III.7.1. Sedimentação dos Sólidos Suspensos do Licor Misto (SSLM)
A separação dos sólidos suspensos (lodo biológico) e a água do licor misto nos sistemas de lodo ativado é uma das etapas fundamentais do tratamento, e deve ser observada com atenção pois pode providenciar efluentes significativamente clarificados (parte superior do decantador) além um lodo de retorno concentrado (parte inferior do decantador).
Os decantadores secundários são dimensionados considerando duas funções: (1) tempo suficiente para providenciar sedimentação por gravidade das partículas definindo, a clarificação do efluente e (2) adequado adensamento dos sólidos sedimentados (GHOBRIAL, 1978; LEE et al., 1983).
Outro aspecto importante é que, devido a sua natureza e alta concentração de sólidos em suspensão, o lodo de decantador secundário (ou final) difere-se bastante dos sólidos comumente encontrados nas águas residuárias ou nos decantadores primários. Segundo (VAN HAANDEL; MARAIS, 1999), em suspensões diluídas, a interação entre partículas que sedimentam é fraca e a velocidade de cada uma depende apenas da gravidade e de forças de atrito friccionais devido a viscosidade da fase líquida. Ao contrário, em suspensões concentradas como o licor misto, forma-se uma matriz de flocos interligadas e esses sedimentam todas com a mesma velocidade, chamada velocidade de sedimentação e zona (VSZ).
A Figura III.21 ilustra o os tipos de sedimentação de SSLM e sua relação com a concentração de sólidos e o tipo de interação desenvolvida entre suas partículas. A sedimentação de SSLM e a água clarificada são divididas em quatro classes de acordo com a concentração de SSLM e suas interações (CATUNDA; VAN HAANDEL, 1992).
A parte de topo da Figura III.21 representa o líquido clarificado e é obtida com a sedimentação de partículas das classes I e II. Na classe I, as partículas sedimentam-se sem se aglutinar, dessa forma, são conservadas suas propriedades físicas tais como tamanho e densidade (representada por areia e grânulos aeróbios ou anaeróbios). Na classe II, as partículas aglomeram-se a medida que sedimentam, aumentando o tamanho do floco e por sua vez, a velocidade de sedimentação.
Quando se tem uma elevada concentração de sólidos, se estabelece um manto de lodo que sedimenta semelhante a um único corpo contendo massa única (classe III). É perceptível uma interface de separação entre a fase sólida e a fase líquida, deslocando-se para baixo à medida que sedimenta. Aplica-se nessas condições à velocidade de sedimentação em zona para projetos de decantadores secundários. No fundo do decantador, acumula-se lodo gradualmente de modo que, em determinado momento, a concentração de sólidos é bastante elevada. Em decorrência, ocorre a compressão devido ao peso das partículas, constantemente adicionadas no topo como resultado da sedimentação das partículas no líquido sobrenadante (Classe IV). Com a compressão, parte da água é removida da matriz do floco, reduzindo seu volume. (DUPONT; DAHL, 1995; VON SPERLING, 2011)
Figura III.21 - Tipos de sedimentação de SSLM e sua relação com a concentração de sólidos
e o tipo de interação desenvolvida entre suas partículas.
FONTE: adaptado de (EKAMA; MARAIS, 1986; VON SPERLING, 2011)
III.7.2. Modelos para Sedimentação de SSLM
Vários métodos e modelos foram desenvolvidos com o intuito de descrever os fenômenos da sedimentação bem como seus parâmetros, sendo o mais conhecido e difundido o modelo de
Vesilind de 1968. Contudo, a Tabela III.9 apresenta outros modelos além do de Vesilind que foram desenvolvidos ao longo do tempo (Equações III.58 a III.66). Contudo, segundo (VAN HAANDEL; MARAIS, 1999), um estudo de Smollen e Ekama em 1984 estabeleceu que o modelo de Vesilind descreve melhor a influência da concentração dos sólidos no fenômeno da velocidade de sedimentação em zona. O modelo proposto por Vesilind conta apenas com duas variáveis, tornando-o facilmente reprodutível (Equação III.58) devido a facilidade de obtenção de seus dados de entrada.
