Universidade Estadual de Maringá Departamento de Engenharia Civil Disciplina - Saneamento IV...
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Universidade Estadual de Maringá Departamento de Engenharia Civil
Disciplina - Saneamento IV
Remoção de Nutrientes em Sistema de Lodos
Ativados
Murilo P. Moisés
Eutrofização
• Crescimento excessivo de plantas aquáticas devido à presença de concentrações excessivas de nutrientes, principalmente N e P;
• Fontes de eutrofização: efluentes domésticos, efluentes industriais, escoamento superficial, chuvas.
Eutrofização: Represa Guarapiranga/SP
- Problemas estéticos e recreacionais: diminuição do uso da água para recreação (floração; crescimento de vegetação; maus odores; morte de peixes)
- Anaerobiose no fundo do corpo aquático: consumo de OD durante a degradação da matéria orgânica (condições redutoras)
- Morte de peixes (anaerobiose; toxicidade por amônia)
- Custo de tratamento da água: Remoção de alga; cor; turbidez; sabor e odor; Maior consumo de produtos químicos; Maior freqüência de lavagem dos filtros
- Toxicidade de algas (cianobactérias)
- Desaparecimento gradual do corpo aquático
Conseqüências da Eutrofização
Conseqüências da Eutrofização
Entrada artificial de nutrientes
(+) produção orgânica
(+) produção de detritos orgânicos
(+) taxa de decomposição
(+) biomassa/m2 (-) penetração de luz
(+) H2S e CH4 (-) O2
Conseqüências da Eutrofização
Conseqüências da Eutrofização
Consumo de oxigênio dissolvido - Morte de peixes
Remoção biológica de nutrientes – Lodos ativados
Remoção biológica de nutrientes – Lodos ativados
Nitrificação
Desnitrificação
OHONHNO 2223 5,222
+
EnergiaNOONO 322 22
EnergiaOHHNOONH 2324 22
EnergiaOHHNOONH 2224 24232
Cinética da Nitrificação
Taxa de crescimento das bactérias nitrificantesRelação de Monod
= taxa de crescimento específica das bactérias nitrificantes(d-1)= taxa de crescimento máximo específico das bactérias nitrificantes(d-1)= Concentração de amônia(mg/l)= Constante de saturação (mg/l)
Onde,máx4NH
NK
4
4
NHK
NH
N
máx
l
mgNHK
d
N
Cmáx
4
120
0,15,0
7,03,00
Exemplo:
Calcular a taxa de crescimento das bactérias nitrificantes em um reator de mistura completa considerando:
Solução:
lmgNH
lmgK
d
N
máx
/0,2
/7,0
5,0
4
1
4
4
NHK
NH
N
máx
137,00,27,0
0,25,0
d
Nitrificação
Fatores Ambientais de influência- Temperatura
- pH
- OD
- Subst. Tóxicas ou inibidoras
)20(
)20()(
T
o CmáxTmáx
Temperatura
)(Tmáx
= taxa de crescimento máximo na temperatura T= Coeficiente de tempetatura= temperatura T
pH
OD
máx
pHmáx
máxpHmáx pH
)(
)( )2,7(83,01
taxa de crescimento máximo das bactérias nitrificantes no pH do meio
taxa de crescimento máximo das bactérias nitrificantes em pH 7,2
O
Omáx
K
DO
DOK
DO
concentração de oxigênio dissolvido no reator (mg/l)
constante de saturação para o oxigênio (mg/l)
Idade do lodo mínima para nitrificação
Idade do lodo = inverso da taxa de crescimento específica
A taxa de reprodução dos microorganismos nitrificantes é inferior à dos microorganismos responsáveis pela estabilização da matéria orgânica;
NC 1
Exemplo:
Calcular a idade do mínima para que ocorra nitrificação no sistema com taxa decrescimento específica de 0,22d-1.
