PRINCÍPIOS DE AERAÇÃO - Luciano

PRINCÍPIOS DE AERAÇÃO

Luciano Vieira

Introdução

• A aeração é fundamental em um grande número de processos de tratamento de esgotos.

Objetivo da Aeração

• Fazer com que o líquido (deficiente em O2) receba o O2 da fase gasosa. Dessa forma, o líquido terá uma quantidade satisfatória de O2 na fase líquida.

Porque aerar artificialmente?• O O2 é um gás que se dissolve mal no meio líquido;

• Aerando, haverá um aumento na taxa de fornecimento de O2 equivalente ao consumido pelas bactérias.

Processos de tratamento de lodo que utilizam a aeração artificial

• Digestão aeróbia.

Processos de tratamento de esgotos que utilizam a aeração artificial

• Lagoas aeradas;

• Lodos ativados e suas variantes;

• Biofiltros aerados.

São duas formas principais de se produzir a aeração artificial

• Aeração por ar difuso introduzir ar ou oxigênio no líquido;

• Aeração superficial ou mecânica causar um grande turbilhonamento, expondo o líquido, na forma de gotículas, ao ar e ocasionando a entrada do ar atmosférico no meio líquido.

Fundamentos da transferência de gases

1) Concentração de saturação de um gás

Concentração de um gás na fase líquida é igual a fase gasosa, ou seja, os fluxos passam a ser de igual magnitude.

As condições de saturação nas duas fases são proporcionais a estas velocidades

Sendo:

Kg e Kl = constante de proporcionalidade

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

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

No equilíbrio

Sendo:

Vg = velocidade de absorção;

Vl = velocidade de liberação.

Vg = Vl

KgCg = KlCl

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.

Fazendo Kg/Kl = KD, tem-se:

Sendo:

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

Cs = KD Cg(1)

Desenvolvendo (2), fazendo em (1) e corrigindo Pv:

Sendo:

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

Cg Lei Universal dos gases

Sendo:

p = pressão parcial do gás na fase gasosa (Pa);V = volume ocupado na fase gasosa (m³);n = número de moles do gás no volume V (mol/m³);R = constante universal (8,3143 J/Kmol);T = temperatura (K).

pV = nRT

Cs = KD dv (Pa-Pv) PM (R T)-1

(2)

(3)

Pressão de Vapor

Sendo:

Pv = pressão atual de vapor (kPa);e’s = pressão máxima de vapor à temperatura de bulbo úmido (tu) do psicrômetro (kPa);Ts = temperatura de bulbo seco ou temperatura do ar (ºC);P = pressão atmosférica (kPa);A = coeficiente do instrumento (0,00067ºC -1 para psicrômetro aspirado e 0,0008ºC-1 para

psicrômetro não aspirado).

Pv = e’s – A . P . (Ts – Tu)

e’s = 0,6108 . 10(7,5 .T / 237,5 + T)

Valores para pressão de vapor da água (Pv)

EXEMPLO 1

Levando em consideração a influência da altitude na solubilidade de um gás (Maior altitude menor pressão

atmosférica)

Sendo:

fH = fator de correção da concentração de saturação de OD pela altitude;

C’s = concentração de saturação na altitude H (mg.L-1)

H = altitude (m)

Utilizando regressão em função da temperatura

Cs = 14,652 – 4,1022 .10-1.T(ºC) + 7,99.10-3.T²(ºC) – 7,7774.10-5.T³(ºC)

fH = C’s.(Cs)-1 = (1-H.(950)-1)(Qasim, 1995)

Sendo:

γ = fator de redução na solubilidade ( = 1 para água pura);

Csal = concentração de sais dissolvidos (mg Cl-.L-1)

Influência da Salinidade

γ = 1 – 9.10-6.Csal

(Pöpel, 1979)

Concentração de saturação de oxigênio (mg.L-1)

Mecanismos da transferência de gases da fase gasosa para fase líquida

1) Difusão Molecular

Tendência de qualquer substância de se espalhar uniformemente pelo espaço disponível.

Lei de Fick (Pöpel, 1979)

dM/dt = -D.A.∂C/∂x

Sendo:

D = coeficiente de difusão molecular (m².s-1)

A= área superficial (m²)

X = distância da interface (m)

∂C/∂x = gradiente de concentração (g(m³.m)-1)

Observação:• Para um determinado gás, apenas o gradiente de

concentração determina a taxa por unidade de área.

• O sinal de negativo indica que a direção de difusão é oposta ao gradiente de concentração positivo.

Duas teorias bastante utilizadas para explicar o mecanismo da transferência de gases são

(Pöpel, 1979):

• Teoria dos filmes Na interface gás-líquido existem dois filmes, um filme gasoso e um filme líquido;

• Teoria da Penetração Os filmes não estão estagnados. São elementos de fluido que são momentaneamente expostos à face gasosa na interface do líquido.

• Taxa de absorção do gás:

dM/dt = A.(Cs-Co).√D.(¶.t)-1

• Profundidade de penetração do gás:

xp = æ.D.t

Sendo:

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).

Mecanismos da transferência de gases da fase gasosa para fase líquida

1) Difusão turbulenta

A turbulência é caracterizada por oscilações e turbilhonamentos, que transportam partículas de fluido de uma camada para outra.

Observação:

• O movimento turbilhonante pode ser definido apenas probabilisticamente;

• A difusão turbulenta é extremamente superior à difusão molecular.

EXEMPLO 2

Cinética da Aeração

• Em condições estacionárias: D, t podem ser constantes Kl;

• A e área específica(A.V-1) também são constantes Kla.

Sendo:

Kla = coeficiente de transferência de oxigênio (s-1)

Cinética da Aeração

Sendo:

dC/dt = taxa de mudança da concentração de oxigênio (g.m-3.s)

C = concentração em um tempo t qualquer (g.m-3)

Observação: Quanto menor a concentração de oxigênio (C), ou maior o déficit de oxigênio (Cs-C), maior a taxa de transferência de oxigênio (dC/dt).

Cinética da Aeração

Integrando-se a equação anterior em t=0 a t=t e C=0 a C=C:

Cinética da Aeração

No estado estacionário a taxa de consumo de oxigênio pelas bactérias é igual à taxa de produção pelo sistema de aeração (dC/dt=r)

Cinética da Aeração

Cinética da Aeração

Fatores de influência na transferência de oxigênio

a) Influência da temperatura:

Fatores de influência na transferência de oxigênio

b) Influência da concentração de oxigênio dissolvido:

Fatores de influência na transferência de oxigênio

c) Influência das características do esgoto e do reator:

Influência em Csw

Os valores de β variam de 0,70 a 0,98, sendo que o valor de 0,95 é freqüentemente adotado (Metcalf & Eddy, 1991).

Fatores de influência na transferência de oxigênio

c) Influência das características do esgoto e do reator:

Influência em Kla

Os valores de α variam de 0,6 a 1,2para aeração mecânica e de 0,4 a 0,8 para aeração por ar difuso (Metcalf & Eddy, 1991).

Taxa de transferência de oxigênio no campo em condições padrão

EXEMPLO 3

Outros coeficientes de aeração

1) Eficiência de oxigenação

Outros coeficientes de aeração

2) Potência Consumida

Outros coeficientes de aeração

3) No caso de aeração por ar difuso, a potência requerida para os sopradores pode ser expressa (Pöpel, 1979):

Outros coeficientes de aeração

4) Razão de utilização de oxigênio

De forma a levar em consideração a profundidade de imersão di, a razão de utilização de oxigênio pode ser relacionada a di (RUO. di

-1)(gO2.m-3.m).

Outros coeficientes de aeração

5) Eficiência de transferência de oxigênio padrão

6) Densidade de potência

EXEMPLO 4

Sistemas de aeração mecânica

• Transferência do oxigênio atmosférico às gotas e finas películas de líquidos aspergidos no ar (≈ 60% da transferência total);

• Transferência do oxigênio na interface ar-líquido, onde as gotas em queda entram em contato com o líquido no reator (≈ 30% da transferência total);

• Transferência de oxigênio por bolhas de ar transportadas da superfície ao seio da massa líquida (≈ 10% da transferência total).

Classificação dos aeradores mecânicos

Classificação em relação ao eixo de rotação:• Aeradores de eixo vertical

Baixa rotação, fluxo radial Alta rotação, fluxo axial

• Aeradores de eixo horizontal

Classificação com relação à fixação: • Aeradores fixos • Aeradores flutuantes

Sistemas de aeração por ar difuso

• O sistema é composto por difusores submersos no líquido, tubulações distribuídas de ar, tubulações de transporte de ar, sopradores e outras unidades por onde o ar passa. O ar é introduzido próximo ao fundo do tanque, e o oxigênio é transferido ao meio líquido à medida que a bolha se eleva à superfície.

Classificação do sistema de aeração por ar difuso segundo a porosidade do

difusor

• Difusor poroso (bolhas finas e médias): prato, disco, domo, tubo (cerâmica, plástico, membrana flexível)

• Difusor não-poroso (bolhas grossas): tubos perfurados ou com ranhuras

• Outros sistemas: aeração por jatos, aeração por aspiração, tubo em U

http://www.unesp.br/prope/projtecn/MeioAmb/

http://www.bigjohnaerators.com

Obrigado!

Bibliografia consultada:

MARCOS VON SPERLING, Princípios do tratamento biológico de águas residuárias vol.2– Princípios básicos do tratamento de esgoto, DESA – UFMG, 1996. 211p.