Universidade Estadual de Maringá Departamento de Engenharia Civil Disciplina - Saneamento IV...

Universidade Estadual de Maringá Departamento de Engenharia Civil

Disciplina - Saneamento IV

Remoção de Nutrientes em Sistema de Lodos

Ativados

Murilo P. Moisés

Eutrofização

• Crescimento excessivo de plantas aquáticas devido à presença de concentrações excessivas de nutrientes, principalmente N e P;

• Fontes de eutrofização: efluentes domésticos, efluentes industriais, escoamento superficial, chuvas.

Eutrofização: Represa Guarapiranga/SP

- Problemas estéticos e recreacionais: diminuição do uso da água para recreação (floração; crescimento de vegetação; maus odores; morte de peixes)

- Anaerobiose no fundo do corpo aquático: consumo de OD durante a degradação da matéria orgânica (condições redutoras)

- Morte de peixes (anaerobiose; toxicidade por amônia)

- Custo de tratamento da água: Remoção de alga; cor; turbidez; sabor e odor; Maior consumo de produtos químicos; Maior freqüência de lavagem dos filtros

- Toxicidade de algas (cianobactérias)

- Desaparecimento gradual do corpo aquático

Conseqüências da Eutrofização

Entrada artificial de nutrientes

(+) produção orgânica

(+) produção de detritos orgânicos

(+) taxa de decomposição

(+) biomassa/m2 (-) penetração de luz

(+) H2S e CH4 (-) O2

Conseqüências da Eutrofização

Consumo de oxigênio dissolvido - Morte de peixes

Remoção biológica de nutrientes – Lodos ativados

Nitrificação

Desnitrificação

OHONHNO 2223 5,222

EnergiaNOONO 322 22

EnergiaOHHNOONH 2324 22

Cinética da Nitrificação

Taxa de crescimento das bactérias nitrificantesRelação de Monod

= taxa de crescimento específica das bactérias nitrificantes(d-1)= taxa de crescimento máximo específico das bactérias nitrificantes(d-1)= Concentração de amônia(mg/l)= Constante de saturação (mg/l)

Onde,máx4NH

0,15,0

7,03,00

Exemplo:

Calcular a taxa de crescimento das bactérias nitrificantes em um reator de mistura completa considerando:

Solução:

137,00,27,0

0,25,0

Nitrificação

Fatores Ambientais de influência- Temperatura

- Subst. Tóxicas ou inibidoras

)20()(

o CmáxTmáx

Temperatura

)(Tmáx

= taxa de crescimento máximo na temperatura T= Coeficiente de tempetatura= temperatura T

pHmáx

máxpHmáx pH

)( )2,7(83,01

taxa de crescimento máximo das bactérias nitrificantes no pH do meio

taxa de crescimento máximo das bactérias nitrificantes em pH 7,2

concentração de oxigênio dissolvido no reator (mg/l)

constante de saturação para o oxigênio (mg/l)

Idade do lodo mínima para nitrificação

Idade do lodo = inverso da taxa de crescimento específica

A taxa de reprodução dos microorganismos nitrificantes é inferior à dos microorganismos responsáveis pela estabilização da matéria orgânica;

Exemplo:

Calcular a idade do mínima para que ocorra nitrificação no sistema com taxa decrescimento específica de 0,22d-1.

Solução:

Adotando-se um coeficiente de segurança de 1,5 para projeto, esta idade do lodo passa a ser:

4,5 x 1,5 = 6,8 dias

C 5,422,0

Taxa de nitrificação

Em função da massa de microorganismos nitrificantes presentes nas zonasaeradas do reator, sendo expressa como:

= taxa de nitrificação unitária x concentração de bactérias nitrificantes

/4 taxa de nitrificação

taxa de crescimento específico das bactérias nitrificantes considerando as condições ambientais

coeficiente de rendimento das bactérias nitrificantes

concentração das bactérias nitrificantes na zona aerada do reator

Requisitos de oxigênio para nitrificação

Reação global da nitrificação

1 mol de nitrogênio requer 2 mols de oxigênio para sua oxidação, portanto,para 1Kg de nitrogênio é necessário 4,57Kg O2:

PM do N = 14g/molPM do 2O2 = 64g/mol

1000g x 64 g/mol = 4.571g = 4,57Kg de O2

14g/mol

kgNHNH

kgOO oxidadodkgOnecessário

2/2 57,4

Exemplo:

Calcular o requisito de oxigênio para a nitrificação em um reator de mistura completa com concentração de amônia = 250 kg/d

Solução

kgOO dkgOnecessário

2/2 143.125057,4

kgNHNH

kgOO oxidadodkgOnecessário

2/2 57,4

Requisitos de alcalinidade

Reação global da nitrificação

1 mol de íon amônio produz 2 mols de H+ que, consome 2 mols de Bicarbonato;

Portanto,

223 COOHHCOH

OHHCOCO2

1100 3

23Alcalinidade

lmgHCOlmgNH

molsHCOmolNH

/7,8/1

/122/14

OHHCOCO2

1100 3

23Alcalinidade

lmgHCOlmgNH /7,8/1 34

deAlcalinida

de alcalinidadelmgNH /1 4

consome lmg /1,72.1

Medida em termos de Carbonato de Cálcio

- Quanto maior o consumo da alcalinidade, menor o pH !!!

- Como consequência, ocorre uma redução na taxa de nitrificação, pois esta é dependente do pH;

- Necessidade de monitoramento, e eventual dosagem de alcalinizantes.

Exemplo:

Calcular o requisito de alcalinidade, considerando um esgoto bruto com:Concentração de amônia = 250kg/dVazão média = 9.820 m3/d e alcalinidade afluente 150 de mg/l.

Solução:

a) Requisito de alcalinidade:

Sabendo que 1mg de amônia/l implica no consumo de 7,1 mg/l de alcalinidade, a carga de alcalinidade requerida é:

dkgCaCOd

dealcalinidakg/1775250

)(1,73

b) Alcalinidade disponível no efluente:

déficit de alcalinidade:

Queda do pH = redução da taxa de nitrificação

Adição de alcalinizante:

kgCaCO

473.110

1150820.9

kgCaCO33021473775.1

23 74100 OHCal

mgCaCO

OHkgCa

kgCaCO

OHkgCa 23

2 233302100

Fundamentos da desnitrificação Biológica

2223 NONNONO

Bactérias:Bactérias:

- Pseudomonas- Achromobacter- Escherichia- Bacillus- Micrococus

Vantagens:Vantagens:

- Economia de alcalinidade;- Evita Eutrofização

Condições anóxicas-Ausência de oxigênio, presença de nitratos

OHNHNCONONOHC 4254 3223275

Remoção biológica de fósforo

Fósforo Inorgânico- Ortofosfato e polifosfato

Fósforo orgânico

Contribuição per capita1,0-4,5 g/habitante.diaValor típico = 2,5 g/habitante.dia

Remoção:Zonas ANAERÓBIAS absorção pelos organismos acumuladores de fósforo

Removido do sistema através da retirada do lodo excedente

Remoção biológica de fósforo

Fatores de influência...

OD;TemperaturapHIdade do lodoTempo de detenção e configuração da zona anaeróbiaTempo de detenção da zona aeróbiaSólidos em suspensão no efluente

Remoção Biológica de Nitrogênio

Principais Fluxogramas

Remoção Biológica de Nitrogênio

Remoção Biológica de N e P

Exemplo 1

Dimensionamento de um reator com nitrificação e pré-desnitrificação, com zona anóxica seguida de zona aeróbia;

Exemplo 2

Dimensionamento de um reator para remoção biológica de fósforo – dimensionar a zona anaeróbia do exemplo anterior, de forma que o sistema possa remover biologicamente também o fósforo.

