Prof. Gino Roberto Gehling

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1 IP 0058: Trataento de Água e Esgoto, Capítulo 0 Universidade ederal do Rio Grande do ul Instituto de Pesquisas idráulicas Departaento de bras idráulicas IP 0058: Trataento de Água e Esgoto Engenharia ídrica Prof. Gino Roberto Gehling Agradeciento: prof. Gino agradece ao prof. Antônio D. Benetti pela cessão do arquivo fonte deste capítulo0, gerado por ele para a disciplina IP 0050 da Engenharia Civil. eso recebeu ajustes de foratação ao padrão da disciplina IP 0058 (Trataento de Água e Esgoto), oferecida pela prieira vez à Engenharia ídrica no prieiro seestre de 06. Março de 07

2 IP 0058: Trataento de Água e Esgoto, Capítulo 0 0. TRATAMENT PRIMÁRI DE EGT 0.. BJETI trataento priário te o objetivo de reover sólidos suspensos sedientáveis. s sólidos reovidos inclue atéria orgânica; desta fora, ocorre ua redução da DB no trataento priário. egundo Metcalf & Eddy (00), as reoções de sólidos suspensos e DB varia, respectivaente, entre 50% a 70% e 5% a 40%. Pacheco e Jordão (995) indica faixas de reoção entre 40% a 60% () e 5% a 5% (DB). 0.. ETRUTURA ÍICA trataento priário realiza-se e unidades denoinadas de decantadores priários. Estas unidades são tanques de forato cilíndrico ou retangular. s esgotos peranece dentro do tanque por u certo intervalo de tepo, havendo a separação de sólidos que são ais densos que o líquido. No fundo do tanque, braços giratórios e rodos conduze o lodo para ua zona central de onde deixa o tanque e direção ao trataento de lodos. Na superfície, o líquido decantado é coletado e vertedores, sendo conduzido ao trataento secundário de esgotos. É cou a foração de escua na superfície dos decantadores; por esta razão, utiliza-se u anteparo co a finalidade de reter a escua e evitar seu arraste co o líquido decantado. A escua recolhida é enviada ao digestor. A igura apresenta u decantador priário co vistas e planta e corte. 0.. PRCE DE EDIMENTAÇÃ E tanques de decantação priária ocorre o processo de sedientação chaado floculenta. Neste processo, as partículas coalesce e flocula durante a sedientação. As partículas ganha assa e altera a velocidade de sedientação (igura ). A agloeração depende de contatos entre partículas, que varia e função da taxa de aplicação superficial, profundidade da tanque, concentração de partículas e gradientes de velocidade no sistea. Na sedientação discreta, viu-se que a velocidade crítica era dada pela Equação (). g D ( ) v c () 8

3 IP 0058: Trataento de Água e Esgoto, Capítulo 0 igura : Decantador priário circular. edientação floculenta edientação discreta igura : edientação floculenta e discreta. Na sedientação floculenta, o taanho da partícula, representada por D na Equação () e sua densidade altera-se durante a sedientação. Até o presente oento não há u odelo ateático que perita estabelecer parâetros de projeto para o decantador priário. s parâetros são

4 IP 0058: Trataento de Água e Esgoto, Capítulo 0 deterinados através de ensaio de sedientação ou são usados dados publicados na literatura TETE DE EDIMENTAÇÃ conteúdo de todo este íte 4 seria objeto de ua aula prática e laboratório. Mas a reduzida carga horária desta disciplina não contepla aulas e abiente laboratorial. Assi, o conteúdo a partir daqui até o fi da página, que descreve o teste de sedientação, não é cobrado e avaliações, constando apenas para descrição do teste. teste de sedientação é realizado e ua coluna de diâetro de 5 c e profundidade superior a,00. Nesta coluna são feitas saídas nas profundidades de 0,60,,0 e,80 (igura ). = 0,60 =,0 =,80 igura : Coluna para o teste de sedientação. 4

