Diane Figueiredo Ramalho
outubro de 2015
Eficiência energética no processo
de transferência de oxigénio na ETAR
de Água Longa e de Penices
Escola de Engenharia
Trabalho efetuado sob a orientação da
Professora Maria Alcina Pereira
e do
Engenheiro Adriano José Pereira de Magalhães
Dissertação de Mestrado
Mestrado Integrado em Engenharia Biológica
Ramo de Tecnologia Ambiental
iii
“Se você encontrar um caminho sem obstáculos, ele provavelmente não
leva a lugar nenhum.”
Frank A. Clark
v
Agradecimentos
Deixo aqui os meus sinceros agradecimentos a todos que contribuíram diretamente ou indiretamente para a concretização desta dissertação
Agradeço à minha professora Alcina Pereira por toda a sua ajuda, pela enorme disponibilidade e orientação prestada desde o início deste projeto. Pelas críticas assim como os conselhos que me ajudaram a superar os obstáculos que foram surgindo.
Gostaria de agradecer ao Engenheiro Adriano Magalhães pela oportunidade, pela orientação, incentivo e por todos os ensinamentos imprescindíveis na realização deste trabalho. Pela disponibilidade sempre revelada em apoiar esta dissertação. Um agradecimento também pelas críticas e conselhos prestados ao longo deste trabalho.
À Águas do Norte, S.A, por me terem possibilitado a realização deste estágio curricular e proporcionado a oportunidade de estagiar numa empresa de referência no tratamento de águas residuais. Um especial agradecimento à Engenheira Cristiana Barbosa. Também agradeço a todos os membros desta empresa que me integraram e disponibilizaram o seu tempo para me ajudar na recolha de dados para realizar esta dissertação. Um grande agradecimento aos técnicos operativos da ETAR de Penices e Água Longa.
A todos os colegas da Águas do Norte, S.A., principalmente às engenheiras Ana e Inês que me ajudaram sempre que possível, pelo agradável convívio e pelo apoio e ajuda sempre manifestados.
Um enorme agradecimento aos meus pais, pois sem a ajuda e o apoio deles era impossível a concretização deste objetivo da minha vida. Pela enorme paciência e por me terem proporcionado estes cinco anos de muita aprendizagem.
Um especial agradecimento a todos os meus amigos, em especial ao meu namorado João Martins, que me acompanharam ao longo de toda esta etapa e me ajudaram sempre que possível. Pelos momentos de entusiasmo passados juntos, que fizeram destes cinco anos os melhores possíveis.
vii
Resumo
O sistema de arejamento no tratamento biológico representa o processo com maior consumo energético nas Estações de Tratamento de Águas Residuais (ETAR). Sendo assim, é imprescindível o estudo detalhado do processo de arejamento, de forma a reduzir os consumos energéticos e, consecutivamente, reduzir os custos associados a esta etapa. A redução do consumo de energia além de proteger o ambiente, gera grandes economias para estas, tornando-se uma motivação e um fator competitivo no mercado.
O principal objetivo deste trabalho consiste em otimizar o processo de tratamento biológico, no sentido de reduzir os consumos de energia que estão associados ao processo de transferência de oxigénio na ETAR de Água Longa e Penices. Para alcançar este objetivo, foram estudados os processos de tratamento biológicos destas ETAR, encontradas medidas para aumentar a taxa de transferência de oxigénio, e, consecutivamente, avaliado o efeito destas no coeficiente volumétrico global de transferência de oxigénio (KLa). Assim, foram testadas várias
profundidades de imersão dos rotores de arejamento e analisado o comportamento do tanque utilizando rotores de arejamento e geradores de fluxo em simultâneo e utilizando apenas rotores de arejamento na etapa de arejamento. Para cada ensaio determinou-se o KLa e o consumo
energético.
Nos sistemas analisados, verificou-se que as características afluentes, a biomassa presente no licor misto, as condições atmosféricas, como a temperatura e a precipitação, a turbulência e a profundidade de imersão dos rotores de arejamento, influenciam o valor do KLa.
Um caudal afluente mais diluído (efeito da precipitação) e uma diminuição da biomassa no tanque de arejamento conduzem a um aumento do KLa, uma vez que provocam uma diminuição da
viscosidade do licor misto, facilitando a transferência de oxigénio. Um aumento da temperatura influência a taxa de transferência de oxigénio; por um lado diminui a concentração de saturação do oxigénio no licor misto e por outro lado aumenta o valor do KLa. A utilização de rotores e
geradores de fluxo em simultâneo na etapa de arejamento aumenta o KLa, uma vez que aumenta
a turbulência do licor misto. O aumento da profundidade de imersão dos rotores de arejamento proporciona um aumento do KLa, na medida em que aumenta a área de contacto do rotor com o
licor misto. Contudo, estas duas últimas medidas provocam um aumento do consumo energético. Nas condições testadas, verificou-se que a profundidade de imersão ótima dos rotores na ETAR de Água Longa foi de 25 %, enquanto na ETAR de Penices foi de 19 %. Conclui-se que se obteve redução de custos ao passar a utilizar apenas rotores na etapa de arejamento. Nestas condições, na ETAR de Água longa o KLa foi de 1,65 min-1 e na ETAR de Penices foi de 1,58 min-1.
Em suma, otimizando o processo de tratamento biológico destas instalações, na ETAR de Penices houve uma redução do tempo de arejamento de 20 para 15 horas por dia, que corresponde a uma redução de 17 % do custo associado a esta etapa. Esta redução equivale a cerca de 4 177 €/ano. Na ETAR de Água Longa não foi possível reunir estes dados, sendo necessário um maior tempo de análise.
ix
Abstract
In a biological wastewater treatment process, the aeration system represents the highest energy consumption process for a wastewater treatment plant (WWTP). Therefore, the detailed study of aeration is a crucial process in order to reduce the energy consumption and sequentially reduce the costs associated with this step. Reducing energy consumption while protecting the environment, generates big savings for WWTP, becoming a motivation and a competitive factor in the market. The main objective of this work is to optimize the biological treatment process, to reduce the energy consumption associated with the oxygen transfer process in the Água Longa e Penices WWTPs. To accomplish this, the biological treatment processes in these WWTPs were studied, new steps were found to increase oxygen transfer rate, and consecutively evaluated their effect on the overall volumetric oxygen transfer coefficient (KLa). Therefore, various depths of
immersion of aeration rotors were tested, and the response of the tank ventilation flow rotors and generators was analyzed, and with only aeration rotors in the aeration step. For each experiment both KLa and energy consumption were determined.
In the systems examined, it was found that the characteristics tributaries, the biomass present in the sludge, atmospheric conditions such as temperature and rainfall, turbulence and the immersion depth of aeration rotors, influence the value of KLa. A more dilute influent flow (a
precipitation effect) and a reduction of the biomass in the aeration tank leads to an increase of KLa,
since they decrease the viscosity of the sludge, to facilitate oxygen transfer. An increase in temperature influences the oxygen transfer rate; on the one hand it decreases the oxygen saturation concentration in the sludge and on the other hand increases the value of KLa. The use of rotors
and flow generators in the aeration step increases the KLa, as this increases the turbulence of the
sludge. The increased aeration rotors immersion depth leads to an increase of KLa, in that the rotor
increases the area of contact with the sludge. However, the latter two measures cause an increase in energy consumption.
For these experimental conditions, it was found that the optimum immersion depth of the rotors in the Agua Longa WWTP was 25 %, whereas for the Penices WWTP was 19 %. The conclusion was that cost savings can be achieved if only rotors are used in the aeration step. Under these conditions, the Agua Longa WWTP KLa was 1.65 min- 1 and the Penices WWTP was 1.58
min- 1.
