Comportamento do sistema de lodo ativado sob condições estacionárias em regiões tropicais.

MÔNICA COURA DIAS

COMPORTAMENTO DO S I S T E M A D E LODO A T I V A D O SOB C O N D I Ç Õ E S E S T A C I O N A R I A S EM R E G I Õ E S T R O P I C A I S

Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado em Engenharia Civil da Universidade Federal da Paraíba, em cumprimento as exigências para ob tenção do grau de Mestre.

ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: RECURSOS HÍDRICOS

ORIENTADOR: ADRIANUS CORNÉLIUS VAN HAANDEL

CO-ORIENTADOR: PAULA FRASSINETTI CAVALCANTI CATUNDA

Campina Grande - Pb 1982 „

COMPORTAMENTO DO S I S T E M A DE LODO A T I V A D O SOB C O N D I Ç Õ E S E S T A C I O N Á R I A S EM R E G I Õ E S T R O P I C A I S

MÓNICA COURA DIAS

DISSERTAÇÃO APROVADA EM

ADRIANUS CORNÉLIUS VAN HAANDEL

SÉRGIO ROLIM MENDONCA

MAL-VrlTS" GAMI NI DISSANAYAKE

Campina Grande - Pb 1982

Aos

Professores Adrianus Cornélius Van Haandel e Paula F r a s s i n e t t i Cavalcanti Catunda

pela orientação e revisão do t e x t o .

Ã

Universidade Federal da Paraíba

que me permitiu, como docente, r e a l i z a r esta pesquisa.

Ao

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico -que, através de apoio financeiro, p o s s i b i l i t o u a realização da sente pesquisa.

A Todos

Constante de respiração endógena ( d i a- 1)

Fração não biodegradável e particulada do material orgânico do i n f l u e n t e (mg SVS/mg DQO)

Fração não biodegradável solúvel do material orgânico do i n f l u ente (mg DQO/mg DQO)

Fração de lodo a t i v o decaído e transformada em resíduo endóge no (mg SVS/mg sVSj

Massa diária de DQO no i n f l u e n t e (mg DQO/dia) Massa diária de DQO no efluente (mg DQO/dia)

Massa diária de DQO no lodo de excesso (mg DQO/dia) Massa diária de DQO oxidada (mg DQO/dia)

Massa diária de oxigénio consumido (mg 02/dia)

Massa de sólidos voláteis em suspensão no l i c o r misto (mg SVS) Massa de DQO no efluente por unidade de massa de DQO no i n f l u ente (mg DQO/mg DQO)

Massa de lodo de excesso produzida por unidade de massa de DQO no influente (mg SVS/mg DQO)

Massa de oxigénio consumido por unidade de massa de DQO no i r t fluente (mg 02/mg DQO)

Massa de sólidos voláteis em suspensão no l i c o r misto por u n i dade de massa diária de DQO i n f l u e n t e (mg SVS/mgDQO/d)

Massa de lodo a t i v o no l i c o r misto por unidade de massa diária de DQO i n f l u e n t e (mg SVS/mg DQO/d)

Massa de resíduo endógeno no l i c o r misto por unidade de massa diária de DQO i n f l u e n t e (mg SVS/mg DQO/d)

Massa de lodo inerte no l i c o r misto por unidade de massa diã r i a de DQO i n f l u e n t e (mg SVS/mgDQO/d)

Taxa de consumo de oxigénio no l i c o r misto (mg 0^/Z/dia)

Taxa de consumo de oxigénio para respiração endógena (mg 0?/Z/

dia)

Taxa de oxidação do material biodegradável do i n f l u e n t e (mg DQO/Z/dia)

Razão DQO/SVS do l i c o r misto (mg DQO/mg SVS) Vazão i n f l u e n t e (Z/dia)

Vazão do lodo de excesso (Z/dia) Idade de lodo (dia)

Tempo de permanência do líquido (dia)

Taxa de descarga de lodo de excesso (mg SVS/dia) Taxa de crescimento de lodo a t i v o (mg SVS/Z/dia) Taxa de decaimento de lodo a t i v o (mg SVS/Z/dia) Taxa de respiração endógena (mg SVS/Z/dia)

Taxa de diminuição da concentração de lodo ativo devido ã des carga de lodo de excesso (mg SVS/Z/dia

Concentração de DQO no l i c o r misto (mg DQO/Z) Concentração de DQO i n f l u e n t e (mg DQO/Z) Concentração de DQO efluente (mg DQO/Z)

Concentração t o t a l da DQO i n f l u e n t e não biodegradável (mg DQO/Z) Concentração t o t a l da DQO i n f l u e n t e biodegradável (mg DQO/Z) Volume do reator (Z)

Concentração de lodo a t i v o (mg SVS/Z)

Concentração de resíduo endógeno (mg SVS/Z) Concentração de lodo i n e r t e no reator (mg SVS/Z)

Concentração do material não biodegradável e particulado do influente (mg SVS/Z)

Concentração de sólidos orgânicos (mg SVS/Z) Coeficiente de rendimento (mg SVS/mg DQO)

* O / a ,

RESUMO

Lodo ativado ê, hoje, o sistema mais aplicado para tratamento bio lógico de águas residuãrias. Em regiões de clima f r i o ou temperado, a eficiência desse sistema na remoção de material biodegradável de águas residuãrias tem sido notável. Em contraste, no B r a s i l , onde há vários sistemas em operação, o desempenho dos mesmos tem sido, frequentemente, pouco satisfatório. A razão disso parece estar na adoção de critérios de projeto inadequados para as condições aqui prevalescentes. No presen te trabalho, pretende-se dar uma contribuição ao desenvolvimento de uma t e o r i a de lodo ativado aplicável para regiões t r o p i c a i s . A contribuição se restringe ao modelamento da remoção de material orgânico do i n f l u e n t e , do crescimento de lodo e do consumo de oxigénio, em um sistema de lodo ativado, completamente misturado, sob carga hidráulica e orgânica constante. Operou-se um sistema de lodo ativado em escala de laboratõ r i o a uma temperatura de 28°C, para várias idades de lodo: 3, 10, 20 e 30 dias. Baseados nos resultados observados, desenvolveu-se um modelo que descreve quantitativamente o comportamento do sistema de lodo a t i v a do completamente misturado no que se refere â qualidade do efluente, a produção de lodo e ao consumo de oxigénio para oxidação do material or gânico.

ABSTRACT / f , / y* í ^5

The activated sludge process i s , today, the most widely applied system f o r b i o l o g i c a l watse water treatment. I n regions w i t h cold or temperate climates removal of biodegradable organic material from waste waters has been remarkably e f f i c i e n t . By contrast i n B r a z i l , where seve r a l activated sludge plants are i n operation, performance has been unsa t i s f a c t o r y . The weak performance appears t o be due t o inadequate design c r i t e r i a f o r the l o c a l l y p r e v a i l i n g conditions. I n the present work i t i s attempted t o make a contribution t o the development o f an activated sludge theory, applicable t o t r o p i c a l regions. The contribution i s res t r i c t e d to modelling o f the removal o f organic material from the i n f l u ent, sludge growth and oxygen consumption, i n a completely mixed activa ted sludge process under constant flow and load conditions. A bench scale activated sludge system was operated at a temperatura of 28°C and at various sludge ages: 3, 10, 20 and 30 days. Based on the experimen t a l results a model f o r the activated sludge system i s presented that describes q u a n t i t a t i v e l y the behaviour o f the completely mixed activa ted sludge process insofar as e f f l u e n t q u a l i t y , sludge production and oxygen consumption i s concerned.

SUMÁRIO

Página

1 - INTRODUÇÃO 1

2 - REVISÃO DE LITERATURA 3

2.1. O Sistema de Lodo Ativado 3 2.2. Utilização do Material Biodegradável 4

2.3. Quantificação do Material Orgânico 5

2.4. Composição do Lodo Orgânico 6

2.5. 0 Balanço de Massa de Material Orgânico

2.6. Composição do Material Orgânico Influente 11 2.7. Utilização de Material Orgânico e Crescimento de Lodo . 12

2.8. Modelo para o Sistema de Lodo Ativado com Reator Unitã

r i o , Completamente Misturado 14 2.8.1. 0 Reator Unitário Completamente Misturado 14

2.8 2. 0 Material Não Briodegradãvel ... 15

2.8.3. 0 Material Biodegradável 17

2.8.4. 0 Lodo Ativo 17 2.8.4.1. Crescimento de Lodo Ativo 18

2.8.4.2. Respiração Endógena 18 2.8.4.3. Descarga de Lodo de Excesso 19

2.8.5. 0 Resíduo Endógeno 19 2.8.6. 0 Lodo Orgânico 21 2.8.7. A Taxa de Consumo de Oxigénio 21

2.8.8. Equações Básicas 23 2.9. Considerações para Projeto 24

2.9.1. Constante de Respiração Endógena 25 2.9.2. Parâmetros de Massa de Lodo 26

2.9.3. Fração de Resíduo Endógeno 26 2.9.4. Coeficiente de Rendimento 27 2.9.5. Composição da DQO do Influente 28 2.9.5.1. Fração não Biodegradável e Solúvel, f 28

2.9.5.2. Fração não Biodegradável e P a r t i c u l a d a ^ ^ 28 2.10.. 1.fluência da Composição de Material Orgânico Influente 30

2.10.1. Massa de Lodo no Sistema 30

2.10.2. Produção de Lodo 30 2.10.3. 0 Consumo de Oxigénio 31 2.11. Observações Finais 31 2.12. Tabelas ^ <u. 33 • • • • • • • • • .31_1 <£> < 'o- \ 2.13. Figuras .-^^ .<£. V;. . 3 - MATERIAIS E MÉTODOS 48 t 48 3.1. Descrição do Sistema \,% £ % 1

3.2. Procedimento Operacional T».&.%%.\.-t> 51

3.3. Procedimento Analítico ç. «V 53

•Sr

3.4. Figura 54

4 - APRESENTAÇÃO E INTERPRETAÇÃO DOS RESULTADOS 56

4.1. Valor de P 57

4.2. Balanço de Massa de Material Orgânico 58 4.3. Aplicação do Modelo de Lodo Ativado 59

4.4. Tabelas 63 4.5. Figuras 78 5 - DISCUSSÃO 91

Página

6.1. Mecanismo de Remoção de Material Orgânico no Influente,

de Crescimento de Lodo e de Consumo de Oxigénio 96

6.2. Critérios de Projeto de Sistemas de Lodo Ativado 97 6.3. Quanto a Operação do Sistema de Lodo Ativado 99

7 - SUGESTÕES 101

Desde sua descoberta por Lockett e Adern, em 1914, o sistema de l o do ativado tem sido emplementado em muitos países sendo, hoje, o sistema mais divulgado para o tratamento de esgoto municipal. A ampla aplicação de sistemas de lodo ativado se deve, provavelmente, ã sua notável eficiên cia na remoção de material orgânico de esgoto (95 por cento ou mais do ma t e r i a l biodegradável) e a sua a l t a reatividade quando comparados com ou tros sistemas biológicos de tratamento de esgoto. A a l t a reatividade per mite um volume do sistema relativamente pequeno.

Outro aspecto de grande importância é que o sistema de lodo ativado quando projetado apropriadamente, ê capaz de remover biologicamente gran de parte de macronutrientes, nitrogénio e fósforo, presentes em esgoto mu n i c i p a l .

No B r a s i l há vários sistemas de lodo ativado em operação. No entan t o , o desempenho desses sistemas muitas vezes não tem sido satisfatório. I s t o se deve, provavelmente, ao f a t o de que no projeto de sistemas de l o do ativado usa-se critérios baseados em experiências estrangeiras, geral mente norte-americanas ou europeia. Entretanto, esses critérios nem sem pre se aplicam as condições b r a s i l e i r a s e se torna necessário o desenvol vimento de critérios compatíveis com as condições locais.

A presente dissertação tem, como f i n a l i d a d e , o desenvolvimento de um modelo que descreva, quantitativamente, os aspectos mais importantes do comportamento de sistemas de lodo ativado, completamente misturado sob condições que prevalecem em regiões t r o p i c a i s . Os aspectos mencionados se referem: (1) â concentração do material orgânico no efluente; (2) â produção de lodo e (3) ao consumo de oxigénio. Foram gerados dados experi mentais desses aspectos, operando-se um sistema de lodo ativado completa

se esgoto bruto municipal da cidade de Campina Grande.

Para i n t e r p r e t a r os resultados da investigação experimental, tomou-se como ponto de partida a t e o r i a de lodo ativado detomou-senvolvida pelo Pro fessor G.V.R. Marais e seus colaboradores, na Universidade da cidade do Cabo - .Africa do Sul. Essa t e o r i a f o i escolhida por três razões:

1. é a única que incorpora, racionalmente, os três aspectos bãsi cos de lodo ativado: qualidade do efluente, produção de lodo e consumo de oxigénio;

2. f o i amplamente testada, com bastante êxito, em sistemas operan do em regiões de clima temperado (temperatura de 14 a 20°C);

3. ê a mais completa e versátil hoje disponível. Ela não só descrê ve a degradação de material orgânico no sistema como permite a incorpora ção de nitrificação, desnitrificação e remoção biológica de fósforo.

Verificou-se que a t e o r i a de Marais ê aplicável a sistemas de lodo ativado operando a uma temperatura de 28°C, estendendo-se assim a valida de da teoria para a f a i x a de 20 a 28°C, i s t o ê, a faixa de temperaturas normalmente encontradas no B r a s i l . Foi possível determinar as constantes básicas das equações que descrevem o comportamento de lodo ativado. Os va lores dessas constantes são idênticos ou muito similares aos valores en contrados por Marais e outros pesquisadores, com exceção das constantes que definem a composição de material orgânico no i n f l u e n t e . Esse desvio se deve, provavelmente, as particularidades da rede coletora de esgoto em Campina Grande.

U N'V_{P r è - K l - i t n H » P} L ^, D A D e F E D E ^ O* PAR A l B A

*«>nmtol d o I n t e r i o r

Uo-denncão SetorJoi de rõs-Grcduoção ttíAprígid Veb.so.SS2 TH (33) 321-7222-8 355

2.1 - O Sistema de Ledo Ativado

0 sistema de lodo ativado é um dos processos biológicos de tratamen to de aguas residuãrias onde o lodo se encontra em suspensão.

A parte p r i n c i p a l de um sistema de lodo ativado é o reator (ou uma série de reatores intercalados) construído, geralmente, em concreto arma do no qual o esgoto - o i n f l u e n t e - ê descarregado. 0 conteúdo do reator ê mantido em ambiente aeróbio através de aeração mecânica, ou seja, insu fiação de bolhas de ar, ou aeração s u p e r f i c i a l . 0 ambiente aeróbio e a disponibilidade do material orgânico são fatores que favorecem o desenvol vimento de uma massa de microorganismos heterótrofos no reator. Esses se agregam às partículas sólidas orgânicas e inorgânicas, formando flocos ma croscõpicos cujos diâmetros variam de 0,2mm a 0,5mm. Os flocos formam o lodo ativado que ê assim chamado porque parte do lodo apresenta a t i v i d a des biológicas na remoção do material orgânico da fase líquida. Os flocos mais densos que o líquido são mantidos em suspensão no reator, devido à

agitação mecânica. Essa suspensão ê chamada l i c o r misto.

Os sistemas de lodo ativado são operados com o volume do reator man t i d o constante. A vazão contínua do esgoto i n f l u e n t e provoca uma igual va zão de descarga do l i c o r misto. 0 l i c o r misto chega a um decantador onde hã separação de sólidos (os flocos de lodo ativado) e líquido (o esgoto tratado) através de sedimentação por gravidade. 0 sobrenadante do decan tador c o n s t i t u i o efluente do sistema e ê descarregado em um corpo recep t o r . Quando o sistema ê projetado apropriadamente, os teores de sólidos e de material orgânico no efluente, que ainda podem ser u t i l i z a d o s por mi croorganismos, são i n s i g n i f i c a n t e s . 0 lodo sedimentado ê recirculado do decantador para o reator onde ê misturado novamente com o l i c o r misto. A

Figura 2.1 i l u s t r a um sistema de lodo ativado com um reator unitário.

Devido â contínua transformação de parte do material orgânico do i n fluente em nova massa c e l u l a r , há uma produção de lodo no sistema de lodo ativado. A fim de se manter uma massa de lodo constante no sistema, uma quantidade equivalente ao lodo produzido ê descarregada do sistema. 0 l o do descarregado ê chamado lodo de excesso.

2.2 - Utilização do M a t e r i a l Biodegradável

Para se descrever, quantitativamente, o comportamento do sistema de lodo ativado, é preciso modelar o processo mais importante que se desen volve no sistema: a remoção de material orgânico. Uma parte do m a t e r i a l orgânico i n f l u e n t e é u t i l i z a d a pelos microorganismos e c o n s t i t u i o materi a l biodegradável. A parte restante do m a t e r i a l orgânico que não ê afeta da pela atividade biológica dos microorganismos, vem a ser o material não biodegradável.

A utilização do material biodegradável do esgoto pelos microorganis mos no sistema de lodo ativado, realiza-se através de dois mecanismos d i s

t i n t o s que ocorrem simultaneamente: 1 - uma parte do material biodegradã v e l é incorporada como massa celular nos microorganismos vivos. Esse me

canismo chama-se síntese ou anabolismo; 2 - o restante do m a t e r i a l biode gradãvel é oxidado para produtos minerais, principalmente dióxido de car bono e água. Esse outro mecanismo, que requer a mediação de microorganis mos ativos e a presença de um oxidante (oxigénio d i s s o l v i d o ) , chama-se catabolismo.

