Transcript Aula 3 - Remoção Nutrientes - Departamento de Engenharia Civil

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
74kgCaOH 2
kgCaOH 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)  0,51  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
 0,121.026  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
571000
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
801000
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
Pefl  Pafl 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 