In short, by optimizing the biological treatment process in these installations, the Penices WWTP showed a reduction of the aeration time from 20 to 15 hours per day, corresponding to a 17 % reduction of the cost associated with this step. This reduction amounts to about 4 177 €/year. In the Agua Longa WWTP it was not possible to gather this data, necessitating a longer analysis.
xi
Índice
Agradecimentos ... v Resumo ... vii Abstract ... ix Índice ... xi Índice de Figuras ... xvÍndice de Tabelas ... xxi
Índice de abreviaturas... xxv
Capítulo 1 ... 1
1. Introdução ... 1
1.1. Enquadramento geral ... 1
1.2. Apresentação da empresa ... 3
1.2.1. Grupo Águas de Portugal ... 3
1.2.2. Grupo Águas do Norte ... 4
1.3. Objetivos ... 6
1.4. Estrutura da dissertação ... 7
Capítulo 2 ... 9
2. Revisão Bibliográfica ... 9
2.1. Águas residuais ... 9
2.2. Tratamento de Águas Residuais ... 11
2.2.1. Tratamento da fase líquida ... 12
2.2.1.1. Tratamento preliminar ... 13
2.2.1.2. Tratamento primário ... 13
2.2.1.3. Tratamento secundário ... 13
xii
2.2.2. Tratamento da fase sólida ... 14
2.2.2.1. Espessamento ... 15
2.2.2.2. Estabilização ... 15
2.2.2.3. Desidratação ... 15
2.3. Tratamento biológico de Águas Residuais ... 16
2.3.1. Tratamento biológico por lamas ativadas ... 17
2.3.1.1. Necessidade de oxigénio ... 24
2.3.1.2. Equipamentos de Arejamento ... 26
2.3.1.3. Transferência de oxigénio ... 28
Capítulo 3 ... 33
3. Descrição dos casos de estudo ... 33
3.1. ETAR de Água Longa... 33
3.1.1. Linha de tratamento da ETAR de Água Longa ... 36
3.2. ETAR de Penices ... 45
3.2.1. Linha de tratamento da ETAR de Penices ... 47
Capítulo 4 ... 51
4. Metodologia ... 51
4.1. Recolha de dados da ETAR ... 51
4.2. Cálculo das necessidades de oxigénio ... 52
4.3. Recolha de informação do funcionamento do tanque de arejamento ... 52
4.4. Análises da concentração de OD ... 52
4.5. Determinação do KLa ... 53
4.6. Análises da concentração de ST ... 53
4.7. Determinação do consumo energético dos equipamentos ... 54
4.8. Cálculo dos custos anuais do processo ... 55
xiii
Capítulo 5 ... 57
5. Resultados... 57
5.1. ETAR de Água Longa... 57
5.1.1. Análise ao funcionamento da ETAR ... 57
5.1.2. Análise ao tanque de arejamento ... 61
5.1.3. Resultados experimentais... 62
5.1.3.1. Definição do ponto ótimo ... 62
5.1.3.2. Análise em profundidade da concentração de OD ... 64
5.1.3.3. Análise em profundidade da percentagem de MS ... 66
5.1.3.4. Determinação do KLa ... 67
5.1.3.5. Análise do consumo energético e do custo associado ao processo ... 68
5.1.3.6. Alteração da profundidade de imersão ... 69
5.2. ETAR de Penices ... 78
5.2.1. Análise ao funcionamento da ETAR ... 78
5.2.2. Análise ao tanque de arejamento ... 82
5.2.3. Resultados experimentais... 83
5.2.3.1. Definição do ponto ótimo ... 83
5.2.3.2. Análise em profundidade da concentração de OD ... 84
5.2.3.3. Análise em profundidade da percentagem de MS ... 86
5.2.3.4. Determinação do KLa ... 88
5.2.3.5. Análise do consumo energético e do custo associado ao processo ... 89
5.2.3.6. Alteração da profundidade de imersão ... 90
Capítulo 6 ... 101
6. Considerações finais ... 101
6.1. Conclusão ... 101
xiv
Bibliografia ... 105 Anexos ... 109
xv
Índice de Figuras
Figura 1- Desagregação dos consumos de energia elétrica por vertente: (A) na ETAR de Água Longa; (B) na ETAR de Penices (I-SETE, 2011) (I-SETE, 2011). ... 2
Figura 2- Empresas de abastecimento de água e saneamento de águas residuais que pertencem ao grupo AdP (Águas de Portugal, 2015)... 3
Figura 3- Fusão dos sistemas de captação, abastecimento e saneamento da empresa Águas do Norte, S.A. (adaptado de (Águas do Norte, S.A., 2015)). ... 4
Figura 4- Municípios que integram o sistema Águas do Norte (Águas do Norte, S.A., 2015). ... 5
Figura 5- Esquema das fases de tratamento de uma ETAR. ... 12
Figura 6- Representação esquemática simplificada de um sistema de tratamento de lamas ativadas (adaptado de (Sperling, 2007)). ... 17
Figura 7 - Esquema de processo modificado de Ludzack-Ettinger (adaptado de Davis, 2010). .. 22
Figura 8- Tanque de arejamento do tipo vala de oxidação. ... 23
Figura 9- Configuração de um tanque do tipo vala de oxidação (adaptado de (Davis, 2010)). ... 24
Figura 10- Arejador mecânico de eixo horizontal tipo escova rotativa. ... 27
Figura 11- Representação esquemática da teoria do filme (adaptado de (Fonseca & Teixeira, 2006)). ... 28
Figura 12- Representação gráfica para: (A) Determinação da taxa de transferência de oxigénio; (B) Determinação do coeficiente volumétrico de transferência de oxigénio (Ramalho, 1997). ... 29
Figura 13- Estação de Tratamento de Águas Residuais de Água Longa (Águas do Noroeste, 2015). ... 33
Figura 14- Esquema de tratamento da ETAR de Água Longa (Águas do Noroeste, 2015). ... 36
xvi
Figura 16- Desarenador e desengordurador da ETAR de Água Longa. ... 37
Figura 17- Distribuidores de caudais de Água Longa. ... 38
Figura 18- Tanque de arejamento da ETAR de Água Longa. ... 38
Figura 19- Esquema dos tanques de arejamento da ETAR de Água Longa (Águas do AVE, S.A. , 2007). ... 39
Figura 20- Descarregador de saída do tanque de arejamento da ETAR de Água Longa. ... 41
Figura 21- Funcionamento do tanque de arejamento na: A) Fase 1 e 3; B) Fase 4 e 2. ... 41
Figura 22- Esquema representativo do funcionamento automático dos tanques de arejamento (Águas do AVE, S.A. , 2007). ... 42
Figura 23- Decantadores secundários da ETAR de Água Longa. ... 44
Figura 24- Equipamentos de desidratação de lamas da ETAR de Água Longa. ... 44
Figura 25- Estação de Tratamento de Águas Residuais de Penices (Águas do Noroeste, 2015). 46
Figura 26- Esquema de tratamento da ETAR de Penices (Águas do Noroeste, 2015). ... 47
Figura 27- Esquema do tanque anóxico e de arejamento da ETAR de Penices (Águas do AVE, S.A. , 2007). ... 49
Figura 28- Valores médios mensais do caudal afluente à ETAR de Água Longa de agosto de 2014 a julho de 2015. ... 57
Figura 29- Dados semanais das características do afluente da ETAR de Água Longa no período de agosto de 2014 a julho de 2015. ... 58
Figura 30- Dados semanais das características do efluente da ETAR de Água Longa no período de agosto de 2014 a julho de 2015. ... 60
Figura 31- Variação da temperatura do tanque de arejamento da ETAR de Água Longa de agosto de 2014 a julho de 2015. ... 60
xvii
Figura 32- Pontos de análise do tanque de arejamento da ETAR de Água Longa. ... 63
Figura 33- Representação gráfica da concentração de OD nos vários pontos do tanque de arejamento na ETAR de Água Longa. ... 63
Figura 34- Representação gráfica da concentração de OD ao longo da profundidade do tanque a 21 % de imersão dos rotores de arejamento, na ETAR de Água Longa, considerando o sistema rotores e geradores de fluxo ( ); apenas rotores () e apenas geradores de fluxo (), no ponto ótimo (A) e no crítico (B). ... 65
Figura 35- Representação gráfica da percentagem de MS ao longo da profundidade do tanque, a 21 % de imersão dos rotores de arejamento, na ETAR de Água Longa, considerando o sistema rotores e geradores de fluxo ( ); apenas rotores () e apenas geradores de fluxo (), para o ponto ótimo (A) e crítico (B). ... 66
