DOUTORAMENTO EM ENGENHARIA DO AMBIENTE UNIDADE CURRICULAR DE GESTÃO INTEGRADA DE SISTEMAS DE SANEAMENTO MODELAÇÃO DO PROCESSO DE LAMAS ACTIVADAS Obtenção de dados Helena Pinheiro
SUMÁRIO 1. MODELAÇÃO 2. DADOS PARA O MODELO 2.1 Geral 2.2 Componentes 2.3 Parâmetros 2.3 Medida experimental 3. RESPIROMETRIA 3.1 Introdução 3.2 Como se faz? 3.3 Obtenção de dados de modelação 4. CONCLUSÃO
1. MODELAÇÃO DESCRIÇÃO DA REALIDADE MODELO IDEAL DADOS REAIS (parâmetros do modelo) DADOS REAIS / HIPOTÉTICOS componentes operacionais TEORIA (processos subjacentes) DESCRIÇÃO DA REALIDADE PREVISÃO / SIMULAÇÃO DA REALIDADE SIMPLIFICAÇÕES processos com maior impacto precisão aceitável na descrição da realidade DADOS REAIS / HIPOTÉTICOS desempenho
1. MODELAÇÃO DESCRIÇÃO DA REALIDADE MODELO POSSÍVEL DADOS REAIS (parâmetros do modelo) calibração DADOS REAIS componentes operacionais desempenho validação TEORIA (processos subjacentes) DESCRIÇÃO APROXIMADA DA REALIDADE PREVISÃO DA REALIDADE DADOS HIPOTÉTICOS componentes operacionais SIMULAÇÃO DA REALIDADE DADOS HIPOTÉTICOS desempenho
1. MODELAÇÃO O CASO DOS MODELOS ASM MODELOS ASM ActivatedSludgeModel (IWA) C-H-O-N-P ( matéria orgânica complexa ) hidrólise C-H-O-N-P ( matéria orgânica ; CBO) metabolismo energético (respiração) C-H-O-N-P (metabolitos; SMP Soluble Microbial Products) energia NH 4+, PO 4 3- PROCESSO DE LAMAS ACTIVADAS O 2 CO 2 + H 2 O multiplicação celular ( crescimento ) metabolismo energético (desnitrificação) metabolismo energético (nitrificação) NO 3-, NO 2 - N 2 NH 4 + O 2 [anóxia deficiência de O 2 ] decaimento NO 3-, NO 2 - energia NH 4+, PO 4 3- CO 2 heterotrófico multiplicação celular ( crescimento ) autotrófico
1. MODELAÇÃO O CASO DOS MODELOS ASM MODELOS ASM ActivatedSludgeModel (IWA) PROCESSO DE LAMAS ACTIVADAS DADOS componentes operacionais DADOS (parâmetros do modelo) TEORIA (processos subjacentes) PREVISÃO / SIMULAÇÃO DADOS desempenho VERSÃO ASM1 ASM2 ASM2d ASM3 PROCESSOS PARÂMETROS estequiométricos cinéticos 8 5 13 19 20 44 21 20 44 12 15 21 COMPONENTES / DESEMPENHO 13 20 20 13
2. DADOS PARA O MODELO GERAL DADOS MODELOS ASM : Componentes / Operacionais / Desempenho ÁGUA RESIDUAL caudal composição AREJAMENTO K L a, S o sat concentração O 2 dissolvido (DO) TANQUE DE AREJAMENTO RETORNO DE LAMAS R (razão de reciclo) PURGA DE LAMAS SRT (idade de lamas) Solids Retention Time DESEMPENHO DO REACTOR Biomassa Insolúveis (inertes/biodegradáveis) Solúveis (C, N, P) (inertes/biodegradáveis) Consumo de O 2 REACTOR (tanque de arejamento) V (volume) configuração temperatura
2. DADOS PARA O MODELO COMPONENTES DADOS MODELOS ASM : Componentes da água residual PARÂMETROS STANDARD COMPONENTES DO MODELO Caso mais simples: ASM1 CQO Carência Química de Oxigénio S S S I X S X I X B,H + X B,A (biomassa activa) em amostras filtradas S S, S I X I, X S (solúvel que requer hidrólise) CBO 5 CBO u Carência Bioquímica de Oxigénio SST SSV CQO SS Sólidos Suspensos Totais/Voláteis TKN Azoto de Kjeldahl N-NH 4 Azoto Amoniacal S S (parte) S NH, S ND S NI S NH X S (parte) X I, X S (insolúvel) X B,H + X B,A (biomassa activa) X ND
