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

1. Universidade Estadual de Maringá Departamento de Engenharia Civil Disciplina - Saneamento IV Remoção de Nutrientes em Sistema de Lodos Ativados Murilo P. Moisés

2. 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.

3. Eutrofização: Represa Guarapiranga/SP

4. Conseqüências da Eutrofização • 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

5. Entrada artificial de nutrientes (+) produção orgânica (+) biomassa/m2 (-) penetração de luz (+) produção de detritos orgânicos (+) taxa de decomposição (+) H2S e CH4 (-) O2 Conseqüências da Eutrofização

6. Conseqüências da Eutrofização

7. Conseqüências da Eutrofização Consumo de oxigênio dissolvido - Morte de peixes

8. Remoção biológica de nutrientes – Lodos ativados

9. Remoção biológica de nutrientes – Lodos ativados

10. + Nitrificação Desnitrificação

11. Onde, = 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) Cinética da Nitrificação Taxa de crescimento das bactérias nitrificantes Relação de Monod

12. Exemplo: Calcular a taxa de crescimento das bactérias nitrificantes em um reator de mistura completa considerando: Solução:

13. = taxa de crescimento máximo na temperatura T = Coeficiente de tempetatura = temperatura T Nitrificação Fatores Ambientais de influência - Temperatura - pH - OD - Subst. Tóxicas ou inibidoras Temperatura

14. 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) pH OD

15. 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;

16. Exemplo: Calcular a idade do mínima para que ocorra nitrificação no sistema com taxa de crescimento 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

17. Taxa de nitrificação Em função da massa de microorganismos nitrificantes presentes nas zonas aeradas do reator, sendo expressa como: = taxa de nitrificação unitária x concentração de bactérias nitrificantes 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

18. 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/mol PM do 2O2 = 64g/mol 1000g x 64 g/mol = 4.571g = 4,57Kg de O2 14g/mol

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

20. Alcalinidade Requisitos de alcalinidade Reação global da nitrificação 1 mol de íon amônio produz 2 mols de H+ que, consome 2 mols de Bicarbonato; Portanto,

21. consome de alcalinidade Alcalinidade Como: Medida em termos de Carbonato de Cálcio

22. - 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/d Vazão média = 9.820 m3/d e alcalinidade afluente 150 de mg/l. Solução: • 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:

23. b) Alcalinidade disponível no efluente: déficit de alcalinidade: Queda do pH = redução da taxa de nitrificação Adição de alcalinizante:

24. Fundamentos da desnitrificação Biológica Condições anóxicas -Ausência de oxigênio, presença de nitratos Bactérias: - Pseudomonas - Achromobacter - Escherichia - Bacillus - Micrococus • Vantagens: • - Economia de alcalinidade; • - Evita Eutrofização

25. Removido do sistema através da retirada do lodo excedente Remoção biológica de fósforo • Fósforo Inorgânico • - Ortofosfato e polifosfato • Fósforo orgânico • Contribuição per capita • 1,0-4,5 g/habitante.dia • Valor típico = 2,5 g/habitante.dia • Remoção: • Zonas ANAERÓBIAS absorção pelos organismos acumuladores de fósforo

26. Remoção biológica de fósforo Fatores de influência... • OD; • Temperatura • pH • Idade do lodo • Tempo de detenção e configuração da zona anaeróbia • Tempo de detenção da zona aeróbia • Sólidos em suspensão no efluente

27. Remoção Biológica de Nitrogênio Principais Fluxogramas

28. Remoção Biológica de Nitrogênio Principais Fluxogramas

29. Remoção Biológica de N e P Principais Fluxogramas

30. 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.

31. Exemplo 1 Dimensionamento de um reator com nitrificação e pré desnitrificação, com zona anóxica seguida de zona aeróbia; Dados do esgoto bruto Vazão média = 9820m3/d Carga de amônia afluente = 496 kg/d Concentração de amônia afluente = 51mg/l Dados do efluente final Concentração de amônia = 2mg/l (desejado) Decantador primário Eficiência de remoção de amônia = 20% Reator Idado do lodo = 6 dias SSVTA = 3000mg/l OD no reator = 2mg/l pH no reator = 6,8 Temperatura média no mês mais frio = 20ºC

32. Coeficientes adotados Coeficientes para a nitrificação Coeficientes para a nitrificação Taxa de crescimento Máximo Taxa de crescimento Máximo Coeficiente de saturação de amônia Coeficiente de saturação de amônia Coeficiente de saturação de oxigênio Coeficiente de saturação de oxigênio Coeficiente de produção especifica Coeficiente de produção especifica Coeficiente de temperatura Coeficiente de temperatura Demanda de oxigênio para nitrificação Demanda de oxigênio para nitrificação Taxa de desnitrificação na zona pré-anóxica Taxa de desnitrificação na zona pré-anóxica Coeficiente de temperatura para a desnitrificação Coeficiente de temperatura para a desnitrificação Produção de oxigênio para a desnitrificação Produção de oxigênio para a desnitrificação Fração de amônia no lodo excedente Fração de amônia no lodo excedente Coeficientes para a desnitrificação Coeficientes para a desnitrificação

33. Reator Fração 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 Carga de amônia restante Volume do reator (volume calculado no dimensionamento convencional = 2.051m3) Fator de correção = 1,08