Figura 36- Representação gráfica da CL ao longo do tempo, após início de arejamento, a 21 % de imersão dos rotores de arejamento, na ETAR de Água Longa, considerando o sistema rotores e geradores de fluxo ( ) e apenas rotores (). ... 67 Figura 37- Representação gráfica da concentração de OD ao longo da profundidade do tanque, a 15 % de imersão dos rotores de arejamento, na ETAR de Água Longa, considerando o sistema rotores e geradores de fluxo no ponto ótimo ( ); rotores e geradores de fluxo no ponto crítico (); apenas rotores no ponto ótimo (); apenas rotores no ponto crítico (). ... 70 Figura 38- Representação gráfica da concentração de OD ao longo da profundidade do tanque, a 18 % de imersão dos rotores de arejamento, na ETAR de Água Longa, considerando o sistema rotores e geradores de fluxo no ponto ótimo ( ); rotores e geradores de fluxo no ponto crítico (); apenas rotores no ponto ótimo (); apenas rotores no ponto crítico (). ... 71 Figura 39- Representação gráfica da concentração de OD ao longo da profundidade do tanque, a 25 % de imersão dos rotores de arejamento, na ETAR de Água Longa, considerando o sistema rotores e geradores de fluxo no ponto ótimo ( ); rotores e geradores de fluxo no ponto crítico (); apenas rotores no ponto ótimo (); apenas rotores no ponto crítico (). ... 72 Figura 40- Representação gráfica da concentração de OD ao longo da profundidade do tanque, a 27 % de imersão dos rotores de arejamento, na ETAR de Água Longa, considerando o sistema
xviii
rotores e geradores de fluxo no ponto ótimo ( ); rotores e geradores de fluxo no ponto crítico (); apenas rotores no ponto ótimo (); apenas rotores no ponto crítico (). ... 73 Figura 41- Representação gráfica da CL ao longo do tempo no tanque de arejamento, considerando o sistema rotores e geradores de fluxo ( ) e apenas rotores (), para diferentes imersões dos rotores de arejamento: 27 % (A); 25 % (B); 18 % (C) e 15 % (D). ... 74
Figura 42- Representação gráfica da MS para as várias profundidades de imersão dos rotores de arejamento, na ETAR de Água Longa, considerando o sistema rotores e geradores de fluxo ( ); apenas rotores () e apenas geradores de fluxo () para o ponto ótimo (A) e crítico (B). ... 76 Figura 43- Representação gráfica da variação do consumo energético e do KLa para as várias
profundidades de imersão dos rotores de arejamento, na ETAR de Água Longa. ... 77
Figura 44- Valores médios mensais do caudal afluente à ETAR de Penices de agosto de 2014 a julho de 2015. ... 78
Figura 45- Dados semanais das características do afluente da ETAR de Penices no período de agosto de 2014 a julho de 2015. ... 79
Figura 46- Dados semanais das características do efluente da ETAR de Penices no período de agosto de 2014 a julho de 2015. ... 81
Figura 47- Variação da temperatura do tanque de arejamento da ETAR de Penices de agosto de 2014 a julho de 2015... 81
Figura 48- Pontos de recolha do tanque de arejamento da ETAR de Penices. ... 83
Figura 49- Representação gráfica da concentração de OD nos vários pontos do tanque de arejamento da ETAR de Penices. ... 84
Figura 50- Representação gráfica da concentração de OD ao longo da profundidade do tanque, a 12 % de imersão dos rotores de arejamento, na ETAR de Penices, considerando o sistema rotores e geradores de fluxo ( ); apenas rotores () e apenas geradores de fluxo () para o ponto ótimo (A) e crítico (B). ... 85
xix
Figura 51- Representação gráfica da percentagem de MS ao longo da profundidade do tanque, a 12 % de imersão dos rotores de arejamento, na ETAR de Penices, considerando o sistema rotores e geradores de fluxo ( ); apenas rotores () e apenas geradores de fluxo () para o ponto ótimo (A) e crítico (B). ... 87
Figura 52- Representação gráfica da CL ao longo do tempo, após início do arejamento, a 12 % de imersão dos rotores de arejamento, na ETAR de Penices, considerando o sistema rotores e geradores de fluxo () e apenas rotores (). ... 88 Figura 53- Representação gráfica da concentração de OD ao longo da profundidade do tanque, a 11 % de imersão dos rotores de arejamento, na ETAR de Penices, considerando o sistema rotores e geradores de fluxo no ponto ótimo ( ); rotores e geradores de fluxo no ponto crítico (); apenas rotores no ponto ótimo (); apenas rotores no ponto crítico (). ... 90 Figura 54- Representação gráfica da concentração de OD ao longo da profundidade do tanque, a 15 % de imersão dos rotores de arejamento, na ETAR de Penices, considerando o sistema rotores e geradores de fluxo no ponto ótimo ( ); rotores e geradores de fluxo no ponto crítico (); apenas rotores no ponto ótimo (); apenas rotores no ponto crítico (). ... 92 Figura 55- Representação gráfica da concentração de OD ao longo da profundidade do tanque, a 17 % de imersão dos rotores de arejamento, na ETAR de Penices, considerando o sistema rotores e geradores de fluxo no ponto ótimo ( ); rotores e geradores de fluxo no ponto crítico (); apenas rotores no ponto ótimo (); apenas rotores no ponto crítico (). ... 93 Figura 56- Representação gráfica da concentração de OD ao longo da profundidade do tanque, a 19 % de imersão dos rotores de arejamento, na ETAR de Penices, considerando o sistema rotores e geradores de fluxo no ponto ótimo ( ); rotores e geradores de fluxo no ponto crítico (); apenas rotores no ponto ótimo (); apenas rotores no ponto crítico (). ... 93 Figura 57- Representação gráfica da concentração de OD ao longo da profundidade do tanque, a 22 % de imersão dos rotores de arejamento, na ETAR de Penices, considerando o sistema rotores e geradores de fluxo no ponto ótimo ( ); rotores e geradores de fluxo no ponto crítico (); apenas rotores no ponto ótimo (); apenas rotores no ponto crítico (). ... 94
xx
Figura 58- Representação gráfica da percentagem de MS para as várias profundidades de imersão dos rotores de arejamento, na ETAR de Penices, considerando o sistema rotores e geradores de fluxo ( ); apenas rotores () e apenas geradores de fluxo () para o ponto ótimo (A) e crítico (B). ... 95
Figura 59- Representação gráfica da CL no tanque de arejamento ao longo do tempo, considerando o sistema rotores e geradores de fluxo ( ) e apenas rotores (), para as profundidades de imersão dos rotores de arejamento: 22 % (A); 19 % (B). ... 96
Figura 60- Representação gráfica da CL no tanque de arejamento ao longo do tempo, considerando o sistema rotores e geradores de fluxo ( ) e apenas rotores (), para as profundidades de imersão dos rotores de arejamento: 17 % (A); 15 % (B); 11 % (C). ... 97
Figura 61- Representação gráfica da variação do consumo energético para as várias profundidades de imersão dos rotores de arejamento, na ETAR de Penices. ... 99
xxi
Índice de Tabelas
Tabela 1- Caracterização do Sistema Multimunicipal de Abastecimento de Água e de Saneamento do Norte (adaptado de (Águas do Norte, S.A., 2015)) ... 5
Tabela 2- Características das águas residuais domésticas (Metcalf & Eddy, 2003) ... 10
Tabela 3- Valores limites de emissão e percentagens mínimas de redução para descargas de águas residuais urbanas (Ministério do ambiente, 1997) ... 11
Tabela 4- Definições da terminologia usada para o tratamento biológico de águas residuais (adaptado de (Metcalf & Eddy, 2003)) ... 16
Tabela 5- Valores típicos de parâmetros de dimensionamento para os processos de lamas ativadas para a oxidação da matéria orgânica e nitrificação (Metcalf & Eddy, 2003) ... 22
Tabela 6- Taxa de transferência de oxigénio para sistemas de arejamento (Roman & Muresan, 2014) ... 31
Tabela 7- Características das indústrias que descarregam para a ETAR de Água Longa (Águas do AVE, S.A. , 2007)... 34
Tabela 8- Capitações típicas das águas residuais domésticas (Águas do AVE, S.A. , 2007) ... 34
Tabela 9- Dados base de projeto da ETAR de Água Longa (Águas do AVE, S.A. , 2007) ... 35
Tabela 10- Valores e percentagens mínimas de redução da ETAR de Água Longa (Agência Portuguesa do Ambiente, 2012) ... 35
Tabela 11- Parâmetro de dimensionamento do tanque de arejamento da ETAR de Água Longa (Águas do AVE, S.A. , 2007) ... 39
Tabela 12- Características técnicas dos rotores de arejamento da ETAR de Água Longa (Espina & Delfin, s.d.) ... 40
