Modelo ASM-HA1 e Otimização dos Processos.
Fase 3 Unidade Valor
Vazão diária L.d-1 8
Concentração de OD mgOD.d-1 ≈ 2 a 3
Tempo de Detenção Hidráulica (TDH) d 0,52
Tempo de Alimentação e Anaeróbio (𝑡𝑎𝑙𝑖,𝑎𝑛𝑎5 ) min 137
Tempo de Aeração (𝑡𝑎𝑒𝑟5 ) min 210
Tempo de Sedimentação (𝑡𝑠𝑒𝑑5 ) min 10/5
Tempo de Descarte (𝑡𝑑𝑒𝑠𝑐5 ) min 3
Tempo total do ciclo (𝑡𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙5 ) min 360
IV.4.1.7. Reator Contínuo 6 (𝑅𝐶𝑈𝐶𝑇.4) – Remoção de Matéria Orgânica, Nitrogênio e Fósforo
O sistema R𝐶𝑈𝐶𝑇.46 era um sistema de fluxo contínuo em que separava-se o volume total do
reator em 4 câmaras, além do decantador final. O primeiro reator (R𝐶 1,ana6 ) era anaeróbio e
recebia a água residuária afluente e uma recirculação de licor misto do segundo reator (R𝐶2,anox 16 ), que era anóxico devido ao nitrato que recebia via recirculação do (R𝐶
3,aer6 ). Assim,
o (R𝐶3,aer6 ) era aeróbio e enviava seu efluente para o ultimo reator (R𝐶
4,anox 26 ), anóxico. Dessa
forma, no primeiro reator promoveu-se condições para a liberação de fósforo, evitando a entrada de nitrato.
Os reatores do sistema R𝐶𝑈𝐶𝑇.46 foram fabricados em cilindros de PVC, e o decantador em fibra
de vidro, uma grade de cantoneira foi acomodada ao redor dos sistemas para dar suporte aos componentes de operação (aeradores, bombas dosadoras, sistemas de agitação). Um motor de 1/3 hp garantia a mistura dos reatores através de um sistema de roldanas, exceto para o reator aeróbio na qual considerou-se apenas a turbulência promovida pela aeração. A Tabela IV.15 apresenta as dimensões do sistema, bem como a fração de cada ambiente, em relação ao volume total. A Figura IV.27 apresenta um desenho esquemático do sistema e seus fluxos bem como apresenta imagens do sistema instalado e operacional.
Tabela IV.15 – Parâmetros de projeto do sistema 𝐑𝑪𝑼𝑪𝑻.𝟒𝟔 e fração de volume de cada reator
Reator Altura (m) Diâmetro (m) Volume útil (litros) Fração do volume total
R𝐶 1,ana6 0,77 0,3 70 0,28 R𝐶2,anox 16 0,77 0,25 54 0,23 R𝐶3,aer6 0,77 0,40 96 0,39 R𝐶4,anox 26 0,77 0,2 24 0,10 Volume Útil 244 R𝐶DEC6 0,77 0,35 72 -
Figura IV.27 - Desenho esquemático do sistema 𝑹𝑩𝑼𝑪𝑻,𝟒𝟔 e fotografia do mesmo sistema instalado no campo experimental
FONTE: próprio autor
Com o objetivo de remover matéria orgânica e nutrientes, aplicou-se uma idade de lodo de 20 dias, sendo o descarte realizado no reator 𝑅𝐵𝑎𝑒𝑟,36 . A Tabela IV.16 apresenta um resumo dos
dados operacionais do sistema em questão.
Tabela IV.16 – Condições operacionais do sistema 𝑹𝑪𝑼𝑪𝑻,𝟒𝟔
Parâmetros de Operação (𝑹𝑪𝟏) Unidade Valor
Vazão diária L.d-1 300
Concentração de OD mgOD.d-1 ≈ 2 a 3
Idade de lodo (Rs) d-1 20
Vazão de descarte (q) L.d-1 12
Tempo de Detenção Hidráulica (TDH) d 0,8
Assim, no âmbito de todos os sistemas, a Figura IV.28 resume os ciclos operacionais aplicados aos reatores em batelada e a Figura IV.29 apresenta a imagem dos sistemas em conjunto instalados e operacionais em campo.
Figura IV.28 – Resumo dos ciclos operacionais aplicados aos reatores em batelada.
FONTE: próprio autor.