White e Lockyear (1978) propuseram um método para a determinação da velocidade de sedimentação em zona e das constantes de sedimentabilidade (k e n) baseado em um experimento em batelada com uma alíquota de 1 litro do licor misto e um cilindro com sistema de baixa rotação (Figura III.21).
Tabela III.9 – Diferentes modelos desenvolvidos para a determinação da velocidade de
sedimentação de lodo em sistemas de lodo ativado
Fórmula Equação Fonte
𝑣 = 𝑘 ∗ 𝑒(−𝑛∗𝑥) III.58 (THOMAS, 1963; VESILIND, 1968)
𝑣 = 𝑘 ∗ 𝑥−𝑛 III.59 (DICK; YOUNG, 1972; YOSHIOKA et al., 1957)
𝑣 = 𝑘 ∗ (1 − 𝑛 ∗ 𝑥)4,65 III.60 (RICHARDSON; ZAKI, 1997)
𝑣 = 𝑘 ∗(1 − 𝑛 ∗ 𝑥)3
𝑥 III.61 (SCOTT, 1966; STEINOUR, 1944) 𝑣 = 𝑘 ∗(1 − 𝑛 ∗ 𝑥)
4
𝑥 III.62 (CHO et al., 1993) 𝑣 = 𝑘 ∗𝑒(−𝑛∗𝑥)
𝑥 III.63 (CHO et al., 1993)
𝑣 = 𝑘 ∗ 𝑥 ∗ (1 − 𝑥) III.64 (SCOTT, 1970)
𝑣 = 𝑘 ∗ (1 − 𝑛 ∗ 𝑥)2∗ 𝑒(−4,19𝑥) III.65 (STEINOUR, 1944)
𝑣 = 𝑘 ∗ (1 − 𝑛1 ∗ 𝑥)𝑛2 III.66 (VAERENBERGH, 1980)
Legenda: v: velocidade de sedimentação em zona (m.h-1); k: velocidade instantânea inicial (m.h-1); n: constante
de compressibilidade (m3.KgSST-1 ou L.g-1); x = sólidos suspensos totais (SST, g.L-1)
Assim, a otimização em sistemas de lodo ativado deve perpassar não somente o pleno conhecimento dos processos biologicos que se desenvolvem no sistema, mas também o conhecimento das propriedades mecânicas dessa biomassa, traduzidas nas constantes de sedimentabilidade e na velocidade de sedimentaçaõ em zona. O conhecimento dessas propriedades possibilita o dimensinamento adequado dos decantadores secundários bem como pode definir melhor o tempo necessário para sedimentação em sistemas RBS.
Figura III.22 – Equipamento de White para determinação da Vsz e curvas típicas da interface
sobrenadante-lodo
Legenda: I: fase lag; II: fase de sedimentação em zona; III: fase transitória; IV: compressão.
FONTE: adaptado de (LEE et al., 1983; VAN HAANDEL; VAN DER LUBBE, 2012)
III.7.3. Índices de sedimentação de SSLM
Em 1934, Mohlman apud (VESILIND, 1968), desenvolveu o índice volumétrico de lodo (IVL ou IVL30 devido ao tempo do teste de 30 min) como sendo um parâmetro rápido e prático para
mensurar as propriedades físicas do SSLM. O teste de IVL, em certas condições, é considerado como uma medida de sedimentação não confiável, como é o exemplo da concentração dos SSLM que podem influenciar significativamente no teste (CATUNDA; VAN HAANDEL,
1992). (EKAMA; GVR; JR, 1985) observaram que o IVL pode ser imprevisível quando obtido de diferentes estações de tratamento e diferentes concentrações, enquanto (BERKTAY, 1998) considerou que o IVL não é confiável quando a sedimentabilidade do SSLM é pobre (sedimentabilidade pobre quando SS30>400ml/L, (EKAMA; GVR; JR, 1985)). (SCHULER;
JANG, 2007) resumiram as críticas contra o IVL observando que é uma medida indireta que não pode representar as 4 classes de sedimentação que ocorrer em um decantador secundário.
Essas e outras inadequações do IVL são classificadas no Quadro III.2 como cinco características da amostra de SSLM. As características da Tabela 2-3 indicam que os resultados dos testes de IVL dependem em grande parte dos procedimentos experimentais implementados para a batelada de teste. A condição da amostra de SSLM, modificações da amostra, o tamanho do recipiente teste, os parâmetros necessários, bem como o método de teste, todos desempenham um papel fundamental nos resultados do IVL.
A dissonância ainda é latente acerca de qual procedimento é o mais adequado para o teste de IVL, de acordo com os diferentes métodos e equipamentos usados na literatura.(BYE; DOLD, 1998) contribuíram, em parte, para essa incerteza ao prescrever o procedimento do teste de IVL que foi mudado em 1980 (APHA; AWWA; WEF, 1998). O método básico que previa repouso da amostra durante a sedimentação foi modificado para incluir uma baixa rotação de 1 a 2 rotações por minuto (rpm). Assim, o procedimento é (método 2710D,(APHA; AWWA; WEF, 1998, 2012)), ao rigor da palavra, um índice volumétrico de lodo agitado (IVLA), mas é designado como IVL. Contudo, (APHA; AWWA; WEF, 2012) relata sobremaneira que, o teste de IVL não é suportado teoricamente e que experiências vem demonstrando que seu uso em rotinas operacionais pode ser inútil.
Ademais, diversas adaptações ou modificações ao teste de IVL vem sendo propostas ao longo do tempo, desde variações na concentração do lodo, diluições e variações na mistura (EKAMA; MARAIS, 1984) desenvolveram diretrizes para a determinação do teste de IVL fixando a concentração do SSLM em 3,5g.L-1 (IVL
3.5 não agitado e IVL3.5 agitado) bem como um método
Quadro III.2 – Limitações ou deficiências reportadas acerca do teste de IVL e suas
características
Características Deficiência ou Limitação Referência Condição da Amostra dos SSLM
Concentração de SSLM O IVL é extremamente dependente da concentração dos SSLM, e possuem uma relação inconsistente. (DICK; VESILIND, 1969)
Características
Reológicas O IVL não está relacionado com as forças de rendimento ou com as propriedades reológicas. (DICK; VESILIND, 1969)
Filamentos O IVL não é bem relacionado com o número de filamentos ou com o comprimento dos mesmos. (EKAMA; GVR; JR, 1985)
Modificações da Amostra de SSLM
Temperatura Relação potencialmente inversa entre 5 a 45º C, inconsistente (DICK; VESILIND, 1969)
Mistura O IVL é reduzido com leve agitação, remove os efeitos da parede do cilindro. (DICK; VESILIND, 1969) (BERKTAY, 1998)
Diluições O IVL é reduzido com diluições, remove o efeito da concentração dos SSLM (EKAMA; MARAIS, 1984)
Teste do Cilindro de Sedimentação dos SSLM
Diâmetro do Cilindro O IVL é dependente do diâmetro do cilindro, de acordo com as propriedades do SSLM (DICK; VESILIND, 1969)
Profundidade dos
Cilindros O IVL é dependente da profundidade do cilindro, de acordo com as propriedades do SSLM (DICK; VESILIND, 1969)
Parâmetros da Sedimentabilidade de SSLM
Velocidade Inicial de
Sedimentação O IVL não é relacionado com a velocidade inicial de sedimentação (DICK; VESILIND, 1969) Velocidade de
Sedimentação em Zona
O IVL não é relacionado com a velocidade de
sedimentação em zona (EKAMA; MARAIS, 1984) Resposta ao perfil de
Sedimentação O IVL depende somente de somente de um ponto final sobre o perfil de sedimentação (DICK; VESILIND, 1969)
Método do teste de sedimentação dos SSLM
Método em Batelada A frequência do teste é geralmente apenas uma vez por dia (VANROLLEGHEM; LEE, 2003)