As lagoas aeradas podem ser classificadas de acordo com a flexibilidade na concepção de projetos e procedimentos operacionais, bem como com o comportamento e a cinética do processo: Classicamente as lagoas aeradas costumam ser classificadas em dois tipos:
Aeradas aeróbias, ou de mistura completa; e Lagoas aeradas facultativa.
As lagoas aeradas aeróbias são similares aos tanques de aeração de lodos ativados, mas sem recirculação de lodo, onde a quantidade e distribuição do ar deve ser suficiente para manter uma concentração mínima de oxigênio em toda massa líquida, garantir um fluxo contínuo e uma mistura completa dos esgotos, sem qualquer acúmulo de material no fundo da lagoa. Pelo fato de existir intensa mistura em todo o corpo da lagoa, o efluente deste tipo de lagoa possui elevada concentração de sólidos suspensos, ainda que a DBO solúvel tenha sido removida. Por isto mesmo, uma lagoa de sedimentação deve seguir-se à lagoa aerada aeróbia.
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Caracterizam-se ainda por requererem maior potência de agitação, de modo a garantir condições de total aerobiose, geralmente da ordem de 10 a 20 W m-3.
A experiência tem indicado que uma lagoa de sedimentação com o tempo de detenção entre 1 e 2 dias é capaz de remover até 85% a 90% dos sólidos em suspensão, por sedimentação.
Embora esta sedimentação se dê em questão de 2 a 3 horas, tal como ocorre em decantadores clássicos, um volume maior é requerido para a lagoa final, tendo em vista o aspecto do acúmulo de lodo, sua retirada com grandes intervalos de tempo, em geral entre 2 a 4 anos. No dimensionamento da lagoa de sedimentação deve-se prever a freqüência de remoção o lodo sedimentado, a redução de sólidos voláteis devido à digestão do lodo no fundo, bem como os equipamentos e formas de retirada, secagem e destino final deste lodo (JORDÃO e PESSÔA, 2009).
Nas lagoas aeradas de mistura completa, todos os sólidos sedimentáveis se mantém em suspensão. A idade do lodo é igual ao tempo de detenção hidráulica (TDH). A remoção de DBO varia entre 50 e 60%. Para complementar a eficiência há necessidade lagoas de sedimentação. (MENDONÇA, 1990). A Figura 25 mostra um desenho esquemático da lagoa aerada com mistura completa.
Fonte: Mendonça, 2000
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As lagoas aeradas de mistura completa são essencialmente aeróbias. Os aeradores servem não só para garantir a oxigenação do meio, mas também para manter os sólidos em suspensão (biomassa) dispersos no meio líquido. O tempo de detenção típico de uma lagoa aerada de mistura completa é da ordem de 2 a 4 dias.
Este tempo é suficiente para uma eficiente remoção dos sólidos em suspensão produzidos na lagoa aerada, mas não contribui na remoção bioquímica adicional de DBO, em virtude da baixa concentração de biomassa mantida em dispersão em meio liquido (biomassa tende a sedimentar). Ademais, a capacidade de acúmulo de lodo é relativamente reduzida, implicando na necessidade de uma remoção de 1 a 5 anos . Há também sistemas com remoção contínua de lodo, através de bombas acopladas a balsas. (VON SPERLING, 1986). Segundo Jordão e Pessôa (2009); Chernicharo (2000) e Von Sperling (2005) a densidade de potência recomendada para este tipo de sistema é de: 10 W m-3 a 20 Wm-3, 22 W m-3 e de 16 a 22 W m-3, respectivamente.
A cinética das lagoas aeradas aeróbias, no que se refere à remoção de substrato, é idêntica à do processo de lodos ativados, evidentemente sem a contribuição da massa biológica ativa através da recirculação do lodo. A condição de mistura completa estabelece a base do dimensionamento da unidade e o modelo matemático pode ser formulado para este dimensionamento, condicionado aos seguintes critérios do modelo de Eckenfelder e O’ Connor (JORDÃO e PESSÔA, 2009). degradação da matéria orgânica se faz em condições aeróbias, e a remoção do substrato, inclusive do substrato solúvel segue uma cinética de 1ª ordem;
o sistema de aeração e homogeneização estabelece o processo de mistura completa;
na caracterização do efluente considera-se somente a DBO (ou DQO) solúvel, e a parcela da DBO ( ou DQO) devido a sólidos em suspensão voláteis é avaliada separadamente;
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o sistema se encontra em equilíbrio e contínuo; e
no balanço de massa admite-se que a contribuição da precipitação é praticamente equivalente às perdas por infiltração e evaporação. Neste modelo para lagoa aerada aeróbia, sendo:
S0 = concentração da DBO, ou DQO, afluente, em mg L-1
Se = concentração da DBO, ou DQO, solúvel, efluente (ou do esgoto em aeração,
tendo-se admitido mistura completa), em mg L-1 Q = vazão em m3 d-1
V = volume da lagoa, em m³
T = tempo de detenção hidráulica, igual a V/Q, em dias
k = taxa de remoção do substrato (por unidade de sólidos voláteis no interior da lagoa, em relação a um volume unitário da lagoa), L / mg.d
Xav = concentração de sólidos em suspensão voláteis no esgoto em aeração na lagoa,
mg L-1
K = taxa global de remoção dem substrato ( em relação a um volume unitário da lagoa), igual a k. Xva, em d-1
E = eficiência da remoção da DBO, ou DQO, em %.