Solução:
Adotando-se um coeficiente de segurança de 1,5 para projeto, esta idade do lodo passa a ser:
4,5 x 1,5 = 6,8 dias
dN
C 5,422,0
11
Taxa de nitrificação
Em função da massa de microorganismos nitrificantes presentes nas zonasaeradas do reator, sendo expressa como:
= taxa de nitrificação unitária x concentração de bactérias nitrificantes
N
N
N
X
Y
tNH
/4 taxa de nitrificação
taxa de crescimento específico das bactérias nitrificantes considerando as condições ambientais
coeficiente de rendimento das bactérias nitrificantes
concentração das bactérias nitrificantes na zona aerada do reator
NN
N XYt
NH
4
t
NH
4
Requisitos de oxigênio para nitrificação
Reação global da nitrificação
1 mol de nitrogênio requer 2 mols de oxigênio para sua oxidação, portanto,para 1Kg de nitrogênio é necessário 4,57Kg O2:
PM do N = 14g/molPM do 2O2 = 64g/mol
1000g x 64 g/mol = 4.571g = 4,57Kg de O2
14g/mol
EnergiaOHHNOONH 2324 22
d
kgNHNH
kgNH
kgOO oxidadodkgOnecessário
44
4
2/2 57,4
2
Exemplo:
Calcular o requisito de oxigênio para a nitrificação em um reator de mistura completa com concentração de amônia = 250 kg/d
Solução
d
kgO
d
kgNH
kgNH
kgOO dkgOnecessário
24
4
2/2 143.125057,4
2
d
kgNHNH
kgNH
kgOO oxidadodkgOnecessário
44
4
2/2 57,4
2
Requisitos de alcalinidade
Reação global da nitrificação
1 mol de íon amônio produz 2 mols de H+ que, consome 2 mols de Bicarbonato;
Portanto,
EnergiaOHHNOONH 2324 22
223 COOHHCOH
OHHCOCO2
1
2
1100 3
23Alcalinidade
lmgHCOlmgNH
lmgHCOlmgNH
molsHCOmolNH
/7,8/1
/122/14
21
34
34
34
Como:
OHHCOCO2
1
2
1100 3
23Alcalinidade
lmgHCOlmgNH /7,8/1 34
2,13
HCO
deAlcalinida
de alcalinidadelmgNH /1 4
consome lmg /1,72.1
7.8
Medida em termos de Carbonato de Cálcio
- Quanto maior o consumo da alcalinidade, menor o pH !!!
- Como consequência, ocorre uma redução na taxa de nitrificação, pois esta é dependente do pH;
- Necessidade de monitoramento, e eventual dosagem de alcalinizantes.
Exemplo:
Calcular o requisito de alcalinidade, considerando um esgoto bruto com:Concentração de amônia = 250kg/dVazão média = 9.820 m3/d e alcalinidade afluente 150 de mg/l.
Solução:
a) Requisito de alcalinidade:
Sabendo que 1mg de amônia/l implica no consumo de 7,1 mg/l de alcalinidade, a carga de alcalinidade requerida é:
dkgCaCOd
kgNH
kgNH
dealcalinidakg/1775250
)(1,73
4
4
b) Alcalinidade disponível no efluente:
déficit de alcalinidade:
Queda do pH = redução da taxa de nitrificação
Adição de alcalinizante:
d
kgCaCO
g
kg
m
g
d
m 333
3
473.110
1150820.9
dia
kgCaCO33021473775.1
23 74100 OHCal
mg
l
mgCaCO
d
OHkgCa
d
kgCaCO
kgCaCO
OHkgCa 23
3
2 233302100
74
Fundamentos da desnitrificação Biológica
2223 NONNONO
Bactérias:Bactérias:
- Pseudomonas- Achromobacter- Escherichia- Bacillus- Micrococus
Vantagens:Vantagens:
- Economia de alcalinidade;- Evita Eutrofização
Condições anóxicas-Ausência de oxigênio, presença de nitratos
OHNHNCONONOHC 4254 3223275
Remoção biológica de fósforo
Fósforo Inorgânico- Ortofosfato e polifosfato
Fósforo orgânico
Contribuição per capita1,0-4,5 g/habitante.diaValor típico = 2,5 g/habitante.dia
Remoção:Zonas ANAERÓBIAS absorção pelos organismos acumuladores de fósforo
Removido do sistema através da retirada do lodo excedente
Remoção biológica de fósforo
Fatores de influência...
OD;TemperaturapHIdade do lodoTempo de detenção e configuração da zona anaeróbiaTempo de detenção da zona aeróbiaSólidos em suspensão no efluente
Remoção Biológica de Nitrogênio
Principais Fluxogramas
Remoção Biológica de Nitrogênio
Principais Fluxogramas
Remoção Biológica de N e P
Principais Fluxogramas
Exemplo 1
Dimensionamento de um reator com nitrificação e pré-desnitrificação, com zona anóxica seguida de zona aeróbia;
Exemplo 2
Dimensionamento de um reator para remoção biológica de fósforo – dimensionar a zona anaeróbia do exemplo anterior, de forma que o sistema possa remover biologicamente também o fósforo.
Exemplo 1
Dimensionamento de um reator com nitrificação e pré desnitrificação, com zona anóxica seguida de zona aeróbia;
Dados do esgoto brutoVazão média = 9820m3/dCarga de amônia afluente = 496 kg/dConcentração de amônia afluente = 51mg/l
Dados do efluente finalConcentração de amônia = 2mg/l (desejado)
Decantador primárioEficiência de remoção de amônia = 20%
ReatorIdado do lodo = 6 diasSSVTA = 3000mg/lOD no reator = 2mg/lpH no reator = 6,8Temperatura média no mês mais frio = 20ºC
Coeficientes para a desnitrificação
kgSSVkgNH
gNOgO
diakgSSVkgNO
reduzido
desnit
/12,0
/85,2
09,1
/08,0
4
32
3
Taxa de desnitrificação na zona pré-anóxica
Coeficiente de temperatura para a desnitrificação
Produção de oxigênio para a desnitrificação
Fração de amônia no lodo excedente
oxidado
oxidadoN
O
N
Cmáx
gNHgO
NHntesgNitrificaY
mgOK
mgNHK
d
42
4
32
34
120
/57,4
1,1
/08,0
/8,0
/7,0
5,00
Taxa de crescimento Máximo
Coeficiente de saturação de amônia
Coeficiente de produção especifica
Coeficiente de saturação de oxigênio
Coeficiente de temperatura
Demanda de oxigênio para nitrificação
Coeficientes para a nitrificação
Coeficientes adotados
Coeficientes para a desnitrificação
kgSSVkgNH
gNOgO
diakgSSVkgNO
reduzido
desnit
/12,0
/85,2
09,1
/08,0
4
32
3
Taxa de desnitrificação na zona pré-anóxica
Coeficiente de temperatura para a desnitrificação
Produção de oxigênio para a desnitrificação
Fração de amônia no lodo excedente
oxidado
oxidadoN
O
N
Cmáx
gNHgO
NHntesgNitrificaY
mgOK
mgNHK
d
42
4
32
34
120
/57,4
1,1
/08,0
/8,0
/7,0
5,00
Taxa de crescimento Máximo
Coeficiente de saturação de amônia
Coeficiente de produção especifica
Coeficiente de saturação de oxigênio
Coeficiente de temperatura
Demanda de oxigênio para nitrificação
Coeficientes para a nitrificação
ReatorFração do reator como zona-anóxica = 0,25 (25% do volume)Fração do reator como zona aeróbia = 0,75 Relação entre a taxa de remoção da DBO em condições anóxicas e aeróbias = 0,70 (a taxa de remoção de DBO em condições anóxicas é 70% da taxa em condições aeróbias)Razão de recirculação de lodo = 100%Razão de recirculação interna = 300% (zona aeróbia para zona anóxica)
Remoção de amônia na decantação primaria
d
kg
d
kg
d
kg39799496
d
kg
d
kg99
100
20496
Carga de amônia restante
Volume do reator (volume calculado no dimensionamento convencional = 2.051m3)
3215.275,025,07,0
75,025,0051.2
7,0m
FF
FFVVt
aeranox
aeranoxalconvencion
Fator de correção = 1,08
Volume das zonas anóxica e aeróbia
horast
horast
horasddm
m
Q
Vt
aer
a
05,4215.275,0
35,14,525,0
4,5226.0/9820
215.23
3
33
33
1661215.275,0
554215.225.0
mmV
mmV
aer
anox
Tempo de detenção hidráulica
Idade do lodo (também deve ser multiplicada pelo fator de correção)
dias
dias
aer
total
9,408,15,4
5,608,16
CaTemperatur
pH
lmgOD
lmgNH
d
o
máx
20
8,6
/2
/2
5,0
4
1
Taxa de crescimento das bactérias nitrificantes
1
4
4 37,07,00,2
0,25,0
d
KNH
NH
