Aula 6 lagoas de estabilização e lagoas facultativas

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Aulas de Tratamento de Águas Residuárias e Tratamento de Efluentes. Aulas não revisadas. Vários autores.

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Aula 6 lagoas de estabilização e lagoas facultativas

  1. 1. TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS Aula 6 – Lagoas de Estabilização – Lagoas Facultativas
  2. 2. Introdução Há diversas variantes dos sistemas de lagoas de estabilização, com diferentes níveis de simplicidade operacional e requisitos de área.  Lagoas facultativas;  Sistema de lagoas anaeróbias seguidas por lagoas facultativas;  Lagoas aeradas facultativas;  Sistema de lagoas aeradas de mistura completa seguidas por lagoas de decantação.
  3. 3. Introdução De maneira geral, as lagoas de estabilização são bastante indicadas para regiões de clima quente e países em desenvolvimento, devido aos seguintes aspectos:  Suficiente disponibilidade de área em um grande número de localidades;  Clima favorável (temperatura e insolação elevadas);  Operações simples;  Necessário de poucos ou nenhum equipamento.
  4. 4. Processos de tratamento de águas residuárias Indicação Tipo de processo Sistema de controle de poluição Efluentes que contém matéria orgânica Processos biológicos Lodo ativado, filtro biológico, lagoas aeradas, lagoa de Estabilização Efluentes Domésticos Processos Biológicos Lagoas de estabilização aeróbias ou facultativas. observação Resíduo biodegradável DQO < ou = 3,0 DBO
  5. 5. Processos de tratamento de águas residuárias Poluente Nível de tratamento Operação, processo ou sistema de tratamento Matéria orgânica Biodegradável Secundário Lagoas de estabilizações e variações, Primário (remoção lodos ativados e variações, filtro parcial) biológico e variações, tratamento anaeróbico, disposição no solo. Patogênicos Terciário (principal) Lagoas de maturação, disposição no Secundário solo, desinfecção com produtos químicos, desinfeção com radiação ultravioleta.
  6. 6. Sistema de lagoas de Estabilização – Lagoa Facultativa Grade Fase Sólida Cx de areia Medição de vazão Lagoa Facultativa Fase Sólida O uso de lagoa facultativa é uma solução simples e de baixo custo, isto quando se dispõe de área com topografia adequada e custo acessível. Esta técnica exige o uso de tratamento preliminar, provido de grade e desarenador. Esta é uma alternativa simples para a construção, e que exige operação mínima, sem qualquer necessidade de se contratar operador especializado.
  7. 7. Sistema de Lagoas de Estabilização – Lagoa Anaeróbia – Lagoa Facultativa Sistema Australiano Grade Fase Sólida Cx de areia Medição de vazão Lagoa Anaeróbia Lagoa Facultativa Fase Sólida É uma das melhores soluções técnicas, mas esbarra no problema de necessitar de uma grande área para sua implantação. Na lagoa anaeróbia ocorre à retenção e a digestão anaeróbia do material sedimentável e na facultativa ocorre predominantemente a degradação dos contaminantes solúveis e contidos em partículas suspensas muito pequenas. O lodo retido e digerido na primeira lagoa tem de ser removido em intervalos que geralmente variam de 2 a 5 anos. Na primeira, predomina o processo anaeróbio e na segunda o aeróbio, onde se atribui às algas, a função da produção do oxigênio a ser consumido pelas bactérias.
  8. 8. Sistema de Lagoas de Estabilização – Lagoa Aerada Facultativa Grade Cx de areia Fase Sólida Medição de vazão Fase Sólida Lagoa Aerada Facultativa Esta diminui a necessidade de grande área, mas em conseqüência da utilização de aeradores, aumenta o seu custo de operação. Quando o sistema incluir um decantador primário, a lagoa aerada pode ter o tempo de detenção (ou retenção) menor, porém, quando somente se usa grade e caixa de areia, normalmente é empregado um tempo de detenção maior.
  9. 9. Sistema de Lagoas de Estabilização – Lagoa Aerada de Mistura Completa – Lagoa de Decantação Grade Fase Sólida Cx de areia Medição de vazão Lagoa Aerada de Mistura Completa Lagoa de Decantação Fase Sólida O tempo de detenção típico da lagoa aerada é da ordem de 2 a 4 dias. A operação deste tipo de lagoa são mais complicados devido ao fato de se ter um menor período de armazenagem na lagoa, comparado com os outros sistemas.
  10. 10. Sistema de Lagoas de Estabilização – Lagoa Anaeróbia – Lagoa de Facultativa – Lagoa de Maturação Grade Fase Sólida Cx de areia Medição Lagoa de vazão Anaerobia Lagoa Facultativa Lagoas de Polimento (maturação) em série Fase Sólida A função desta lagoa é a remoção de patogênicos. Esta é uma alternativa mais barata à outros métodos como por exemplo a desinfecção por cloração.
