Software UASB

I - 15820 CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITRIA E AMBIENTALo

DESENVOLVIMENTO DE SOFTWARE PARA PRDIMENSIONAMENTO DE REATORES ANAERBIOS DE MANTA DE LODO - UASBKnia Mara da Rocha(1) Engenheira Civil formada pela Escola de Engenharia da UFMG (1998). Fabiano Medeiros de Oliveira Aluno do 10o perodo do Curso de Engenharia Civil da UFMG. Bolsista de iniciao cientfica (CNPq). Raquel da Silveira Cota Engenheira Civil e Sanitarista pela UFMG (1997). Mestranda em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hdricos pela UFMG. Carlos Augusto de Lemos Chernicharo Engenheiro civil e sanitarista. Doutor em engenharia ambiental pela Universidade de Newcastle upon Tyne UK. Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Sanitria e Ambiental da UFMG. Marcos von Sperling Engenheiro Civil e Sanitarista. Doutor em Engenharia Ambiental pelo Imperial College UK. Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Sanitria e Ambiental da UFMG. Endereo(1): Rua Equador 264/603 - Bairro Sion - Belo Horizonte - MG - CEP: 30330-390 - Brasil - Tel.: (031) 238-1020 - Fax: (031) 238-1879 - e-mail: [email protected]

RESUMO O presente trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de um programa computacional para o pr-dimensionamento de reatores anaerbios tipo UASB. O programa denominado UASBware Retangular foi focado nos reatores UASB retangulares tratando efluentes essencialmente orgnicos. O ordenamento do dimensionamento dos reatores UASB vem contribuir para o projeto e divulgao da tecnologia anaerbia, alm de possibilitar uma minimizao dos erros de dimensionamento que podem ocorrer. Os parmetros recomendados e utilizados para o clculo no programa foram objeto de ampla pesquisa. O programa se apresenta com interface amigvel e de fcil compreenso, tendo sido desenvolvido para ambiente Windows. Possui ainda completo sistema de ajuda, tornando fcil seu manuseio e entendimento por parte dos usurios, alm de servir como uma eficiente ferramenta de divulgao da tecnologia.

PALAVRAS-CHAVE: Dimensionamento de Reatores Anaerbios, Reator UASB, Software de Dimensionamento, Tratamento Anaerbio.

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INTRODUO Em decorrncia da ampliao de conhecimento na rea de tratamento de esgotos, os sistemas anaerbios, notadamente os reatores anaerbios de fluxo ascendente e manta de lodo (reatores UASB), cresceram em maturidade, passando a ocupar uma posio de destaque, no s em nvel mundial mas principalmente em nosso pas, em vista de seu baixo custo, sua simplicidade operacional e s nossas boas condies ambientais de temperatura. Constata-se que o nvel de conhecimento no campo do tratamento anaerbio em nosso pas elevado, embora esteja ainda bastante localizado. Entretanto, apesar do conhecimento acumulado a esse respeito, no h ainda um roteiro claro e sistematizado, acessvel a comunidade tcnico-cientfica, sobre o dimensionamento de reatores UASB. Torna-se clara a importncia de que os diversos critrios e parmetros de projeto destes reatores sejam expressos de uma forma compreensvel e seqencial, permitindo seu correto dimensionamento, e visando evitar alguns equvocos de projeto que tm sido observados, em funo do grande incremento no nmero de projetos de UASB, sem o proporcional aumento de capacitao de projetistas. Desta forma, o presente trabalho prope um roteiro claro e sistematizado, sobre o dimensionamento de reatores UASB de configurao retangular tratando efluentes essencialmente orgnicos. Apresentando os diversos critrios e parmetros de projeto expressos de forma compreensvel e seqencial, este trabalho possibilita o correto e otimizado dimensionamento das cmaras de reao, decantao e captura de gs dos reatores UASB. O trabalho prope, ainda, o desenvolvimento de um programa computacional para pr-dimensionamento deste tipo de reator. Desta forma, espera-se contribuir para padronizar o dimensionamento dos reatores UASB, alm de divulgar os conceitos bsicos dos reatores anaerbios, difundindo-o como um mtodo de tratamento simples e de baixo custo. METODOLOGIA Coleta e Compilao de Informaes No incio do projeto foi realizada uma ampla pesquisa sobre os principais aspectos relativos ao projeto e operao dos reatores UASB em operao no Brasil e em pases de clima semelhante. Isto possibilitou o desenvolvimento de um amplo trabalho de coleta e seleo de dados consistentes. Utilizou-se uma vasta fonte de dados, compreendendo peridicos, teses, livros, etc. A partir do levantamento bibliogrfico, verificou-se relativa dificuldade de se encontrar dados representativos. Percebeu-se, tambm, ser difcil obter fontes que fornecessem todos os dados necessrios para uma anlise cuidadosa das informaes. Algumas informaes levantadas no se mostraram adequadas do ponto de vista da catalogao, sobretudo como fonte para estruturar um banco de dados. Isto dificultou os trabalhos de sistematizao, prejudicando a estruturao do banco de dados e, consequentemente, a de definio dos parmetros de projeto e operao dos reatores UASB.


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Este fato gerou a necessidade de se entrar em contato com os principais especialistas e pesquisadores do Brasil, objetivando a coleta de informaes novas e/ou complementares. Sendo assim, foram enviados pedidos de informaes aos autores de artigos de relevncia para a pesquisa. Aps a fase inicial de coleta e compilao de dados, desenvolveu-se um banco de dados eletrnico para auxiliar o armazenamento e posterior consulta aos dados. Os dados obtidos (basicamente dados bibliogrficos) passaram por uma anlise cuidadosa, culminando por fim na elaborao de um banco de dados informatizado. As tabelas a seguir contm os principais critrios e parmetros sistematizados. Tabela 1: Principais critrios e parmetros sistematizados.Parmetro Valores recomendados 1,0 - 1,25 < 1500 75 - 100 0,10 - 0,15 2,0 - 3,0 25 - 30 1,0 3,0 - 5,0 70 - 80 0,10 - 0,15 > 45 1,5 - 2,0 2,0 - 3,5 0,10 - 0,20

Relao comprimento/largura dos mdulos Volume do reator (m3) Dimetro do tubo de distribuio do afluente (mm) Distncia entre o bocal de sada e o fundo do reator (m) rea de influncia de cada tubo de distribuio (m2) Largura mnima do coletor de gases (cm) Taxa mnima de liberao de biogs (m3/m2.h) Taxa mxima de liberao de biogs (m3/m2.h) Concentrao de metano no biogs (%) Trespasse dos defletores de gases em relao abertura para o decantador (m) Inclinao das paredes do decantador () Profundidade do compartimento de decantao (m) Altura do compartimento de digesto (m) Coeficiente de produo de slidos (kgSST/kgDQOapl) Coeficiente de produo de slidos, em termos de DQO 0,11 - 0,23 (kgDQOlodo/kgDQOapl) Concentraes esperadas do lodo de descarte (%) 2-5 Densidade do lodo (kgSST/m3) 1020 - 1040 Fonte: VIEIRA (1983), BREA (1994), VAN HANDELL & LETTINGA (1984), LETTINGA & HULSHOFF POL (1995), CASSEB (1996), BARBOSA (1989), CHERNICHARO (1997)

Tabela 2: Resumo dos principais critrios e parmetros hidrulicos para o projeto de reatores UASB tratando esgotos domsticos.Critrio/parmetro Faixa de valores, em funo da vazo para Qmd para Qmx para Qpico(*) < 4,0 < 6,0 3,5 - 4 0,5 0,7 0,9 - 1,1 1,5 - 2,0 2,0 - 2,3 < 4,0 - 4,2 < 5,5 - 6,0 0,6 - 0,8 < 1,2 < 1,6