Figura IV.29 – Imagem dos sistemas experimentais instalados na área de estudo.
FONTE: Próprio autor.
IV.4.2. Monitoramento do Desempenho dos Sistemas Experimentais.
Com o intuito de subsidiar as discussões sobre a calibração e otimização dos sistemas propostos, realizou-se o acompanhamento das principais variáveis de desempenho dos 6 sistemas de lodo ativado ao longo do tempo. O empenho no monitoramento do desempenho dos sistemas agregou dois valores principais no contexto da tese: (1) o conhecimento da capacidade de remoção dos principais constituintes do esgoto e (2) a confirmação da estabilidade do sistema no período de calibração do modelo ASM-HA1. Para cada fase, foram realizadas em média 15 campanhas de amostragem em diversos pontos (3 fases * 15 campanhas = 45 campanhas no total).
Cada campanha de análises consista, em geral, em amostragens de entrada e saída dos sistemas, testes respirométricos e testes de sedimentabilidade. Em algumas campanhas inseriu-se também a realização de perfis de amostragem, coletando alíquotas ao longo do tempo. As variáveis investigadas e métodos analíticos então demonstrados na Tabela IV.17.
Tabela IV.17 – Variáveis analisadas no monitoramento do desempenho dos sistemas
experimentais.
Variáveis Unidade Método Analítico Referência
DQO bruta mgO2.L-1 5520.C - Digestão com Refluxação Fechada, Titrimetrico. (APHA; AWWA; WEF, 2012)
OD mgO2.L-1 4500-O.G – Método do Eletrodo de Membrana. (APHA; AWWA; WEF, 2012)
NH3-N mgNH3-N.L-1
4500-NH3 B. – Etapa Preliminar de
Destilação.
4500-NH3 C. – Método Titrimetrico.
(APHA; AWWA; WEF, 2012) NO2--N mgNO2--N.L-1 4500-NO2- B. – Método Colorimétrico. (APHA; AWWA; WEF, 2012)
NO3--N mgNO3--N.L-1
4500-NO3-B. – Método UV
espectrofotométrico da segunda
derivada. (APHA; AWWA; WEF, 2012)
Norg-N mgNH3-N.L-1
4500-Norg -B. Método Semi-Micro-
Kjeldahl.
4500-NH3 B. – Etapa Preliminar de
Destilação.
4500-NH3 C. – Método Titrimetrico.
(APHA; AWWA; WEF, 2012)
Port mgP.L-1
4500-P B. – Preparação da amostra – Filtração.
4500-P E. Método do Ácido Ascórbico. (APHA; AWWA; WEF, 2012) Ptotal mgP.L-1
4500-P B. – Preparação da amostra – Digestão com Pesulfato.
4500-P E. Método do Ácido Ascórbico. (APHA; AWWA; WEF, 2012) pH - 4500-H+ B. Método Eletrométrico. (APHA; AWWA; WEF, 2012) Alcalinidade mgCaCO3.L-1 2320 B. Método Titulométrico (APHA; AWWA; WEF, 2012)
Sólidos e
Frações mgSólidos.L-1
2540 D. Sólidos Suspensos Totais secos a 103-105oC.
2540 E. Sólidos Fixos e Voláteis ignizados a 550oC
(APHA; AWWA; WEF, 2012)
Sólidos
Sedimentáveis mgSS.L-1 2540 F. Sólidos Sedimentáveis. (APHA; AWWA; WEF, 2012) IVL30 ml.g-1 2710 D. Índice Volumétrico de Lodo (APHA; AWWA; WEF, 2012)
Legenda: DQO: demanda química de oxigênio; OD: oxigênio dissolvido; NH3-N: nitrogênio na forma de amônia;
NO2--N: nitrogênio na forma de nitrito; NO3--N: nitrogênio na forma de nitrato; Norg-N: nitrogênio orgânico; Port: ortofosfato solúvel; Ptotal: fósforo total; pH: potencial hidrogeniônico; IVL30: índice volumétrico.
IV.4.3. Calibração do Modelo ASM-HA1
Com os sistemas experimentais construídos e operacionais (representando cada objetivo de tratamento exposto no Quadro IV.13), buscou-se calibrar os principais parâmetros cinéticos e estequiométricos descritos no modelo ASM-HA1. Os procedimentos de calibração foram específicos para cada constante avaliada e realizado para todos os sistemas.
A calibração foi desenvolvida com o melhor substrato obtido na subseção IV.2.3.1, com dosagens iniciais de 60 a 240 mg.L-1 para DQO, 10 a 25 mg.L-1 para amônia e 2 a 15 mg.L-1
para nitrito, conforme (HOQUE; ARAVINTHAN; PRADHAN, 2010). Para cada sistema, foi realizado um procedimento de calibragem. Vários parâmetros do modelo, tais como Kms, Kss,
Ko, Xa, Y, K1, K2 foram estimados. O Quadro IV.15 apresenta as constantes que foram
calibradas, considerando os dados de base descritos no modelo original (VAN HAANDEL; MARAIS, 1999).
Quadro IV.15 – Parâmetros do Modelo ASM-HA1 calibrados no âmbito da pesquisa para cada
objetivo de tratamento estudado.
Parâmetros Calibrados 𝑟𝐶𝐻𝐸𝑇 𝐾 𝑚𝑠𝑁1,2 𝑟𝑈𝑆𝑏𝑎 𝐾 𝑚𝑠𝑁1, 𝐾𝑚𝑠𝑁2 𝑌𝑜𝑏𝑠𝐻𝐸𝑇 𝑋 𝑎𝑁1, 𝑋𝑎𝑁2 𝑓𝑐𝑣 𝑏ℎ𝑡 𝑇𝐶𝑂𝑒𝑥𝑜𝐻𝐸𝑇 𝑏𝑛𝑡 𝐾𝑚𝑠𝐻𝐸𝑇 𝑏𝑝𝑡 𝐾𝑠𝑠𝐻𝐸𝑇 𝑉𝑜 𝑋𝑎𝐻𝐸𝑇 𝑓 𝑜𝑥𝑖𝐻𝐸𝑇 𝑟𝐶𝑁1,2 𝑓𝑎𝑛𝑎𝑏𝐻𝐸𝑇 𝑟𝐶𝑁1 𝑋 𝑎,𝑠𝑖𝑠𝑡𝐻𝐸𝑇 𝑟𝐶𝑁2 𝐾 𝑠𝑠𝑁1, 𝐾𝑠𝑠𝑁2 𝑌𝑜𝑏𝑠𝑁1, 𝑌 𝑜𝑏𝑠𝑁2 𝑇𝐶𝑂𝑒𝑥𝑜𝑁1, 𝑇𝐶𝑂𝑒𝑥𝑜𝑁2 𝐾 𝐾1, 𝐾2, 𝐾3
Em relação aos dados mecânicos, o modelo na sua forma original, descrita em (VAN HAANDEL; MARAIS, 1999), não prevê esses parâmetros e dessa forma incorporou-se essa avaliação da construção do ASM-HA1.
Grande parte dos parâmetros foram estimados direta ou indiretamente via respirometria (como 𝑟𝐶𝐻𝐸𝑇,𝑟
𝑈𝑆𝑏𝑎, 𝑌𝑜𝑏𝑠𝐻𝐸𝑇, 𝑇𝐶𝑂𝑒𝑥𝑜𝐻𝐸𝑇, 𝐾𝑚𝑠𝐻𝐸𝑇, dentre outros). Contudo, alguns parâmetros requisitaram de
experimentos próprios, como é o caso da determinação das constantes de decaimento (𝑏ℎ𝑡, 𝑏𝑛𝑡,
𝑏𝑝𝑡,), fração de resíduo endógeno (f), e de sedimentabilidade K e Vo.
A determinação das constantes de decaimento realizada em conjunto com a determinação da fração de resíduo endógeno. O procedimento consistia na manutenção de uma alíquota do licor misto sob aeração ao longo do tempo, onde amostras de eram colhidas e realizadas a análise de sólidos suspensos voláteis. De tempos em tempos o volume de água tinha que ser reposto (descontando-se o volume que foi amostrado para os sólidos), devido à perda de água pelo vapor de água. A Figura IV.30 ilustra o aparato experimental utilizado para determinar f e bh
de todos os sistemas. Os demais materiais utilizados são os correspondentes aos testes respirométricos e de sedimentabilidade, já apresentados.
Figura IV.30 - Aparato experimental para a determinação da fração do resíduo endógeno e do
decaimento de lodo ativo em função dos sólidos suspensos voláteis.
IV.4.4. Otimização dos Cenários Propostos.
A otimização dos sistemas propostos, e por conseguinte de seus objetivos de tratamento, perpassou a delimitação dos tempos dos ciclos de acordo com o processo limitante em cada etapa. Assim, a definição do tempo final do ciclo tinha como critério o tempo mínimo do processo mais lento desempenhado naquela etapa.
A base para a determinação das taxas de processos veio do modelo ASM-HA1, com o uso das técnicas respirometricas e de sedimentabilidade propostas na seção IV.2.
V. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Considerando a disposição metodológica da pesquisa, onde delineou-se 2 grandes dimensões de trabalho (ferramentas metodológicas para caracterização das propriedades bioquímicas e mecânicas de lodo, o modelo ASM-HA1 e otimização de sistemas RBS), formatou-se os resultados com base nesses 2 grandes grupos de dados.
V.1. Aperfeiçoamento das Técnicas de Obtenção das Propriedades de
Obtenção das Propriedades Bioquímicas e Mecânicas de SSLM -
Resultados
V.1.1. Efeitos Sobre a Qualidade da Medição do Oxigênio Dissolvido
Foram avaliados 8 aspectos relacionados com a qualidade da medida experimental do oxigênio dissolvido através de eletrodos de membrana. Assim, ressalta-se que mesmo na ausência de um respirômetro que faça medidas automáticas de oxigênio dissolvido, esses resultados contribuem para a respirometria manual.
V.1.1.1. Caracterização da Relaxação da Leitura de OD do Eletrodo e seu Efeito na medida da TCO
A análise do efeito da relaxação da leitura de OD foi realizada com diferentes tipos de membranas comerciais para o eletrodo da YSI, em que para os dois métodos de caracterização utilizados (Erro Quadrático Médio ou EQM e estimativa matemática), constatou-se grandes diferenças no valor final de Krel (tanto nas curvas ascensionais de OD quanto nas de depleção,
respectivamente, ODr saturação e ODr zero), sendo perceptível um melhor ajuste de curvas
Experimental X Teórico para o método do EQM.
Nas Figuras V.1 a V.11 apresentam-se os resultados encontrados referentes aos ajustes de curvas obtidos para cada membrana (alta sensibilidade, padrão, sensibilidade média e baixa sensibilidade) com base nos dois métodos propostos, reforçando a percepção de que o uso do método do EQM é o mais indicado para a determinação experimental da constante Krel. Além
disso, é visível também o efeito que as diferentes membranas ocasionaram na determinação da taxa de consumo de oxigênio, reduzindo seu valor para mais de 50% nas membranas de média e baixa sensibilidade (Figuras V.3, V6, V9 e V.12), indicando que esse tipo de membrana deve ser utilizado para outros fins que não o de ensaios respirométricos rápidos.
Nas Figuras V.1 e V.2 apresentam-se os resultados referentes a membrana de alta sensibilidade, em que percebe-se que por conta da sua característica, em uma faixa de 50 a 140 segundos (1 a 2 minutos), estabelece-se o equilíbrio (ODr = ODm) e é então vencido o efeito da relaxação.
Comparando os dois métodos, observa-se que os erros acumulados (somatório do quadrado da diferença do valor experimental do valor teórico) são bastante pequenos, com destaque para o método do erro quadrático médio, com somatório de 0,063 e 0,043 contra um somatório de 0,401 e 0,191 para o método estimativo, indicando que o melhor ajuste de curvas foi obtido para o Krel de 664 h-1 para ODr = zero e 999 h-1 para ODr = saturação.
Na Figura IV.3 é apresentado o perfil de oxigênio dissolvido obtido em um teste com um lodo de um dos sistemas de lodo ativado (𝑅𝐶𝑈𝐶𝑇,46 ), no qual foi também utilizado para a
caracterização das demais membranas. No referido perfil, é possível notar que em um curto espaço de tempo (~5min) é registrado uma depleção de 2 mg.L-1 de oxigênio, perfazendo uma
TCO média de 42 mg.L-1.h-1 ou 0,66 mg.L-1.min-1. Considerando que essa seja a membrana de
melhor qualidade para os testes respirométricos (menor relaxação), entende-se esse valor de TCO como de referência para comparação com as demais membranas.
Figura V.1 – (a) Curvas de ajuste para determinação de Krel da membrana de alta sensibilidade
em ODr = zero e (b) ruído dos dois métodos utilizados e somatório do ruído.