Noções Básicas sobre Tratamento de Efluentes Parte I Prof. Robson Alves de Oliveira robson.aoliveira@gmail.com.br robson.oliveira@unir.br Ji-Paraná - 2014
Caracterização dos Efluentes Vazão (quantitativa) Matéria Orgânica DBO, DQO, COT Sólidos (SST, S. Sedimentáveis) Cor Toxicidade ph, temperatura N, P, Outros 2
No estudo de concepção deve-se definir com clareza: Impacto ambiental do lançamento no corpo receptor; Objetivos do tratamento (principais constituintes a serem removidos); Nível de tratamento; Eficiências de remoção desejadas. A remoção de poluentes, de formar a atender a um padrão de qualidade vigente, está associada aos conceitos de nível de tratamento e eficiência do tratamento. 3
Níveis de Tratamento de Efluentes Tratamento Preliminar (pré-tratamento): remoção de sólidos em suspensão grosseiros (materiais de maiores dimensões e areia). Tratamento Primário: remoção de sólidos suspensos (sedimentáveis); remoção da DBO em suspensão (ou DBO particulada): associada à MO dos sólidos em suspensão sedimentáveis. Em ambos predominam mecanismos físicos de remoção de poluentes. 4
Níveis de Tratamento de Efluentes Tratamento Secundário: Predominam mecanismos biológicos. remover a DBO solúvel (ou DBO filtrada): sólidos orgânicos dissolvidos sólidos dissolvidos não são removidos por sedimentação. remover a DBO em suspensão finamente particulada. remover a DBO em suspensão (caso não haja tratamento primário). Eventualmente nutrientes (nitrogênio e fósforo). 5
Níveis de Tratamento de Efluentes Tratamento Terciário (polimento): objetiva a remoção de poluentes específicos como sólidos inorgânicos dissolvidos (nutrientes) e/ou microorganismos. Tratamento físico-químico; Filtração, membranas, desinfecção. Considerações: O tratamento preliminar deve existir em todas as ETEs em nível primário, secundário ou terciário. 6
Níveis de Tratamento de Efluentes Considerações: A definição do nível do tratamento de esgotos de uma ETE esta associada ao maior nível existente na ETE. O tratamento secundário (biológico) pode ou não vir imediatamente após o tratamento preliminar. O tratamento terciário ainda é raro no Brasil. A remoção de nutrientes e organismos patogênicos pode ser considerada como integrante do tratamento secundário ou do tratamento terciário (depende do processo adotado). 7
Níveis de Tratamento de Efluentes 8
Eficiência do tratamento A eficiência no tratamento (ou em uma etapa do tratamento) é dada pela fórmula: E = eficiência de remoção (%) C o = concentração afluente do poluente (mg/l) C e = concentração efluente do poluente (mg/l) Caso haja mais de uma etapa ou unidade em série ao longo do tratamento, as eficiências não são 9 aditivas.
Eficiência do tratamento O cálculo da eficiência global de remoção é feito de forma multiplicativa, com base nas frações remanescentes. E = eficiência de remoção global E 1, E 2, E 3, E n = eficiência de remoção nas etapas 1, 2, 3,..., n 10
Eficiência do tratamento A eficiência de uma unidade situada após outras é inferior à eficiência que se teria, caso ela fosse a primeira etapa da série. Isso ocorre particularmente no caso da matéria orgânica, a qual muda ao longo do tratamento, tornando-se menos biodegradável, ou seja, de remoção mais difícil. 11
Operações, processos e sistemas de tratamentos de esgotos Os métodos de tratamento dividem-se em operações e processos unitários integração deste compõe os Sistemas de Tratamento. Operações físicas unitárias: métodos de tratamento no qual predomina a aplicação de forças físicas (gradeamento, mistura, floculação, sedimentação, flotação, filtração). Processos biológicos unitários: métodos de tratamento nos quais a remoção de contaminantes ocorre por meio de atividade biológica (remoção da DBO, nitrificação, desnitrificação). 12