Carga hidrulica volumtrica (m3/m3.d) Tempo de deteno hidrulica (h)** Velocidade superficial do fluxo (m/h) Velocidade nas aberturas para o decantador (m/h) Taxas de aplicao superficial no decantador (m/h) Tempo de deteno hidrulica no decantador (h) 1,5 - 2,0 > 1,0 > 0,6 Fonte: ANDRADE NETO (1994), VAN HANDELL & LETTINGA (1984), LETTINGA & HULSHOFF POL (1995), CHERNICHARO (1997)20 Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitria e Ambientalo

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Engenharia de Software Para se criar o software da maneira mais eficiente e atualizada, realizou-se uma reviso bibliogrfica no campo da engenharia de software, onde tcnicas neste sentido foram agregadas. Foi contemplada tambm nesta fase a escolha e o aperfeioamento na linguagem de programao a fim de se implementar a rotina de dimensionamento em meios computacionais. A linguagem escolhida foi a Borland Delphi, pela qual se desenvolveu tambm o banco de dados de auxlio a pesquisa dos reatores UASB. A linguagem de programao Borland Delphi , entre as linguagens orientadas a objeto, a que conta com ferramental mais amplo e de fcil assimilao. Delphi no apenas uma linguagem de programao, mas todo um ambiente que permite que o programador utilize os recursos visuais disponveis no Windows, alm de disponibilizar um suporte eficiente no manuseio do banco de dados. Seguindo os objetivos iniciais, o programa deveria ser controlado pelo usurio, possibilitando a este modificar variveis, parmetros de clculo ou as caractersticas dos objetos do programa em tempo de execuo. O programa deveria, ainda: i) possuir completo sistema de ajuda, com grande facilidade de acesso; ii) apresentar interface amigvel e simples, interativa e de grande esttica; e iii) ser capaz de gerar um relatrio, possvel de exportao para o Word, consolidando todas as informaes envolvidas. Em funo de tudo isso, e por se entender que o ambiente Windows ser dominante no meio da informtica, por suas facilidades, optou-se por se desenvolver o programa para este ambiente, utilizando todas as suas ferramentas e recursos. Isto justifica a escolha da linguagem de programao Borland Delphi, que atende a todos estes requisitos.

Rotina de Dimensionamento A partir do conhecimento dos principais critrios e parmetros a serem observados no clculo e anlise destes, de modo a possibilitar sua uniformizao, foi procedido o equacionamento matemtico para os clculos e verificao dos diversos parmetros de projeto. As equaes validadas foram dispostas de forma seqencial e lgica resultando em uma rotina de dimensionamento especificamente aplicada ao pr-dimensionamento de reatores UASB retangulares. Grande a quantidade de clculos e simulaes que devem ser realizados para dimensionar este tipo de reator. O processo fica ainda mais trabalhoso se algum dado de sada no atender ao seu parmetro e for necessrio refazer o fluxo de clculo. Desta forma, de grande importncia se implementar em programa computacional a rotina de dimensionamento, para que se consiga tornar o dimensionamento de reatores UASB algo simples e rpido.

Implementao da rotina de dimensionamento A implementao ocorreu por meio do desenvolvimento dos algoritmos baseados na rotina de dimensionamento anteriormente desenvolvida. Todo um know-how foi concebido para se adequar as equaes matemticas linguagem de programao, especialmente no caso de clusulas e testes lgicos necessrios para se atingir os objetivos


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de clculo. A codificao da rotina possui mais de 2000 linhas divididas em blocos de procedimentos, onde cada um destes blocos corresponde a uma etapa do clculo, sendo eles: i) clculo da vazo afluente domstica; ii) clculo da vazo afluente total; iii) tempo de deteno hidrulica; iv) clculo do compartimento de digesto; v) clculo do compartimento de decantao; vi) clculos relativos aos tubos de distribuio; vii) produo de biogs e produo de lodo. Juntamente com a implementao da rotina de dimensionamento foi desenvolvido todo o sistema auxiliar do programa, necessrio ao seu funcionamento de acordo com o objetivo de torn-lo de fcil manuseio. As interfaces, as caixas de dilogo, o sistema de ajuda e o gerador do relatrio texto foram desenvolvidos paralelamente.

