SIMULAÇÃO DINÂMICA DO COMPORTAMENTO DE ETAR

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1 DOUTORAMENTO EM ENGENHARIA DO AMBIENTE UNIDADE CURRICULAR DE GESTÃO INTEGRADA DE SISTEMAS DE SANEAMENTO SIMULAÇÃO DINÂMICA DO COMPORTAMENTO DE ETAR Filipa Ferreira

2 ÍNDICE (9ª AULA) 1. PRINCÍPIOS BÁSICOS DA MODELAÇÃO MATEMÁTICA. 2. CARACTERIZAÇÃO SUMÁRIA DE MODELOS EXISTENTES.

3 PRINCÍPIOS BÁSICOS DA MODELAÇÃO MATEMÁTICA

4 Princípios básicos Na formulação dos modelos, a dinâmica dos reactores de mistura completa é caracterizada por equações diferenciais ordinárias. Genericamente, a modelação dinâmica do tratamento de águas residuais é efectuada recorrendo a balanços de massa: Acumulação = entrada saída + (produzido consumido) dc V dt Q0. C0 QC. ( rc. V ) explicitar tantas equações de balanço de massa quantos os componentes do modelo, incluindo as águas residuais e o oxigénio.

5 dc V dt Q0. C0 QC. ( rc. V ) As taxas de reacção (entre as quais a taxa de crescimento específico) são parâmetros essenciais para a descrição: do crescimento da biomassa do consumo de substrato (incluindo o oxigénio) da formação de produtos da reacção. A lei básica da cinemática permite determinar as taxas de reacção (ou taxas de processo) tendo em conta os reagentes envolvidos, C i, e o valor da constante cinética, k 0 : r k 0 i C i i

6 A taxa de crescimento específico,, varia com o tempo, sendo influenciada por factores ambientais como: a concentração de substrato, oxigénio, biomassa e de produtos da reacção; o ph; a temperatura; a intensidade da luz; a presença de elementos inibidores do crescimento microbiológico. Alguns modelos disponíveis: - modelo de Monod (1942) k máx s S S - modelo de Blackman - modelo de Haldane considera efeitos inibitórios que elevadas concentrações de substrato tenham em

7 Representação dos modelos de: Monod e Blackman Haldane ( P) k p k p P Switching functions modelos de inibição usados para simular fenómenos como a inibição da desnitrificação na presença de oxigénio

8 Tratamento biológico por lamas activadas Modelos matriciais da IWA: Permitem simular a remoção biológica de matéria orgânica, azoto e fósforo: ASM1 (Henze et al., 1987) ASM2 (Henze et al., 1995) ASM2d (Henze et al., 1999) ASM3 (Gujer et al., 1999) Grande número de componentes e interacções Principal limitação: calibração dos parâmetros Aplicáveis para ETAR destinadas exclusivamente ao tratamento de águas residuais domésticas.

9 Modelos ASM: CQO: medida que representa a matéria orgânica e a biomassa a matéria orgânica é descrita como equivalente em CQO o OD é descrito como uma CQO negativa formato matricial baseado em Peterson (1965) notação simplificada recomendada por Grau et al. (1982): X: componentes particulados; S: componentes solúveis; índices: B biomassa, S substrato, O oxigénio; convenção de sinais: negativo para consumo positivo para produção

10 Matriz de Petersen para o modelo ASM1: A matriz inclui: para cada processo, j componente, i r i n j 1 ij j os coeficientes estequiométricos, ij a taxa de processo, ρ Obter, para cada componente, a taxa de reacção, r MODELAÇÃO E GESTÃO AVANÇADA DE INFRA-ESTRUTURAS DE SANEAMENTO: SISTEMAS DE DRENAGEM E ETAR

11 Síntese: Representação esquemática: MODELAÇÃO E GESTÃO AVANÇADA DE INFRA-ESTRUTURAS DE SANEAMENTO: SISTEMAS DE DRENAGEM E ETAR

12 Decantação Modelação de decantadores primários: Admite-se que as partículas estão separadas umas das outras e não interagem, sendo válida a lei de Stoke. Modelação de decantadores secundários: Modelos descrevem: a velocidade de sedimentação a sua dependência face à concentração local ao índice de lamas (SVI). Modelo empírico de Takács et al. (1991) é o mais correntemente aplicado.