Operações, processos e sistemas de tratamentos de esgotos Processos químicos unitários: métodos de tratamento nos quais a remoção ou conversão de contaminantes ocorre pela adição de produtos químicos ou devido as reações químicas (precipitação, adsorção, desinfecção). Esses métodos são empregados para a fase líquida (fluxo principal de liquido na ETE), a fase sólida diz respeito aos subprodutos sólidos gerados no tratamento biológico (lodo). 13
Em função do tipo de remoção Sólidos grosseiros crivos, grades e peneiras; Sólidos grosseiros sedimentáveis desarenadores e decantadores; Sólidos flutuantes Caixas de gordura, tanques de flotação e decantadores com removedores de escuma; Material fino em suspensão decantadores, tanques de flotação, tanques de precipitação química, filtros de areia. Substâncias orgânicas dissolvidas, semidissolvidas e finamente divididas fertirrigação, escoamento superficial, infiltração-percolação, filtros biológicos, lagoas de estabilização, lodos ativados, tanques sépticos e valos de oxidação; Controle de doenças transmissíveis e combate ao mau cheiro desinfecção (cloração, ozonização, raios ultravioleta), aeração ou uso de substâncias químicas inibidoras de mau cheiro. Remoção de nutrientes fertirrigação, escoamento superficial, infiltraçãopercolação, tratamento terciário (precipitação, adsorção, osmose, etc.) 14
Tratamento Preliminar Objetivos: remoção dos sólidos grosseiros e areia Gradeamento Desarenador (caixa de areia) resfriamento trocador de calor torre de resfriamento 15
Tratamento Primário Objetivo: remoção de sólidos sedimentáveis e matéria orgânica em suspensão (DBO suspensa ou particulada). Predominam mecanismos físicos de remoção de poluentes Sedimentação (gravidade) decantadores circulares 80-90% de eficiência de remoção Flotação uso de micro-bolhas de ar requer menores áreas, maior eficiência operação e manutenção mais complexa,alto custo de investimento testes de laboratório e/ou piloto (quantidade de ar = 2-3% do volume de efluente) 16
Tratamento Secundário Objetivo: é a remoção de matéria orgânica dissolvida (DBO solúvel ou filtrada) e eventualmente nutrientes (nitrogênio e fósforo). Predominam mecanismos biológicos Aeróbio lagoas de estabilização (facultativas, aeradas) lodos ativados Anaeróbio lagoas anaeróbias sistemas de alta taxa (UASB) 17
Mais alguns conceitos básicos importantes Quantificação dos poluentes: o conceito de carga. A carga é expressa em termos de massa por unidade de tempo. 18
Mais alguns conceitos básicos importantes 19
Mais alguns conceitos básicos importantes Equivalente populacional (EP): traduz a equivalência entre o potencial poluidor de uma agroindústria (em termos de MO) e uma determinada população, a qual produz essa mesma carga poluidora: É comum adotar na literatura internacional o valor de 54 g DBO/hab.d: 20
Mais alguns conceitos básicos importantes Principais modelos hidráulicos: 21
Mais alguns conceitos básicos importantes Principais modelos hidráulicos: Um corpo d água como um rio, pode ser caracterizado através do regime em pistão. No fluxo em pistão cada seção transversal funciona como um êmbolo (ou um pistão). Não há intercâmbio entre as seções de jusante e de montante (dispersão nula). Em cada seção a qualidade da água é a mesma em todos os pontos. 22
Mais alguns conceitos básicos importantes Principais modelos hidráulicos: Um corpo d água em regime de mistura completa se caracteriza por ter em todos os pontos da massa líquida a mesma concentração. A concentração do efluente é igual em qualquer ponto do corpo d água. Este modelo pode ser aplicado, como uma aproximação, de lagos e represas. 23
Mais alguns conceitos básicos importantes Principais modelos hidráulicos: Na realidade, os corpos d água apresentam uma característica de dispersão dos poluentes intermediária entre as duas situações extremas. Os corpos d água (ou trechos) podem ser caracterizados por um coeficiente de dispersão. Coeficientes elevados aproximam o corpo d água ao regime de mistura completa. Coeficientes reduzidos aproximam-no ao fluxo em pistão. 24