N
máx
%7437,0
%1005.0
máx
%7236,0
%1005.0
36,06,00,2
0,25,0 1
máx
Omáx d
KOD
OD
Efeito da concentração de amônia
Efeito da concentração de OD no reator
33,0
)8,62,7(83,015,0
)2,7(83,01
)8,6(
)8,6(
)(
máx
máx
máxpHmáx pH
%6633,0
%1005.0
máx
Efeito do pH
Efeito integrado das condições ambientais
1
max
18,050,035,0
100
35
%3535,066,072,074,0
d
Idade do lodo aeróbia mínima para nitrificarão total
dc 6,518,0
11
Calculo da fração de bactérias nitrificantes nos SSVTA
Produção liquida de sólidos biológicos no reator = calculado dimensionamento convencional=1.026kgSSV/d
Carga de amônia a ser oxidada
d
kggm
m
gdesejável
d
kgentrada
20640.19820.92
397
33
carga de amônia no lodo excedente = fração de amônia no lodo (0,12) x produção liquida de sólidos
dkg123026.112,0
Carga de amônia a ser oxidada
V
N
xv
xNN gX
gX
P
Pf 019,0
026.1
20
d
kg
d
kg
d
kg
d
kg25412320397
d
kgXNHY
t
XPxN N
oxidadoNN 2025408,04
Produção de bactérias nitrificantes
Relação Fn = Fração de bactérias nitrificantes nos SSV
Cálculo da taxa de nitrificação
d
kgNH
t
NHVL aeradaNH
44 2131281000
661.14
dm
gNH
Y
Xf
t
NH
N
NVN
344 128
08,0
18,0000.3019,0
d
kg
d
kg
d
kg
d
kg57213123397
Carga de amônia passível de ser oxidada
Inferior ao esperado de (254), portanto a concentração de amônia final será maior que o desejado 2mg/l
Calculo da concentração de amônia
l
mgNHNH
4
4 6820.9
100057
Eficiência de remoção de amônia
%8888,0
51
651
4
44
inicial
finalinicial
NH
NHNHE
Recirculação dos nitratos a zona anóxica
Razão de recirculação do lodo = 1 = 100% Razão de recirculação interna = 3 = 300% Razão de recirculação total = 4 = 400%
Taxa de desnitrificação especifica
dkgSSV
kgNOTDE
308,0
Carga de nitrato
Carga de nitrato produzido na zona aeróbia=carga de amônia oxidada = 213kg/d
Carga de nitrato recirculado a zona anóxica pelo retorno de lodo
Caga de nitrato recirculado a zona anóxica pela recirculação interna
Carga total de nitrato recirculado
Carga de nitrato passível de redução na zona anóxica
d
kg
R
R
total
lodo 4314
1213
1213
d
kg
R
R
total
12814
3213
1213 int
d
kg
d
kg
d
kg17112843
d
kgmassaSSVTDE 133662.108,0
d
kgNONoNO caçãodesnitrifiproduzido 80133213333
Concentração de nitrato no efluente
l
mgNONO
3
3 8820.9
100080
Eficiência de remoção de nitrato
%6262,0213
80213
produzida
efluenteproduzida
Q
QQE
Resumo das concentrações de nitrogênio
Amônia=6mg/lNitrato=8mg/lNitrogênio total= 6+8=14mg/l
Resumo das eficiências
Remoção de amônia = 88%Remoção de nitrato = 62%Nitrogênio total = 73%
Consumo de oxigênio
Consumo de oxigênio=4,57 x Carga de amônia oxidada
d
kgO
d
kg 297321357,4
Economia de oxigênio com a desnitrificação = 2,86 x carga de nitrato reduzido
d
kgO
d
kg 238013386,2
Exemplo 2Dimensionamento de um reator para remoção biológica de fósforo –
dimensionar a zona anaeróbia do exemplo anterior, de forma que o sistema possa remover biologicamente também o fósforo.