34. Volume das zonas anóxica e aeróbia Tempo de detenção hidráulica Idade do lodo (também deve ser multiplicada pelo fator de correção)

35. Taxa de crescimento das bactérias nitrificantes Efeito da concentração de amônia Efeito da concentração de OD no reator

36. Efeito do pH Efeito integrado das condições ambientais

37. Idade do lodo aeróbia mínima para nitrificarão total 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 carga de amônia no lodo excedente = fração de amônia no lodo (0,12) x produção liquida de sólidos

38. Carga de amônia a ser oxidada Produção de bactérias nitrificantes Relação Fn = Fração de bactérias nitrificantes nos SSV

39. Cálculo da taxa de nitrificação 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

40. Eficiência de remoção de amônia 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

41. 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

42. Concentração de nitrato no efluente Eficiência de remoção de nitrato Resumo das concentrações de nitrogênio Amônia=6mg/l Nitrato=8mg/l Nitrogênio total= 6+8=14mg/l

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

44. Dados do afluente Vazão media = Q=9.280m3/d [P] no esgoto bruto = 12mg/l Eficiência de remoção de P na decantação primaria=20% DBO=239mg/l DQO/DBO=1,8 (valor adotado) Fração rapidamente biodegradável da DQO= Frb=0,25 DBO solúvel = S = 4mg/l Sólidos em Suspensão = SS = 30mg/l Idade do lodo = 6 dias 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. Remoção de P na decantação primaria

45. Exemplo anterior... V = 2.215m3 Tempo de detenção hidráulico total = 5,4 horas Adotando 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: = Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis = Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis = Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis = Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis = Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis = Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis = Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis = Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis = Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis = Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis = Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis = Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis = Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis = Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis = Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis = Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis = Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis = Relação entre Sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis = Idade do lodo = Idade do lodo = Idade do lodo = Idade do lodo = Idade do lodo = Idade do lodo = Idade do lodo = Idade do lodo = Idade do lodo = Idade do lodo = Idade do lodo = Idade do lodo = Idade do lodo = Idade do lodo = Idade do lodo = Idade do lodo = Idade do lodo = Idade do lodo = coeficiente cinético (0,08 d-1) = coeficiente cinético (0,08 d-1) = coeficiente cinético (0,08 d-1) = coeficiente cinético (0,08 d-1) = coeficiente cinético (0,08 d-1) = coeficiente cinético (0,08 d-1) = coeficiente cinético (0,08 d-1) = coeficiente cinético (0,08 d-1) = coeficiente cinético (0,08 d-1) = coeficiente cinético (0,08 d-1) = coeficiente cinético (0,08 d-1) = coeficiente cinético (0,08 d-1) = coeficiente cinético (0,08 d-1) = coeficiente cinético (0,08 d-1) = coeficiente cinético (0,08 d-1) = coeficiente cinético (0,08 d-1) = coeficiente cinético (0,08 d-1) = coeficiente cinético (0,08 d-1) = Relação entre DBO no efluente bruto e tratado = Relação entre DBO no efluente bruto e tratado = Relação entre DBO no efluente bruto e tratado = Relação entre DBO no efluente bruto e tratado = Relação entre DBO no efluente bruto e tratado = Relação entre DBO no efluente bruto e tratado = Relação entre DBO no efluente bruto e tratado = Relação entre DBO no efluente bruto e tratado = Relação entre DBO no efluente bruto e tratado = Relação entre DBO no efluente bruto e tratado = Relação entre DBO no efluente bruto e tratado = Relação entre DBO no efluente bruto e tratado = Relação entre DBO no efluente bruto e tratado = Relação entre DBO no efluente bruto e tratado = Relação entre DBO no efluente bruto e tratado = Relação entre DBO no efluente bruto e tratado = Relação entre DBO no efluente bruto e tratado = Relação entre DBO no efluente bruto e tratado = Fração de P nos sólidos suspensos voláteis = Fração de P nos sólidos suspensos voláteis = Fração de P nos sólidos suspensos voláteis = Fração de P nos sólidos suspensos voláteis = Fração de P nos sólidos suspensos voláteis = Fração de P nos sólidos suspensos voláteis = Fração de P nos sólidos suspensos voláteis = Fração de P nos sólidos suspensos voláteis = Fração de P nos sólidos suspensos voláteis = Fração de P nos sólidos suspensos voláteis = Fração de P nos sólidos suspensos voláteis = Fração de P nos sólidos suspensos voláteis = Fração de P nos sólidos suspensos voláteis = Fração de P nos sólidos suspensos voláteis = Fração de P nos sólidos suspensos voláteis = Fração de P nos sólidos suspensos voláteis = Fração de P nos sólidos suspensos voláteis = Fração de P nos sólidos suspensos voláteis = Relação entre SSV e DBO – adotado como 0,6 = Relação entre SSV e DBO – adotado como 0,6 = Relação entre SSV e DBO – adotado como 0,6 = Relação entre SSV e DBO – adotado como 0,6 = Relação entre SSV e DBO – adotado como 0,6 = Relação entre SSV e DBO – adotado como 0,6 Remoção de P com o lodo excedente:

46. Fração de P nos SS = 7% Concentração de P solúvel no efluente: Concentração de P particulado nos SS: Concentração de P total do efluente: Eficiência de remoção: