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 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 Conseqüências da Eutrofização Entrada artificial de nutrientes (+) biomassa/m2 (+) produção orgânica (-) penetração de luz (+) produção de detritos orgânicos (+) H2S e CH4 (+) taxa de decomposição (-) O2 Conseqüências da Eutrofização Conseqüências da Eutrofização Consumo de oxigênio dissolvido - Morte de peixes Remoção biológica de nutrientes – Lodos ativados Remoção biológica de nutrientes – Lodos ativados Nitrificação 2NH 4 3O2 2NO2 4H 2H2O Energia + 2NO2 O2 2NO3 Energia NH 4 2O2 NO3 2H H2O Energia Desnitrificação 2NO3 2H N2 2,5O2 H2O Cinética da Nitrificação Taxa de crescimento das bactérias nitrificantes Relação de Monod NH 4 máx K N NH 4 Onde, máx NH 4 KN = 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) máx 20 C 0,3 0,7 d 1 0 m gNH4 K N 0,5 1,0 l Exemplo: Calcular a taxa de crescimento das bactérias nitrificantes em um reator de mistura completa considerando: máx 0,5d 1 K N 0,7 m g / l NH 4 2,0m g / l Solução: NH 4 máx K N NH 4 2,0 1 0,5 0 , 37 d 0,7 2,0 Nitrificação Fatores Ambientais de influência - Temperatura - pH - OD - Subst. Tóxicas ou inibidoras Temperatura máx (T ) máx ( 20 ( T 20 ) o C) máx (T ) = taxa de crescimento máximo na temperatura T = Coeficiente de tempetatura T = temperatura pH máx ( pH ) máx 1 0,83(7,2 pH ) máx ( pH ) taxa de crescimento máximo das bactérias nitrificantes no pH do meio máx taxa de crescimento máximo das bactérias nitrificantes em pH 7,2 OD DO máx K DO O DO concentração de oxigênio dissolvido no reator (mg/l) K O constante de saturação para o oxigênio (mg/l) Idade do lodo mínima para nitrificação Idade do lodo = inverso da taxa de crescimento específica C 1 N A taxa de reprodução dos microorganismos nitrificantes é inferior à dos microorganismos responsáveis pela estabilização da matéria orgânica; Exemplo: Calcular a idade do mínima para que ocorra nitrificação no sistema com taxa de crescimento específica de 0,22d-1. Solução: 1 1 C 4,5d N 0,22 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 Taxa de nitrificação Em função da massa de microorganismos nitrificantes presentes nas zonas aeradas do reator, sendo expressa como: NH 4 = taxa de nitrificação unitária x concentração de bactérias nitrificantes t N NH 4 X N t YN NH 4 / t taxa de nitrificação N taxa de crescimento específico das bactérias nitrificantes considerando as condições ambientais YN coeficiente de rendimento das bactérias nitrificantes XN concentração das bactérias nitrificantes na zona aerada do reator Requisitos de oxigênio para nitrificação Reação global da nitrificação NH 4 2O2 NO3 2H H2O Energia 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 kgO2 kgNH 4 NH 4 oxidado O2 necessário kgO2 / d 4,57 d kgNH 4 Exemplo: Calcular o requisito de oxigênio para a nitrificação em um reator de mistura completa com concentração de amônia = 250 kg/d Solução kgO2 kgNH 4 O2 necessário kgO2 / d 4,57 NH 4 oxidado d kgNH4 kgNH4 kgO2 kgO2 O2 necessário kgO2 / d 4,57 250 1.143 d d kgNH4 Requisitos de alcalinidade Reação global da nitrificação NH 4 2O2 NO3 2H H2O Energia 1 mol de íon amônio produz 2 mols de H+ que, consome 2 mols de Bicarbonato; H HCO3 H2O CO2 Portanto, 1m olNH4 2m olsHCO3 14m gNH4 / l 122m gHCO3 / l 1m gNH4 / l 8,7m gHCO3 / l Alcalinidade 100 CO3 2 12 HCO 12 OH 3 Alcalinidade 100 CO3 2 12 HCO 12 OH 3 HCO3 Alcalinidade 1,2 Como: 1mgNH4 / l 8,7mgHCO3 / l 1mgNH4 / l consome 8. 7 7,1mg / l 1. 2 de alcalinidade 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/d Vazão 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: 7,1kg (alcalinidade) kgNH4 250 1775kgCaCO3 / d d kgNH4 b) Alcalinidade disponível no efluente: kgCaCO3 m3 g 1 kg 9.820 150 3 3 1.473 d m 10 g d déficit de alcalinidade: 1.775 1473 302 kgCaCO 3 dia Queda do pH = redução da taxa de nitrificação Adição de alcalinizante: 100 mgCaCO 3 mg 74 Ca OH 2 l l kgCaCO3 74kgCaOH 2 kgCaOH 2 302 233 100kgCaCO3 d d Fundamentos da desnitrificação Biológica NO3 NO2 N2O N2 C5 H7 NO2 4NO3 5CO2 2N2 NH3 4OH Condições anóxicas -Ausência de oxigênio, presença de nitratos Bactérias: Vantagens: - Pseudomonas - Achromobacter - Escherichia - Bacillus - Micrococus - Economia de alcalinidade; - Evita Eutrofização 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 Removido do sistema através da retirada do lodo excedente 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 Remoção Biológica de Nitrogênio Principais Fluxogramas Remoção Biológica de Nitrogênio Principais Fluxogramas Remoção