Tabela 13- Características técnicas dos geradores de fluxo da ETAR de Água Longa (abs production, 2009)... 40
xxii
Tabela 14- Características das indústrias que descarregam para a ETAR de Penices (Águas do AVE, S.A. , 2007)... 46
Tabela 15- Dados base de projeto da ETAR de Penices (Águas do AVE, S.A. , 2007) ... 47
Tabela 16- Parâmetro de dimensionamento do tanque de arejamento da ETAR de Penices (Águas do AVE, S.A. , 2007) ... 48
Tabela 17- Características técnicas dos rotores de arejamento da ETAR de Penices (Espina & Delfin, s.d.) ... 49
Tabela 18- Características técnicas dos geradores de fluxo da ETAR de Penices (abs production, 2009) ... 50
Tabela 19- Características técnicas da sonda de oxigénio ... 52
Tabela 20- Características do amostrador e da balança ... 54
Tabela 21- Características técnicas do medidor de energia ... 55
Tabela 22- Condições médias de afluência da ETAR de Água Longo de agosto de 2014 a julho de 2015 ... 59
Tabela 23- Necessidades de oxigénio para diferentes valores de CBO5 e temperatura na ETAR de
Água Longa ... 61
Tabela 24- Consumos energéticos dos rotores e geradores de fluxo, na ETAR de Água Longa, a 21 % de imersão dos rotores de arejamento ... 69
Tabela 25- Valores do KLa20 utilizando rotores e geradores de fluxo e utilizando apenas rotores na
fase 2, para as várias profundidades de imersão. ... 75
Tabela 26- Condições médias de afluência da ETAR de Penices de agosto de 2014 a julho de 2015 ... 80
Tabela 27- Necessidades de oxigénio para diferentes valores de CBO5 e temperatura, na ETAR de
xxiii
Tabela 28- Consumos energéticos dos rotores e geradores de fluxo, na ETAR de Penices, a 12 % de imersão dos rotores de arejamento ... 89
Tabela 29- Valores do KLa20 utilizando rotores e geradores de fluxo e utilizando apenas rotores na
xxv
Índice de abreviaturas
θ Coeficiente de atividade da temperatura A/M Razão Alimento/Microrganismo
AdP Águas de Portugal
CBO5 Carência Bioquímica de Oxigénio (ML-3)
CL Concentração de oxigénio dissolvido no licor misto (ML-3)
CO2 Dióxido de Carbono
COV Compostos Orgânicos Voláteis (ML-3)
CQO Carência Química de Oxigénio (ML-3)
Csw Concentração de saturação do oxigénio em água (ML-3)
dC/dt Taxa de transferência de oxigénio (ML-3T-1)
e_ Eletrão
e.p. Equivalente de população
ETAR Estação de Tratamento de Águas Residuais
fd Fração remanescente de biomassa como resíduo celular
H+ Hidrogénio
H2O Água
Hab Habitante
Hab.eq Habitante equivalente
K20 Coeficiente de decaimento endógeno a 20 °C
Kd Coeficiente de decaimento endógeno
Kdn Coeficiente de decaimento endógeno para microrganismos nitrificantes
KLa Coeficiente volumétrico global de transferência de oxigénio (T-1)
KLa20 Coeficiente volumétrico global de transferência de oxigénio a 20 °C (T-1)
KLaT Coeficiente volumétrico global de transferência de oxigénio a temperatura T (T-1)
KT Coeficiente de decaimento endógeno a temperatura T
MLSS Sólidos Suspensos no Licor Misto (ML-3)
MS Matéria Seca (%)
N2 Azoto molecular
N2O Óxido nitroso
xxvi NH4+ Ião Amónio NO Óxido nítrico NO2- Nitrito NO3- Nitrato Nt Azoto Total (ML-3) O2 Oxigénio OD Oxigénio dissolvido (ML-3)
Pbio Produção de biomassa (ML-1)
pH Potencial Hidrogeniônico
PO43- Fosfato
Pt Fósforo Total (ML-3)
Q Caudal (L3T-1)
R Taxa de consumo de oxigénio pelos microrganismos (ML-3T-1)
R0 Necessidade de oxigénio (MT-1)
SBR Sequencing Batch Reactors (Reator em batelada sequencial) SDT Sólidos Dissolvidos Totais (ML-3)
SS Sólidos Suspensos (ML-3)
SST Sólidos Suspensos Totais (ML-3)
ST Sólidos Totais (ML-3)
T Temperatura (°C)
TOC Carbono Orgânico Total (ML-3)
TRH Tempo de retenção hidráulico (T) TRS Tempo de retenção de sólidos (T) VLE Valores Limite de Emissão
Y Coeficiente de rendimento de biomassa
1
Capítulo 1
1.
Introdução
1.1. Enquadramento geral
Um dos problemas que se enfrenta atualmente é a escassez de água potável, que sendo um recurso natural de elevada importância, origina graves consequências sociais, ambientais e económicas. São utilizados diariamente elevados volumes de água, quer seja no uso doméstico, industrial e/ou agrícola, reduzindo quantitativa e qualitativamente as reservas que se encontram disponíveis. De modo a contornar este problema, a implementação de infraestruturas como ETAR tem vindo a proporcionar o tratamento devido à água residual para posterior descarga (devolução) ao meio hídrico. Em algumas estações é feita uma reutilização da água tratada, pelo que, por vezes, é aplicado um tratamento adicional.
As ETAR são constituídas por um conjunto de processos físicos, químicos e biológicos para tratar as águas residuais, protegendo e preservando o meio recetor e, consecutivamente, o meio ambiente. O tratamento destas águas é geralmente constituído por quatro etapas. Inicia-se com um tratamento preliminar, seguido de um primário, depois de um secundário e, por último, um terciário. O tratamento preliminar e o primário são processos essencialmente físicos, usados principalmente para remover os sólidos grosseiros. O tratamento secundário é um processo biológico, utilizado sobretudo para remover a matéria orgânica e os nutrientes das águas residuais. O tratamento terciário é um processo normalmente físico/químico usado para afinação do efluente final. Este nem sempre é utilizado, apenas quando são exigidos elevados níveis de qualidade da água.
O presente estudo foca-se no tratamento secundário das ETAR, também denominado de tratamento biológico. Este pode realizar-se em condições aeróbias ou anaeróbias. Os sistemas mais utilizados em Portugal são os tratamentos aeróbios por lamas ativadas com arejamento prolongado. Nestes é necessário fornecer oxigénio ao sistema para degradar a matéria orgânica e os nutrientes presentes na água residual, mantendo a eficácia do tratamento. O arejamento é
2
efetuado por intermédio de equipamentos que utilizam grandes quantidades de energia, representando mais de metade do consumo energético de uma ETAR.
Otimizar e gerir os recursos de forma eficiente é um dos desafios do PENSAAR 2020 que deve ser adotado por todos os subsistemas de abastecimento de água e saneamento de água residual. As empresas não se podem focar no único objetivo de tratar a água, mas também incluir nos seus objetivos a gestão eficiente de todos os recursos utilizados, diminuindo os impactos ambientais causados. Cerca de 3 a 4 % da utilização de energia elétrica em Portugal é da responsabilidade do ciclo urbano da água. Uma vez que, aproximadamente, 25 % dessa energia é utilizada para o tratamento de águas residuais, deve ser estabelecida uma conexão entre a água e a energia, identificando possíveis abordagens para melhorar a sua eficiência e, consequentemente, reduzir os consumos associados (PENSAAR 2020, 2015).
A redução do consumo de energia nas empresas além de proteger o meio ambiente, gera grandes economias para estas, tornando-se uma motivação e um fator competitivo no mercado. Sem interferir na qualidade final da água, as empresas devem tentar reduzir o consumo energético dos processos de tratamento. Dado que o sistema de arejamento no tratamento secundário representa o processo com maior consumo energético, é essencial a realização de um estudo aprofundado de modo a reduzir este custo. Desta forma, as empresas asseguram a sustentabilidade económica, ambiental e financeira.
Nas ETAR selecionadas para a execução deste projeto, como geralmente acontece, o tratamento biológico representa o processo de tratamento com maior consumo energético. Em ambas, representa mais de metade do consumo total de energia (Figura 1).
Figura 1- Desagregação dos consumos de energia elétrica por vertente: (A) na ETAR de Água Longa; (B) na ETAR de Penices (I-SETE, 2011) (I-SETE, 2011).
