Aula 5 aeração

TRATAMENTO DE ÁGUAS

RESIDUÁRIAS

Aula 5 - Princípios de aeração

Princípios de aeração

A aeração é uma operação unitária de fundamental importância em um grande número de processos aeróbios de tratamento de esgoto. Desde que o líquido esteja deficiente de um gás (oxigênio), há uma tendência natural do gás passar da fase gasosa, onde se encontra em quantidade satisfatória para fase líquida, onde esta deficiente. O oxigênio é um gás que se dissolve mal no meio líquido. Por esta razão, há em vários sistemas a necessidade de se acelerar o processo natural, de forma a que o fornecimento de oxigênio possa se dar em uma taxa mais elevada equivalente a taxa do seu consumo pelas bactérias.


Entre os processos de tratamento de esgotos a

utilizarem a aeração artificial encontram-se as

lagoas, os lodos ativados e suas variantes, os

biofiltros aerados e alguns outros processos mais

específicos. Dentre os processos de tratamento do

lodo, a digestão aeróbia utiliza também aeração

artificial.


Há duas formas principais de se produzir aeração

artificial:

•Introduzir ar ou

oxigênio no líquido

(aeração por ar

difuso)


• Causar um grande

turbilhonamento, expondo o

líquido na forma de gotículas,

ao ar, e ocasionando a

entrada do ar atmosférico no

meio líquido (aeração

superficial ou mecânica)


Quando um líquido é exposto a um gás, ocorre um

contínuo intercâmbio de moléculas da fase

líquida para a fase gasosa e vice e versa. O

equilíbrio dinâmico esta associado à concentração

de saturação do gás na fase líquida.

Fundamentos de transferência de

gases

A concentração de saturação é diretamente

proporcional à concentração na fase gasosa. O

coeficiente KD é denominado coeficiente de

distribuição, e depende da natureza do gás e do

líquido e da temperatura.

Cs = KD . Cg

Cg = concentração do gás na fase gasosa (mg L-1)

Cs = concentração do gás na fase líquida (mg L-1)

KD = coeficiente de distribuição (dependente da natureza do gás, do líquido e

da temperatura).


gases

Para a difusão do oxigênio na água, KD assume os

seguintes valores:

Observação: Quanto maior a temperatura, menor a

solubilidade do gás no meio líquido. A maior

agitação das moléculas na água faz com que os

gases tendam a passar para a fase gasosa.


gases

A equação que estabelece a concentração de saturação de um

gás na água, em função da temperatura e da pressão é:

Cs = KD . Dv . (Pa-Pv) . _PM_

(R.T)

Onde:

dv = distribuição volumétrica do O2 no ar atmosférico (ar = 21% O2)

PM = peso molecular do oxigênio (32 g mol-1)

Pa = pressão atmosférica (101,325 Pa nas CNTP)

Pv = pressão de vapor da água

R = constante universal (8,3143 J/Kmol);

T = temperatura (K).


KD = coeficiente de distribuição (dependente da natureza do gás, do líquido e da temperatura).


gases

Valores para pressão de vapor da água (Pv)

Exercício 1

Calcular a concentração de saturação de oxigênio na água pura nas seguintes condições: Temperatura = 20°C . Pressão atmosférica ao nível do mar

Cs = KD . Dv . (Pa-Pv) . _PM_

(R.T) Onde:

dv = distribuição volumétrica do O2 no ar atmosférico (ar = 21% O2) = 0,21

PM = peso molecular do oxigênio (32 g mol-1) = 32 g/mol

Pa = pressão atmosférica (101,325 Pa nas CNTP) = 101325 Pa

Pv = pressão de vapor da água = 2330 Pa

R = constante universal (8,3143 J/Kmol); 8,3143 J/Kmol

T = temperatura (K). 293°K (=20°C)


KD = coeficiente de distribuição (dependente da natureza do gás, do líquido e da temperatura). 0,0337

9,2mg/l


gases

A altitude exerce uma influência na solubilidade de

um gás. Quanto maior a altitude, menor a pressão

atmosférica, e menor a pressão para que o gás se

dissolva na água. A salinidade afeta também a

solubilidade do oxigênio.


gases

Concentração de saturação de oxigênio (mg/l)

Mecanismos de transferência de gases

Há dois mecanismos básicos para a transferência do

oxigênio da fase gasosa para a fase líquido.

Difusão molecular

Difusão turbulenta

A difusão molecular pode ser descrita como a

tendência de qualquer substancia de se espalhar

uniformemente pelo espaço disponível.


A teoria da penetração diz que durante certo tempo

de exposição o gás difunde no elemento fluido,

penetrando no líquido, o tempo de exposição é

considerado muito curto (0,1s) para prevalecer as

condições estacionárias.

De acordo com a teoria de penetração, as seguintes

fórmulas poder ser obtidas para a transferência de

gases:


Taxa de absorção do gás:

dM = A.(Cs-Co). _D_

dt (π .t)

Profundidade de penetração do gás: xp = √π.D.t

M = massa de gás absorvida através da área A durante o tempo t (g);

A = área interfacial de exposição (m²);

t = tempo de exposição (s);

Co = concentração inicial do gás no seio da massa líquida (g.m-3);

Xp = profundidade de penetração do gás na massa líquida (m).

D = coeficiente de difusão

Exercício 2

Um tanque em estado de repouso, totalmente desprovido de oxigênio, com uma temperatura de 20°C, ao nível do mar, é exposto ao ar. Pergunta-se:

Qual a taxa de absorção de oxigênio?

Taxa de absorção do gás:

_dM_ =(Cs-Co). _D_

dt A (π .t)

Co = 0,0 g/m3

Cs = 9,2 g/m3

D = 1,8 x 10-9 m2/s

t = 1 segundo

t = 60 segundos

t = 3600 segundos

t = 86400 segundos

Exercício 2

Qual a profundidade de penetração do oxigênio?

Profundidade de penetração do gás: xp = √π.D.t

t = tempo de exposição (s);

• 1 segundo

• 60 segundos

• 3600 segundos

• 86400 segundos

Xp = profundidade de penetração do gás na massa líquida (m).

D = coeficiente de difusão molecular (m2/s) 1,8 x 10-9m2/s

Exercício 2

O objetivo desse exercício é de ressaltar que o fato

de que a transferência de oxigênio por difusão

molecular é extremamente lenta. No tratamento

dos esgotos, a elevada demanda de oxigênio não

pode ser suprida simplesmente pela difusão

molecular.

A) Taxa de absorção de oxigênio –

1) 220 x 10 -6 g/m2.s

2) 2,8 x 10-6 g/m2.s

3) 3,7 x10-6 g/m2.s

4) 0,75 x 10-6 g/m2.s

B) Profundidade de penetração de oxigênio –

1) 0,075 x 10 -3 m

2) 0,582 x 10-3 m

3) 4,51 x10-3 m

4) 22,1 x 10-3 m

Fatores de influência na transferência

de oxigênio

A taxa de transferência de oxigênio do

equipamento de aeração a ser instalado em uma

estação é frequentemente determinado em

condições distintas daquelas nas quais ele

operará.

Para estimativa da taxa de transferência nas

condições de operação é necessário ter como base

os resultados obtidos no teste realizado em

condições padronizadas.

Fatores de influência na transferência

de oxigênio

Os fatores de maior influência na taxa de

transferência de oxigênio são:

• Temperatura

• Concentração de oxigênio dissolvido

• Características do esgoto

• Características do aerador e da geometria do

reator

Taxa de transferência de oxigênio no

campo em condições padrão

Devido a interação simultânea dos diversos fatores

de influência, torna-se evidente que a taxa de

transferência de oxigênio, para um mesmo

equipamento, deverá variar de local para local.

Fórmula para taxa de transferência de oxigênio é

dado por:

Taxa de transferência de oxigênio no

campo em condições padrão

TTO padrão = Taxa de transferência de Oxigênio Padrão (kgO2/h)

TTO campo = Taxa de transferência de Oxigênio no campo, nas condições de operação (KgO2/h)

Cs = concentração de saturação de oxigênio na água limpa nas condições (temperatura e altitude O de operação no campo (g/m3)

CL = concentração média de oxigênio mantida no reator 9g/m3)

Cs(20°C) = concentração de saturação de oxigênio da água limpa, nas condições padrão (g/m3)

fH = fator de correção de Cs para altitude (= 1 – altitude/9450)

β = fator de correção devido a presença de sais, matéria particulada e outros agentes. Valores variam de 0,70 a 0,98, sendo que o valor de 0,95 é frequentemente adotado.

α = fator de correção devido a transferência de oxigênio pelas características dos esgotos, e pela geometria do reator e grau de mistura. Os valores variam de 0,6 a 1,2 para aeração mecânica e de 0,4 a 0,8 para aeração por ar difuso.

Ѳ = coeficiente de temperatura. Usualmente adotado como 1,024

T = temperatura do líquido.

Exercício 3

Em uma estação de tratamento de esgoto, é necessário o fornecimento de 100kgO/h (TTO campo), nas condições de operação, através de um sistema de aeração mecânica. Determinar a Taxa de Transferência de Oxigênio Padrão, sabendo-se que:

Temperatura do líquido T=23°C

Altitude = 800m

CL = 1,5mg/l

Cs = 8,7mg/l

Cs (20°C)= 9,2mg/l

β = 0,95

α =0,90

Ѳ = 1,024

fH = 0,92

161 kgO2/h

Exercício 3

Os resultados finais obtidos são:

TTOcampo

TTOpadrão

TTO Campo (dado do problema)

TTO padrão (encontrado)

62%

Eficiência de oxigenação

A eficiência de oxigenação (EO) retrata a taxa de

transferência de oxigênio (KgO2/h) por unidade de

potência consumida (kW), sendo expressa na

unidade de KgO2/kWh.

EO = __TTOpadrão__

P

EO = eficiência de oxigenação (kgO2/kWh)

P = potência consumida (kW)

Potência consumida

No caso de aeração mecânica, deve-se ser sempre bem claro se a potência consumida inclui ou não as eficiências do motor e redutor. No caso de aeração por ar difuso, a potência requeria para os sopradores pode se expressa em termos de vazão de ar e da pressão a ser vencida, da seguinte forma:

P = ___Qg . ρ . g . (di + ΔH)__

η

P = potencia requerida (W)

ρ = peso específico do líquido (1000kg/m3)

g = aceleração da gravidade (9,81m/s2)

di = profundidade de imersão dos difusores de ar (m)

ΔH = perda de carga no sistema de distribuição de ar (m)

η = eficiência do motor e do soprador (-)

Eficiência de transferência de oxigênio

Em um sistema de aeração por ar difuso, a razão de

utilização de oxigênio (RUO) expressa a

quantidade de oxigênio absorvido por m3 de ar

aplicado, ou seja:

RUO = _TTO padrão__

Qs

RUO = razão de utilização de oxigênio (KgO2

absorvido/m3 ar aplicado)

Qs = vazão de ar (m3/h)

Exercício 4

Determinar os principais parâmetros do seguinte sistema de aeração por ar difuso (bolhas médias):

Volume útil do reator: V = 500m3

Vazão de ar: Qg = 0,6m3/s = 2160m3/h

Profundidade de imersão dos difusores di = 4,0 m

Perda de carga no sistema de distribuição de ar ΔH = 0,4m

Taxa de transferencia de oxigênio padrão TTO padrão = 60 KgO2 /h = 60000gO2/h

Eficiência do motor e do soprador: η = 0,60

ρ = peso específico do líquido 1000kg/m3

g = aceleração da gravidade 9,81m/s2

Exercício 4

a)Razão de utilização de oxigênio

RUO = __TTO padrão__

Qg

b) Razão de utilização de oxigênio por unidade de

imersão

__RUO__

di

27,8 gO2/m3 ar

7,0 gO2/m3 .m

Exercício 4

C) eficiência de transferência de oxigênio padrão

ETOP = 0,334 x RUO

D) potencia requerida

P = ___Qg . ρ . g . (di + ΔH)__

η

E) eficiência de oxigenação

EO = __TTOpadrão__

P

9,3%

43164W = 43,2 Kw

1,39 KgO2/KWh

Exercício 4

f_) densidade de potência

DP = P/V 86W/m3

Exercício 5

Para uma ETE a 1000m de altitude e a temperatura

média de inverno de 15° e temperatura média de

verão 25º, estimar a quantidade total de oxigênio

necessária ao sistema Nec.O2 total, a potência do

sistema de aeração.

(ETE – Reator de Lodos Ativados)

Passo 1 - transformações

Transformar a vazão média l/s para m3/d

Qo = 40,4 l/s

Transformar a DBO5,20 média da entrada do reator

de mg/l para kg/m3

192,5mg/l

Transformar a DBO5,20 média na saída do

decantador secundário mg/l para kg/m3

8mg/l

Q = 3491,0m3/d

DBOentrada =0,1925 Kg/m3

DBOsaida = 0,008kg/m3

Passo 2 – Cálculo da necessidade de

O2

De acordo com as especificações de cada tipo de

reator temos alguns valores tabelados. Para reator

do tipo convencional a Necessidade de O2 é: 2

KgO2/kg DBO

Fazer a correção da temperatura para DBO

removida. (Temperatura de 25°C situação mais

crítica em termos da necessidade de O2)

DBO5, T° = DBO5,20° x 1,047 (T -20°)

Calcular para DBO entrada do reator e DBO saída do decanatdor

DBO entrada = 0,242 Kg/m3 DBOsaída = 0.010 kg/m3


O2

DBO removida

DBOremov = DBO entrada – DBO saída

Carga de DBO diária removida:

Carga de DBOdiária removida = DBO removida x Qmédia

Necessidade O2 total média

Nec.O2média = Nec.O2 x Carga de DBO diária removida

DBO removida = 0,232Kg/m3 Carga de DBO remov. 810Kg DBO/dia

Nec O2 média 1620 KgO2/d


O2

Para necessidade total de pico (Nec.O2 de pico),

considerar um acréscimo de 66% na necessidade

de O2

Nec. O2 total de pico = Nec.O2 total média x 66%

NecO2 = 2700kgO2/dia ou 112,5 KgO2/hora

Passo 3 – Necessidade de ar

Para sistemas de ar difuso, que funcionam acionados

por sopradores ou por compressores de ar, pode-se

querer conhecer a quantidade de ar necessária

“Nec.ar”. Considera-se então, de forma

aproximada, que em 1kg de ar há cerca de

0,22kg de O2, ou, em outras palavras para cada

1kg de O2 há necessidade de se fornecer cerca de

4,55 kg de ar.

Passo 3 – Necessidade de ar

Necessidade ar total

Nec.ar total = 4,55 kg ar x Nec.O2/dia

12285Kg ar/dia ou 512 Kg ar/hora

Passo 4 – Potencia necessária para os

aeradores mecânicos

Potência necessária para os aeradores mecânicos:

Pneces = Nec.O2

N

onde: N = N0 x λ

N = capacidade de aeração em campo

N0 = capacidade de transferência de O2, pelos aeradores nas condições de teste; (para aeradores de baixa rotação pode-se adotar No = 1,5 KgO2/Cv.h)

λ = fator de correção de N0 para as condições de campo



λ = α x _(β x CSW - CL) x 1,02 (T-20)

9,17

α = fator de correção devido a transferência de oxigênio pelas características dos esgotos, e pela geometria do reator e grau de mistura. Adotado = 0,85

β = fator de correção devido a presença de sais, matéria particulada e outros agentes. Adotado =0,95

CSW = Concentração de saturação de OD. (para água limpa, na altitude de 1000m e temperatura que ocorre no campo de Tinv = 15°C e Tverão = 25°C) tem se: CSWinv = 9,0 mg/l e CSWverão = 7,3mg/l

CL = concentração de OD no reator = 2,0 mg/l

9,17 = Concentração de saturação de oxigênio dissolvido nas condições teste

λ = fator de correção de N0 para as condições de campo



Efetuar os cálculos para λ inverno e λ verão

λ = α x _(β x CSW - CL) x 1,02 (T-20)

9,17 Para dimensionamento utilizar os valores mais críticos λ

menor.

Encontrar a capacidade de aeração “de campo”

onde: N = N0 x λ

Potencia necessária para os aeradores

Pneces = Nec.O2

N

λ inverno = 0,55 e λ verão 0,51 N = 0,77KgO2/cv.h Pnec = 146,1 cv

Passo 5 – Potencia necessária para

sopradores e/ou compressores

Mesmo roteiro anterior (aeradores mecânicos)

porem para o cálculo de λ, adota-se o valor de α = 0,73

λ inverno = 0,47 e λ verão = 0,43 N = 0,65KgO2/cv.h e Pnec = 173,1 cv

Passo 6 – Número de aeradores mecânicos

necessário para cada reator

Para 4 reatores, com 4,0m de profundidade útil, área

de 60,0m2 e volume de 240,0m3 cada. Os arranjos

para os aeradores podem ser bastante

diversificados. Para aeradores de baixa rotação e

alta densidade de potência de funcionamento

contínuo, pode-se fixar potência total necessária

Ptotal neces. 160cv. Cada reator deverá ter 2

aeradores de 20cv cada

Passo 7 – Cálculo da densidade de

potência resultante

Considerando-se, para cada reator a potência de

40cv = 29420W e volume do reator de 240,0m3

tem-se:

DP = __Potência___

Volume

122,6 W/m3

Aeradores

Aeração mecânica – aerador de eixo

horizontal

Aeração mecânica – aerador flutuante de

alta velocidade ligado

Aeradores fixos - aspectos das

estruturas

Aeração por ar difuso – aspectos da

turbulência na superfície do liquido

Aeradores

Aeração mecânica – Aerador flutuante de

alta velocidade

Aeração mecânica – de baixa velocidade

Aeração mecânica – Aerador fixo de eixo

horizontal

Material consultado

Esgoto sanitário: coleta, transporte, tratamento e

reuso agrícola/ Coord. Aeriovaldo Nuvolari 2 ed.

São Paulo, Blucher, 2011

Von Sperling, Marcos. Princípio básico de

tratamento de esgoto. Belo Horizonte, UFMG, 1996

PRINCÍPIOS DE AERAÇÃO, Luciano Vieira

Education

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