Na oxidação de material orgânico há liberação de energia. Por outro lado, para haver síntese os microorganismos precisam de energia a fim de transformar o m a t e r i a l biodegradável em massa celular. Os microorganismos no sistema de lodo ativado usam parte da energia liberada na oxidação do material orgânico para a síntese de nova massa celular (Serviz e Bogan,

U N I V E R S I D A D E F F O F R U D » P Í R â l B A

P i é * N f i u . r i » Pura Aunrttra Ho Interior CoO'demiÇQO Setorial de lós-Graduação

RUd Apriaio Velaso. 882 - Tel (083) 321-7222-H 355

Na utilização do material orgânico biodegradável, hã uma proporção constante entre as fraçoes do material u t i l i z a d o para catabolismo e anabo lismo. Marais e Ekama (1976), demonstraram que aproximadamente 1/3 do material biodegradável ê oxidado e 2/3 são sintetizados.

2.3 - Quantificação do Material Orgânico

Uma dificuldade de fundamental interesse na quantificação do materi a l orgânico, está em como expressar a concentração deste material. As águas residuãrias municipais contém uma grande variedade de compostos or gânicos sendo, pois, impossível determinar a todos individualmente. Na tecnologia de tratamento de águas residuãrias, dois parâmetros de uso r o t i n e i r o foram desenvolvidos para avaliar a concentração do material orgâ nico: a Demanda Bioquímica de Oxigénio (DBO) e a Demanda Química de Oxj génio (DQO).

Os testes da DBO e da DQO fornecem medidas indiretas da concentra ção de material orgânico, em uma água, através da determinação da concen tração de um oxidante que é consumido na oxidação daquele material. No teste da DBO, o oxigénio ê o oxidante e se determina a diminuição da con centração de oxigénio dissolvido em uma amostra de água residuária, após um período de incubação (geralmente 5 d i a s ) , a determinada temperatura

(geralmente 20°C). Durante a incubação apenas uma parte do material b i o degradãvel ê oxidada. No teste da DQO,o oxidante u t i l i z a d o ê o dicroma t o de potássio em meio ácido e a oxidação do material orgânico (ambas as fraçoes biodegradável e não biodegradável) ê praticamente completa.

0 t e s t e da DQO oferece uma vantagem de grande importância para o mo delamento do processo de lodo ativado. Tal vantagem reside no f a t o de que ele permite fazer um balanço de massa de material orgânico. No balan ço de massa, em um sistema de lodo ativado sob condições estacionárias, a

V « W v F R s i n í h F FF D' tf A | n A P A R A I B A

^ r-6-Ue u . n a Para A y » „ „ t , . , d . . I n t r r í o r í'ro de.-rcvo Setorial de Fós-Giadiioçtto Kuaíprigio Vel-jso. 832 Tel (083) 321-7222-R 355

massa de DQO que entra no sistema como i n f l u e n t e deve se igualar â soma das massas de DQO que deixam o sistema na forma de material orgânico d i s solvido no efluente, na forma de m a t e r i a l sólido no lodo de excesso e na forma inorgânica como resultado da oxidação do material orgânico. A massa de material orgânico que sofre oxidação, por definição, e igual à massa de oxigénio necessário para a oxidação deste material. 0 balanço de mas sa não pode ser f e i t o quando se usa o teste da DBO (vide seção 2.5).

2.4 - Composição do Lodo Orgânico

Em sistemas de lodo ativado, nem todo o lodo orgânico é massa de mi croorganismos vivos. Marais e Ekama (1976), consideraram que o lodo orgâ nico em sistemas de lodo ativado ê composto de três fraçoes: 1 - lodo ativo; 2 - resíduo endógeno e 3 - lodo i n e r t e . A divisão do lodo orgâni co nessas três fraçoes ê puramente teórica. Somente a concentração de l o do orgânico t o t a l pode ser determinada experimentalmente. Entretanto, usan do a subdivisão do lodo orgânico segundo essas três fraçoes, Marais e Eka ma (1976) desenvolveram um modelo consistente que permite descrever s a t i s fatoriamente o comportamento de sistemas de lodo ativado, numa ampla f a i xa de condições operacionais. Por esta razão, a subdivisão do lodo orgâ nico nas três fraçoes é amplamente aceita.

Em um sistema de lodo ativado, o lodo a t i v o consiste da massa de mi croorganismos vivos. Ele é gerado pela síntese do material orgânico b i o degradãvel do i n f l u e n t e . A composição dos microorganismos vivos em um sistema de lodo ativado é altamente complexa. Além de uma grande varieda de de espécies de células unitárias (bactérias, fungos, protozoários), há uma gama de organismos superiores (rotíferos, c i l i a d o s ) . Apesar da natu reza complexa da massa dos microorganismos, considera-se, muitas vezes, que para e f e i t o s de modelamento esta massa pode ser descrita como uma sus pensão equivalente de bactérias no l i c o r misto (Marais e Ekama, 1976). Va

racterísticas bem diferentes daquelas encontradas em culturas puras de bactérias.

Independente do crescimento do lodo ativo devido à síntese há, tam bem, decaimento de lodo a t i v o . 0 processo de decaimento do lodo ativo é chamado respiração endógena. Washington e Hetling (1962), demonstraram, experimentalmente, que no processo de respiração endógena somente uma f r a ção da massa de microorganismo permanece como sólidos orgânicos biodegra dáveis. A parte do lodo ativo decaído que se transforma em sólido orgâni co não biodegradável, chama-se resíduo endógeno. 0 resíduo endógeno faz parte dos flocos de lodo e se acumula no sistema de lodo ativado até ser descarregado com o lodo de excesso.

A t e r c e i r a fração de lodo orgânico, o lodo i n e r t e , é" gerada do ma t e r i a l não biodegradável e particulado presente no i n f l u e n t e . Esse materi a l não sofre nenhuma modificação química ou bioquímica. No entanto, o l o do inerte ê removido fisicamente da fase líquida por um processo de f l o c u lação no l i c o r misto, e passa a fazer parte do logo orgânico.

No exposto acima, considerou-se apenas os microorganismos heterótro fos ativos na utilização do material orgânico. Entretanto, certos micro organismos autótrofos podem se desenvolver, também, em sistemas de lodo ativado. Os mais importantes são as Nitrosomonas e Nitrobacter que mediam a oxidação de amónia para n i t r a t o . 0 modelamento dessa oxidação, n i t r i f j cação, não ê objetivo deste trabalho.

2.5 - 0 Balanço de Massa de Material Orgânico

A oxidação quase completa do material orgânico no teste da DQO, pos s i b i l i t a que se faça um balanço de massa do material orgânico, em um s i s tema de lodo ativado, quando este é operado sob um regime estacionário. A massa de DQO que entra no sistema deverá s a i r , do mesmo, segundo as se

guintes formas:

1 - uma fração deixa o sistema com o efluente sem ser afetada pela atividade biológica dos microorganismos;

2 - uma segunda fração é destruída por oxidação, i s t o ê, os e l e trons desta fração são transferidos para o oxigénio. Por definição, o consumo de 1 g de oxigénio para a oxidação do material orgânico implica na destruição de 1 g de DQO;

3 - a fração restante ê incorporada à massa de lodo através de sín tese ou floculação. Essa fração deixa o sistema com o lodo de excesso.

Desta forma, o balanço de massa da DQO pode ser expresso como se se gue:

MS.. = MS + MS,. + MO 2.1

t i t e L c

onde:

MSt^ = massa diária de DQO no i n f l u e n t e (mgDQO/dia)

MSte = massa diária de DQO no efluente (mgDQO/dia)

MS^ = massa diária de DQO no lodo de excesso (mgDQO/dia) M0c = massa diária de DQO oxidada (mgDQO/dia)

= massa diária de oxigénio consumido (mgC^/dia).

Quando o sistema ê operado sob condições estacionárias, istoê,quan do o comportamento do sistema é invariável com o tempo, e os procedimen tos analíticos forem corretos, então, necessariamente, v e r i f i c a - s e a v a l i dade da Equação 2.1. Alternativamente, a verificação experimental da equação 2.1 ê uma f o r t e indicação de que o sistema opera sob condições es tacionãrias e que os procedimentos analíticos estão corretos.

A expressão do balanço de massa, Equação 2.1, pode ser e s c r i t a de uma maneira mais conveniente, fazendo-se as seguintes considerações:

1 - existe uma relação l i n e a r entre a DQO do lodo orgânico e sua concentração (Eckenfelder e Weston, 1956), dada por:

U N I V E R S I D A D E F E 0 F H A L DA P A R A l B A

P i ó - R r i t o r i n Pata Aifiintos d o Interior

Coordenação Setorial de Pós-Giaduação Rud Aprígio Veloso. 882 - Tel (083) 321 7222-8 355

\ ' P - X v 2.2

onde:

SL = concentração da DQO no l i c o r misto (mgDQO/£)

\ = concentração de sólidos orgânicos no l i c o r misto (mgSVS/£)

e, P = razão DQO/SVS do l i c o r misto.