Mais alguns conceitos básicos importantes 25
EXEMPLO 01 - Uma agroindústria lança suas águas residuárias em uma estação de tratamento de efluentes a uma vazão média de 1,5 L s -1. Essa água residuária possui biodegradabilidade (relação DQO/DBO) de 2,5 e uma DQO afluente de 12000 mg L -1. No tratamento preliminar, primário e secundário a eficiência na remoção de DBO é de 15, 50 e 90%, respectivamente. a) Calcular a DBO efluente (de saída) da estação e o equivalente populacional da agroindústria. b) Qual a finalidade dos tratamentos primário, secundário e terciário? c) O tratamento do efluente da agroindústria atende ao padrão de lançamento (Resolução CONAMA 430/2011)? 26
EXEMPLO 02 Calcular o Equivalente Populacional (EP) de uma agroindústria que possui os seguintes dados: Vazão = 120 m3/d; Concentração de DBO = 2000 mg/l EXEMPLO 03 Um matadouro abate 60 cabeças de gado e 100 porcos por dia. Dar as características estimadas do efluente. Adotar o valor médio de 3,0 kg DBO/boi abatido (1 boi 2,5 porcos). 27
EXEMPLO 04 Calcular o EP de uma granja de suínos com 2500 matrizes que gera 15 L.cab -1.d -1 de água residuária (ARS). Segundo análises verificou-se que a ARS possui DBO = 3500 mg.l-1. Sabe-se que esse resíduo possui degradabilidade DQO/DBO = 1,67. Caso o proprietário implante uma ETE com eficiência global de 85%, qual será a DBO lançada pelo sistema? O córrego onde será lançado a ARS possui Q = 100 L.s -1 à montante e uma DBO média = 7 mg.l -1. O corpo d água sofrerá mudanças na sua condição após o lançamento da granja? 28
BACTÉRIAS 29
Caracterização das Bactérias Constituem o maior e mais importante grupo para o tratamento biológico de efluentes A grande maioria heterotrófica Unicelulares, procarióticas Apresentam diferentes forma tais como: Esféricas (0,5 a 1,0 m de diâmetro) Bastonetes (0,5 a 1,0 m por 1,5 a 3,0 m) Espiraladas (0,5 a 5 m por 6 a 15 m) 30
s Composição Elementar de uma Bactéria Elemento Peso seco (%) C 50 O 28 N 12 H 6 P 2 K 1 Outros (S, Mg, Ca, Fe) 1 31
Log do número de células Crescimento Bacteriano Curva típica de crescimento em batelada Estacionária Endógena Aclimatação Tempo (h) 32
Número relativo de microrganismos Ecologia Microbiana do Tratamento DBO remanescente Bactérias Ciliados livres Amebas Flagelados Ciliados fixos Rotíferos, Tardígrados, Nematódeos, Anelídeos Tempo 33
Tratamento Biológico Aeróbio O 2 N, P CO 2 Efluente (DBO, DQO) Reator/Decantador Efluente Tratado Biomassa 34
Anabolismo Catabolismo Metabolismo Nutrientes outros produtos energia células Fonte de energia 35
Biodegradação Aeróbia Oxidação: produção de energia (catabolismo) CHONS + O 2 + Bactérias CO 2 + NH 3 + ENERGIA + outros Síntese: produção de biomassa (anabolismo) CHONS + O 2 + ENERGIA C 5 H 7 NO 2 Auto-oxidação: fase endógena C 5 H 7 NO 2 + 5 O 2 5 CO 2 + NH 3 + 2 H 2 O + ENERGIA 36
Papel dos Microrganismos Microrganismos + Matéria Orgânica + Energia O 2 Microrganismos H 2 O e CO 2 Converter a matéria orgânica dissolvida e coloidal em gás e células 37
Digestão Anaeróbia Processo biológico no qual diferentes tipos de microrganismos, na ausência de oxigênio molecular, promove a transformação de compostos orgânicos complexos (carboidratos, proteínas e lipídios) em produtos mais simples como metano e gás carbônico. Nos sistemas de tratamento anaeróbios: (a) deve-se manter grande massa de bactérias ativas que atuem no processo da digestão anaeróbia; (b) É necessário que haja contato intenso entre o material orgânico presente no afluente e a massa bacteriana no sistema. 38