2. DADOS PARA O MODELO PARÂMETROS DADOS MODELOS ASM : Valores para os parâmetros do modelo EXPERIÊNCIA ANTERIOR VALORES TÍPICOS OU RECOMENDADOS Valores que variam pouco / o modelo é pouco sensível à sua variação Ex: Nitrificação: Y A, b A, K O,A Estequiometria: i XB (N/CQO em X B ) Desnitrificação: K NO i XP (N/CQO em X B X S ) f P (fracção X B X S ) Valores (gamas) comuns para águas residuais e condições operacionais semelhantes - Ex: esgoto doméstico, temperatura, mistura completa Valores que é recomendável determinar caso a caso Ex: Y H, µ ^ H, b H, ^µ A, k h EXPERIMENTAÇÃO DEDICADA com água residual e biomassa da ETAR real CALIBRAÇÃO DO MODELO com dados da ETAR real / ajuste de valores de parâmetros um de cada vez
2. DADOS PARA O MODELO MEDIDAS EXPERIMENTAIS DADOS MODELOS ASM : Medida experimental de componentes e parâmetros Água residual Substratos específicos Biomassa (inóculo) Pré-tratamento privação de substrato inibição específica Aceitador de electrões oxigénio nitrato operação de mini-reactor em condições definidas Consumo de CQO Consumo de aceitador de electrões Produção de biomassa Produção de produtos Cálculo directo a partir dos resultados obtidos Cálculo por calibração (optimização) do modelo ASM aplicado aos resultados
2. DADOS PARA O MODELO MEDIDAS EXPERIMENTAIS DADOS MODELOS ASM : Exemplos de medida experimental Y H coeficiente de rendimento para biomassa heterotrófica Água residual filtrada Q, CQO 0 biomassa ar Licor Misto CQO total CQO filtrado CQO total CQO filtrado = CQO SS CQO biomassa Y H = CQO SS CQO filtrado S I fracção de CQO solúvel inerte na água residual Amostra de Licor Misto da ETAR biomassa ar Análises de CQO filtrado tempo CQO filtrado S I tempo
3. RESPIROMETRIA RESPIROMETRIA: Introdução O QUE É? Medida da taxa de consumo de oxigénio (taxa de respiração) pela biomassa activa - medida de r O É RELEVANTE? ASM1 : r O = 1 - Y H µ H X 4,57 - Y B,H + A Y H µ H = µ A = µ ^ H µ ^ A S S K S + S S S NH K NH + S NH S O Y A K O,H + S O S O KO,A + SO µ A X B,A Informação explícita parâmetros de rendimento parâmetros de cinética de crescimento parâmetros de limitação por oxigénio concentrações de biomassa activa Informação escondida b H, b A afectam X B,H, X B,A afectam r O X s, k h afectam S s afecta r O X ND, k a afectam S NH afecta r O
3. RESPIROMETRIA RESPIROMETRIA: Como se faz? CASO GERAL p O p O MEDIDAS (ALTERNATIVAS) Teor de O 2 no gás (p O ) pressão espectrometria de massa DO DO Concentração de O 2 dissolvido no líquido (DO) sonda (electroquímica; óptica) Caudais de gás ou de líquido MEDIDA DA TRANSFERÊNCIA DE O 2 GÁS LÍQUIDO Balanço de massa ao O 2 no gás Medida prévia de K L a e S sat O no respirómetro r transferido O = K L a (S sat O S O )
3. RESPIROMETRIA RESPIROMETRIA: Como se faz? MEDIDAS DE CBO p O p O DO
3. RESPIROMETRIA RESPIROMETRIA: Como se faz? RESPIRÓMETRO ABERTO Medida de DO com arejamento intermitente D O ( g / m3 ) 10.0 9.0 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 OUR_1 0 10 20 30 40 50 T ime ( h) DO OUR (g/ m3.h) 35 OUR Oxygen Uptake Rate (= r O ) RESPIROGRAMA Representação dos declives sucessivos das rectas de DO vs. tempo 30 25 20 15 10 5 0 Consumo de O 2 cumulativo (integral do respirograma) OU cu. m OU ( g / m3 ) 0 10 20 30 40 50 T ime ( h) 300 250 200 150 100 50 0
3. RESPIROMETRIA RESPIROMETRIA: Como se faz? RESPIRÓMETRO FECHADO ar célula respirométrica reactor auxiliar DO modelo comercial de campo modelo comercial de bancada Applitek, Bélgica Surcis, Espanha
3. RESPIROMETRIA RESPIROMETRIA: Como se faz? RESPIRÓMETRO FECHADO ar reactor auxiliar célula respirométrica DO modelo artesanal de bancada
3. RESPIROMETRIA RESPIROMETRIA: obtenção de dados de modelação INTERPRETAÇÃO DE RESPIROGRAMAS - EXEMPLOS Introdução dos substratos no reactor auxiliar (glucose e acetato) degradação de acetato degradação de glucose respiração endógena da biomassa degradação lenta de substrato (substâncias de reserva) Karahan-Güll et al, Wat.Sci.Tech., 2002
3. RESPIROMETRIA RESPIROMETRIA: obtenção de dados de modelação INTERPRETAÇÃO DE RESPIROGRAMAS - EXEMPLOS Introdução da água residual no reactor auxiliar r o (go 2 /(m 3.min)) degradação de substrato solúvel nitrificação de amónia respiração endógena da biomassa subtraída do respirograma Vanrolleghem et al, Wat.Sci.Tech., 1999 tempo (min) degradação de substrato que necessita de hidrólise prévia A estimativa dos valores de S S e X S requer o valor de Y H e a do valor de S NH requer o valor de Y A.
3. RESPIROMETRIA RESPIROMETRIA: obtenção de dados de modelação INTERPRETAÇÃO DE RESPIROGRAMAS - EXEMPLOS Introdução da água residual no reactor auxiliar respirograma consumo de O 2 cumulativo concentração de substrato restante (S S ), calculada da curva cumulativa de consumo de O 2 Vanrolleghem et al, Wat.Sci.Tech., 1999 Com a sequência de valores (r O, S S ) podem ser estimados valores para as constantes do modelo de Monod
3. RESPIROMETRIA RESPIROMETRIA: obtenção de dados de modelação INTERPRETAÇÃO DE RESPIROGRAMAS - EXEMPLOS r o (go 2 /(m 3.min)) degradação de acetato r o máx HET Vanrolleghem et al, Wat.Sci.Tech., 1999 nitrificação de amónia A redução dos valores máximos de r O deve-se ao decaimento da biomassa (estimativa de valores de b H e b A ). r o máx r o AUT r o máx HET r o máx AUT tempo (min) 6 dias depois (biomassa em ausência de substratos)
4. CONCLUSÃO ALGUMAS AFIRMAÇÕES PARA DISCUSSÃO Os modelos ASM são passíveis de aplicação na prática de projecto e operação de ETAR de lamas activadas A calibração adequada de modelos e sua validação com dados reais é possível sem excessivo esforço operacional ou financeiro i.e., pode ser realizada no âmbito do controlo de qualidade corrente da ETAR A utilidade dos métodos respirométricos no âmbito da modelação justifica a sua utilização corrente em projecto e operação de ETAR de lamas activadas