Quando a idade de lodo do sistema tem um valor de "R ", então, por definição, uma fração l/R do l i c o r misto ê descarregada diariamente como

lodo de excesso. Portanto:

= P . MXy/Rs 2.3

ou,

onde:

M SL = P . V . X /R 2.4

L r v s

MX^ = massa de sólidos voláteis em suspensão no l i c o r misto (mg SVS)

R = idade de lodo (dia) s

e, Vr = volume do reator (£)

2 - a massa diária de DQO oxidada ê i g u a l ao produto da taxa de con sumo de oxigénio pelo volume do r e a t o r :

M0C = Vr, . 0c 2.5

onde:

0C = oxigénio consumido no l i c o r misto (mg 02/^/dia)

3 - a parte da DQO do i n f l u e n t e que permanece dissolvida, ê descar regada pelas vazões do efluente e do lodo de excesso. A concentração da DQO na vazão do efluente é igual â concentração da DQO dissolvida na va zão do lodo de excesso. Assim:

MSt e - « , - q) • S • q . S « « ' V « „W M 2-6

nor

ou,

« t e ' Qi • st e

onde:

St e = concentração da DQO no efluente (mgDQO/£)

Q^ = vazão i n f l u e n t e (£/dia)

e, q = vazão do lodo de excesso (£/dia)

4 - a massa diária da DQO no i n f l u e n t e ê dada pelo produto da vazão influente pela DQO, também i n f l u e n t e . Ou seja:

MSti = Q, . St i 2.8

Substituindo-se as Equações 2.3, 2.5, 2.7 e 2.8 na Equação 2.1, e dividindo-se por Q^, tem-se:

S t i = St e + P ' Xv •

<VV

h

onde:

S.- = concentração de DQO i n f l u e n t e (mg DQO/£) R^ = tempo de permanência do líquido (dia)

No sistema de lodo ativado, parte do material biodegradável do i n f l u ente é sintetizada para lodo a t i v o , e parte desse lodo a t i v o , por sua vez, através de respiração endógena, transforma-se em material não biodegradá v e l , o resíduo endógeno. Desta maneira, uma parte do material biodegradá vel i n f l u e n t e (que apresenta DBO), é transformada em resíduo endógeno, ma t e r i a l não biodegradável (que não apresenta DBO). Portanto, a DBO do i n fluente será sempre maior que a soma da DBO do efluente e do lodo de exces so mais o oxigénio consumido. Consequentemente, o teste da DBO não se presta para fazer o balanço de massa.

Uma vantagem adicional do t e s t e da DQO comparado com o teste da DBO ê que, com o primeiro, o resultado é obtido em mais ou menos 2 horas, en quanto que o segundo leva cinco dias. Desta maneira, usando-se a DQO é possível c o r r i g i r , em tempo hábil, a concentração de material orgânico do influente para se obter um valor constante.

A possibilidade de se fazer um balanço de massa quando se usa o tes te da DQO e a rapidez r e l a t i v a deste t e s t e , foram as razões para sua ado ção como medida de concentração de material orgânico no presente trabalho.

2.6 - Composição do Material Orgânico Influente

0 teste da DQO sõ permite determinar a concentração t o t a l de materi a l orgânico numa amostra, i s t o ê, não e possível fazer uma distinção en t r e o material biodegradável do não biodegradável. Sabe-se que em águas residuãrias municipais existem ambas as fraçoes. Marais e Ekama (1976), determinaram, em sistemas de lodo ativado, as fraçoes biodegradável e não biodegradável do material orgânico no i n f l u e n t e , indiretamente, através de observações da concentração da DQO no efluente, da quantidade de lodo de excesso produzida e da taxa de consumo de oxigénio. 0 m a t e r i a l não b i odegradãvel f o i subdividido em duas outras fraçoes: uma fração não biode gradável e solúvel e outra não biodegradável e particulada. Deste modo, tem-se que o m a t e r i a l orgânico do i n f l u e n t e apresenta três fraçoes bãsi cas:

a - a fração correspondente ao material biodegradável. Esse materi a l é quase totalmente u t i l i z a d o no sistema, podendo ser encontrado no l o do de excesso e no efluente em quantidades i n s i g n i f i c a n t e s ;

b - a fração r e l a t i v a ao m a t e r i a l não biodegradável e solúvel. Esse material não é afetado no sistema. Entra v i a vazão i n f l u e n t e e sai com o

efluente;

c - a fração devida ao material não biodegradável e particulado que a exemplo do material não biodegradável e solúvel, também não sofre nenhu ma modificação bioquímica. No entanto, esse material se distingue daque l e outro, não biodegradável e solúvel, por sofrer ação física do lodo. 0 material não biodegradável e particulado ê floculado (biofloculação) e passa a fazer parte dos flocos, dando origem â fração de lodo i n e r t e dos

sólidos orgânicos.

A subdivisão do m a t e r i a l orgânico proposta por Marais e Ekama(1976) ê teórica e, provavelmente, é uma simplificação de uma realidade mais com plexa. Contudo, parece ser j u s t i f i c a d a pelo f a t o de que permite descrê ver, quantitativamente, todos os parâmetros mensuráveis relacionados com o material orgânico no processo de lodo ativado. Esses parâmetros são a DQO do efluente e do l i c o r misto, a concentração de lodo no sistema, a produção de lodo de excesso e o consumo de oxigénio. A Figura 2.2 mostra esquematicamente a divisão do material orgânico do influente e suas f r a ções e o comportamento dessas três fraçoes em um sistema de lodo ativado.

2.7 - Utilização de Material Orgânico e Crescimento de Lodo

Quando o material orgânico biodegradável estã em contato com o lodo a t i v o em um ambiente aeróbio, os seguintes fenómenos poderão ocorrer:

l - o material orgânico biodegradável é removido da fase líquida. Na utilização de material biodegradável pelo lodo a t i v o , uma parte ê s i n tetizada e transformada em lodo ativo e a parte restante é oxidada. A oxi dação do material orgânico implica em consumo de oxigénio e a síntese em crescimento de lodo a t i v o ;

2 - independente da utilização do m a t e r i a l orgânico para oxidação e síntese, há decaimento do lodo ativo através da respiração endógena, com produção de resíduo endógeno.

0 esquema representado na Figura 2.3 mostra os processos que se de senvolvem em um sistema de lodo ativado, tratando esgoto municipal. As fraçoes do material orgânico do influente e do lodo orgânico, gerado no sistema, também estão indicadas. A p a r t i r daquele esquema, as seguintes questões básicas podem ser formuladas:

material orgânico do influente?

2 - quando o material biodegradável ê u t i l i z a d o , qual é a parte do material que ê oxidada e qual ê a parte que ê sintetizada?

3 - qual é a taxa de remoção de material biodegradável da fase lí quida?

4 - qual ê a taxa de utilização de material biodegradável e as con sequentes taxas de crescimento de lodo ativo e de consumo de oxigénio?

5 - qual é a taxa de respiração endógena?

Para responder a essas questões básicas, torna-se necessário desen volver um modelo matemático que descreva, quantitativamente, os processos que se desenvolvem em um sistema de lodo ativado. 0 modelo deverá ser tes tado experimentalmente através de observações do comportamento do sistema de lodo ativado, sob condições operacionais mais diversificadas possíveis

As duas primeiras questões básicas formuladas, tratam de parâmetros de massa, enquanto que as três últimas de fenómenos cinéticos. Pretende-se, com o presente trabalho, responder as duas primeiras questões. Para t a l , tomar-se-ã como ponto de partida o modelo desen "volvido por Marais e Ekama e apresentado aqui neste capítulo.

Os aspectos cinéticos da utilização do material biodegradável do i n fluente podem deixar de ser considerados somente quando, a qualquer momen t o , a utilização desse material no sistema é completa. Essa situação se v e r i f i c a com boa aproximadação, em um sistema de lodo ativado com reator unitário, completamente misturado, alimentado com carga hidráulica e orgâ nica constante e quando a idade de lodo ê suficientemente longa. Van Haan -dei e Marais (1981), estimaram que a idade mínima de lodo para que 951 do material biodegradável do i n f l u e n t e , a 20°C, seja u t i l i z a d o , ê de dois dias. A uma temperatura mais elevada, esta idade mínima de lodo será

U N I V E R S I D A D E F E D E R A L D A P A R A l B A P r 6. |(n , n , i9 P - a A — « V t iln

mais curta. A f i m de se eliminar os efeitos cinéticos e baseados nos es

tudos de Van Haanderl e Iterais a presente pesquisa desenvolveu-se em um

sistema de lodo ativado, completamente misturado, com carga hidráulica e orgânica constante e com idade de lodo mínima de 3 dias.

2.8 - Modelo para o Sistema de Lodo Ativado com Reator Unitário, Completa mente misturado

2.8.1 - 0 Reator Unitário Completamente Misturado

Para se modelar o comportamento de um sistema dé lodo ativado com reator unitário completamente misturado, torna-se necessário fazer duas suposições:

1 - que a massa de lodo no decantador seja desprezível em relação ã massa de lodo do reator. Essa suposição sõ é válida se o decantador do sistema f o r dimensionado com uma grande superfície, de modo que uma peque na quantidade de lodo seja r e t i d a e,

2 - que a descarga contínua de lodo de excesso seja diretamente do reator.