3
1.2. Apresentação da empresa
1.2.1. Grupo Águas de Portugal
O Grupo Águas de Portugal (AdP) deu início à sua atividade em 1993, onde começou a criar e a desenvolver sistemas multimunicipais de saneamento de águas residuais e abastecimento de água (Águas de Portugal, 2015). Seguidamente, integrou uma nova unidade de negócio, o tratamento e valorização de resíduos sólidos urbanos. Assim, reuniu os requisitos base para cumprir o seu objetivo de solucionar problemas nacionais relacionados com as condições ambientais e de saúde pública, protegendo e valorizando o ambiente, num quadro de sustentabilidade ambiental, financeira, económica, técnica e social. Atualmente, dedicam-se a prestar serviços de abastecimento de água e de saneamento de água residual a todo o território nacional, de norte a sul. As empresas que compõem o grupo prestam serviços a 234 municípios (Águas de Portugal, 2015) (Figura 2). Em alguns destes municípios prestam serviços de abastecimento e saneamento diretamente ao consumidor. Também atuam no setor das energias renováveis, com a finalidade de aumentar o aproveitamento energético. O grupo AdP serve, aproximadamente, 80% da população portuguesa (Águas de Portugal, 2015). Com o tratamento e valorização de resíduos, emprenham-se no desenvolvimento de um plano de gestão sustentada de resíduos.
Figura 2- Empresas de abastecimento de água e saneamento de águas residuais que pertencem ao grupo AdP (Águas de Portugal, 2015).
4
Com uma atividade relativa à valorização e proteção do ambiente natural e humano, o Grupo AdP tem como prioridades aumentar o número de pessoas servidas com água de qualidade e em quantidade, a uma tarifa socialmente aceitável e num quadro de desenvolvimento sustentável.
1.2.2. Grupo Águas do Norte
Recentemente, em Julho de 2015, foi fundado um novo sistema multimunicipal, que teve como objetivo a fusão de quatro sistemas de captação, abastecimento e saneamento: a águas do Noroeste, S.A, a sociedade SIMDOURO (Saneamento do Grande Porto, S. A.,), a Águas de Trás -os -Montes e Alto Douro, S. A., e a Águas do Douro e Paiva, S. A. (Figura 3). A entidade gestora desta fusão foi chamada de Águas do Norte, S. A., e é constituída pelo Decreto-Lei n.º 93/2015 de 29 de maio (Ministério do Ambiente, Ordenamento do Território , 2015).
A Águas do Norte passou a ser a entidade gestora da captação, do abastecimento de água e do saneamento de águas residuais do norte de Portugal. É responsável pela concessão, exploração e gestão destes subsistemas. Também assume a responsabilidade de prestar diretamente serviços de abastecimento e saneamento de forma regular e eficiente às populações nos municípios de Trofa, Amarante, Santo Tirso, Arouca, Fafe, Baião, Cinfães e Celorico de Basto. Abrange cerca de 19 687 km2 de área geográfica, aproximadamente 22 % do território
português, incluindo 80 municípios que pertencem a região do Norte (Figura 4). Serve um total de 3,7 milhões de habitantes. O investimento nesta entidade gestora vai permitir prestar serviços de abastecimento de água a cerca 90,7 % da população total do Norte de Portugal e serviços de saneamento de águas residuais a cerca de 85,5 % da população.
Figura 3- Fusão dos sistemas de captação, abastecimento e saneamento da empresa Águas do Norte, S.A. (adaptado de (Águas do Norte, S.A., 2015)).
5
Figura 4- Municípios que integram o sistema Águas do Norte (Águas do Norte, S.A., 2015).
A Águas do Norte foi dimensionada para assegurar de forma regular, continua e eficiente, o serviço de abastecimento de água e saneamento de águas residuais, através da instalação de várias infraestruturas (Tabela 1).
Tabela 1- Caracterização do Sistema Multimunicipal de Abastecimento de Água e de Saneamento do Norte (adaptado de (Águas do Norte, S.A., 2015))
Água do Norte 80 Municípios servidos 19 687 km2 de área de intervenção
3,7 milhões de habitantes servidos
170 milhões de m3 de água potável fornecida por ano
110 milhões de água residual recolhida e tratada, por ano
2014 2025 ETA 35 ETA 39 Subsistemas 13 Barragens 53 Captações 2 171 km de condutas instaladas 169 Estações Elevatórias 544 km de condutas elevatórias 307 Reservatórios 45 ETA 40 Subsistemas 15 Barragens 49 Captações 2 747 km de condutas instaladas 267 Estações Elevatórias 800 km de condutas elevatórias 526 Reservatórios ETAR 220 ETAR 223 Subsistemas 1 460 km de intercetores instalados 359 Estações Elevatórias 229 km Condutas elevatórias 200 ETAR 201 Subsistemas 1 806 km de intercetores instalados 475 Estações Elevatórias 324 km Condutas elevatórias
Fornecer água de qualidade aos clientes, melhorando a sua qualidade de vida e devolver ao meio hídrico um efluente tratado amigo do ambiente, são os principais objetivos que acompanham e motivam todas as operações diárias. Assim, tem como visão, ser uma empresa referenciada nacionalmente pela qualidade prestada ao serviço público e auxiliar no desenvolvimento sustentável da região onde está presente.
6
1.3. Objetivos
Este projeto foi proposto pela empresa Águas do Norte S.A com o objetivo de contribuir para a otimização do processo de tratamento biológico, reduzindo os consumos de energia que estão associados ao processo de transferência de oxigénio na ETAR de Água Longa e Penices.
Com o intuito de se alcançar o objetivo acima mencionado definiu-se como objetivos específicos:
- Pesquisar métodos alternativos para aumentar a taxa de transferência de oxigénio do tratamento biológico;
- Analisar os processos de tratamentos das ETAR em estudo;
- Avaliar as características afluentes das ETAR em estudo assim como a eficiência de tratamento;
- Calcular as necessidades de oxigénio necessárias atuais;
- Realizar um quadro resumo da necessidade de oxigénio, para diferentes concentrações de matéria orgânica observadas ao longo de um ano da ETAR em estudo, para futuramente auxiliar na tomada de decisões referentes ao arejamento;
- Avaliar o desempenho do tanque de arejamento, em termos de oxigénio dissolvido, matéria seca e consumo energético;
- Implementar as ações estudadas e selecionadas para aumentar a taxa de transferência de oxigénio;
- Determinar e analisar o coeficiente volumétrico global de transferência de oxigénio (KLa)
para os diferentes casos analisados;
- Selecionar o melhor processo em termos de transferência de oxigénio e consumo de energia;
- Otimizar os parâmetros operacionais referentes ao tratamento secundário, como tempo de arejamento necessário por dia.
7
1.4. Estrutura da dissertação
Esta dissertação é composta por 6 capítulos, iniciando com este capítulo introdutório, onde é feito um enquadramento geral ao tema, apresentando a empresa onde a dissertação foi realizada e definido o objetivo geral, assim como os objetivos específicos. O capítulo 2 é relativo à revisão bibliográfica, onde são abordados os conceitos que se tornam fundamentais para a compreensão do estudo realizado. No capítulo 3 são apresentados os casos de estudos, assim como os processos de tratamento envolvidos neles. No capítulo 4 é descrita a metodologia utilizada para a concretização do estudo, assim como os métodos analíticos e os materiais usados nos ensaios laboratoriais. O capítulo 5 é destinado à discussão dos resultados obtidos e principais conclusões ao longo da elaboração do trabalho. Para dar por finalizada esta dissertação, no último capítulo é apresentada a conclusão, assim como as recomendações futuras.
9
Capítulo 2
2. Revisão Bibliográfica
2.1. Águas residuais
Toda a população produz resíduos como resultado da sua atividade, tanto sólidos como líquidos e/ou gasosos. A água residual corresponde ao resíduo líquido, ou seja, são as águas rejeitadas pela população, como consequência da sua utilização para diversos fins. Caracterizam-se como um conjunto de resíduos líquidos, que podem Caracterizam-ser provenientes de zonas residenciais, instalações comerciais, zonas industriais, entre outros. Estas também podem estar interligadas à água de origem subterrânea, pluvial e superficial (Metcalf & Eddy, 2003). Segundo o Decreto de Lei 152/97 de 19 de Junho, as águas residuais são classificadas como (Ministério do ambiente, 1997):
«Águas residuais domésticas»: as águas residuais de serviços e de instalações residenciais, essencialmente provenientes do metabolismo humano e de atividades domésticas; Estas estão caracterizadas principalmente por serem compostas por elevadas quantidades de matéria orgânica e por serem biodegradáveis (Paixão, 1999).
«Águas residuais industriais»: as águas residuais provenientes de qualquer tipo de atividade industrial. Estas não podem ser classificadas como águas residuais domésticas devido aos componentes físico-químicos que contem. Apresentam características variadas, dependendo da atividade industrial (Paixão, 1999).