5 IP 0058: Trataento de Água e Esgoto, Capítulo 0 Procediento para o teste de sedientação o ) Encher a coluna co o esgoto a ser testado, antendo ua concentração unifore e toda a coluna, co auxílio de u isturador. o ) E tepos pré-deterinados, coletar aostras nas saídas, e, edindo as concentrações de sólidos suspensos. Por que as edidas são realizadas a 0,60,,0 e,80? Isto deve-se ao fato de ser,0 a profundidade ínia de decantador priário. s resultados do teste peritirão deterinar a reoção de sólidos e suspensão e função da taxa de aplicação superficial e tepo de detenção. Exeplo: U esgoto possui concentração de sólidos suspensos de 40 g/. U teste de sedientação co este esgoto apresentou os resultados ostrados no Quadro (). Co base nestes dados, estabeleça a relação entre percentage de reoção de sólidos co a taxa de aplicação superficial e tepo de detenção. Tepo (in) Quadro : Resultados do teste de sedientação Concentração de ólidos uspensos (g/) 0,60,0, Procediento o ) Calcular a percentage de sólidos suspensos reovidos e cada aostra. A fração de sólidos que peranece e suspensão é dado por: 5

6 IP 0058: Trataento de Água e Esgoto, Capítulo 0 ração de sólidos que peranece na suspensão = C, h t () C sendo Ct,h = concentração de sólidos e suspensão na altura e tepo t; C0 = concentração de sólidos suspensos no tepo t = 0, 40 g/ A fração de sólidos reovida é o copleento da Equação (). ração reovida = - C, h t () C 0 Quadro () apresenta os percentuais de sólidos suspensos reovidos e cada altura e tepo t. A igura (4) ostra o gráfico dos dados do Quadro (). 0 Quadro : ólidos suspensos reovidos a altura nos tepos de detenção Tepo Rt,h (%) (in) 0,60,0,

7 reovidos (%) IP 0058: Trataento de Água e Esgoto, Capítulo 0 Reoção de sólidos suspensos vs tepo de detenção = 0,60 =,0 =, Tepo de detenção (in) igura 4: Reoção de sólidos suspensos vs tepo de detenção o ) Calcular os tepos de detenção, e cada altura, que corresponde aos percentuais de sólidos suspensos reovidos. Estas inforações são retiradas do gráfico da igura (4). Por exeplo, os tepos de detenção requeridos para que 0% de sólidos suspensos seja reovidos, respectivaente nas alturas 0,60,,0 e,80, são 6,5, 0,5 e 4,5 inutos. Quadro () apresenta os tepos de detenção calculados para as percentagens de sólidos reovidos. Co base nos dados do Quadro () prepara-se o gráfico do perfil de sedientação, co as curvas de iso-eficiências (igura 5). 7

8 IP 0058: Trataento de Água e Esgoto, Capítulo 0 Quadro : Tepos de detenção e percentage de reoção e cada altura Perfil de edientação Reoção (%) t (in) 0,60,0,80 0 0,0 0,0 0,0 5,,5,7 0,5 5,0 6,5 0 6,5 0,5 4,5 0,5 9,0 5,0 40 8,0 0,0 9,0 50 7,0 44,0 56,5 60 8,5 6,5 77, ,0 87, ,0 - - igura 5: Perfil de sedientação o ) Calcular a percentage de reoção de sólidos suspensos versus a taxa de aplicação superficial A velocidade de sedientação efetiva de ua partícula é definida pelo tepo gasto pela partícula para atingir a zona de lodo (,80 no teste) v (4) t 8

9 IP 0058: Trataento de Água e Esgoto, Capítulo 0 Ua suspensão conté partículas co diferentes velocidades de sedientação efetiva. Partículas co velocidade de sedientação efetiva v igual ou aior que a velocidade crítica vsc serão copletaente reovidas. A velocidade crítica é a taxa de aplicação superficial ( / ) Partículas co velocidade de sedientação efetiva v enor que a velocidade crítica vsc serão reovidas a ua taxa igual a razão v/vsc, ou, equivalenteente, a razão h/. As velocidades de sedientação efetivas são obtidas a partir do perfil de sedientação..) Do Quadro (), retirar os valores dos tepos de detenção (in) para reoção de sólidos de 5%, 0%, 0%, 0%, 40%, 50% e 60%. As velocidades de sedientação efetiva serão a razão entre a altura,80 e os respectivos tepos. Estes dados encontra-se no Quadro (4). Quadro 4: elocidade de sedientação efetiva Reoção Tepo v (%) (in) (/h) 5,7 9, 0 6,5 6,6 0 4,5 7,4 0 5,0 4, 40 9,0, ,5, ,5,4.) Para cada tepo de detenção, calcular a percentage de reoção de sólidos. Por exeplo, considere o tepo de detenção de 5 inutos. Neste caso, a velocidade crítica é 4, /h. De acordo co o perfil de sedientação, 0% das partículas serão reovidas porque atinge a profundidade de,80 e 5 inutos ou enos. Para partículas co v enor que 4, /h, a fração reovida será dada por vs,i h f i i fi (5) vsc 9

10 IP 0058: Trataento de Água e Esgoto, Capítulo 0 Neste caso, hi será a altura é que corresponde ao intervalo de reoção. Por exeplo, entre o intervalo 0% a 40%, a altura é será o valor édio entre,8 e,0. o intervalo: 0% a 40% (,8,0) (400) fração reovida = 0, 078,8 00 o intervalo: 40% a 50% (,0 0,55) (50 40) fração reovida = 0, 04,8 00 o intervalo: 50% a 60% (0,55 0,8) (60 50) fração reovida = 0, 06, o intervalo: 60% a 70% (0,8 0,8) (70 60) fração reovida = 0, 08, o intervalo: 70% a 75% (0,8 0,0) (75 70) ração reovida = 0, 007,8 00 Desta fora, a fração de sólidos suspensos que será reovida quando a velocidade crítica for de 4, /h será: ração total reovida = 0,0 + 0, ,04 + 0,06 + 0,08 + 0,007 = 0,47 (~ 47%) eso procediento é repetido para os outros tepos de detenção. Estes resultados são tabulados (Quadro 5) e plotados (igura 6). Quadro 5: Reoção por tepo de detenção Tepo (in) ólidos Reovidos (%),7,4 6,5 0, 4,5,9 5,0 47, 9,0 55,0 56,5 64, 77,5 7, 0

11 ólidos suspensos reovidos (%) IP 0058: Trataento de Água e Esgoto, Capítulo 0 ólidos suspensos reovidos versus tepo de detenção Tepo de detenção (in) igura 6: Reoção de sólidos suspensos por tepo de detenção.) Calcular a percentage de sólidos suspensos reovidos e função da taxa de aplicação superficial. Quadro (6) apresenta as taxas de aplicação superficiais correspondentes as velocidades críticas e os percentuais de sólidos reovidos. A igura (7) apresenta o gráfico relacionando reoção de sólidos versus taxa de aplicação. Quadro 6: Taxas de aplicação vs reoção de sólidos suspensos Tepo v Taxa Apl. Reoção (in) (/h) ( /. ) (%),7 9, 70,4 6,5 6,6 99 0, 4,5 7,4 79,9 5,0 4, 04 47, 9,0, ,0 56,5, , 77,5,4 7,

12 Reoção (%) IP 0058: Trataento de Água e Esgoto, Capítulo 0 Taxa de aplicação superficial vs reoção de sólidos suspensos Taxa de aplicação superficial ( / ) igura 7: Taxa de aplicação superficial vs reoção de sólidos suspensos 4. Equações de reoção de DB e sólidos suspensos e decantadores priários gráfico da igura (6) pode ser representado pela equação (6) (Metcalf & Eddy, 00). t R a b t (6) sendo: R = eficiência de reoção esperada (%) t = tepo de detenção, [h] a, b = constantes epíricas A Equação (6) é válida tanto para quanto para DB. Quadro (7) ostra os valores das constantes a e b para DB e. Quadro 7: alores das constantes a e b para DB e a B DB 0,08 0,00 0,0075 0,04 s coeficientes do Quadro 7 são válidos apenas co estiativas para esgotos sanitários.

13 IP 0058: Trataento de Água e Esgoto, Capítulo 0 5. REQUIIT DE PRJET PEA NBR 09/0 azão de diensionaento do decantador priário deve ser a vazão áxia horária afluente a ETE; A taxa de aplicação superficial deve ser: o 60 / quando preceder a filtração biológica o 90 / quando preceder o processo de lodos ativados o 90 / quando for o processo de decantação priária quiicaente assistida ETE co vazão de diensionaento aior que 50 /s deve ter ais de u decantador priário Tepo de detenção hidráulica o horas para vazão é o > hora para vazão áxia Taxa de escoaento através do vertedor de saída 500 /d de vertedor E decantadores co reoção ecanizada de lodo, a altura ínia de água deve ser,5 ; e decantadores se reoção ecanizada de lodo a altura ínia deve ser 0,5. Exeplo de aplicação Escolhe-se ua taxa de aplicação que corresponda a % desejada de reoção de sólidos suspensos. Por exeplo, para 60% de reoção de, a taxa de aplicação superficial é de aproxiadaente 50 /. (igura 7). Para a vazão áxia de 450 /s, são necessários, no ínio, dois decantadores. A área e o diâetro de cada decantador serão: Tx Apl Q A A Q Tx 0,450 s 50 / s 88,8 4 A 4 88,8 D, 4 alores típicos para diâetros de decantadores priários situa-se entre e 45. De acordo co a NBR 09/0, a altura ínia de água no decantador ecanizado deverá ser de,5. volue do decantador será:

14 IP 0058: Trataento de Água e Esgoto, Capítulo 0 A 0,450 s 88,8,5.60,8 erificação dos tepos de detenção azão áxia: 60,8 t,7h Q 0, s s h azão é: 60,8 t,0h Q 0, s s h azão ínia: 60,8 t 6,0h Q 0,5 600 s s h requeriento de tepo de detenção é atendido. Caso usásseos a TA especificada pela NBR 09 para decantador que precede o sistea de lodos ativados, a área do decantador seria: TA = 90 /,6. 0,450 A s s diâetro correspondente é 6. BAANÇ DE MAA PARA ÓID UPEN E DB N DECANTADR PRIMÁRI 6.. BJETI balanço de assas objetiva deterinar a quantidade de sólidos suspensos e DB que seguirão ao trataento de lodos e ao trataento biológico. Estas inforações são necessárias para o diensionaento das estruturas. 4

15 IP 0058: Trataento de Água e Esgoto, Capítulo EQUAÇÕE DECRITIA teor de lodos é geralente dado e teros de percentage de sólidos. De acordo co etcalf & Eddy (00), o teor de sólidos típico e lodos do decantador priário varia entre 5% e 9 %, co valor típico de 6%. volue de lodo irá depender da assa e teor de sólidos, e da gravidade específica do lodo (Equação 7) M f sendo = vazão de lodos, [ /T] M = assa de sólidos reovidos por, [M/T] = assa específica da água, [M/ ] = densidade específica do lodo, [ - ] f = fração de sólidos no lodo, [ - ] (7) Na Equação (7), as seguintes unidades representa as variáveis: kg d kg kg odo lodo kg kg kg odo odo d A Equação (7) é deduzida a partir do conceito de assa específica. M M M (8) A fração de sólidos fs é a razão entre a assa de sólidos e a assa de lodo (Equação 9). M s fs (9) M M s M (0) fs ubstituindo-se a Equação (0) na (8), chega-se a Equação (7). Densidade relativa é a razão entre a assa específica da substância e a assa específica da água. No caso do lodo, a densidade relativa será: 5

16 IP 0058: Trataento de Água e Esgoto, Capítulo 0 6 () A assa específica do lodo, por sua vez, corresponde a razão entre a assa do lodo e seu volue (Equação ) () A assa de lodos corresponde a soa entre a assa de sólidos e a assa de água. A assa de sólidos é igual a soa entre a assa de sólidos voláteis e sólidos fixos. volue de lodo é igual a soa dos volues de água, sólidos voláteis e fixos. () (4) (5) (6) (7) (8) De ua aneira geral, te-se que: Assi, Da esa fora, ; ;. ubstituindo na Equação (8), (9) Dividindo a Equação (9) por,

17 IP 0058: Trataento de Água e Esgoto, Capítulo 0 f f f (0) sendo f = fração e assa. Exeplo Considerar que o efluente do trataento preliinar tenha concentrações de sólidos suspensos de 50 g/, sendo 75% voláteis e 5% fixos. A DB é de 00 g/ Q0, X0 QE, XE QU, XU igura 8: Balanço de assas no decantador priário Aditir que: 60% dos sólidos suspensos são reovidos no decantador priário. 5% da DB é reovida Teor de sólidos no lodo = 6% 75% dos sólidos são voláteis, 5% são fixos Massa específica da água =,0 kg/ Massa específica dos sólidos voláteis =,0 kg/ Massa específica dos sólidos fixos =,5 kg/ A carga de sólidos entrando no decantador será Q0X0 = Q0X0 = 6 0,50 s g 50 0 kg 0 g s kg Carga de sólidos no efluente priário = QEXE = 0,40 x =.04 kg/ Carga no lodo = QUXU = = 4.56 kg/ volue diário de lodo produzido no decantador priário é dado pela Equação (7). 7

18 IP 0058: Trataento de Água e Esgoto, Capítulo 0 M = 4.56 kg/ =,0 kg/ f = 6%/00% = 0,06 = densidade relativa do lodo, [ - ] As frações de água e sólidos do lodo são, respectivaente, 0,94 e 0,06, ou 94/00 e 6/00. Dos sólidos, 75% são voláteis; portanto a fração de sólidos voláteis e fixos são, respectivaente, 0,045 e 0,05, ou 4.5/00 e.5/00. ubstituindo-se na Equação (0), tê-se 94 00, ,0.5 00,5 0,990 A densidade relativa do lodo será,009, dado,009 kg lodo 009 lodo ubstituindo os valores de M,, f e na Equação (7), 000kg kg 4.56 kg kg lodo lodo kg 000 Resuo. azões s Q s Q Q U E 74, ,9.55, 6kg 00kg lodos 7498 lodo 74,9 lodo. Cargas ólidos: Afluente - Efluente - odo - Q X QE X E. 04 QU XU kg kg kg 8

19 IP 0058: Trataento de Água e Esgoto, Capítulo 0 DB Afluente = 00 g/ x 0,50 /s x 0-6 kg/g x 0 / x s/ = kg DB DB efluente trataento priário = x ( 0,5) = DB lodo priário = = kg DB.68 kg DB 4.. Concentrações Afluente - sólidos: X0 = 50 g/ - DB: C0 = 00 g/ Efluente priário sólidos: XE = 50 x ( 0,60) = 40 g/ odo priário sólidos: DB: C X U U CE = 00 x ( 0,5) = 95 g/ kg ,9 kg.68 74, g kg 0 g DB 080 s resultados encontra-se resuidos na igura 9. g 6056 Q0 =.600 / X0 = 50 g/ C0 = 00 g/ Carga = kg/ Carga DB = kg/ QE =.487 / XE = 40 g/ CE = 95 g/ Carga =.04 kg/ Carga DB = 4. kg/ QU = 74,9 / Xu = g/ Cu = 0.80 g/ Carga = 4.56 kg/ Carga DB =.68 kg/ igura 9: Resuo do balanço de assas no decantador priário. 9

20 IP 0058: Trataento de Água e Esgoto, Capítulo 0 7. REERÊNCIA ACIAÇÃ BRAIEIRA DE NRMA TÉCNICA. NBR 09: projeto de estações de trataento de esgoto sanitário. Rio de Janeiro, 0. JRDÃ, E. P.; PEÔA, C. A. Trataento de esgotos doésticos. 4. ed. Associação Brasileira de Engenharia anitária e Abiental: Rio de Janeiro, 005. METCA & EDDY, INC. Wastewater engineering: treatent and reuse. 4rd ed. New York: McGraw-ill,