RESULTADOS Como resultado deste trabalho, teve-se desenvolvido um software para prdimensionamento de reatores anaerbios de manta de lodo de seo retangular, produto este para ambiente operacional Windows tanto para verso 3.11 como para a 95 ou 98. No software, cada etapa do dimensionamento possui pgina prpria. Todas as pginas apresentam sistema de ajuda especfico, seus dados de entrada, seus parmetros e suas variveis de sada. A obteno de uma interface amigvel e agradvel foi motivo de grande preocupao. Sendo assim, todas as pginas foram construdas de forma simples, no intuito de tornar o mais fcil possvel a utilizao do programa pelo usurio. A navegao pelas pginas ocorre pelo ndice que se localiza em sua parte inferior, podendo o usurio acessar qualquer pgina, independentemente de sua seqncia. Contudo, as variveis e parmetros somente se habilitam depois que o clculo foi corretamente efetuado na pgina anterior. A disposio e seqncia dos objetos nas pginas do programa segue a rotina de clculo. Cada pgina apresenta parmetros e resultados. Os parmetros se localizam em toda a parte superior da pgina, j os resultados se localizam na parte inferior da pgina, logo acima dos botes Ajuda, Sair, Continuar e Voltar. A janela possui ainda o boto Clculo, que executa todas as verificaes e clculos relativos quela etapa, mostrando os resultados logo a seguir.

Apresentao do Programa O programa foi desenvolvido para se apresentar em uma nica janela que possui vrias pginas. Ele apresenta-se em 12 pginas seqenciais e no simultneas. Das 12 pginas do programa, 6 so efetivamente relativas ao clculo e 6 so de apresentao inicial, de desenho e de relatrio. Cada uma destas pginas de clculo refere-se a uma etapa da rotina apresentada, sendo por questo de espao fsico contempladas juntamente em alguns casos. O software denominado UASBWare apresenta como resultado de sada todos os dados necessrios para um dimensionamento adequado e correto de acordo com os parmetros de clculo colocados. So dados de sada: carga orgnica e a concentrao do afluente;20 Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitria e Ambientalo

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intervalo de TDH total possvel para os parmetros de clculo; eficincia esperada no reator para remoo de DQO e concentrao esperada no efluente final; velocidade ascensional do esgoto para as vazes mdia e de pico; volumes, reas e dimenses finais do reator, dos mdulos e do decantador; parmetros de verificao do compartimento de decantao (TDH, taxa de aplicao superficial e velocidades nas aberturas); produes tericas de metano, de biogs e de lodo; velocidades nos tubos de distribuio do afluente; lay-out de disposio das clulas de distribuio em cada mdulo do reator; seo transversal esquemtica do reator, com indicao das principais dimenses; relatrio do clculo executado com todas as informaes utilizadas em arquivo extenso .txt, possvel de ser editado no programa Word.

Na utilizao mais simplificada do programa, neste caso utilizando todos os parmetros fornecidos pelo programa, basta o usurio entrar com a populao contribuinte ao sistema de tratamento. As Figuras a seguir mostram as pginas do programa.Figura 1: Pginas do software: Iniciar e Bem-vindo.

As duas pginas iniciais tratam apenas da apresentao do software, fornecendo informaes gerais acerca do desenvolvimento do programa.Figura 2: Pginas do software: Identificao e Vazes 1.


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Na pgina Identificao pode-se identificar o projeto no qual se est trabalhando. Esta identificao facultativa. Na pgina Vazes 1 se entra com as vazes de contribuio domstica para pr dimensionamento do reator UASB retangular. Existe a opo de se fornecer a populao para que o programa calcule estas vazes, ou de se entrar diretamente com seus valores.