Exemplo 1

Dimensionamento de um reator com nitrificação e pré desnitrificação, com zona anóxica seguida de zona aeróbia;

Dados do esgoto brutoVazão média = 9820m3/dCarga de amônia afluente = 496 kg/dConcentração de amônia afluente = 51mg/l

Dados do efluente finalConcentração de amônia = 2mg/l (desejado)

Decantador primárioEficiência de remoção de amônia = 20%

ReatorIdado do lodo = 6 diasSSVTA = 3000mg/lOD no reator = 2mg/lpH no reator = 6,8Temperatura média no mês mais frio = 20ºC

Coeficientes para a desnitrificação

kgSSVkgNH

diakgSSVkgNO

reduzido

desnit

Taxa de desnitrificação na zona pré-anóxica

Coeficiente de temperatura para a desnitrificação

Produção de oxigênio para a desnitrificação

Fração de amônia no lodo excedente

oxidado

oxidadoN

NHntesgNitrificaY

Taxa de crescimento Máximo

Coeficiente de saturação de amônia

Coeficiente de produção especifica

Coeficiente de saturação de oxigênio

Coeficiente de temperatura

Demanda de oxigênio para nitrificação

Coeficientes para a nitrificação

Coeficientes adotados

Coeficientes para a desnitrificação

kgSSVkgNH

diakgSSVkgNO

reduzido

desnit

Taxa de desnitrificação na zona pré-anóxica

Coeficiente de temperatura para a desnitrificação

Produção de oxigênio para a desnitrificação

Fração de amônia no lodo excedente

oxidado

oxidadoN

NHntesgNitrificaY

Taxa de crescimento Máximo

Coeficiente de saturação de amônia

Coeficiente de produção especifica

Coeficiente de saturação de oxigênio

Coeficiente de temperatura

Demanda de oxigênio para nitrificação

Coeficientes para a nitrificação

ReatorFração do reator como zona-anóxica = 0,25 (25% do volume)Fração do reator como zona aeróbia = 0,75 Relação entre a taxa de remoção da DBO em condições anóxicas e aeróbias = 0,70 (a taxa de remoção de DBO em condições anóxicas é 70% da taxa em condições aeróbias)Razão de recirculação de lodo = 100%Razão de recirculação interna = 300% (zona aeróbia para zona anóxica)

Remoção de amônia na decantação primaria

kg39799496

Carga de amônia restante

Volume do reator (volume calculado no dimensionamento convencional = 2.051m3)

3215.275,025,07,0

75,025,0051.2

aeranox

aeranoxalconvencion

Fator de correção = 1,08

Volume das zonas anóxica e aeróbia

horast

horasddm

05,4215.275,0

35,14,525,0

4,5226.0/9820

215.23

1661215.275,0

554215.225.0

Tempo de detenção hidráulica

Idade do lodo (também deve ser multiplicada pelo fator de correção)

9,408,15,4

5,608,16

CaTemperatur

Taxa de crescimento das bactérias nitrificantes

4 37,07,00,2

0,25,0

%7437,0

%1005.0

%7236,0

%1005.0

36,06,00,2

0,25,0 1

Omáx d

Efeito da concentração de amônia

Efeito da concentração de OD no reator

)8,62,7(83,015,0

)2,7(83,01

máxpHmáx pH

%6633,0

%1005.0

Efeito do pH

Efeito integrado das condições ambientais

18,050,035,0

%3535,066,072,074,0

Idade do lodo aeróbia mínima para nitrificarão total

dc 6,518,0

Calculo da fração de bactérias nitrificantes nos SSVTA

Produção liquida de sólidos biológicos no reator = calculado dimensionamento convencional=1.026kgSSV/d