«Águas residuais urbanas»: as águas residuais domésticas ou a mistura destas com águas residuais industriais e/ou com águas pluviais. Apresentam baixas quantidades de poluentes, principalmente de matéria orgânica (Paixão, 1999).
10
Com a finalidade de fornecer o melhor tratamento às águas residuais, é imprescindível o conhecimento pormenorizado das suas características físicas, químicas e biológicas. As concentrações dessas propriedades variam consoante a sua origem (industrial ou doméstica). O conhecimento destas características fornece informações úteis para controlar e desenvolver os processos de tratamento. Na Tabela 2 encontram-se as características de uma água residual doméstica típica.
Tabela 2- Características das águas residuais domésticas (Metcalf & Eddy, 2003)
Parâmetros Concentração (mg/L) Baixa Média Alta
Sólidos Totais (ST) 390 720 1230
Sólidos dissolvidos totais (SDT) 270 500 860
- Sólidos dissolvidos fixos 160 300 520
- Sólidos dissolvidos voláteis 110 200 340
Sólidos Suspensos totais (SST) 120 210 400
- Sólidos Suspensos fixos 25 50 85
- Sólidos Suspensos voláteis 95 160 315
Carência bioquímica de oxigénio, 5 dias (CBO5) a 20 ºC 110 190 350
Carbono orgânico total (TOC) 80 140 260
Carência química de oxigénio (CQO) 250 430 800
Azoto Total (NT) 20 40 70 - Azoto orgânico 8 15 25 - Azoto amoniacal 12 25 45 Fósforo Total (PT) 4 7 12 - Fósforo orgânico 1 2 4 - Fósforo inorgânico 3 5 10 Cloretos 3 50 90 Sulfatos 20 30 50 Gorduras 50 90 100
Compostos orgânicos voláteis (COV) <100 100-400 >400
Com o aparecimento de normas e leis relativas à descarga das águas residuais, o tratamento passou a ter grande importância. O principal objetivo focou-se em introduzir no meio aquático um efluente que cause o mínimo impacto ambiental possível, ou seja, que não origine danos no ecossistema que é envolvido.
De modo a combater os problemas que as águas residuais provocam ao serem lançadas no meio hídrico, como modificações na qualidade da água, o que a torna imprópria para ser utilizada para outros fins (ex.: uso agrícola, utilização balnear, etc.) e graves consequências para a fauna e flora e na saúde pública, foram-se uniformizando os processos de tratamento que
11
ocorrem nas ETAR. Para controlar esse tratamento, as descargas de águas residuais urbanas são, hoje em dia, reguladas pelo Decreto-Lei n.º 152/97, de 19 de Junho, onde são fixados valores limite de emissão (VLE) e percentagens mínimas de redução em relação ao efluente que chega à ETAR (Tabela 3) (Agência Portuguesa do Ambiente, 2015).
Tabela 3- Valores limites de emissão e percentagens mínimas de redução para descargas de águas residuais urbanas (Ministério do ambiente, 1997)
Parâmetro Unidade Concentração % Mínima de redução SST mg/L 35 90 CBO5 a 20 ºC mg/L 25 70 a 90 CQO mg/L 125 75 NT* mg/L 15 (10 000-100 000 e.p.) 10 (mais de 100 000 e.p.) 70 a 80 PT* mg/L 2 (10 000-100 000 e.p.) 1 (mais de 100 000 e.p.) 80
*em zonas sensíveis sujeitas a eutrofização
No entanto, numa perspetiva de gestão integrada dos recursos hídricos, encontra-se normalizado o Decreto-Lei n.º 236/98, de 1 de Agosto, que refere a qualidade de águas em função do uso a que está sujeita, nomeadamente, águas de rega, balneares, para consumo humano e para suporte da vida aquícola ( Ministério do ambiente, 1998).
2.2. Tratamento de Águas Residuais
Os objetivos primordiais na implementação de uma ETAR passam pela redução da matéria orgânica na água residual, redução dos agentes patogénicos, compostos tóxicos e metais pesados e ainda reduzir e/ou eliminar a presença de determinados nutrientes como o azoto e o fósforo. O tratamento de águas residuais permite obter um efluente de qualidade controlada, livre de poluentes, que pode ser devolvido ao meio hídrico. Assim, são minimizados os impactes associados a esta atividade quer no meio ambiente quer à vida aquática.
Uma ETAR é composta por duas linhas de tratamento, uma para a fase sólida e outra para a fase líquida. A fase líquida, composta por várias etapas de tratamento, representa o tratamento
12
da água residual. A fase sólida representa o tratamento dos sólidos removidos no tratamento da fase líquida, ou seja, representa o tratamento das lamas. Na Figura 5 estão representadas as fases de tratamento de uma ETAR.
2.2.1. Tratamento da fase líquida
O tratamento da fase líquida é composto por quatro etapas: inicialmente é aplicado um tratamento preliminar, seguido de um tratamento primário e posteriormente um secundário, finalizando, geralmente, com um tratamento terciário (Figura 5). O esquema de tratamento difere de instalação para instalação, pois depende de vários fatores, tais como, as características do afluente, dos VLE exigidos para a ETAR, entre outros.
Figura 5- Esquema das fases de tratamento de uma ETAR.
Afluente Tratamento Preliminar Tratamento Secundário Tratamento Terciário Efluente Tratamento Primário
Tratamento das Lamas
Fase líquida
13
2.2.1.1. Tratamento preliminar
O tratamento preliminar destina-se a remover os sólidos grosseiros e as areias que se encontram presentes nas águas residuais (Simões, et al., 2008). Este processo tem como objetivos a proteção dos equipamentos de transporte das águas residuais, como as bombas e as condutas, evitando a sua obstrução, assim como a proteção das unidades de tratamento subsequentes (Sperling, 2007). Os mecanismos utilizados para a remoção são de ordem física, normalmente compostos por operações de gradagem, desarenamento e desengorduramento (Sperling, 2007).
2.2.1.2. Tratamento primário
As águas residuais, após passarem pelas operações correspondentes ao tratamento preliminar, contem sólidos suspensos sedimentáveis e sólidos flutuantes que têm de ser removidos. Sendo assim, são encaminhadas ao tratamento primário que é composto por unidades de sedimentação (Sperling, 2007). Para uma decantação mais rápida, em algumas instalações são adicionados agentes químicos para que ocorra uma coagulação. Assim, são formados flocos de maiores dimensões facilitando a sedimentação (Metcalf & Eddy, 2003).
A maior parte dos sólidos suspensos corresponde a matéria orgânica. Deste modo, uma parte da matéria orgânica presente na água residual é removida neste processo. Segundo Metcalf & Eddy 2003, aproximadamente 25 a 40 % da CBO5 e 50 a 70 % dos SST da água residual afluente
são removidos nesta etapa de tratamento.
Algumas ETAR não utilizam o tratamento primário, principalmente se estiverem inseridas em zonas com climas quentes. Pois, derivado a esse clima, os decantadores primários e a formação de lamas libertam odores que se podem agravar. Como alternativa, utilizam alterações ao processo comum de lamas ativadas (Metcalf & Eddy, 2003).
2.2.1.3. Tratamento secundário
Após o tratamento preliminar e primário, o efluente permanece com uma concentração elevada de matéria orgânica. Sendo assim, o objetivo desta etapa de tratamento consiste na remoção da matéria orgânica biodegradável (em suspensão ou dissolvida) e dos sólidos suspensos que não foram removidos nas etapas anteriores (Metcalf & Eddy, 2003) (Sperling, 2007). Também
14
nesta fase de tratamento pode ocorrer a remoção de nutrientes, como o azoto e o fósforo (Metcalf & Eddy, 2003) (Sperling, 2007). Este tratamento também é conhecido como tratamento biológico uma vez que os processos são essencialmente biológicos. A remoção dos constituintes acima mencionados são realizados por microrganismos. Este tema é abordado pormenorizadamente no subcapítulo 2.3.
2.2.1.4. Tratamento terciário
Por último, em certas instalações, o efluente proveniente do tratamento secundário é encaminhado para o tratamento terciário. Este também é conhecido como o tratamento de afinação do efluente. É aplicado quando o efluente proveniente do tratamento secundário não cumpre os requisitos de qualidade para disposição final, ou seja, quando é necessário reduzir ou remover completamente a concentração de matéria orgânica e sólidos em suspensão (R.A. & G.L, 2006). Também é utilizado quando é necessário remover ou reduzir as concentrações dos nutrientes, caso estes não sejam removidos no tratamento secundário, uma vez que pode não ser objetivo desse tratamento. Sendo assim, é uma fase de tratamento indispensável quando se pretende alcançar elevados padrões de qualidades.