Figura 3: Pginas do software: Vazes 2 e TDH.

Na pgina Vazes 2 entra-se com as vazes de bombeamento, no caso de existncia de elevatria, e com as vazes industriais, se houver incluso de efluentes industriais. Na janela TDH o programa mostra os clculos dos provveis tempos de deteno hidrulica e verifica as velocidades.Figura 4: Pginas do software: Digestor e Decantador.

Na pgina Digestor o programa mostra os clculos das reas dos compartimentos de distribuio, alm das dimenses finais do reator. Na janela Decantador o programa verifica as velocidades e taxas de aplicao. So sugeridos valores limites e como dados de sada so mostrados valores como: largura da abertura, rea de decantao, inclinao do defletor etc.


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Figura 5: Pginas de desenho do software.

Figura 6: Pginas do software: Biogs/Tubos de Distribuio e Relatrio.

Na primeira janela da Figura 6 so fornecidos dados caracterizando a produo de biogs e de lodo no sistema de tratamento, alm da verificao dos tubos de distribuio de esgotos no reator. A pgina Relatrio a parte final do programa, quando se tem a oportunidade de obter um relatrio detalhado do dimensionamento do reator. Tem-se as opes de imprimir este relatrio ou de grav-lo para posterior utilizao.

CONCLUSO O software desenvolvido mostrou-se uma ferramenta bastante adequada no sentido de permitir o pr-dimensionamento de reatores tipo UASB de configurao retangular, garantindo a observncia dos principais critrios e parmetros que devem nortear o projeto desse tipo de reator. Ainda que o software no possibilite o pr-dimensionamento de todas as configuraes, como desejado inicialmente, entende-se que um grande avano foi conseguido em relao aos reatores retangulares. Para as outras configuraes, como a circular-reta e a circular-trapezoidal, prev-se o desenvolvimento de uma nova verso do programa. A partir do levantamento bibliogrfico, verificou-se relativa dificuldade em se obter informaes bibliogrficas consistentes tanto em nvel de projeto quanto de operao de reatores UASB. Percebeu-se tambm, ser difcil obter fontes que fornecessem todos os dados necessrios para uma anlise criteriosa das informaes e principalmente ausncia de uma proposta de dimensionamento completa. Constatou-se ainda, que apenas um20 Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitria e Ambientalo

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nmero reduzido de reatores UASB (projetados ou implantados) apresentam algum tipo de relatrio publicado, o que explica a dificuldade na obteno de dados. Presume-se que a comunidade tcnico-cientfica se sente inibida em divulgar dados de projeto devido falta de parametrizao da tecnologia UASB. Isso vem, mais uma vez, justificar a importncia desta pesquisa, que contribuindo para a padronizao dos parmetros, incentivar a divulgao de resultados e a conseqente disseminao da tecnologia. importante salientar que esta constatao s foi percebida pela comunidade acadmica da instituio na qual este trabalho foi desenvolvido aps diversas visitas e encontros realizados. O sistema de Ajuda do programa, extensamente explicativo, se torna um de seus principais argumentos para a divulgao da tecnologia. No somente contempla as informaes necessrias ao programa, como a tecnologia dos reatores UASB. O software encontra-se atualmente em fase de avaliao por parte de diversos especialistas que integram o Programa de Pesquisa em Saneamento Bsico PROSAB, devendo ser futuramente disponibilizado aos tcnicos envolvidos com o anteprojeto de reatores tipo UASB. Em suma, acredita-se que o software UASBWare alcanou os objetivos almejados, constituindo-se, ento, em uma poderosa ferramenta de clculo para os projetistas sanitaristas. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem aos integrantes da rede do Tema 2 do PROSAB, que contribuiram com a sistematizao dos critrios e parmetros de projeto de reatores UASB, e FINEP, ao CNPq e CAPES pelo financiamento da pesquisa.

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