Tratamento de Tratamento de Água e Efluentes Á gua e Efluentes
Lí L í quidos II quidos II
AeraAeraAeraççção de Lodosão de Lodosão de LodosAtivadosAtivadosAtivados
TAEL TAEL TAEL
Arejamento
z
Funções do arejamento
Transferência de oxigénio para o meio líquido – Mais importante
Mistura do meio – menos importante, mas por vezes controla a necessidade de arejamento
z
Capacidade de oxigenação
A taxa de transferência de oxigénio é dada por
L
L s L
dC A
k (C C ) dt = V −
(eq. 50)
L L
K a=K A V
(eq. 49)
TAEL TAEL TAEL
Arejamento
em que Paé a pressão atmosférica, Pbé a pressão absoluta à profundidade da injecção do ar e Oté a concentração de oxigénio (%) do ar que saí do tanque de arejamento. A influência das características do efluente é agrupada no parâmetro β:
⎛ ⎞
⎜ ⎟
⎝ ⎠
b t
sm s a
1 P O C =C × +
2 P 20.9
(eq. 52)
Cs efluente
β= Cs agua (eq. 53)
A concentração de saturação de oxigénio é definida pela lei de Henry
P=HCs (eq. 51)
em que P é a pressão parcial de oxigénio na fase gasosa e H é a constante de Henry. H aumenta com a temperatura e com a concentração de sólidos dissolvidos.
Nos tanques de arejamento, em que o ar é injectado a 3 ou 5 metros de profundidade, a solubilidade do oxigénio deve ser corrigida (considera-se a concentração de saturação à profundidade média):
TAEL TAEL TAEL Concentração de saturação do oxigénio dissolvido
7.6 8.2 9.2 10.0 10.8 11.3 12.5 13.1 14.6 0
sólidos dissolvidos, mg/l (valores ao nível do mar) altitude, ft
7.40 7.48
7.53 7.57
6.1 6.9 7.4 30
8.0 8.08
8.13 8.17
6.6 7.3 26 7.9
8.97 9.06
9.13 9.16
7.3 8.2 20 8.8
9.75 9.85
9.92 9.96
8.0 8.9 16 9.6
10.52 10.64
10.71 10.76
8.6 9.7 12 10.4
11.00 11.12
11.20 11.25
9.1 10.1 10.9 10
12.15 12.29
12.38 12.44
10 11.2 6 12.0
12.75 12.89
12.98 13.04
10.5 11.8 12.6 4
- -
- .-
11.7 13.1 14.1 0
2500 1500
800 400
6000 3000 1000 T °C
TAEL TAEL TAEL Arejamento – Influência de variáveis físico-químicas no kLa
1. Temperatura
kL(T)=kL(20ºC)θ(T-20) (eq. 54) 2. Turbulência
Quanto maior a turbulência, maior será kLa.
3. Profundidade do líquido
Depende, em larga medida do método de arejamento. Para a maior parte dos difusores de bolhas, kLa varia com a profundidade do seguinte modo
( ) ( )
⎛⎜⎝ ⎞⎟⎠n
L 1 1
L 2 2
k a H H
k a H = H (eq. 55)
n= 0.7 para a maior parte dos sistemas
TAEL TAEL TAEL Influência da temperatura no K
La –
dados experimentais
TAEL TAEL TAEL
Arejamento – Efeito dos tensio-activos
3. Características do efluente
A presença de substância tensio-activas ou outros compostos orgânicos tem um efeito acentuado no kL e em A/V. O efeito dos tensio-activos sobre o kLé negativo, mas as bolhas também se tornam mais pequenas, aumentando A/V, podendo o efeito global sobre kLa ser positivo.
TAEL TAEL TAEL
A transferência de oxigénio de diferentes sistemas de arejamento pode ser comparada com base na definição do coeficiente:
(eq. 56)
( ) ( )
LLk a efluente
= k a agua α
Os valores de αvariam com o tipo de arejador, com a geometria do tanque, com o grau de mistura e com as características do efluente. É esperado também que varie ao longo do processo de oxidação, porque há remoção de substâncias do efluente que afectam o kLa.