Digestão Anaeróbia Os fatores que mais influem são a temperatura, o ph, a presença de elementos nutrientes e a ausência de materiais tóxicos no afluente. Nas ultimas décadas tem ocorrido mudanças na concepção dos sistemas de tratamento de águas residuárias (desenvolvimento de reatores fundamentados no processo anaeróbio). A maior aceitação de sistemas de tratamento anaeróbio se deve a melhoria do desempenho dos sistemas anaeróbios modernos, tendo-se um aumento não somente da velocidade de remoção do material orgânico, mas também da % de material digerido. 39
Digestão Anaeróbia O melhor desempenho dos sistemas anaeróbios é o resultado da melhor compreensão do processo da digestão anaeróbia, que permitiu o desenvolvimento de sistemas modernos mais eficientes que os sistemas clássicos. Reator anaeróbio como principal unidade de tratamento biológico de esgoto: remoção de 70 % do material orgânico nessa unidade sem o dispêndio de energia ou adição de substancias químicas. Unidades de pós-tratamento podem ser usadas para a remoção de parcela da fração remanescente de material orgânico, de forma a permitir a produção de efluente final com qualidade compatível com os padrões legais de lançamento. 40
Digestão Anaeróbia Vantagens: a) Baixo consumo de energia. b) Menor produção de lodo (economia considerável no manejo e destino final desse tipo de resíduo dos sistemas de tratamento). c) Possibilidade de recuperação e utilização do gás metano como combustível. d) Possibilidade de funcionar bem mesmo após longos períodos de interrupção (importante para efluentes sazonais). 41
Digestão Anaeróbia Aspectos negativos: a) Longo período de partida do sistema se não há disponibilidade de inoculo adequado. b) Sensibilidade do processo a mudanças das condições ambientais (ph, temperatura, sobrecargas orgânicas e hidráulicas). c) Possível emissão de odores ofensivos. 42
TRATAMENTO PRELIMINAR GRADEAMENTO E PENEIRAMENTO
GRADEAMENTO E PENEIRAMENTO Objetivo da unidade: remoção de sólidos grosseiros (pedaços de madeira, plásticos, folhas, cascas, hastes, ramos, penas, ossos etc.) FINALIDADE DA REMOÇÃO DE SÓLIDOS GROSSEIROS proteção de bombas, tubulações, transportadores, peças especiais, aeradores, etc; facilitar escoamento; remoção parcial da carga poluidora melhoria da eficiência em unidades subseqüentes; aspectos estéticos. 44
Grades nas unidades de tratamento primário 45
EQUIPAMENTOS UTILIZADOS NA SEPARAÇÃO SÓLIDO/LÍQUIDO - grades; - peneiras. Grades - tipos: de limpeza manual; de limpeza automática. - espaçamento entre barras função das dimensões do material a ser removido: grades finas (3/8 a 3/4 ) partículas de 1-2 cm; grades médias (3/4 a 1 1/2 ) partículas de 2-4 cm; grades grosseiras (> 1 1/2") partículas de 4-10 cm - inclinação: 45 a 60 o com a horizontal limpeza manual; 60 o com a horizontal limpeza mecânica. 46
Dimensionamento - velocidade de escoamento do líquido muito alta arraste de material retido; muito baixa acúmulo por sedimentação mau cheiro. ** limpeza manual 0,30 m s -1 < v < 0,60 m s -1 ** limpeza mecânica 0,60 m s -1 < v < 1,0 m s -1 - dimensionamento do canal afluente à grade seção do canal em que, A u = Q/v A u - área útil (livre entre barras) (m 2 ); Q vazão de água residuária (m 3 s -1 ); v velocidade de escoamento (m s -1 ). 47
E = a/(a+t) em que, S = A u /E E eficiência da grade S seção do canal (m 2 ); a espaçamento entre barras (cm); t espessura das barras (cm). Operação e manejo do sistema - limpeza contínua da grade evitar represamento e arraste de material; - material sólido removido secagem para facilitar transporte e encaminhamento para: incineração; aterro sanitário; alimentação animal; compostagem; incorporação ao solo. 48
Grades paralelas Grade inclinada 49
Exemplo 05 Uma estação de tratamento de efluentes recebe uma vazão máxima de 140 L s -1. a) Dimensione um sistema de grades verticais para remoção de sólidos grosseiros, utilizando barras com 10 mm de espessura e igualmente espaçadas em 20 mm. Considere para o nível médio da água no canal uma altura de 50 cm e uma velocidade de escoamento do efluente de 60 cm s -1. b) Quais são os constituintes e a principal função do tratamento preliminar? 50
