1 ) 1,1 1,6 2,9 1,6,7 1, 1,6 2,9 1,7 K 2ºC (d -1 ),8 1, 1,9 1,1,5,6 1, 1,8 1,1 Assim, para a primeira fase do experimento, obteve-se através da relação S e = S /(1+K.t), que caracteriza a remoção de matéria orgânica em condições de mistura completa, o coeficiente médio de remoção de DBO (K T ) igual a 1,8 d -1. Corrigido para a temperatura de 2ºC, através da lei de Arrhenius (θ=1,5) e de acordo com as temperaturas diariamente verificadas, obteve-se o coeficiente K 2ºC de 1,2 d -1. Para a segunda fase obteve-se o coeficiente médio de remoção de DBO (K T ) igual a 1,7 d -1, que também corrigido para a temperatura de 2ºC, alcançou o valor de 1,1 d -1. Verifica-se que os valores médios obtidos em ambas as fases encontram-se dentro dos limites de 1, e 1,5 d -1 recomendados pela literatura (Von Sperling, 22). Quando verificados os coeficientes relativos a cada dia de amostragem da, observa-se que variaram entre,6 e 2, d -1 e que assim, somente 3% encontraram-se dentro dos limites recomendados. No entanto, quando ampliados em 1% estes limites, verifica-se o enquadramento de 7% dos valores obtidos. Em relação à, os resultados obtidos variaram entre,5 e 1,9 d -1 e que assim, somente 38% encontraram-se dentro dos limites recomendados. Ressalta-se no entanto que a menor quantidade de dados (8 dados) disponíveis na possa influenciar a melhor análise dos resultados alcançados. Em função da concentração média de sólidos em suspensão voláteis da massa líquida, excetuando os valores correspondentes à zona inicial junto ao fundo, obteve-se através da relação K=K x Xav, o coeficiente específico médio de remoção de DBO (K ) para cada uma das duas fases. Para a primeira fase, para a concentração média de 119 mg /l, obteve-se K de,1 l/mg.d e, para segunda fase, para concentração média de 68 mg /l, K de,16 l/mg.d. Verifica-se que os valores obtidos encontram-se dentro dos limites de,1 e,3 l/mg.d recomendados pela literatura. (Von Sperling, 22). A maior quantidade de sólidos em suspensão na massa líquida observada na também é um indicador para justificativa de melhor desempenho. 26/8 1/12 9/9 6/12 21/9 28/2 28/9 2/3 14/1 28/1 3/3 MÉDIA MÉDIA CONCLUSÕES A condução das 2 fases do experimento permitiu a obtenção e avaliação de parâmetros clássicos do processo, ajustados às condições climáticas locais e às condições operacionais da lagoa aerada seguida de lagoa de sedimentação. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 Os resultados relativos aos coeficientes global e específico de remoção de matéria orgânica de ambas as fases, induzem à compreensão que devam encontrar-se dentro dos limites preconizados pela literatura. No entanto, face à pequena quantidade de dados disponibilizados, principalmente em relação à, recomenda-se que com a continuidade do monitoramento possa o tema ser melhor explorado. Em relação ao desempenho do processo, há também a compreensão preliminar que a diminuição do tempo de detenção da lagoa, resulte em perda de qualidade do efluente tratado, como indicam todas as estatísticas descritivas de ambas as fases. Não obstante, para o caso estudado, a diferença entre os resultados encontrados nas duas fases, não justifica a adoção de um tempo de detenção superior a 2,4 dias, podendo-se recomendar que lagoas aeradas seguidas de lagoas de sedimentação sejam dimensionadas com tempo de detenção inferior a 3 dias (verificadas as características do afluente e as condições esperadas do efluente). REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. JORDÃO, E.P & PESSOA, C.A. (1995). Tratamento de Esgotos Domésticos. 3ª ed. ABES-RJ. 2. VON SPERLING, M. (22).Princípios do Tratamento Biológico de Águas Residuárias. Vol. 3. Lagoas de Estabilização. 2ª ed. Belo Horizonte. DESA/UFMG. 3. YANEZ, F. (1993). Lagunas de Estabilización. ETAPA, Cuenca, Ecuador. 4. WEF. (23). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7