13 Decantação secundária: A decantação secundária constitui um mecanismo determinante na qualidade do efluente das ETAR. Principais funções: Clarificação: separação da biomassa das águas residuais tratadas, de forma a produzir um efluente final clarificado. Sedimentação discreta, não floculenta e floculenta Espessamento: da biomassa no fundo do decantador, que é recirculada para o reactor biológico. (limita a capacidade de tratamento da ETAR, sendo condicionada pela sedimentabilidade das lamas e pela concentração de sólidos no reactor). Sedimentação em manto de lamas (na zona intermédia) Sedimentação por compressão (no fundo)

14 Modelos 1D: Diferente resolução espacial: modelos de 0D a 3D (mais vulgares 1D) Objectivos (questões a responder com o modelo) Modelo Avaliar a concentração da biomassa no efluente final, a 1D e/ou 2D associado a um modelo de altura do manto de lamas e a produção de lamas lamas activadas Esquema de remoção de lamas 2D associado a um modelo de lamas activadas verificado possivelmente com um modelo 3D Optimização da geometria (e detalhes construtivos) do 2D e/ou 3D decantador, reabilitação e estudo de correntes de densidade Modelação de decantadores sujeitos à acção do vento 3D Baseiam-se sobretudo: na equação da continuidade em balanços de massa na teoria do fluxo jt j S j B VS. X V. X

15 A aplicação destes modelos aos decantadores secundários é concretizada através da divisão deste órgão em n camadas horizontais de espessura constante: Representação esquemática da abordagem multi-camadas

16 Modelos para a velocidade de sedimentação: modelo exponencial de Vesilind (1968) modelo de Takács ou modelo duplo exponencial (1991) modelo de Cho (1993) Velocidade de sedimentação obtida pelo modelo de Tákacs

17 Modelos 2D e 3D: Consideram duas ou três coordenadas espaciais. Especialmente indicados para simular o comportamento de decantadores secundários não circulares. Padrões típicos de escoamento em: D.S. circulares D.S. rectangulares

18 Equações usadas para descrever o escoamento nos D.S. (modelos 2D): equação da continuidade; duas equações resultantes da conservação do momento, na direcção radial/axial e na direcção vertical; equação de transporte sólido (conservação da massa particulada); conservação da energia; equação da turbulência (incluindo a geração da turbulência e o seu amortecimento, devido à estratificação em camadas); equação de estado traduz o efeito dos SST na densidade total da mistura; características de sedimentabilidade das lamas

19 Outras operações de tratamento de águas residuais Modelos de biomassa fixa: Aplicáveis a leitos percoladores, biofiltros e discos biológicos. O tratamento biológico é concretizado no biofilme. Ocorrem as mesmas reacções que nos processos de biomassa suspensa. Considerar ainda a transferência de massa por difusão. (para fazer chegar os nutrientes aos microrganismos que constituem o biofilme e remover os produtos da reacção do seu interior) Principal desafio: quantificação e a predição dos processos físicos de fixação e desprendimento do biofilme (formulações empíricas ou semi-empíricas)

20 Processos descritos em função do tempo e do espaço (+ complexos) (a conversão ocorre simultaneamente em diferentes locais e a profundidades distintas, no interior do biofilme) Modelos: apresentados sob a forma matricial de Petersen reactor dividido em n secções horizontais: Diagrama conceptual para o modelo de leitos percoladores: (adaptada de Olsson e Newell, 1999) MODELAÇÃO E GESTÃO AVANÇADA DE INFRA-ESTRUTURAS DE SANEAMENTO: SISTEMAS DE DRENAGEM E ETAR

21 Modelos para filtração e desinfecção por radiação ultravioleta: Desinfecção: modelo proposto pela Water Environment Research Foundation (WERF, 1995) Modelos para digestão anaeróbica: Modelo ADM 1 (Anaerobic Digestion Model 1) da IWA

22 Modelação integrada Abordagem integrada: Precipitação águas pluviais (através de "BMP") Sistema de drenagem águas pluviais (através de "BMP") Bacias de detenção Desc. descargas directas de excedentes ETAR efluente tratado Meio receptor (lençoís freáticos) Meio receptor (águas superficiais) simular a interacção entre dois ou mais sistemas físicos que são governados por diferentes equações Necessário pragmatismo: evitar modelos demasiadamente complexos (maximizar simplicidade garantindo fiabilidade). Simulação simultânea: só se justifica quando há controlo em tempo real mas é muito útil para perceber a dinâmica do sistema.

23 Problemas relativos à modelação integrada: resolução temporal dos diferentes sub-modelos com ordens de magnitude muito diversas; diferente complexidade na descrição do escoamento e das condições de mistura; eventual deficiência ao nível da modelação da qualidade nos colectores; tipo de fraccionamento de oxigénio dissolvido e de compostos azotados considerado: processos de conversão em rios e colectores CBO; modelos ASM (baseados em balanços de massa) CQO. troca de informação entre diferentes softwares é difícil concretização.