Peneiras - muito utilizadas para tratamento preliminar de águas residuárias agroindustriais; - aberturas de 0,25 a 5,0 mm remoção de sólidos mais finos ou fibrosos; - necessitam de auto-limpeza; Tipos - estáticas ou hidrodinâmicas; - móveis. 51
Peneiras estáticas 52
- Principais características mais simples; modelos para promover auto-limpeza; baixos custos de operação e manutenção; problemas operacionais entupimento furos; menor eficiência que as demais 53
Peneiras móveis - cilindros giratórios de fluxo tangencial admissão externa ao cilindro: * Principais características: ** simplicidade de operação e manutenção; ** grande capacidade de processamento; ** eficiente separação de sólidos ** remoção de 6% de SS; 26% de óleos e graxas e 7% na DBO. 54
Peneiras de cilindros giratório 55
de fluxo axial admissão no eixo de rotação do cilindro - Principais características ** eficiente separação de sólidos; ** Peneira com furo de 1,0 mm: remoção de 23% dos SS e 30% dos óleos e graxas. 56
fluxo frontal peneira tipo correia transportadora; Filtro Prensa Detalhe do recolhimento de lodo 57 do filtro prensa
peneiras vibratórias: ** recomendadas para águas residuárias de maior concentração de ST (até 16 dag L -1 ); 58
Peneira plana vibratória Operação e manejo do sistema - peneiras móveis, apesar de auto-limpantes precisam de limpeza periódica (jatos d água, rodo de borracha, etc.) 59
TRATAMENTO PRELIMINAR: DESARENADOR
DESARENADORES OU CAIXAS DE AREIA a) Objetivo: remoção de sólidos facilmente decantáveis particulado grosseiro e de elevada massa específica; inorgânico areia, pedrisco, cascalho, etc; orgânico grãos de café, feijão, milho, ração, restos de frutas e hortaliças, cascas de ovos, pedaços de ossos, etc. 61
b) Finalidade: minimizar impactos nos corpos receptores assoreamento evitar abrasão nos equipamentos, bombas e tubulações; reduzir obstrução e avarias em tubulações, orifícios, sifões, etc.; evitar assoreamento em tanques e tubulações. OBS. Pode ser a primeira e única etapa do tratamento disposição no solo e lançamento ao mar. c) Princípio: alteração do regime hidráulico decantação 62
Critérios de projeto de desarenadores a) tipo: ** sem aeração; ** com aeração b) forma de separação: gravidade ou centrifugação; c) remoção dos sólidos: manual ou mecanizada (raspadores, bombas centrífugas, parafuso sem fim, caçambas transportadoras, etc. d) seção: retangular, quadrada ou circular; 63
Dimensionamento NBR 12209 - Projeto de estações de tratamento de esgoto sanitário sedimentar partículas de 0,1 a 0,4 mm; velocidade horizontal * grandes velocidades arraste de partículas; * velocidades inferiores odores desagradáveis; 0,25 < v h < 0,35 m s -1 OBS. manutenção da velocidade dispositivo controlador (vertedor ou calha Parshall) 64
NBR 12209 - Projeto de estações de tratamento de esgoto sanitário * projeto para remoção mínima de 95% em massa das partículas de areia ( = 2,65 g cm -3 ) > 0,2 mm vs = 0,02 m s -1 ; * vazão de dimensionamento vazão máxima afluente; * limpeza mecanizada para Q > 250 L s -1 ; * pelo menos duas unidades instaladas reserva para manutenção; * taxa de escoamento superficial de 600 a 1300 m 3 m -2 d -1 * seção transversal mínima de 0,20 m de profundidade por 0,20 m de largura (no caso de limpeza manual 0,30 m); 65
comprimento de um desarenador prismático: * princípios da sedimentação discreta: refere-se à sedimentação de partículas que conservam suas propriedades físicas iniciais (forma, dimensão e densidade) * A velocidade de sedimentação é independente da concentração. A v h S h v s L B 66
* tempo de sedimentação: t s = h/v s * tempo de detenção: t d = L/vh * velocidade horizontal: v h = Q/S= Q/(B.h) como t s = t d : h/v s = L.B.h/Q v s = Q/L.B v s = Q/(L.B) v s = Q/A A = Q/v s em que, v s velocidade de sedimentação das partículas (m s -1 ); Q vazão (m 3 s -1 ); A seção longitudinal horizontal ou área superficial (m 2 ). OBS. Na sedimentação discreta o que importa é a área superficial. 67