Carga de amônia a ser oxidada

gdesejável

kgentrada

20640.19820.92

carga de amônia no lodo excedente = fração de amônia no lodo (0,12) x produção liquida de sólidos

dkg123026.112,0

Carga de amônia a ser oxidada

xNN gX

Pf 019,0

kg25412320397

kgXNHY

XPxN N

oxidadoNN 2025408,04

Produção de bactérias nitrificantes

Relação Fn = Fração de bactérias nitrificantes nos SSV

Cálculo da taxa de nitrificação

NHVL aeradaNH

44 2131281000

661.14

344 128

18,0000.3019,0

kg57213123397

Carga de amônia passível de ser oxidada

Inferior ao esperado de (254), portanto a concentração de amônia final será maior que o desejado 2mg/l

Calculo da concentração de amônia

mgNHNH

4 6820.9

100057

Eficiência de remoção de amônia

%8888,0

inicial

finalinicial

Recirculação dos nitratos a zona anóxica

Razão de recirculação do lodo = 1 = 100% Razão de recirculação interna = 3 = 300% Razão de recirculação total = 4 = 400%

Taxa de desnitrificação especifica

dkgSSV

kgNOTDE

Carga de nitrato

Carga de nitrato produzido na zona aeróbia=carga de amônia oxidada = 213kg/d

Carga de nitrato recirculado a zona anóxica pelo retorno de lodo

Caga de nitrato recirculado a zona anóxica pela recirculação interna

Carga total de nitrato recirculado

Carga de nitrato passível de redução na zona anóxica

lodo 4314

1213 int

kg17112843

kgmassaSSVTDE 133662.108,0

kgNONoNO caçãodesnitrifiproduzido 80133213333

Concentração de nitrato no efluente

mgNONO

3 8820.9

100080

Eficiência de remoção de nitrato

%6262,0213

produzida

efluenteproduzida

Resumo das concentrações de nitrogênio

Amônia=6mg/lNitrato=8mg/lNitrogênio total= 6+8=14mg/l

Resumo das eficiências

Remoção de amônia = 88%Remoção de nitrato = 62%Nitrogênio total = 73%

Consumo de oxigênio

Consumo de oxigênio=4,57 x Carga de amônia oxidada

kg 297321357,4

Economia de oxigênio com a desnitrificação = 2,86 x carga de nitrato reduzido

kg 238013386,2

Exemplo 2Dimensionamento de um reator para remoção biológica de fósforo –

dimensionar a zona anaeróbia do exemplo anterior, de forma que o sistema possa remover biologicamente também o fósforo.

Dados do afluenteVazão media = Q=9.280m3/d[P] no esgoto bruto = 12mg/lEficiência de remoção de P na decantação primaria=20%DBO=239mg/lDQO/DBO=1,8 (valor adotado)Fração rapidamente biodegradável da DQO= Frb=0,25DBO solúvel = S = 4mg/lSólidos em Suspensão = SS = 30mg/l

Idade do lodo = 6 dias

Remoção de P na decantação primaria

EPP aflefl /6,9

2010012

Exemplo anterior...V = 2.215m3Tempo de detenção hidráulico total = 5,4 horasAdotando um tempo de detenção hidráulico da zona anaeróbia de 1,2 horas:

Tempo de detenção hidráulico total = 5,4 + 1,2 = 6,6 horas

Volume da zona anaeróbia: 349124

820.92,1 mQtV

vcdbemr

3,923509,044,0

423909,0608,073,01

Remoção de P com o lodo excedente:

bfbfbfbfbf

= Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis

= Idade do lodo

= coeficiente cinético (0,08 d-1)= Relação entre DBO no efluente bruto e tratado

= Fração de P nos sólidos suspensos voláteis

= Relação entre SSV e DBO – adotado como 0,6

= Idade do lodo

= Relação entre SSV e DBO – adotado como 0,6Y

= Idade do lodo

Concentração de P solúvel no efluente:

lmgPPPP removidototalsoluvel /3,03,96,9

Concentração de P particulado nos SS:

PSSP efloparticulad

/1,207,030

P Fração de P nos SS = 7%

Concentração de P total do efluente:

lmgPPPP oparticuladsoluveltotal /4,21,23,0

Eficiência de remoção:

%8010012

4,212100

PeflPaflE

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