αvaria entre 0.3 e 1.2. Para equipamento mecânico de arejamento α varia entre 0.6 e 1.2 e para difusores entre 0.4 e 0.8.
Arejamento
TAEL TAEL TAEL Valores de α para diferentes tipos de arejadores
efluente doméstico 0.8
escova rotativa
0.6-1.2 0.6-1.2 1.0-1.1 0.60-0.95
0.55 0.7-0.8 0.4-0.6 factor α
turbinas de arejamento -
- arejador de superfície
água da torneira com detergente arejador estático
lodos ativados-efluente industrial concentrado
arejador estático
processo de contacto difusor de bolhas
grandes
efluente doméstico difusores de bolhas
grandes
água da torneira com detergente Difusores de bolhas
finas
tipo de efluente ou processo Tipo de arejador
adaptado de Eckenfelder, 1989
TAEL TAEL TAEL
em que C é uma constante, dBé o diâmetro das bolhas, vBé a velocidade das bolhas e ρe μsão, respectivamente, a densidade e a viscosidade do líquido. Considerando:
Combinando as equações 57 a 59, obtém-se uma equação geral de transferência de oxigénio em sistemas de difusores de bolhas
s B B
A 6G H
V d v V= (eq. 58)
n
B S
d =G (eq. 59)
' 2/3 1-n L S
C H G
k a= V (eq. 60)
Eckenfelder desenvolveu uma correlação para a transferência de oxigénio de bolhas numa coluna de água:
⎛ ⎞
⎜ ⎟
⎝ ⎠
L B 1/3 B B
L
k d d v ρ
D H =C μ (eq. 57)
em que GSé o caudal de ar. Na gama de caudais de arejamento normalmente encontrados na prática,
Arejamento
TAEL TAEL TAEL
A eficiência de transferência de oxigénio duma unidade de arejamento de pode ser traduzida por
2 2
massa de O absorvida/tempo
%transferencia= *100=
massa de O fornecida/tempo (eq. 62)
( )
' 2/3 1-n
S S L
N=C H G C -C (eq. 61)
Esta equação pode ser escrita em termos da massa de oxigénio transferida:
( )
( )
= ⎛ ⎞
⎜ ⎟
⎛ ⎞ ⎜ ⎟
⎜ ⎟ ⎜ ⎟
⎜ ⎟ ⎜ ⎟
⎝ ⎠
⎜ ⎟
⎝14444244443⎠
14444444444244444444443
14 2
2
2
K a C -C VL S L
molO gO
2 2
0.21 ×32
3 mol ar mol O
m ar-PTN 2 1 mole ar 28.84 g ar
GS min × 28.84 gar ×0.0224 m -PTN3 × mol ar mol ar
g O2 0.23g ar
300 g O m ar PTN3 g O
min
4444444444444 444444444444443
×100
Arejamento
TAEL TAEL TAEL
Obtiveram-se os seguintes dados para a capacidade de transferência de oxigénio duma unidade de difusores:
• caudal de ar: 25 l/(min.m3)
• Volume do tanque: 28.3 m3
• Temperatura 12 °C
• Profundidade do líquido 4.6 m
• diâmetro médio das bolhas: 0.3 cm
• velocidade média das bolhas: 32 cm/s
7.0 6.0
5.4 4.3 3.1 1.6 0.6
CL(mg/L)
21 18
15 12 9 6 3
Tempo (min)
Arejamento - exemplo
a) Calcular kLa e kL.
b) Calcular a massa de oxigénio transferida por hora e por unidade de volume a 20 °C e concentração de oxigénio dissolvido nula.
c) Calcular a eficiência de transferência de oxigénio.
TAEL TAEL TAEL
A temperatura de 12 °C a concentração de saturação é de 10.8 mg/L.
Assumindo 10% de absorção, a concentração média de saturação no tanque de arejamento é
Substituindo, obtém-se
b t
s,m
P O C 10.8 1
2 1 21
⎛ ⎞
= × ×⎜⎝ + ⎟⎠
( )
( )
t
1 0.1 21
O 100 19.3%
1 0.1 21 79
− ×
= × =
− × +
Pb 4.6m 1 1.44 atm 10.34m / atm
= + =
s,m
1 1.44 19.3
C 10.8 12.7mg / l
2 1 21
⎛ ⎞
= × ×⎜ + ⎟=
⎝ ⎠
Arejamento - exemplo
TAEL TAEL TAEL
Arejamento - exemplo
Representando graficamente ln(CS-CL) em função do tempo, obtém-se uma recta com declive -kLa.
L
L s L
dC k a(C C )
dt = −
( )
CL t
L
s L
Co 0
dC k a dt
C C =
∫
−∫
(
Cs−CL) (
= Cs−C eo)
-k atLIntegrando a equação 50:
(eq. 49)
(eq. 63)
(eq. 64)
5.7 21
6.7 18
7.3 15
8.4 12
9.6 9
11.1 6
12.1 3
Csm-CL mg/L Tempo
(min)
TAEL TAEL TAEL
Arejamento - exemplo
KL=KLa/(A/V)=2.52/12=0.21m/h
3
3
3 2 3
s B B 3
m min
6 0.025 28.3m 60 4.6m
A 6G H min m h 1171.6 12m / m
0.3 32 m s
V d v V 97.8
m 3600 28.3 m
100 100 s h
× × × ×
= = ⋅ = =
× × ×
kLa=0.0422 min-1=2.52 h-1 R2= 0.9959
Para calcular KLé necessário saber A/V (eq. 58).
y = -0,0422x + 2,6375 1,5
1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7
0 5 10 15 20 25
Tempo (min) ln(Cs-CL)
TAEL TAEL TAEL
b) KLaT=KLa(20 C)x1.02(T-20)
KLa(20 C) = 1.028x2.52 = 2.95 h-1 O2absorvido (20 °C) = KLaVCs,m(20 °C)
Cs,m(20 °C) = 9.2x1/2x(1.44/1+19.3/21) = 10.85 mg/L O2absorvido = 2.95h-1x28.3 m3x10.85 g/m3 = 0.91 kgO2/h c)
2 2
2 2
3 2
3
2
O absorvido
% transferência de O
O fornecido
0.91 kgOh 100 0.91 100 7 %
kg O
l min 1 kmol ar 28.84 kg ar 12.57
25 60 28.3 m 0.23
h kg ar 22400 l ar kmol ar
min m
0.0003 kg O l ar
= =
= × = × =
× × × × ×
⋅ 1444444442444444443
Arejamento - exemplo
TAEL TAEL TAEL
Equipamento de arejamento
z
Difusores de ar
z
Turbinas
z
Unidades de arejamento superficial
z Normalmente o fabricante do equipamento indica a capacidade de transferência de oxigénio em termos dos kgO2transferidos/kW.h.
Este parâmetro é medido em condições standard e chama-se SOR (“Standard Oxygen Rating”) e é medido em água, a 20 ºC, sem sólidos dissolvidos e ao nível do mar.
z A capacidade real de transferência de determinada unidade de arejamento (AOR – “Actual Oxygen Rating”) pode ser calculada por:
(T 20)
s L
C C
AOR SOR 1.02
9.2 β − −
⎛ ⎞
= ⎜⎝ ⎟⎠α × (eq. 65)
TAEL TAEL TAEL
Equipamento de arejamento
TAEL TAEL TAEL
Difusores
z É o equipamento de arejamento utilizado há mais tempo.
Inicialmente desenvolveu-se o tipo poroso que produz bolhas finas.
