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

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



Consumo de oxigênio dissolvido - Morte de peixes

Remoção biológica de nutrientes – Lodos ativados

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

NK

4

4

NHK

NH

N

máx

l

mgNHK

d

N

Cmáx

4

120

0,15,0

7,03,00

Exemplo:

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

Solução:

lmgNH

lmgK

d

N

máx

/0,2

/7,0

5,0

4

1

4

4

NHK

NH

N

máx

137,00,27,0

0,25,0

d

Nitrificação

Fatores Ambientais de influência- Temperatura

- pH

- OD

- Subst. Tóxicas ou inibidoras

)20(

)20()(

T

o CmáxTmáx

Temperatura

)(Tmáx

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

pH

OD

máx

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

O

Omáx

K

DO

DOK

DO

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;

NC 1

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

dN

C 5,422,0

11

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

N

N

N

X

Y

tNH

/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

NN

N XYt

NH

4

t

NH

4

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


d

kgNHNH

kgNH

kgOO oxidadodkgOnecessário

44

4

2/2 57,4

2

Exemplo:

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

Solução

d

kgO

d

kgNH

kgNH

kgOO dkgOnecessário

24

4

2/2 143.125057,4

2

d

kgNHNH

kgNH

kgOO oxidadodkgOnecessário

44

4

2/2 57,4

2

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

1

2

1100 3

23Alcalinidade

lmgHCOlmgNH

lmgHCOlmgNH

molsHCOmolNH

/7,8/1

/122/14

21

34

34

34

Como:

OHHCOCO2

1

2

1100 3

23Alcalinidade

lmgHCOlmgNH /7,8/1 34

2,13

HCO

deAlcalinida

de alcalinidadelmgNH /1 4

consome lmg /1,72.1

7.8

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

kgNH

kgNH

dealcalinidakg/1775250

)(1,73

4

4

b) Alcalinidade disponível no efluente:

déficit de alcalinidade:

Queda do pH = redução da taxa de nitrificação

Adição de alcalinizante:

d

kgCaCO

g

kg

m

g

d

m 333

3

473.110

1150820.9

dia

kgCaCO33021473775.1

23 74100 OHCal

mg

l

mgCaCO

d

OHkgCa

d

kgCaCO

kgCaCO

OHkgCa 23

3

2 233302100

74

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

gNOgO

diakgSSVkgNO

reduzido

desnit

/12,0

/85,2

09,1

/08,0

4

32

3

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

O

N

Cmáx

gNHgO

NHntesgNitrificaY

mgOK

mgNHK

d

42

4

32

34

120

/57,4

1,1

/08,0

/8,0

/7,0

5,00

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

gNOgO

diakgSSVkgNO

reduzido

desnit

/12,0

/85,2

09,1

/08,0

4

32

3

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

O

N

Cmáx

gNHgO

NHntesgNitrificaY

mgOK

mgNHK

d

42

4

32

34

120

/57,4

1,1

/08,0

/8,0

/7,0

5,00

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

d

kg

d

kg

d

kg39799496

d

kg

d

kg99

100

20496

Carga de amônia restante

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

3215.275,025,07,0

75,025,0051.2

7,0m

FF

FFVVt

aeranox

aeranoxalconvencion

Fator de correção = 1,08

Volume das zonas anóxica e aeróbia

horast

horast

horasddm

m

Q

Vt

aer

a

05,4215.275,0

35,14,525,0

4,5226.0/9820

215.23

3

33

33

1661215.275,0

554215.225.0

mmV

mmV

aer

anox

Tempo de detenção hidráulica

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

dias

dias

aer

total

9,408,15,4

5,608,16

CaTemperatur

pH

lmgOD

lmgNH

d

o

máx

20

8,6

/2

/2

5,0

4

1

Taxa de crescimento das bactérias nitrificantes

1

4

4 37,07,00,2

0,25,0

d

KNH

NH

N

máx

%7437,0

%1005.0

máx

%7236,0

%1005.0

36,06,00,2

0,25,0 1

máx

Omáx d

KOD

OD

Efeito da concentração de amônia

Efeito da concentração de OD no reator

33,0

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

)2,7(83,01

)8,6(

)8,6(

)(

máx

máx

máxpHmáx pH

%6633,0

%1005.0

máx

Efeito do pH

Efeito integrado das condições ambientais

1

max

18,050,035,0

100

35

%3535,066,072,074,0

d

Idade do lodo aeróbia mínima para nitrificarão total

dc 6,518,0

11

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

d

kggm

m

gdesejável

d

kgentrada

20640.19820.92

397

33

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

V

N

xv

xNN gX

gX

P

Pf 019,0

026.1

20

d

kg

d

kg

d

kg

d

kg25412320397

d

kgXNHY

t

XPxN N

oxidadoNN 2025408,04

Produção de bactérias nitrificantes

Relação Fn = Fração de bactérias nitrificantes nos SSV

Cálculo da taxa de nitrificação

d

kgNH

t

NHVL aeradaNH

44 2131281000

661.14

dm

gNH

Y

Xf

t

NH

N

NVN

344 128

08,0

18,0000.3019,0

d

kg

d

kg

d

kg

d

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

l

mgNHNH

4

4 6820.9

100057

Eficiência de remoção de amônia

%8888,0

51

651

4

44

inicial

finalinicial

NH

NHNHE

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

308,0

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

d

kg

R

R

total

lodo 4314

1213

1213

d

kg

R

R

total

12814

3213

1213 int

d

kg

d

kg

d

kg17112843

d

kgmassaSSVTDE 133662.108,0

d

kgNONoNO caçãodesnitrifiproduzido 80133213333

Concentração de nitrato no efluente

l

mgNONO

3

3 8820.9

100080

Eficiência de remoção de nitrato

%6262,0213

80213

produzida

efluenteproduzida

Q

QQE

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

d

kgO

d

kg 297321357,4

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

d

kgO

d

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

lmg

EPP aflefl /6,9

100

2010012

100

100

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

l

mgP

SSX

P

Kf

YP

vcdbemr

3,923509,044,0

423909,0608,073,01

6,0

1 0

Remoção de P com o lodo excedente:

bfbfbfbfbf

dKc

Y

SS 0

vX

P

= 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

dKc


= Idade do lodo



dKc


= Idade do lodo



vX

P

dKc


= Idade do lodo



Y

vX

P

dKc


= Idade do lodo



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

vX

P

dKc


= Idade do lodo



dKc

Y

SS 0

vX

P


= Idade do lodo




dKc


= Idade do lodo



dKc


= Idade do lodo



vX

P

dKc


= Idade do lodo



Y

vX

P

dKc


= Idade do lodo




vX

P

dKc


= Idade do lodo



bf

dKc

Y

SS 0

vX

P


= Idade do lodo




dKc


= Idade do lodo



dKc


= Idade do lodo



vX

P

dKc


= Idade do lodo



Y

vX

P

dKc


= Idade do lodo




vX

P

dKc


= Idade do lodo



Concentração de P solúvel no efluente:

lmgPPPP removidototalsoluvel /3,03,96,9

Concentração de P particulado nos SS:

mgSS

mgP

X

P

lmgPX

PSSP efloparticulad

07,0

/1,207,030

X

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

Pafl

PeflPaflE

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