Existem vários processos físico/químicos de tratamentos terciários, nomeadamente, desinfeção, coagulação, decantação e floculação, troca iónica, osmose inversa, filtração, entre outros (Simões, et al., 2008). O processo de tratamento mais comum do tratamento terciário é constituído por uma filtração seguida de uma desinfeção (Metcalf & Eddy, 2003). A filtração tem como objetivo remover os sólidos que ainda permanecem no sistema, e a desinfeção remover os microrganismos patogénicos. A desinfeção pode ser efetuada através da adição de agentes químicos, como por exemplo, o cloro, ou através de radiação ultravioleta.
2.2.2. Tratamento da fase sólida
Ao longo da linha de tratamento das águas residuais ocorre a formação de lamas. Estas são classificadas como lamas primárias (provenientes do decantador primário) e secundárias (provenientes do decantador secundário). O sistema de tratamento de lamas de ETAR pode englobar um processo de espessamento, estabilização e desidratação (Simões, et al., 2008). Contudo, geralmente, o tratamento da fase sólida também é composto por um tratamento
15
preliminar, como trituração e gradagem, para proteger os equipamentos dos processos seguintes e facilitar esse tratamento (Metcalf & Eddy, 2003).
2.2.2.1. Espessamento
Esta etapa de tratamento tem como finalidade a redução do volume de água presente nas lamas, aumentando a concentração de sólidos. Este também permite a homogeneização das lamas, através de pás que se encontram no interior do equipamento, e a redução da formação de odores, pois é em sistema fechado. Assim, o volume de lamas a tratar nos processos seguintes é menor, diminuindo os custos de investimento e otimizando esses processos. O espessamento pode ser realizado por vários processos, como por exemplo, espessamento gravítico, por flotação ou centrífugo (Metcalf & Eddy, 2003) (Simões, et al., 2008).
2.2.2.2. Estabilização
Este processo é empregue na redução e/ou eliminação dos agentes patogénicos, eliminação de odores provenientes das lamas e diminuição e/ou eliminação do potencial de putrefação (Simões, et al., 2008). Os métodos mais utilizados para o processo de estabilização são a estabilização química adicionando cal, a compostagem, a digestão anaeróbica, e a digestão aeróbia. Este processo é facultativo, não sendo implementado em todas as ETAR. A sua utilização depende do destino final das lamas, uma vez que se este for a agricultura não devem conter agentes patogénicos.
2.2.2.3. Desidratação
Esta etapa tem o objetivo de extrair o maior volume de água possível das lamas reencaminhadas do processo anterior (espessamento), levando a uma redução do volume muito superior quando comparado com o processo de espessamento. Ao reduzir o volume das lamas, há um menor custo do transporte e armazenamento destas, sendo importante para este processo a relação custo/beneficio. Existem vários equipamentos para efetuar este processo que são escolhidos, principalmente, consoante o tipo de lamas e o seu destino final (uso agrícola ou deposição em aterro). Os equipamentos normalmente utilizados para este processo são filtros, de banda ou prensa, ou centrífugas (Simões, et al., 2008).
16
2.3. Tratamento biológico de Águas Residuais
O tratamento biológico de águas residuais é compostos por uma serie de transformações biológicas. Estas ocorrem por ação de diversas populações de microrganismos que degradam a matéria orgânica. Podem conter vários tipos de microrganismos como bactérias, protozoários, fungos, entre outros.
Os principais processos utilizados para o tratamento biológico de águas residuais podem ser classificados em relação à sua função metabólica. Dividem-se em processos aeróbios, processos anaeróbios, processos anóxicos, processos facultativos e processos combinados (Tabela 4). Os processos de tratamento podem ser constituídos por biomassa suspensa, por biomassa fixa, por combinações de ambas ou, o que mais se aproxima das condições naturais, por lagoas. Ambos os processos funcionam sobre princípios semelhantes que estão mencionados na Tabela 4.
Tabela 4- Definições da terminologia usada para o tratamento biológico de águas residuais (adaptado de (Metcalf & Eddy, 2003))
Funções metabólicas
Aeróbios Processos que ocorrem na presença de oxigénio Anaeróbios Processos que ocorrem na ausência de oxigénio Facultativos Processos que ocorrem na presença ou ausência de oxigénio
Anóxicos Processos pelos quais os nitratos são convertidos biologicamente em azoto gasoso, na ausência de oxigénio. Este processo também é conhecido como desnitrificação
Combinações
aeróbio/anóxico/anaeróbio Várias combinações de processos aeróbios, anóxicos e anaeróbios
Processos de tratamento
Biomassa suspensa
Processos de tratamento biológico, em que os microrganismos responsáveis pela conversão da matéria orgânica ou outros constituintes na água residual são mantidos em suspensão no
interior do líquido (ex: lamas ativadas)
Biomassa fixa
Os microrganismos responsáveis pela conversão da matéria orgânica ou outros constituintes na água residual estão ligados a um material
de suporte, como por exemplo, plástico, materiais especialmente concebidos (ex: Filtro percolador, discos biológicos)
Combinados Termo usado para descrever os processos combinados (combinação biomassa suspensa e fixa)
17
Como já mencionado, no tratamento biológico também pode ocorrer a eliminação de nutrientes, como o azoto e o fósforo. O processo de remoção de azoto, ou seja, a nitrificação, pode ser realizada por processos de biomassa fixa ou suspensa. Os processos mais utilizados são de biomassa suspensa, por lamas ativadas, em que a nitrificação ocorre juntamente com a remoção da CBO5.
Tendo em conta que o objetivo deste projeto, o subcapítulo seguinte fundamenta-se no processo de tratamento biológico por lamas ativadas.
2.3.1. Tratamento biológico por lamas ativadas
O processo de tratamento por lamas ativadas é largamente utlizado no tratamento biológico de águas residuais domésticas e industriais, com a vantagem de produzir um efluente de elevada qualidade e utilizar um espaço reduzido para o tratamento (Sperling, 2007). Este caracteriza-se pelo uso dos microrganismos aeróbios, que se encontram em suspensão no licor misto (por métodos apropriados de mistura), com o objetivo de remover a matéria orgânica, através de reações bioquímicas (Metcalf & Eddy, 2003). Pode eliminar mais de 85 % de CBO5 e
matéria em suspensão (Shun Dar Lin, 2007). Os componentes principais de um sistema de lamas ativadas são um tanque de arejamento com um mecanismo de aeração, um decantador e um sistema de recirculação de lamas (Figura 6).
Figura 6- Representação esquemática simplificada de um sistema de tratamento de lamas ativadas (adaptado de (Sperling, 2007)). Afluente Efluente Decantador secundário Tanque de arejamento Excesso de lamas Retorno de lamas
18
As reações bioquímicas que ocorrem por contacto da matéria orgânica com a biomassa, composta por microrganismos heterotróficos aeróbios responsáveis pela sua remoção, sucedem-se no tanque de arejamento. Os microrganismos interagindo com o oxigénio e os nutrientes transformam a matéria orgânica em CO2 e H2O. Uma parte da matéria orgânica é convertida em
novas células e outra parte é utilizada para produzir energia (Equação 1).
Matéria orgânica + O2 + NH3 + PO43- ⟶ CO2 + H2O + novas células (Equação 1)
O oxigénio e os nutrientes são parâmetros que necessitam de controlo, podendo a falta destes dar origem a alguns problemas no tratamento, interferindo na sua eficácia. Se a presença de nutrientes não for suficiente no tanque ocorre o crescimento de microrganismos filamentosos. Isto acontece uma vez que nestas condições os organismos filamentosos competem por esses nutrientes com as bactérias responsáveis pela degradação da matéria orgânica. O mesmo acontece se o oxigénio estiver em baixas concentrações, pois nessas condições os microrganismos filamentosos também competem pelo oxigénio com as bactérias aeróbias. Assim, pode ser necessária a adição de nutrientes e de oxigénio para que a eficácia do tratamento não seja prejudicada. Também é necessário controlar outros fatores para que a atividade dos microrganismos não seja afetada, como a temperatura e o pH. A temperatura, entre outros, afeta o metabolismo dos microrganismos e a taxa de transferência de oxigénio, que será referenciada num subcapítulo posterior. O pH deve estar entre 6 e 9, pois superior a 9 inibe a atividade microbiana e o pH inferior a 6 leva ao desenvolvimento de determinados fungos, que competem com as bactérias (Metcalf & Eddy, 2003).