Biológica de N e P Principais Fluxogramas 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 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 Coeficientes adotados Coeficientes para a nitrificação Taxa de crescimento Máximo Coeficiente de saturação de amônia Coeficiente de saturação de oxigênio Coeficiente de produção especifica Coeficiente de temperatura Demanda de oxigênio para nitrificação máx 200 C 0,5d 1 K N 0,7 gNH4 / m3 K O 0,8 gO2 / m3 YN 0,08gNitrificantes / NH 4 oxidado 1,1 4,57gO2 / gNH4 oxidado Coeficientes para a desnitrificação 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 0,08kgNO3 / kgSSV dia desnit 1,09 2,85gO2 / gNO3 reduzido 0,12kgNH4 / kgSSV 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 496 kg 20 kg 99 d 100 d Carga de amônia restante 496 kg kg kg 99 397 d d d Volume do reator (volume calculado no dimensionamento convencional = 2.051m3) Vt Vconvencional Fanox Faer 0,7 Fanox Faer 2.051 0,25 0,75 0,7 0,25 0,75 2.215m3 Fator de correção = 1,08 Volume das zonas anóxica e aeróbia Vanox 0.25 2.215m3 554m3 Vaer 0,75 2.215m3 1661m3 Tempo de detenção hidráulica V 2.215m3 t 0.226d 5,4horas 3 Q 9820m / d t a 0,25 5,4 1,35horas t aer 0,75 2.215 4,05horas Idade do lodo (também deve ser multiplicada pelo fator de correção) total 6 1,08 6,5dias aer 4,5 1,08 4,9dias Taxa de crescimento das bactérias nitrificantes máx 0,5d 1 NH 4 2m g / l OD 2m g / l pH 6,8 Tem peratura 20o C Efeito da concentração de amônia NH 4 2,0 máx 0 , 5 0,37d 1 2,0 0,7 NH 4 K N 0.5 máx 100% 0,37 74% Efeito da concentração de OD no reator OD 2,0 1 0 , 5 0 , 36 d 2,0 0,6 OD K O máx 0.5 máx 100% 0,36 72% Efeito do pH máx ( pH ) máx 1 0,83(7,2 pH ) máx ( 6,8) 0,51 0,83(7,2 6,8) máx ( 6,8) 0,33 0.5 máx 100% 0,33 66% Efeito integrado das condições ambientais 0,74 0,72 0,66 0,35 35% 35 max 100 0,35 0,50 0,18d 1 Idade do lodo aeróbia mínima para nitrificarão total c 1 1 5,6d 0,18 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 kg d g kg 3 desejável 2 3 9.820m 19.640g 20 m d entrada 397 carga de amônia no lodo excedente = fração de amônia no lodo (0,12) x produção liquida de sólidos 0,121.026 123kgd Carga de amônia a ser oxidada kg kg kg kg 397 20 123 254 d d d d Produção de bactérias nitrificantes PxN X N kgX N YN NH 4 oxidado 0,08 254 20 t d Relação Fn = Fração de bactérias nitrificantes nos SSV PxN gX N 20 fN 0,019 Pxv 1.026 gXV Cálculo da taxa de nitrificação X N NH 4 f N V t YN gNH4 3.000 0,18 0,019 128 3 0,08 m d Carga de amônia passível de ser oxidada LNH 4 NH 4 1.661 kgNH4 Vaerada 128 213 d t 1000 Inferior ao esperado de (254), portanto a concentração de amônia final será maior que o desejado 2mg/l Calculo da concentração de amônia 397 kg kg kg kg 123 213 57 d d d d NH 4 571000 m gNH4 6 9.820 l Eficiência de remoção de amônia NH E 4 inicial NH 4 NH 4 final 51 6 0,88 88% 51 inicial 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 kgNO3 TDE 0,08 kgSSV d 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 Rlodo 1 kg 213 213 43 Rtotal 1 4 1 d Caga de nitrato recirculado a zona anóxica pela recirculação interna Rint 3 kg 213 213 128 Rtotal 1 4 1 d Carga total de nitrato recirculado 43 kg kg kg 128 171 d d d Carga de nitrato passível de redução na zona anóxica TDE massaSSV 0,08 1.662 133 kg d NO3 No3 kg NO3 desnitrificação 213 133 80 d produzido Concentração de nitrato no efluente m gNO3 801000 NO3 8 9.820 l Eficiência de remoção de nitrato E Qproduzida Qefluente Qproduzida 213 80 0,62 62% 213 Resumo das concentrações de nitrogênio Amônia=6mg/l Nitrato=8mg/l Nitrogênio 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 kg kgO 2 4,57 213 973 d d Economia de oxigênio com a desnitrificação = 2,86 x carga de nitrato reduzido kg kgO 2 2,86 133 380 d d 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. 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 Remoção de P na decantação primaria Pefl Pafl 100 E 12 100 20 9,6m g / l 100 100 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: 9.820 3 V t Q 1,2 491m 24 Remoção de P com o lodo excedente: Pr em P Y 0,6 S0 S 0,09 239 4 1 fb K d c X v 1 0,73 0,08 6 0,44 0,09 235 9,3 fb c Kd S0 S P X v Y m gP l = 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 Concentração de P solúvel no efluente: Psoluvel Ptotal Premovido 9,6 9,3 0,3mgP/ l Concentração de P particulado nos SS: P Pparticulado SSefl 30 0,07 2,1mgP/ l X mgP P 0,07 mgSS X P X Fração de P nos SS = 7% Concentração de P total do efluente: Ptotal Psoluvel Pparticulado 0,3 2,1 2,4mgP/ l Eficiência de remoção: Pafl Pefl 12 2,4 100 E 100 80% 12 Pafl