Os materiais inicialmente eram cerâmicos, mas actualmente usam- se também materiais plásticos.
z Desvantagens: fácil entupimento devido a crescimento de biomassa, sedimentação ou precipitação química.
z Quando colmatados, os arejadores cerâmicos podem ser regenerados, mas os plásticos têm de ser substituídos.
z A distância entre as saídas de ar é limitada pela necessidade de manter os sólidos em suspensão mas que não induza a
coalescência das bolhas.
z Normalmente os tanques com difusores têm uma largura cerca de duas vezes a sua profundidade.
TAEL TAEL TAEL Difusores
TAEL TAEL TAEL
Difusores
Reactores pistão.
(a) com difusores de bolhas finas (b) com difusores de bolhas largas
em que W é a largura do tanque de arejamento e n, m e p são expoentes característicos do sistema de arejamento.
Devido aos problemas de colmatação dos difusores porosos, foram desenvolvidos difusores não porosos em que o ar é bombeado através de tubos com orifícios, originando bolhas de maiores dimensões.
No entanto, devido à diminuição da área interfacial, a eficiência de arejamento é menor do que no caso anterior.
Em tanques de 3 a 5 metros de profundidade, a eficiência de transferência de O2para a água é de 10-15% no primeiro caso e de 2-3%, no 2º caso.
Estes sistemas requerem, geralmente menor manutenção e não necessitam filtros de ar.
( )
( )m n T 20
S S,m L
p
N CH G C C 1.02
W
= − × α × − (eq. 66)
A eficiência dos difusores pode ser calculada por
TAEL TAEL TAEL
Turbinas de arejamento
em que Ntxé a velocidade periférica do agitador (m/s) e d é o diâmetro do agitador. X, n e v são constantes.
( )
(T 20)x n v
t S S,m L
N = CN G d C − C α × 1.02
−O ar é bombeado através de orifícios e é distribuído pelas pás de turbinas em bolhas finas que se difundem homogeneamente no tanque.
São especialmente úteis em tanques profundos (até 6 m).
O consumo de energia é maior, pois há simultaneamente fornecimento de ar e agitação.
A eficiência duma turbina pode ser expressa por:
(eq. 67)
TAEL TAEL TAEL
Turbinas de arejamento
TAEL TAEL TAEL
Equipamento de arejamento superficial
z O oxigénio é transferido durante a permanência das gotas de água na fase gasosa. O choque das gotas sobre o líquido do tanque também contribui para a transferência, pois origina pequenas bolhas de ar. Este movimento pode ser criado por turbinas superficiais ou por escovas rotativas.
z As turbinas superficiais podem ser de baixa ou de alta rotação e criam um movimento radial da água. A capacidade de mistura é excelente, pelo que são utilizados nos sistemas de L.A. de mistura completa.
z Para manter níveis de oxigénio dissolvido uniformes é necessário fornecer 1.2 a 2 W/m3. Para manter os sólidos biológicos em suspensão é necessária uma velocidade mínima na base de 12 cm/s para X=5000 mg SST/l.
z A altura mínima do tanque deve ser 1.8 a 2.4 metros, mas para manter os sólidos em suspensão a profundidade dos tanques não deve ser superior a 3.7 m e a 4.9 metros para arejadores
superficiais de alta e de baixa rotação, respectivamente.
TAEL TAEL TAEL
Equipamento de arejamento superficial
A transferência é influenciada pela velocidade de rotação e pelo diâmetro do agitador e também pelo nível de submergência do elemento rotativo. Existe uma correlação entre o nível de potência fornecido por unidade de área e a quantidade de oxigénio transferido por unidade de potencia e por unidade de tempo (ver figura).
TAEL TAEL TAEL
Equipamento de arejamento superficial
TAEL TAEL TAEL
Escovas rotativas
z As escovas rotativas que foram muito populares na Europa usam uma escova rotativa de alta velocidade, mas a capacidade de mistura é insuficiente para sistemas de mistura completa.
z São mais utilizadas nos sistemas tipo pistão.
z São normalmente montados em sistemas flutuantes e aspiram a água do fundo, criando um movimento axial.