Dados do afluenteVazão media = Q=9.280m3/d[P] no esgoto bruto = 12mg/lEficiência de remoção de P na decantação primaria=20%DBO=239mg/lDQO/DBO=1,8 (valor adotado)Fração rapidamente biodegradável da DQO= Frb=0,25DBO solúvel = S = 4mg/lSólidos em Suspensão = SS = 30mg/l
Idade do lodo = 6 dias
Remoção de P na decantação primaria
lmg
EPP aflefl /6,9
100
2010012
100
100
Exemplo anterior...V = 2.215m3Tempo de detenção hidráulico total = 5,4 horasAdotando um tempo de detenção hidráulico da zona anaeróbia de 1,2 horas:
Tempo de detenção hidráulico total = 5,4 + 1,2 = 6,6 horas
Volume da zona anaeróbia: 349124
820.92,1 mQtV
l
mgP
SSX
P
Kf
YP
vcdbemr
3,923509,044,0
423909,0608,073,01
6,0
1 0
Remoção de P com o lodo excedente:
bfbfbfbfbf
dKc
Y
SS 0
vX
P
= Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis
= Idade do lodo
= coeficiente cinético (0,08 d-1)= Relação entre DBO no efluente bruto e tratado
= Fração de P nos sólidos suspensos voláteis
= Relação entre SSV e DBO – adotado como 0,6
dKc
= Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis
= Idade do lodo
= coeficiente cinético (0,08 d-1)= Relação entre DBO no efluente bruto e tratado
= Fração de P nos sólidos suspensos voláteis
dKc
= Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis
= Idade do lodo
= coeficiente cinético (0,08 d-1)= Relação entre DBO no efluente bruto e tratado
= Fração de P nos sólidos suspensos voláteis
vX
P
dKc
= Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis
= Idade do lodo
= coeficiente cinético (0,08 d-1)= Relação entre DBO no efluente bruto e tratado
= Fração de P nos sólidos suspensos voláteis
Y
vX
P
dKc
= Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis
= Idade do lodo
= coeficiente cinético (0,08 d-1)= Relação entre DBO no efluente bruto e tratado
= Fração de P nos sólidos suspensos voláteis
= Relação entre SSV e DBO – adotado como 0,6Y
vX
P
dKc
= Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis
= Idade do lodo
= coeficiente cinético (0,08 d-1)= Relação entre DBO no efluente bruto e tratado
= Fração de P nos sólidos suspensos voláteis
dKc
Y
SS 0
vX
P
= Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis
= Idade do lodo
= coeficiente cinético (0,08 d-1)= Relação entre DBO no efluente bruto e tratado
= Fração de P nos sólidos suspensos voláteis
= Relação entre SSV e DBO – adotado como 0,6
dKc
= Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis
= Idade do lodo
= coeficiente cinético (0,08 d-1)= Relação entre DBO no efluente bruto e tratado
= Fração de P nos sólidos suspensos voláteis
dKc
= Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis
= Idade do lodo
= coeficiente cinético (0,08 d-1)= Relação entre DBO no efluente bruto e tratado
= Fração de P nos sólidos suspensos voláteis
vX
P
dKc
= Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis
= Idade do lodo
= coeficiente cinético (0,08 d-1)= Relação entre DBO no efluente bruto e tratado
= Fração de P nos sólidos suspensos voláteis
Y
vX
P
dKc
= Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis
= Idade do lodo
= coeficiente cinético (0,08 d-1)= Relação entre DBO no efluente bruto e tratado
= Fração de P nos sólidos suspensos voláteis
= Relação entre SSV e DBO – adotado como 0,6Y
vX
P
dKc
= Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis
= Idade do lodo
= coeficiente cinético (0,08 d-1)= Relação entre DBO no efluente bruto e tratado
= Fração de P nos sólidos suspensos voláteis
bf
dKc
Y
SS 0
vX
P
= Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis
= Idade do lodo
= coeficiente cinético (0,08 d-1)= Relação entre DBO no efluente bruto e tratado
= Fração de P nos sólidos suspensos voláteis
= Relação entre SSV e DBO – adotado como 0,6
dKc
= Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis
= Idade do lodo
= coeficiente cinético (0,08 d-1)= Relação entre DBO no efluente bruto e tratado
= Fração de P nos sólidos suspensos voláteis
dKc
= Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis
= Idade do lodo
= coeficiente cinético (0,08 d-1)= Relação entre DBO no efluente bruto e tratado
= Fração de P nos sólidos suspensos voláteis
vX
P
dKc
= Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis
= Idade do lodo
= coeficiente cinético (0,08 d-1)= Relação entre DBO no efluente bruto e tratado
= Fração de P nos sólidos suspensos voláteis
Y
vX
P
dKc
= Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis
= Idade do lodo
= coeficiente cinético (0,08 d-1)= Relação entre DBO no efluente bruto e tratado
= Fração de P nos sólidos suspensos voláteis
= Relação entre SSV e DBO – adotado como 0,6Y
vX
P
dKc
= Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis
= Idade do lodo
= coeficiente cinético (0,08 d-1)= Relação entre DBO no efluente bruto e tratado
= Fração de P nos sólidos suspensos voláteis
Concentração de P solúvel no efluente:
lmgPPPP removidototalsoluvel /3,03,96,9
Concentração de P particulado nos SS:
mgSS
mgP
X
P
lmgPX
PSSP efloparticulad
07,0
/1,207,030
X
P Fração de P nos SS = 7%
Concentração de P total do efluente:
lmgPPPP oparticuladsoluveltotal /4,21,23,0
Eficiência de remoção:
%8010012
4,212100
Pafl
PeflPaflE