Seguindo-se os valores de v h e v s de projeto: A = Q/v s B.L = B.h.v h /v s L = 0,30.h/0,02 L = 15.h acrescentando, por questão de segurança, 50% a mais em L (recomendação da ABNT): em que, L- comprimento do canal (m); e h altura de líquido no canal (m). costuma-se considerar B = 4.h L = 22,5.h 68
Operação e manutenção do sistema medição periódica da camada de areia acumulada; desviar a vazão e executar a limpeza quando material acumulado ocupar 2/3 do comprimento. Destino do material removido: aterro sanitário; uso em construção civil. 69
Desarenadores para tratamento de esgoto doméstico 70
Planta de desarenador convencional 71
Planta de desarenador/decantador para tratamento de águas residuárias agroindustriais ricas em sólidos sedimentáveis 72
TRATAMENTO PRELIMINAR: Medição de vazão
TRATAMENTO PRELIMINAR/PRIMÁRIO CAIXA DE GORDURA
REMOÇÃO DE GORDURAS E SÓLIDOS FLUTUANTES Introdução a) Origem: - resíduos: materiais de massa específica menor que a da água óleos, graxas, gorduras, ceras e outros; - material de constituição da escuma. - concentração encontrada em águas residuárias: * esgoto doméstico: de 50 a 150 mg L -1 de gordura; * águas residuárias da suinocultura: de 450 a 7.300 mg L -1 de gordura. 76
Escuma da água residuária do descascamento/despolpa dos frutos do cafeeiro 77
Escuma da água residuária do descascamento/despolpa dos frutos do cafeeiro 78
b) Finalidade: - evitar obstruções dos coletores, rede hidráulica, poros de filtros, capeamento de flocos biológicos em sistemas de lodos ativados, emissores das águas e poros do solo. - evitar aderência em peças especiais da rede hidráulica; - evitar acúmulo nas unidades de tratamento odores desagradáveis, proliferação de moscas e perturbações no funcionamento dos dispositivos de tratamento. OBS.: a formação de crostas em lagoas de estabilização anaeróbias, apesar de ser vantajosa sob o ponto de vista de manter a anaerobiose, favorece a proliferação de moscas; - efeitos anti-estéticos em corpos receptores. 79
Efeito anti-estético em corpos hídricos receptores 80
c) Princípio: separação sólido/líquido por flutuação (inverso da sedimentação) Dimensionamento V = Q.t d e A s = Q/v as A s área superficial da caixa de gordura (m 2 ); Q vazão afluente (m 3.h -1 ); v as velocidade mínima de ascensão (m.h -1 ) determinada experimentalmente; V - volume do tanque (m 3 ); t d tempo de detenção da água residuária (h) t d entre 1-15 min, sendo 5 min o valor típico. muito pouca informação a respeito da velocidade de ascensão de óleos e gorduras v as entre 1-15 m.h -1 * 95 % de óleo de linhaça 14,4 m.h -1 v h > 36 m.h -1 evitar a deposição de material orgânico na caixa de gordura 81
Operação e manutenção da caixa de gordura - limpeza periódica remoção do óleo e gordura retidos, a fim de evitar que o material seja arrastado com o efluente. Destino do material: enterrio; reciclagem gordura e graxas de matadouros, lanifícios, curtumes e indústrias alimentícias aproveitados nas indústrias de sabão e glicerina. Detalhe do acesso à caixa de gordura, para que possa efetuar a limpeza periódica do tanque 82
Planta de caixa de gordura de uma só câmara 83
Exemplo 06 Uma pequena comunidade rural de 900 habitantes consome cerca de 140 L hab -1 dia -1 de água. Sabendo-se que 80% dessa água consumida vira esgoto doméstico, pede-se: a) Dimensione uma caixa de gordura que atenda essa população. Adote uma velocidade de escoamento do efluente de 36 m h -1, uma velocidade mínima de ascensão de 10 m h -1 e a relação comprimento:largura de 3:1. b) Por que a velocidade de escoamento da água residuária em uma caixa de gordura deve ser alta (maior que 36 m h -1 )? 84
Obrigado pela atenção Continua na próxima aula! 85