Como em condições estacionárias de carga a massa de. lodo no sistema não varia com o tempo, a taxa de produção de lodo no sistema ê igual â t a xa de descarga de lodo de excesso que é dada por:

rw = Vr . ( d X / d t ) 2.10

ou,

r = q . X 2.11 w n v

onde:

r = taxa de descarga de lodo de excesso (mgSVS/dia). W

A taxa de descarga de lodo de excesso determina o tempo médio de permanência de sólidos (o lodo) ou a idade de lodo. A idade de lodo é da da pela razão: massa de lodo no sistema/taxa de descarga de lodo. Cu seja:

R = (V . X )/(X . q) 2.12 s v r v v M

ou,

Rs = Vr/q 2.13

Observa-se que a idade de lodo não deperide do tempo de permanência do líquido, R^, que ê dado por:

RK = V /Q- 2.14

h rx i

Como a vazão de descarga de lodo de excesso q não poderá ser maior que a vazão do i n f l u e n t e Q., a idade de lodo ê sempre maior que o tempo de permanência do líquido. Dividindo-se Rs por R^, tem-se:

Rs/Rh - t y q 2.15

Definidos os parâmetros Rs e R^, ê possível derivar equações para

a concentração da DQO efluente, as concentrações das fraçoes de lodo no sistema e a taxa de consumo de oxigénio. Esses são os parâmetros de mai or interesse para descrever o comportamento de sistemas de lodo ativado.

2.8.2 - 0 Material Não Biodegradável

Quando em um sistema de lodo ativado com reator unitário o material biodegradável ê completamente u t i l i z a d o , a DQO do l i c o r misto f i l t r a d o é igual â DQO do efluente e representa a concentração da DQO não biodegradá v e l e solúvel do i n f l u e n t e . Definindo-se f como a fração não biodegra dãvel e solúvel do material orgânico do i n f l u e n t e , tem-se que:

St e ' fu s •S t i 2'1 6

0 m a t e r i a l não biodegradável e particulado do i n f l u e n t e é floculado dentro do reator e faz parte do lodo orgânico, o lodo i n e r t e . A concen tração do lodo i n e r t e presente no lodo orgânico ê gerada pelo material não biodegradável e particulado do i n f l u e n t e e pode ser determinada por um balanço de massa. Como esse material não p a r t i c i p a de processos

com o i n f l u e n t e deve ser igual à vazão de massa de lodo inerte que s a i no lodo de excesso. Portanto:

Xi r - C y q . X . , 2.17

onde:

e,

X-. = concentração do material nao biodegradável e particulado do influente (mgSVS/£)

X^r = concentração de lodo i n e r t e no reator (mgSVS/£).

Substituindo-se a Equação 2.15 na Equação 2.17, tem-se que:

Xi r =

V

h

A concentração de material não biodegradável e particulado, X.^, po de ser expressa em termos da concentração de DQO do i n f l u e n t e , S^, como se segue:

X-- = f . S.- 2.19 i i up t i

onde:

f = razão entre a concentração de material nao biodegradável e particulado, em mgSVS/£ e da DQO t o t a l do i n f l u e n t e , em mgDQO/£.

Assim, a concentração de lodo i n e r t e pode ser reescrita como:

X. - f . R /R, . s+- 2.20

i r up s

h

Para se t e r a fração de DQO i n f l u e n t e não biodegradável e p a r t i c u l a do, e como f u é expressa em mgSVS/mgDQO, deve-se m u l t i p l i c a r o valor de

f pelo f a t o r P que ê o equivalente em DQO de lodo orgânico.

A expressão para a concentração t o t a l de DQO não biodegradável do influente, S em mgDQ0/£, ê dada por:

S - = ( f + P . f ) . S.- 2.21 u i *• us up^ t l

Consequentemente, a concentração da DQO biodegradável do i n f l u e n t e ,

JNIVFRSinanp F F P^M I na P A R A Í B A

P r ó - R e i t o r i a Paia A s s i m i m d o I n t e r i o r

Coordenoçco Seloricl de fós-Gruduaçõo

aua Aprígio Veloso. 882 - Te] (083) 321 7222-8 355 68.100 - Campina Grande - Paraíba

SM, em mgDQO/£, é:

Sbi = S t i " Su i =S t i - ^fus + P ' V •S t i 2"2 2

ou, ainda,

\ i - V ~ £us - P ' V 'S t i 2'2 3

2.8.3 - 0 Material Biodegradável

Quando a utilização do material biodegradável é completa, a taxa de utilização deste material ê igual â taxa de alimentação. Portanto:

ru = ( d Sb i/ d t )a - - S ^ 2.24

onde:

ru = taxa de utilização de m a t e r i a l biodegradável (mgDQO/-£/xiia)

e,

(dS^^/dt)a - taxa de alimentação do material biodegradável; o ín

dice a refere-se ã alimentação (mgDQO/£/dia).

2.8.4 - 0 Lodo Ativo

Quando um sistema de lodo ativado com reator unitário completamente misturado é operado com carga hidráulica e orgânica constante, não há va riâçãó da concentração de lodo a t i v o , i s t o é, dX /dt = 0, com dXo/dt em

mgSVS/£/dia. A concentração de lodo a t i v o pode ser determinada, também, através de um balanço de massa. Sob condições estacionárias, a taxa de crescimento de lodo a t i v o é igual â soma da taxa de decaimento (respira ção endógena) e da taxa de descarga do lodo a t i v o . Assim:

dX /dt = (dX /dt) + (dX / d t ) + (dX / d t ) = 0 2.25 3. 3. C 3. T6 3 W

ou,

( d Xa/ d t )c - - ( d Xa/ d t )r e - ( d Xa/ d t )w 2.26

onde: X ê 3 concentração de lodo a t i v o , em mgSVS/£, e os índices c, r e 3

excesso, respectivamente.

2-8.4.1 - Crescimento de Lodo A t i v o

0:crescimento de lodo a t i v o se deve â síntese de material biodegradá v e l . Para o modelamento de sistema de lodo ativado, deve ser considerado que uma fração constante do m a t e r i a l biodegradável u t i l i z a d o é s i n t e t i z a da, i s t o é, há uma relação proporcional entre o aumento da massa de lodo ativo, devido ao crescimento e ã massa de material biodegradável u t i l i z a da. A constante de proporcionalidade é o c o e f i c i e n t e de rendimento de cres cimento, Y^, que se refere ao aumento da massa de lodo a t i v o , em mg SVS, por unidade de massa de DQO u t i l i z a d a . Assim:

Yh =

-

^ a V ^ u

Desta forma, a taxa de crescimento de lodo a t i v o , r , em mgSVS/£/dia, ê:

rc = ( d Xa/ d t )c = - Yh . r u 2.28

ou, usando-se a Equação 2.24, tem-se:

c n

A suposição de que o valor de Y^ seja constante, implica que, na

r_ = - Y*. . Sbi/Rh 2.29

utilização do material biodegradável, há uma proporção f i x a entre a DQO u t i l i z a d a e a DQO oxidada. A fração de DQO oxidada é calculada da seguinte maneira: quando 1 mg de DQO é u t i l i z a d o , há um aumento da massa do lodo ativo de Yh mgSVS. A DQO de Yh mgSVS é igual a P . Yh mgDQO. Desta manei

ra, uma fração P . Y^ do material biodegradável ê transformada em lodo (síntese). 0 restante, uma fração 1 -P. Y^, é oxidada.

2.8.4.2 - Respiração Endógena

Considerando que somente a fração a t i v a do lodo orgânico é s u j e i t a a respiração endógena, Marais e Ekama (1976) propuseram uma reação de primei ra ordem, para modelar o processo de respiração endógena, qual seja:

r

r e

(

V

)

e

~

h '

a

-

onde:

rr e = taxa de respiração endógena (mgSVS/£/dia)

= taxa de decaimento do lodo ativo e,

= constante de respiração endógena ( d i a-^ )

2.8.4.3 - Descarga do Lodo de Excesso

A taxa de diminuição da concentração de lodo a t i v o devido ã descar ga de lodo dè excesso, r d , por definição ê dada pela razão da massa diã r i a de lodo a t i v o descarregado e o volume do reator:

®Vdt>» = rd = - 1 • 2-3 1

Substituindo para q da Eq. 2.13, tem-se

r , = - X /R 2.32 d a s

Substituindo-se as Equações 2.29, 2.30 e 2.32 na Equação 2.25, e se evidenciando X , tem-se:

a

Y, . R . Sr •

x = — b — § — b i 2 i 3 3

Substituindo-se, ainda, da Equação 2.33 pelo seu valor dado na Equação 2.23, tem-se: Y,.R . (1 - f -P . f ) .St. X = h s us uyJ i 2 3 4 a (1 +b, .R ) .R. v h sJ n 2.8.5 - 0 Resíduo Endógeno

Na operação de sistemas de lodo ativado, estabelece-se uma concen tração constante do resíduo endógeno. Essa concentração é dada pela con dição de que a taxa de produção de resíduo endógeno, devido ã respiração

endógena, ê i g u a l â taxa de descarga no lodo de excesso, ou seja:

onde:

(dX^/dt) = ( d Xç/ d t )r e + ( d Xe/ d t )w = 0 2.35

X = concentraççao de resíduo endógeno (mgSVS/£)

e,

(dXe/dt) = taxa de variação da"concentração do resíduo endógeno

(mgSVS/£/dia).