a) Para uma remoção de substrato de acordo com uma cinética de 1ª ordem: dS = - K. S = - k. Xva. S
dt
dS = - K. S = - K. Se
117 b) Para balanço de massa de substrato:
[Diferença de massa do substrato] = [Massa afluente – Massa efluente] – [Massa assimilada]
V.dS = Q . S0 – Q. Se – K. Se. V,
dt
Para as condições de equilíbrio contínuo: dS = 0 dt Q. S0 – Q. Se = K. Se. V, Se = S0 K.t + 1 A eficiência E em %: E = S0 - Se X 100 S0
O valor do tempo de detença t, em dias: T = E
K (100 – E) O volume da lagoa:
V = Q.t
Tal modelo permite assim dimensionar a lagoa aerada aeróbia a partir do grau de tratamento desejado, de acordo com as características do próprio meio (taxa de remoção global do substrato); deve-se ter em conta que este modelo fornece Se como
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DBO solúvel efluente da lagoa aerada, devendo-se levar em consideração ainda a parcela da DBO correspondente aos sólidos no efluente.
Outra aproximação para o dimensionamento da lagoa aerada aeróbia leva em conta as taxas de produção de biomassa pelas reações de síntese, e de destruição de biomassa pela respiração endógena, sendo assim: (JORDÃO e PESSÔA, 2009).
Y = coeficiente de produção celular ou coeficiente de síntese celular, isto é, fração da matéria que é sintetizada em novas células. Este valor é adimensional, e igual à massa de SSV produzida por unidade de massa de substrato removida (Kg SSV/Kg DBO). O valor de Y é caracterizado para lagoas aeradas aeróbias tratando esgotos domésticos, dependendo porém do parâmetro utilizado para representar o substrato (DBO ou DQO).
kd = coeficiente de respiração endógena, isto é, fração de organismos que é
oxidada por unidade de tempo, medido em d-1
Um balanço de biomassa na lagoa permite estabelecer:
[Variação de biomassa] = [Produção de biomassa pelas reações de síntese] – [Destruição da biomassa na fase de respiração endógena] –[Perda de biomassa no efluente]
dXav = Y. Q. (S0 - Se) – kd . Xav. V – Q. Xav
dt
Para as condições de equilíbrio contínuo, a biomassa na lagoa permanece constante e sua variação é nula.
dXav = 0
dt
Xav = Y. (S0 - Se)
1 + kd .t
119 Se = 1 + kd .t
Y. k. t
Os valores de Y e de kd , coeficiente de produção celular e coeficiente de
respiração endógena, respectivamente, têm sido determinado experimentalmente por vários pesquisadores, como segue, os valores de alguns autores: Metcalf e Eddy (Y = 0,4 a 0,8 e kd = 0,025 a 0,04 d-1); McKinney (Y = 0,5 e kd = 0,2d-1); Yanez (Y = 0,35 a
0,65 e kd = 0,08 a 0,14 d-1); Arceivala ( 0,5 a 0,7 e kd =0,075 a 0,125 d-1); Além e Munôz
( Y = 0,7 e kd = 0,08 d-1) e Eckenfelder e Randall ( Y = 0,67 e kd = 0,06 d-1).
Os valores de K, k e θ têm sido referidos também por inúmeros autores. Em relação aos valores da taxa de remoção do substrato K ou k, é preciso antes de tudo levar em conta se o valor está referido à remoção da DBO solúvel ou da DBO total. É usual nas lagoas aeradas se trabalhar com o valor de K ou k referido à DBO solúvel. Segue valores de alguns autores para θ, fator de correção da temperatura, k20°C
(constante de remoção de substrato em lagoas aeradas em, L/mg.d) e K 20°C (constante
de remoção de substrato em lagoas aeradas em d-1),
Von Sperling (θ = 1, 035, K 20°C =1,0 – 1,5 d-1); Metcalf e Eddy (θ = 1,04, K 20°C = 0,5 –
1,5 d-1*); Eckenfelder (θ = 1, 035), Mara (K 20°C = 5,0 d-1), McKinney (θ = 1, 05 – 1,10,
k20°C 0,08 L/mg.d); Yanez (θ = 1, 06 – 1,10); Arceivala (θ = 1, 035, K 20°C = 0,254d-1*). Os
autores Arceivala, Metcalf e Eddy, consideraram no calculo de K 20°C a DBO global. Os
autores Jordão e Pessôa, 2009, tem utilizado um valor da taxa K entre 1,5 e 4 d-1, de acordo com a densidade de potência presente e o coeficiente θ ,fator de correção da temperatura tem se apresentado na faixa de 1,03 a 1,10.
KT = K 20. θ (T – 20)
A temperatura tem dois efeitos principais sobre a lagoa aerada:
Afeta a taxa de desoxigenação, alterando o valor de K e k; e
Afeta a taxa de transferência de oxigênio do ar para a massa liquida, alterando a capacidade de transferência de oxigênio dos aeradores superficiais.
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Estes dois efeitos são antagônicos, isto é, às temperaturas mais elevadas ocorrem maiores valores de K, e menor capacidade de transferência de oxigênio dos aeradores (considerando sobre a massa líquida nas condições reinantes de pressão e temperatura); para as temperaturas mais baixas ocorre exatamente o inverso. Assim, o efeito da variação da temperatura, que nas lagoas de estabilização é verificado apenas para a situação de inverno como no caso mais desfavorável ( temperatura do mês mais frio), para as lagoas aeradas deve ser verificado para as situações de inverno e de verão ( JORDÃO e PESSÔA, 2009)