24 CARACTERIZAÇÃO SUMÁRIA DE MODELOS EXISTENTES

25 CARACTERIZAÇÃO SUMÁRIA DE MODELOS EXISTENTES

26 DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS MODELOS EXISTENTES Caracterização sumária dos modelos Principais programas comerciais actualmente disponíveis: EFOR (DHI) BioWin (Envirosim, Canada) GPS-X (Hydromantis, Canada) STOAT (WRc) WEST(Univ. Ghent, Belgica) ASIM (EAWAG, Suiça) SIMBA(IFAK, Alemanha) AQUASIM (EAWAG) (Descritos em detalhe no texto de apoio) Ex. modelos para modelação integrada: WEST (Origem Bélgica) ETAR e meios receptores AQUASIM (REICHERT, 1994) ETAR e rios (não inclui colectores) SIMBA Colectores, ETAR e rios ICS (Integrated Catchment Planning) MOUSE, STOAT e MIKE 11(DHI e WRc)

27 DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS MODELOS EXISTENTES Modelos utilizados por programas de simulação de drenagem urbana : Processo Características Programa EFOR GPS-X BioWin Tipo de modelo Reactores ASM1 S S S biológicos ASM2d S* S S ASM3 S S S Outros (modelos proprietários) S S S Decantação modelos simples S S S modelos de fluxo: log-normal S exponêncial (Vesilind) S S duplo exponêncial (Tákacs et al.) S S S modelos incluindo reações no decantador secundário S S S Digestão anaeróbia AMD1 S S Outros Modelação do ph S S Operações e Processos unitários Infra-estruturas afluência de caudal S S S gerais separadores de caudal S S misturadores de caudal Instituto Superior S Técnico S estações elevatórias S S S

28 Decantação modelos simples S S S DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS modelos MODELOS de fluxo: EXISTENTES log-normal S exponêncial (Vesilind) S S duplo exponêncial (Tákacs et al.) S S S modelos incluindo reações no decantador secundário S S S Digestão Processo anaeróbia AMD1 Características Programa S S Outros Modelação do ph EFOR GPS-X S BioWin S Operações Tipo e Processos de modelounitários Infra-estruturas Reactores afluência ASM1 de caudal S S S gerais biológicos separadores ASM2d de caudal S* S S misturadores ASM3 de caudal S S S estações Outros (modelos elevatórias proprietários) S S S Decantação saída modelos simples efluente e de lamas S S S Tratamento preliminar tanques modelos de equalização fluxo: log-normal S S S gradagem exponêncial (Vesilind) S S S Decantação decantadores primários duplo exponêncial (Tákacs et al.) S S S decantadores modelos incluindo secundários reações no decantador secundário S S S Digestão anaeróbia decantação AMD1 lamelar S S Tratamento Outros secundário reactores Modelação de do mistura ph completa (arejamento com difusores ou rotores) S S S (biomassa suspensa) reactores de mistura Operações completa e Processos (arejamento unitários superficial) S S Infra-estruturas reactores afluência de caudal lamas activadas de fluxo pistão S S S gerais valas separadores de oxidação de caudal S S SBR misturadores de caudal S* S S reactor estações de elevatórias membranas S S S lagunagem saída de efluente e de lamas S S S Tratamento preliminar Outros tanques de equalização S S Tratamento secundário leitos gradagem percoladores S S (biomassa Decantaçãofixa) biofiltros decantadores primários S S S Reactor híbrido biomassa suspensa e biomassa fixa S

29 DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS MODELOS EXISTENTES Modelo GPS-X Modelos para processos biológicos, físicos e químicos: Reactores biológicos ASM1, ASM2d e ASM3; modelos proprietários: Mantis; TwoStepMantis, NewGeneral, Prefermenter; ADM1. Decantadores secundários modelo 1-D de Vesilind/Takács. Filtração modelo de Iwasaki-Horner. Modelo para cálculo do ph e diversos modelos empíricos Principais módulos: Builder definiçãao do layout da ETAR. Simulator simualação da ETAR. Analyser e Optimizer análise de sensibilidade dos parâmetros do modelo e de optimização da exploração das ETAR.

30 DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS MODELOS EXISTENTES Dynamic Parameter Estimation (DPE) estimar parâmetros face a medições on-line dados previamente disponíveis. Advanced Control Module simula o controlo da ETAR ccom temporizadores que definem ciclos de operação dos equipamentos. Influent Advisor folha de Excel que auxilia a caracterização do afluente à ETAR, de acordo com os dados de medição. Model Developer permite adicionar modelos próprios ou alterar os modelos pré-definidos através de uma aplicação em Microsoft Excel, baseada na representação matricial (matriz de Petersen). DDE Add-in permite a interligação do GPS-X com o Excel, para o tratamento dos resultados de simulação. M2G:MOUSE converte os resultados do MOUSE para que possam ser usados como input do GPS-X.

31 DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS MODELOS EXISTENTES Blocos disponívies: Infra-estruturas gerais e tratamento preliminar Tratamento primário e secundário Tratamento de afinação Tratamento de lamas