Os índices r e e w se referem ã respiração endógena e â descarga de lodo de excesso, respectivamente.

Quando o lodo a t i v o decai, determinada fração constante ê transfor mada em resíduo endógeno e o restante ê oxidado. A taxa de produção de re

síduo endógeno é proporcional â taxa de decaimento de lodo a t i v o , sendo a constante de proporcionalidade a fração de lodo ativo decaído que se transforma em resíduo endógeno. Portanto:

( d Xe/ d t )r e = - f ( d Xa/ d t )r e. = f . bh. Xa 2.36

onde :

f = fração de lodo a t i v o decaído e transformado em resíduo endóge no

( d Xe/ d t )r e = taxa de produção de resíduo endógeno (mgSVS/£/dia)

A taxa de descarga de resíduo endógeno, em mgSVS/£/dia, é dada por:

(dX / d t ) = - X /R 2.37

v e' J\i e s

Substituindo-se as Equações 2.35e 2.36 na Equação 2.37 e se eviden ciando a concentração do resíduo endógeno, X , tem-se:

X = f . b. . R . X 2.38 e n s a ou, ainda, Xe = f • V R ^ . Y h . fl-fus-p- W - S t i 2'3 9 d+bh. Rs) . Rh U N I V E R S I D A D E F E D E R A L DA P A R A l B A P r ó -R e i t o r i a Para Assomos d o I n t e r i o r

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2.8.6 - O Lodo Orgânico

0 lodo orgânico ê composto de três fraçoes básicas: o lodo a t i v o , resíduo endógeno e lodo i n e r t e . Então, a concentração de lodo orgânico, Xy, ê dada por:

X + XQ + X. a e i r 2.40 ou, ( 1 - £ -P . f ) . Y, .R .S_ us up h s t i Cl - £ - P . £ ) us up ( l + b h. Rs) b, . R . Y, . S„. h s h t i + £ . R . S^./R up s t i n 2.41 ou, ainda, V ( 1 - f - P . f ).Y,.F . ( 1 + f.b. .R ) us _up_ h s h s 1 + bh.Rs + f .R up s St i/ Rh 2.42

2.8.7 - A Taxa de Consumo de Oxigénio

0 consumo de oxigénio em um processo de lodo ativado se deve â o x i dação do material biodegradável do i n f l u e n t e e â respiração endógena. Co mo apenas a fração (1 - P.Y^) do material biodegradável ê oxidada, a taxa de consumo de oxigénio devido â oxidação do material biodegradável do i n

fluente, é uma fração Cl - P«Yj,) da taxa de utilização do material biode gradável, ru:

°U = - ^ - w y - ' » = c l-p-Yh) • w 2-4 3

onde:

0u = taxa de oxidação do material biodegradável do influente

A taxa de oxidação de lodo a t i v o , r , em mgDQO/£/dia, é a diferen ça entre a taxa de decaimento de lodo ativo (dX /dt) e a taxa de produ

3. TC — çao de resíduo endógeno (dX /dt) ou, ainda:

r

ox

W

' V

a

V

- S '

a

'

Como lmg de lodo a t i v o representa P mgDQO, a taxa de consumo de oxigénio na oxidação do lodo a t i v o é dada por:

() = P.r - P . ( 1 - f ) . b. . X

re ox h a 2.45

onde:

0 = taxa de consumo de oxigénio para a respiração endógena (mg02/£/dia).

A taxa t o t a l de consumo de oxigénio ê igual â soma das taxas para oxidação de material biodegradável, 0U, e para respiração endógena, 0 ,

ou seja: 2.46 ou, 0 ( l - P . Y j ( l - f - P . f J S ^ • P.(l-£).b, Y, . R . ( 1 - f - P.£ ) . S .

_h

ti

• « -

u s -

V -

t A

2.8.8 - Equações Básicas

Na Tabela 2.1, página 34, estão agrupadas as equações básicas, que descrevem o comportamento de um sistema de lodo ativado, r e l a t i v a s ã u t i lização do material orgânico do i n f l u e n t e .

As equações da Tabela 2.1 contêm o tempo de permanência do líquido R, . Esse parâmetro pode ser eliminado das equações quando se considera as massas diárias de i n f l u e n t e , efluente, consumo de oxigénio e a massa de lodo no sistema, conforme apresenta a Tabela 2.2.

As equações da Tabela 2.2. levam â importante conclusão de que a massa de lodo no sistema, MX^, a massa de DQO no efluente, MSte> e a roas

sa de oxigénio consumido, M0C> não dependem do tempo de permanência do

líquido no sistema. A importância do tempo de permanência do líquido re side em uma única razão: ele determina a concentração de lodo no reator. Na prática, essa concentração tem um l i m i t e superior imposto pela condi ção do funcionamento e f i c i e n t e do decantador. Quanto mais a l t a a concen tração de sólidos no l i c o r misto, menor será a velocidade de sedimentação no decantador. Portanto, um volume de reator pequeno (tempo de permanên cia do líquido c u r t o ) , fará com que a concentração de sólidos seja a l t a . Consequentemente, a superfície do decantador deve ser grande, a f i m de que a taxa de escoamento s u p e r f i c i a l seja suficientemente baixa para per m i t i r boa eficiência de separação de sólido e líquido.

Para otimizar um p r o j e t o , precisa-se achar a combinação de volumes de reator e de decantador que permita boa sedimentação no decantador e cu j o custo de construção seja mínimo. Pelo exposto acima, observa-se que o tempo étimo de permanência de líquido é ditado por considerações econô micas não tendo, pois, significado fundamental em sistema de lodo a t i v a

2.9 - Considerações para Projeto

Na prática de operação de sistemas de lodo ativado, as questões de maior importância estão relacionadas com a fração do material orgânico, descarregado no efluente, a produção de lodo e o consumo de oxigénio. Tor na-se conveniente derivar expressões, por unidade de massa de DQO, para a determinação q u a n t i t a t i v a desses parâmetros.

Sabendo-se que a massa de lodo descarregada diariamente no lodo de excesso ê uma fração 1/RS do lodo no sistema, e usando-se as equações da

Tabela 2.2, tem-se que:

mSte = MSte/MSti = f u s 2.49 mWx = ( N V y / M St i = ( 1 - f - P . f ) ( l + f.b.R)Y, = _ ME_ _S s h + f 2 S Q d • v v ^ mO = MO /MS. • c c t i P. (1 - f ) . b, ( 1 - f -P.f ) I ( l - P . Y j + - • l + bh. Rs

]

mSte = massa de DQO no efluente por unidade de massa do DQO no i n

f l u e n t e ;

mW = massa de lodo de excesso produzido por unidade de massa de

e,

DQO no i n f l u e n t e

mO = massa de oxigénio consumido por unidade de massa de DQO no c

UNIVFRSinanF t e n i ....

i n f l u e n t e . r ^ J ^ / V P a R a , B A

H u^ y VeJoso.882 T , C0 , 32, 7222-1 3

Portanto, mSte representa a fração do material orgânico no i n f l u e n

te que não ê afetada no sistema de lodo ativado; P.mW representa a f r a ção da DQO que ê transformada em lodo e, mOc a fração da DQO que ê oxida

da.

E" interessante observar que a soma das fraçoes acima ê a unidade; ou seja:

mS + P.mW + mO = 1 2.52 te x c

Pelas equações 2.49, 2.50 e 2.51, os fatores que determinam os valo res dos parâmetros fundamentais mS. g, mW^ e mOc podem ser classificados

da seguinte maneira:

1 - parâmetros operacionais: temperatura (por afetar o valor de b^) e idade de lodo;

2 - constante cinética: constante de respiração endógena, b^;

3 - parâmetros de massa de lodo: equivalente em DQO de sólidos orgâ nicos, P; fração do resíduo endógeno, f, e coeficiente de rendi mento, e,

4 - composição da DQO do i n f l u e n t e : fração não biodegradável e solú v e l , f j g , e fração não biodegradável e particulada, £ .

Para descrever o processo de lodo ativado, esses fatores devem ser determinados experimentalmente.

2.9.1 - Constante de Respiração Endógena

Em paralelo a esta pesquisa, f o i f e i t a uma outra sobre digestão ae rõbia para a determinação da constante cinética de respiração endógena, b^, a 28°C. Foi encontrado, para b^, o valor de 0,32 dia , que é bas tante coerente com os dados obtidos por Marais e Ekama (1976). Marais e Ekama acharam que, na faixa de temperatura de 14°C a 20°C, a constante de

respiração endógena ê dada pela expressão: b, = 0,24 . (1,029) 2 0' com T

igual ã temperatura. Extrapolando-se a expressão de Marais e Ekama para 28°C, encontra-se um valor para bh de 0,30 d i a- 1. O valor experimental

de 0,32 dia 1 para serã adotado no presente trabalho.

2.9.2 - Parâmetros de Massa de Lodo

Metcalf e Eddy (1972), propuseram uma formula e s t r u t u r a l para lodo orgânico (C^H^N) e calcularam um valor teórico de P a p a r t i r da reação de oxidação:

C5H7N02 + 5 02 S C02 + 2 H20 + NH^ 2.53

A equação 2.53 indica que: a oxidação de 1 mol (113 g) de lodo orgâ nico requer 5 moles de oxigénio (160 g). Teoricamente, o valor de P deve r i a ser 1,42 mgDQO/mgSVS. Existe uma t o t a l concordância entre o resulta do teórico e o v a l o r determinado experimentalmente, em 1956, por Ekenfel der e Weston, de 1,42 para P. Marais e Ekama (1976), determinaram o va l o r de P de lodo r e t i r a d o de sistemas de lodo ativado, operado com idade de lodo variando de 2,5 dias a 30 dias. Estabeleceram que o valor de P permanece constante e igual a 1,48 mgDQO/mgSVS, independente da idade de lodo. O fato de o valor de P permanecer constante para as idades de lodo e, portanto, para composições diferentes das fraçoes do lodo orgânico, leva â conclusão de que o valor deste parâmetro é igual para as três f r a ções de lodo orgânico: lodo a t i v o , resíduo endógeno e lodo i n e r t e . 0 va l o r de P, nesta pesquisa, f o i determinado experimentalmente.

2.9.3 - Fração de Resíduo Endógeno

A fração do resíduo endógeno determinada pela primeira vez por Was hington e Hetling (1962,. Eles operaram um sistema de lodo ativado a l i mentado por esgoto sintético solúvel, sem descarregar o lodo de excesso.

Sob essas condições, estabeleceram um valor constante da concentração do lodo ativo dada pela condição de que a taxa de crescimento, r , iguala-se ã taxa de respiração endógena, r . Ou iguala-seja:

Yh • V R h = V a (Pa r a Rs * ") 2-5 4

ou,

Xa = Yh • ^ / b h • \ 2 - 5 5

Experimentalmente, Washington e Hetling observaram uma acumulação

da concentração de lodo orgânico e atribuíram a esta acumulação a produ ção de resíduo -endógeno. A taxa de acumulação de resíduo endógeno que ê dada por:

dXe/dt = f . bh . Xa = f . Yh . Sbi/Rh 2.56

permitiu àqueles pesquisadores a determinação do valor de 0,2 para f. Pos teriormente, outros pesquisadores (McCarty e Brodersen (1962), Mackinney e Symons (1964) e Marais e Ekama (1976), determinaram o valor de f . Todas as experiências indicaram que o valor da fração de lodo que é transforma da em resíduo endógeno estã em torno de 0,20 mgSVS/mgSVS e que este valor

não ê afetado pela temperatura. Desta forma, serã verificado, neste t r a

balho, o valor de 0,20 para a fração de resíduo endógeno.

2.9.4 - Coeficiente de Rendimento

0 valor de pode. ser avaliado quando se observa a produção de l o do ou, então, quando se observa o consumo de oxigénio em um sistema de l o do ativado, usando-se as Equações 2.50 e 2.51, respectivamente. Os valo res das fraçoes não biodegradáveis do material orgânico do i n f l u e n t e , f e f , devem ser conhecidos bem como a constante de respiração endõge

us up

na, b^. Marais e Ekama (1976), usando esgoto bem sedimentado, i s t o ê, f = 0,00 e tomando, a 20°C, os valores de 0,10 e 0,24, respectivamente, para f e b^, avaliaram o coeficiente de rendimento, Y^, em 0,45 mgSVS/

•mgDQO. Esse v a l o r serã v e r i f i c a d o neste trabalho.

•2.9.5 - Composição da DQO do I n f l u e n t e

2.9.5.1 - Fração não Biodegradável e Solúvel, f

0 v a l o r de f pode ser determinado facilmente através da determina ção da DQO do i n f l u e n t e e do efluente, usando-se a Equação 2.16. Analisan do dados experimentais encontrados na l i t e r a t u r a especializada, conclui-se que o v a l o r de f não parece v a r i a r muito. Assim, dados experimentais gerados na Holanda (Heide, 1977), no Canadá (Sutton at a l , 1979), nos Es tados Unidos (Heidman, 1979) e na A f r i c a do Sul (van Haandel e Marais, 1981), apresentam valores de f na faixa de 0,08 mgDQO/mgDQO a 0,12 mg DQO/mgDQO. Um v a l o r médio para f de 0,10 pode ser uma boa estimativa pa ra muitos esgotos municipais. A determinação de f é um dos objetivos deste trabalho.

2.9.5.2 - Fração não Biodegradável e Particulada

0 valor de f ^ ê mais difícil de ser determinado porque o material não biodegradável e particulado do i n f l u e n t e , em um sistema de lodo a t i v a do, passa a fazer parte do lodo orgânico e, portanto, não pode ser i d e n t i ficado individualmente. Entretanto, é possível estimar o valor de f ex perimentalmente, através de observações da massa de lodo gerada por unida de de massa de DQO aplicada diariamente.

A massa de lodo orgânico no sistema por unidade massa de DQO aplica da diariamente ê dada por:

MX ( 1 - f -P.f ) (1 +£.b, .R )Y, .R - C 7 Y v _ us upJ v n sJ h s f R 2.57

"^v MS+- (1 +b,.R ) up ' S

t i h s

A Equação 2.57 fornece uma expressão teórica de mX em função da

U N I V E R S I D A D E F E D E R A L DA P A R A l B A

P r ó - R r i t o r i a Para A s s t n i t ' * d o I n t r r i o r

Coordenação Setorial dft tós-Gradttação 'ília Aprígio Velaso.882 TH (083) 321 -7222-R 355

idade de lodo, Rg e de f . Os valores experimentais de mXv para várias

idades de lodo, podem ser determinados através das determinações do quocj ente MX^ / MS A p a r t i r dessa equação, torna-se possível estimar o va l o r de f , tomando-se o procedimento desenvolvido por Marais e Ekama

(1976):

1 - plota-se em um diagrama os valores experimentais de mX em fun

çao da idade de lodo;

valores de 1

up

2 - para vários valores de , traça-se curvas teóricas de mX^. em

função da idade de lodo e,

3 - adota-se como valor de f aquele que apresentar a melhor corre lação entre os valores teóricos e experimentais de mX^, para todas as idades de lodo.

0 procedimento acima ê exemplificado nas figuras 2.4, 2.5 e 2.6(van

Haandel, 1981), onde estão plotados valores experimentais de mX^, calcula dos a p a r t i r de dados publicados por Sutton e t a l (1979). Nessas mesmas figuras também estão apresentadas as curvas teóricas de mX^. versus Rg pa

ra £ de 0,14, 0,17 e 0,20 mgSVS/mgDQO, sendo 0,11 o valor de f ^ . No ta-se que o v a l o r de £ de 0,17 mgsvs/mgDQO dã a melhor correlação en t r e os valores experimentais e teóricos.

0 valor de 0,17 mgSVS/mgDQO para £ , é muito diferente daquele en

contrado por Marais e Ekama (1976) na A f r i c a do Sul. Usando o esgoto da cidade do Cabo, eles determinaram valores de f de 0,09 mgSVS/mgDQO para esgoto bruto e, valores entre 0,00 e 0,04 para esgoto sedimentado. Por tanto, a fração de material não biodegradável e particulada no influente parece ser bastante diferente em regiões diferentes. Essa grande v a r i a ção é atribuída a fatores económicos e a hábitos sociais das populações contribuintes.

com o esgoto municipal da cidade de Campina Grande, a uma temperatura de '28°C.

2.10 - Influência da Composição de M a t e r i a l Orgânico Influente

Os valores numéricos das fraçoes não biodegradáveis do material or gânico do i n f l u e n t e , têm um e f e i t o marcante sobre o comportamento de um sistema de lodo ativado que recebe este i n f l u e n t e : a fração não biodegra dável e solúvel determina a DQO do efluente, Equação 2.16. Esse material na prática não parece v a r i a r muito. Seu valor é de aproximadamente, 0,10 mgSVS/mgDQO; a fração não biodegradável e particulada, em contraste, exibe consideráveis variações para esgotos diferentes. Para determinados valores de temperatura e da idade de lodo, o v a l o r de f f i x a a massa de lodo no sistema, a produção de lodo de excesso e o consumo de oxigénio.

2.10.1 - Massa de Lodo no Sistema

As Figuras 2.7 , 2.8 e 2.9 i l u s t r a m o e f e i t o do valor de f sobre a massa de lodo em um sistema de lodo ativado. Nessas figuras estão p i o tadas curvas teóricas das massas de lodo a t i v o , resíduo endógeno, lodo inerte e lodo orgânico, por unidade de massa de DQO aplicada diariamente

(mXa, mXe, mX^ e mX^, respectivamente), em função da idade de lodo e para

uma temperatura de 20°C. Um valor único de f de 0,10 ê adotado para as três figuras que apresentam valores de f de 0,00, 0,05 e 0,10 mgSVS/mg

up

DQO, respectivamente, para as figuras 2.7, 2.8 e 2.9. Observa-se, ainda, nessas figuras que, para determinada idade de lodo, a massa de lodo no sistema aumenta quando o valor de f ^ aumenta. Isso ê particularmente no tãvel para idades de lodo longas.

2.10.2.- Produção de Lodo

presente no sistema. A Equação 2.50 dã a produção de lodo por unidade de DQO aplicada. Na Figura 2.10 o valor de mW e plotado em função da idade de lodo, para T = 20°C e pra três valores diferentes de £ 0,00, 0,05 e 0,10 mgSVS/mgDQO, com £ constante e igual a 0,10. Nessa f i g u r a f i c a i n dicado que a produção de lodo aumenta â medida que aumenta o valor de f up 2.10.3 - 0 Consumo de Oxigénio

A fração de DQO no i n f l u e n t e que ê' oxidada no sistema de lodo a t i v a do ê dada na Equação 2.51. A Figura 2.11 mostra a fração da DQO oxidada e, portanto, o consumo de oxigénio por unidade de massa de DQO aplicada , em função da idade de lodo, para T = 20 C e para três valores de £ , 0,00, 0,05 e 0,10 mgSVS/mgDQO, com £ constante e igual a 0,10. Nota-se nessa figura que a demanda de oxigénio diminui ã medida que o valor de

f aumenta, up

2.11 - Observações Finais

Nas secções anteriores deste capítulo desenvolveu-se um modelo que descreve o comportamento de sistemas de lodo ativado baseado na t e o r i a de Marais e Ekama (1976). Do que f i c o u exposto, ê fãcil concluir que a ques tão fundamental para descrever um sistema de lodo ativado, refere-se ao que acontece com o material orgânico do i n f l u e n t e . Como resposta a essa questão, apresentam-se três possibilidades: (1) uma fração, mS.e, ê lança

da no efluente; (2) uma fração, P.mW , é descarregada com lodo de excesso e, (3) uma fração mOc é oxidada.

As equações que expressam quantativamente os valores de mS , P.mW e mOc, estão apresentadas neste capítulo. Da analise dessas equações f i

ca demonstrado que o comportamento de sistemas de lodo ativado depende de varias fatores que podem ser classificados como: parâmetros de massa de lodo ( y . P e f ) ; constante cinética ( b ^ ) , composição do material orgâni

U N I V E R S I D A D E F E D E R A L DA P A R A l B A fró-Kevtoria Para Assuntos do Interior Comdennçâo Setorial de Pós-Graduação

Rua Aprígio Veloso. 882-Tel (083) 321 7222-R 35 *9 100 - Campina Grande - Paraíba

co ( f ^ e f ) e parâmetros operacionais (Rg e T ) .

Portanto, para descrever o comportamento do processo de lodo a t i v a do em função dos parâmetros operacionais (R e T ) , ê preciso que se deter mine os valores de Yh, P, f , bh, f u g e £ . 0 método aqui proposto para

determinar esses valores é o seguinte:

1 - para uma temperatura f i x a , determina-se experimentalmente os va lores de mS , P . mW e mO , em função da idade de lodo;

2 - atribuindo-se diferentes valores de Y,, P, f , b, , f e f , ob h' ' ' T i ' us up -têm-se valores teóricos de mSte, P .mW^ e mOc em função da idade de lodo;

3 - adota-se aqueles valores de Y^, P, f , b^, e f , que dão melhor correspondência entre os valores experimentais e teóricos de mS.^, P . mW e mO .

x c

No presente trabalho, serão comunicados os resultados de uma invés tigação experimental de um sistema de lodo ativado, operado a uma tempera tura de 28 C e, usando-se o esgoto bruto da cidade de Campina Grande. Os objetivos dessa investigação são dois: (1) v e r i f i c a r se o modelo de Ma r a i s e Ekama é aplicável para temperatura até 28°C e, (2) se o modelo f o r aplicável, então, determinar-se-ã os valores de Y^, P, f , b^, f ^s e f ,

que derem a melhor correspondência entre os valores experimentais e teóri cos de mSJ.„, P . mW e mO .

Tabela 2.1 - Equações básicas do sistema de lodo ativado referente ao ma t e r i a l orgânico

1 - DQO do Efluente: S«. = f . S+.

te us t i 2.16

2 - Concentração do Lodo Inerte:

X-i r R . f

s up • St i /Rh

3 - Concentração da DQO Biodegradável do Influente S, . - ( 1 - f - P . f ) . S .

D l US up t l

2.20

2.23

4 - Concentração de Lodo Ativo:

Y, . R . (1 - f - P . f ) . S . ^ _ h s v us up t i

5 - Concentração de Resíduo Endógeno

f.b. .R2 . Y, . ( 1 - f -P.f ).S«..

^ _ h s h us up t i

6 - Concentração de Lodo Orgânico

( 1 - f -P.f ).Y,.R (1 + f.b, .R ) v us up h s n s 1 + b, .R h s + f .R up s 2.34 2.39 St i/Rh 2'4 2

7 - Taxa de Consumo de Oxigénio

P.(l-f).bh.Yh.Rs 0 = c (1 - P.Yh) + 1 + bh 'Rs ( 1 - f -P.f ).S ./R, 2 v us up' t i n .48

Tabela 2.2 - Equações de massa do sistema de lodo ativado

1 - Massa de DQO Influente

MSti - Q. . St i

2 - Massa de DQO Biodegradável Influente

MS, • = (1 f P.f ) . MS

-D l US Up t l

3 - Massa de DQO Efluente

2.8

2.58

MS_ = f . MS+i

te us t

4 - Massa de Lodo Inerte no Reator

2.59

MX. = f . R . M S . Í

i r up s t 1

5 - Massa de Lodo Ativo

MX ^ -fu s -P- V 'Yh -Rs l + V R s

MS

t i

6 - Massa de Resíduo Endógeno

MX, ( 1 - f -P.f ).f.b,.Y,.R^ us up n n s 1 + bh ' Rs . MS t i

7 - Massa de Lodo Orgânico

MX. 1 + b, . R h s + f .R up s MS t i

8 - Massa de Oxigénio Consumido

^ c ^ - f u s - P - W '

&-

-V

LODO DE RETORNO

FIG. 2.1 ESQUEMA DE UM SISTEMA DE LODO ATIVADO ONDE: Oj, q , O , , Vr. Xr

SÃO RESPECTIVAMENTE VAZÃO INFLUENTE. VAZÃO DE LODO DE EXESSO VAZÃO EFLUENTE VOLUME DO REATOR E CONCENTRAÇÃO DE SÓLIDOS NO REATOR.

SISTEMA DE LODO ATIVADO ONDE: fup. fU « . P • Yh SÃO RESPECTIVAMENTE FRAÇÃO DA DOO NÃO

BIODEGRADÁVEL PARTICULADA DO INFLUENTE, FRAÇÃO DA DOO NÃO BIODEGRADÁVEL SOLÚVEL DO INFLUENTE. EOUIVALENTE DE DOO EM LODO ORGÂNICO E COEFICIENTE DE RENDIMENTO.

MATERIAL ORGÂNICO INFLUENTE PARTICULADO NAO BIODEGRADÁVEL BIODEGRADÁVEL SOLÚVEL NAO BIODEGRADÁVEL EFLUENTE MATERIAL ORGÂNICO (DISSOLVIDO) BIOFLOCULAÇAO OXIDAÇÃO . LODO DE

MATERIAL LODO RESÍDUO INERTE ATIVO ENDÓGENO

CONSUMO DE OXIGÉNIO

\ 7

PRODUTO DA OXIDAÇÃO (GAS)

FIG. 2.3 PROCESSOS OUE SE DESENVOLVEM EM UM SISTEMA DE LODO ATIVADO, DIVISÃO DO LODO ORGÂNICO GERADO NO SISTEMA E DIVISÃO DO MATERIAL ORGÂNICO DO INFLUENTE.

Rs (d)

FK5. 2.4 RAZÃO MXy / M Sf j DE VALORES TEÓRICOS E EXPERIMENTAIS EM

FUNÇÃO DA IDADE DE LODO {VALORES EXPERIMENTAIS OBTIDOS POR SUTTON ET A L , 1979).

Bi

8h

7r

O 10 20 Rs (d)

FIQ. 2.5 RAZÃO MXy/ MSf j DE VALORES TEÓRICOS E EXPERIMENTAIS

EM FUNÇÃO DA IDADE DE LODO (VALORES EXPERIMENTAIS OBTIDOS POR SUTTON ET AL, 1979).

U N I V F R S I D A D F F F D ^ H A L n a P A R A l B A

P r 6 - I ' r > t < r i 3 Para A « f m l r n d o I n f t i o r

CccdeM-ç.:o Setcricl d? Ics-Cruducção <ttfl Aprígio Veloso. 852 Tel (083) 321-7222-R 355

8 7 6 -5 4 3 us e O IO Tup * O 00 ' 0.24 f • 0.20 P • 1.48 Yh • 0.45 T » 20 °C mX,r« O mX. Rs (d ) FIG. 2.7 CURVAS TEÓRICAS DAS MASSAS DE LODO ATIVO, (mXQJ

ENDÓGENO, (mXe) INERTE (mXjr) E VOLÁTIL, (mXy) EM

9 'us «0.10 fup *0.05 8 =0.24 f *0.20

r

ENDÓGENO I m X j ) , INERTE ( m X jr) « VOLÁTIL | m Xy| EM