No decantador secundário, ocorre a sedimentação da lama (mistura da matéria orgânica com a biomassa) devido a características de floculação e decantação. A lama sentada é repartida, uma parte é recirculada para o tanque de arejamento (retorno de lamas), enquanto a restante parte (excesso de lamas) é removida do sistema. As lamas são recirculadas para o tanque de arejamento para que neste seja mantida uma concentração elevada de biomassa. Este processo garante que o tratamento permaneça eficaz. A parte removida é tratada no sistema de tratamento da fase sólida. Com este processo, é obtido um efluente clarificado (Sperling, 2007).
Como referido anteriormente, no tanque de arejamento, além da remoção da matéria orgânica, é possível remover certos metais pesados e nutrientes (azoto e fósforo), responsáveis pelos fenómenos de eutrofização nas águas (Metcalf & Eddy, 2003).
19
A remoção do azoto é efetuado por determinadas bactérias que transformam o azoto em produtos simples que podem ser extraídos dos efluentes, através de processos de nitrificação e desnitrificação. O processo de nitrificação é composto por duas etapas sequenciais em que, através da oxidação biológica, o azoto amoniacal é transformado em nitrato. As bactérias responsáveis pela oxidação do azoto amoniacal a nitrito são do género Nitrossomonas sp (Equação 2), e pela oxidação do nitrito a nitrato são bactérias do género Nitrobacter sp (Equação 3). Ambos os processos destas bactérias são aeróbios, só executam a sua atividade na presença de oxigénio. Estas bactérias são autotróficas, pois adquirem energia a partir de reações de oxidação de compostos inorgânicos, neste caso dos nitritos e da amónia, e como fonte de carbono utilizam o CO2. A reação total responsável pela nitrificação pode ser descrita pala Equação 4 (Wang, et al.,
2009) (Metcalf & Eddy, 2003) (Sperling, 2007):
2NH4+ + 3O2 ⟶ 2NO2 - + 4H+ + 2H2O (Equação 2)
2NO2- + O2 ⟶ 2NO3- (Equação 3)
NH4+ + 2O2 ⟶ NO3 - + 2H+ + H2O (Equação 4)
Baseando-se nas equações anteriores, o oxigénio necessário para a oxidação completa do amoníaco é 4,57 g O2 por g N oxidado. Para a conversão de nitrito são utilizadas 3,43 g O2 por g
NO2- produzido e para produção do nitrato, 1,14 g O2 por g NO2- oxidada (Metcalf & Eddy, 2003). A
taxa de nitrificação é manipulada pela concentração de OD no licor misto. A concentração de oxigénio dissolvido (OD) que deve ser mantida no licor misto para que ocorra a nitrificação é de 3 a 4 mg/L, um aumento em relação à que é necessária manter no licor misto apenas quando o objetivo é a remoção de matéria orgânica, 1 a 2 mg/L (Davis, 2010). Por outro lado, quando a concentração de OD é menor do que 0,5 mg/L, o processo de nitrificação é inibido (Metcalf & Eddy, 2003).
Um dos fatores que interfere no processo de nitrificação é a quantidade de matéria orgânica presente no licor misto. Elevadas concentrações destas provocam menores taxas de nitrificação. Isto acontece uma vez que elevadas quantidades de matéria orgânica favorecem o
20
crescimento de bactérias heterotróficas que competem pelo oxigénio e pelos nutrientes com as bactérias autotróficas responsáveis pela nitrificação.
O processo de nitrificação também é influenciado por outros fatores, como por exemplo a temperatura e o pH do tanque, que podem chegar a inibir o processo. A temperatura ótima para as bactérias nitrificantes é de 30 a 35 °C, diminuindo bruscamente a taxa especifica de crescimentos dos microrganismos a partir dos 35 °C (Alves, 2010). O pH ótimo mantem-se entre 7 e 7.2 (Alves, 2010).
O processo de desnitrificação contribui para atenuar os danos originados pelo azoto nos corpos de água. É realizado numa etapa em que o nitrito ou o nitrato, produzido na etapa de nitrificação, são reduzidos a azoto gasoso (N2). Este é facilmente removido do licor misto e lançado
na atmosfera. O processo apresenta como possíveis intermediários, que também são lançados na atmosfera, o óxido nítrico (NO) e óxido nitroso (N2O) (Equação 5).
NO3 - ⟶ NO2 - ⟶ NO ⟶ N2O ⟶ N2 (Equação 5)
As bactérias responsáveis pelo processo de desnitrificação são heterotróficas anaeróbias, só ocorrendo o processo em situações de ausência de oxigénio. Existem muitos géneros de bactérias desnitrificantes, ou seja, bactérias que podem usar outras fontes de oxigénio como o nitrato e o nitrito. Entre elas estão, por exemplo, os géneros Achromobacter, Aerobacter, Alcaligenes, Bacillus, entre outros (Metcalf & Eddy, 2003). As reações que podem ocorrer na desnitrificação estão representadas na Equação 6 e na Equação 7.
NO3 - + 6H+ + e- ⟶ 12N
2 + 3H2O (Equação 6)
NO2- + 4H+ + e- ⟶ 12N
2 + 2H2O (Equação 7)
Ao contrário do que acontece no processo de nitrificação, em que é consumido oxigénio, no processo de desnitrificação este é libertado. No caso da utilização do nitrato produz-se 2,86 g O2 por g NO3- e no caso da utilização de nitrito produz-se 1,71 g O2 por g NO2-. A utilização do nitrato
para o processo de desnitrificação é uma vantagem, uma vez que, entre outras razões, produz maior quantidade de oxigénio. Assim, o oxigénio que é necessário fornecer ao sistema para que
21
ocorra o processo de nitrificação é menor. Outra vantagem da desnitrificação é a redução da matéria orgânica, uma vez que uma porção desta é consumida como fonte de carbono dos microrganismos desnitrificantes.
O processo de desnitrificação também pode ser influenciado por diversos fatores como a temperatura, o pH, a concentração de OD e de nitrito, entre outras. A concentração de OD mais favorável para este processo é inferior a 0,5 mg/L. As condições favoráveis de temperatura e pH são semelhantes às do processo de nitrificação.
Resumindo, o processo de remoção de azoto é efetuado por duas etapas, uma necessitando oxigénio e outra na ausência de oxigénio. Sendo assim, para a eficácia do processo é necessário utilizar um reator com capacidade de produzir essas condições.
Para que ocorra a remoção do fósforo, os processos biológicos são configurados para incentivar o crescimento de bactérias com a capacidade de armazenar grandes quantidades de fósforo inorgânico, conhecidas como organismos acumuladores de polifosfato (Metcalf & Eddy, 2003). Estas desenvolvem-se principalmente em condições anaeróbias. O desenvolvimento destes microrganismos depende de vários fatores como as condições ambientais, as características do afluente, o modo de operação do sistema, entre outros. Outra alternativa para a remoção do fósforo é a precipitação química.
Existem várias configurações do tratamento biológico por lamas ativadas utilizadas para a oxidação da matéria orgânica e para a nitrificação. Em sistemas convencionais de lamas ativadas o efluente é tipicamente arejado durante um período de tempo em tanques de arejamento retangulares (Davis, 2010). Alguns destes processos são os reatores convencionais de mistura completa, os reatores convencionais de fluxo pistão, alimentação por etapa em regime de fluxo pistão, arejamento prolongado em regime de mistura completa, reatores em ciclos descontínuos sequenciais, como os SBR (Sequencing Batch reactors), entre outros (POMBO, 2010) (Metcalf & Eddy, 2003) (Davis, 2010).
As bactérias nitrificantes crescem mais lentamente do que bactérias heterotróficas, por esse motivo, estes sistemas geralmente apresentam maior tempo de retenção sólidos (TRS) e maior tempo de retenção hidráulico (TRH). Assim, para uma elevada eficiência no tratamento biológico, alguns parâmetros devem estar otimizados como o TRS, o THR, a razão alimento/microrganismo (A/M), a concentração de sólidos suspensos no licor misto (MLSS), entre outros. Na Tabela 5 estão representados os valores típicos desses parâmetros usados nos processos de lamas ativadas para a oxidação da matéria orgânica e nitrificação.