  11. 11. LAGOAS FACULTATIVAS O processo de tratamento por lagoas facultativas é muito simples e constitui-se unicamente por processos naturais. Estes podem ocorrer em três zonas da lagoa: zona anaeróbia, zona aeróbia e zona facultativa. Grade Fase Sólida Cx de areia Fase Sólida Medição de vazão Lagoa Facultativa
  12. 12. Descrição do processo O efluente entra por uma extremidade da lagoa e sai pela outra. Durante este caminho, que pode demorar vários dias, o esgoto sofre os processos que irão resultar em sua purificação. Após a entrada do efluente na lagoa, a matéria orgânica em suspensão (DBO particulada) começa a sedimentar formando o lodo de fundo. Este sofre tratamento anaeróbio na zona anaeróbia da lagoa.
  13. 13. Descrição do processo Já a matéria orgânica dissolvida (DBO solúvel) e a em suspensão de pequenas dimensões (DBO finamente particulada) permanecem dispersas na massa líquida. Estas sofrerão tratamento aeróbio nas zonas mais superficiais da lagoa (zona aeróbia). Nesta zona há necessidade da presença de oxigênio. Este é fornecido por trocas gasosas da superfície líquida com a atmosfera e pela fotossíntese realizada pelas algas presentes, fundamentais ao processo.
  14. 14. Descrição do processo Há necessidade de suficiente iluminação solar, portanto, estas lagoas devem ser implantadas em lugares de baixa nebulosidade e grande radiação solar. Na zona aeróbia há um equilíbrio entre o consumo e a produção de oxigênio e gás carbônico. Enquanto as bactérias produzem gás carbônico e consomem oxigênio através da respiração, as algas produzem oxigênio e consomem gás carbônico na realização da fotossíntese.
  15. 15. Descrição do processo Tem-se o perfeito equilíbrio entre o consumo e a produção de oxigênio e gás carbônico: BACTÉRIAS – RESPIRAÇÃO Consumo de oxigênio Produção de gás carbônico ALGAS – FOTOSSÍNTESE Produção de oxigênio Consumo de gás carbônico
  16. 16. Descrição do processo O efluente de uma lagoa facultativa possui as seguintes características principais: (Cetesb, 1989)  Cor verde devida às algas;  Elevado teor de oxigênio dissolvido;  Sólidos em suspensão, embora praticamente estes não sejam sedimentáveis.
  17. 17. Influências das algas Numa lagoa de estabilização facultativa, as algas desempenham um papel fundamental. A sua concentração é mais elevada do que a de bactérias. Em termos de sólidos em suspensão secos, a concentração é usualmente inferior a 200mg/l embora em termos de números elas podem estar na contagens na faixa de 104 a 106 organismos por ml.
  18. 18. Influências das algas Grupos de algas de importância encontrados nas lagoas de estabilização:  Algas verdes (clorofíceas);  Cianobactérias As espécies variam de local para local, e, ainda, com a posição na série de lagoas (facultativas e lagoas de maturação)
  19. 19. Profundidade da zona aeróbia em função da carga de DBO A profundidade da zona aeróbia, além de variar ao longo do dia, varia também com as condições de carga da lagoa. Lagoas com uma maior carga de DBO tendem a possuir uma maior camada anaeróbia, que pode ser praticamente total durante a noite. O pH na lagoa também varia ao longo da profundidade e ao longo do dia. Durante o dia, nas horas de máxima atividade fotossintética, o pH pode atingir valores em torno de 10.
  20. 20. Influências das condições ambientais As principais condições ambientais em uma lagoa de estabilização são a radiação solar, temperatura e o vento. Fator Influência Radiação solar Velocidade de fotossíntese Temperatura Velocidade de fotossíntese Taxa de decomposição bacteriana Solubilidade e transferência de gases Condições de mistura Vento Condições de mistura Reaeração atmosférica
  21. 21. Mistura e estratificação térmica Em lagos de pequena profundidade a mistura pode ocorrer uma vez ao dia, de acordo com a seguinte seqüência:  Inicio da manhã, com vento: Mistura completa. A temperatura é uniforme ao longo da profundidade.  Meio da manhã, com sol, sem vento: Aumento da temperatura na camada superficial. A temperatura no fundo, varia pouco, sendo influenciada pela temperatura do solo.  Inicio da noite, sem vento: A camada acima da termoclima perde calor mais rapidamente do que a camada de fundo. Caso as temperaturas das camadas se aproximem, ocorre a mistura  Noite, com vento. O vento auxilia na mistura das camadas. A camada superior afunda, e a inferior se eleva.
  22. 22. Profundidade da zona aeróbia em função da carga de DBO Superfície da lagoa Dia Noite Zona aeróbia Zona anaeróbia Fundo da lagoa Baixa carga de DBO Dia Noite Zona aeróbia Zona anaeróbia Elevada carga de DBO Influência da carga aplicada à lagoa e da hora do dia na espessura das camadas aeróbias (Sperling, 2002).
  23. 23. Critérios de projeto Os principais parâmetros de projeto das lagoas facultativas são:  Taxa de aplicação;  Profundidade;  Tempo de detenção;  Geometria (relação comprimento/largura)
  24. 24. Critérios de projeto Taxa de aplicação superficial. O critério taxa de aplicação superficial (carga orgânica por unidade de área), baseia-se na necessidade de se ter uma área de exposição à luz solar na lagoa. Este critério baseia-se na necessidade de oxigênio para a estabilização da matéria orgânica. A área requerida para a lagoa é calculada em função da taxa de aplicação superficial Ls . 
  25. 25. Critérios de projeto A área requerida para a lagoa é calculada em função da taxa de aplicação superficial Ls . A taxa é expressa em termos de carga de DBO (L, expressa em KgDBO5/d) que pode ser tratada por unidade de área da lagoa (A, expressa em ha). A = L / LS A = área requerida para a lagoa (ha) L = carga de DBO total (solúvel + particulada) afluente (kgDBO5 /d) Ls = taxa de aplicação superficial (KgDBO5 /ha.d)
  26. 26. Critérios de projeto Profundidade A profundidade tem influência em aspectos físicos, biológicos e hidrodinâmicos da lagoa. Através da taxa de aplicação superficial e da profundidade tem-se o volume da lagoa.  H = V/A H = Profundidade V = Volume requerido A = Área requerida A faixa de profundidade a ser adotada no projeto situa-se entre 1,5 a 3,0m.
  27. 27. Critérios de projeto Tempo de detenção É um parâmetro de verificação (resultante da determinação do volume da lagoa). É o tempo necessário para que os microorganismos procedam à estabilização da matéria orgânica na lagoa. Esta associado ao volume e à vazão de projeto:  t = V/Q t = tempo de detenção (d) V = Volume da lagoa (m3 ) Q = vazão média afluente (m3/d)
  28. 28. Critérios de projeto Geometria da Lagoa A relação comprimento/largura (L/B) influencia no regime hidráulico da lagoa. O projeto das lagoas poderá fazer um aproveitamento do terreno disponível e da sua topografia para se obter a relação mais adequada do comprimento/largura.  Relação comprimento / largura (L/B) = 2 a 4
  29. 29. ROTINA DE OPERAÇÃO - Lagoas • seguir as rotinas gerais de operação de lagoas de estabilização; • retirar todo o material sobrenadante - escumas, óleos, graxas, lodo e folhas usando peneiras ou jatos d’água. O material removido deve ser desidratado, tratado e disposto em valas na área da ETE, com recobrimento diário, ou em aterro sanitário preferencialmente licenciado;
  30. 30. ROTINA DE OPERAÇÃO – Lagoas • variar o nível d’água em função da maior ou menor insolação - mais alto no período de maior insolação e mais baixo no de menor insolação; • verificar a coloração do efluente tratado - deve estar preferencialmente verde-claro e sem cheiro; • verificar diariamente as condições de tempo, da temperatura do ar e do líquido, do pH e do oxigênio dissolvido - OD. Os dados devem ser anotados no registro de operação da ETE
  31. 31. ESTIMATIVA DA CONCENTRAÇÃO EFLUENTE DE DBO A remoção de DBO processa-se segundo uma reação na qual a taxa de reação é diretamente proporcional à concentração do substrato. Nestas condições o regime hidráulico da lagoa influencia a eficiência do sistema.
  32. 32. Características dos modelos hidráulicos Modelo Hidráulico Esquema Características Fluxo em pistão As partículas do fluido entram continuamente em uma extremidade do tanque, passam através dos mesmos e são descarregados na outra extremidade, na mesma seqüência que entram. Estes tipo de fluxo é produzido em tanques longos Mistura completa As partículas entram no tanque e são imediatamente dispersas em todo o corpo do reator. Pode ser obtida em tanques circulares ou quadrados. Difícil conseguir uma dispersão de todo volume
  33. 33. Características dos modelos hidráulicos Modelo Hidráulico Esquema Características Reatores de mistura completa em série Os reatores são usados para modelar o regime hidráulico que existe entre os regimes ideais fluxo em pistão e mistura completa Fluxo disperso O fluxo disperso é obtido em um sistema qualquer com um grau de mistura intermediário entre os dois extremos de fluxo em pistão e mistura rápida
  34. 34. Características dos modelos hidráulicos A eficiência do sistema de remoção de poluentes pela reação (Exemplo: remoção de DBO e coliformes):    Maior eficiência Lagoa de fluxo em pistão Série de lagoas de mistura completa Lagoa única de mistura completa Menor eficiência
  35. 35. Fórmulas para cálculo de concentração de efluentes S (DBO Solúvel)
  36. 36. ARRANJOS DE LAGOAS As lagoas facultativas pode ser projetadas para ter mais de uma lagoa, o que confere flexibilidade operacional. Ao se analisar a divisão das unidades, deve-se levar em consideração:  Células em série: Um sistema de lagoas em série, com um determinado tempo de detenção total, possui uma maior eficiência do que uma lagoa única, com o mesmo tempo de detenção total. Pode-se ter uma menor área ocupada com um sistema de lagoas em série.
  37. 37. ARRANJOS DE LAGOAS   Células em paralelo: Possui a mesma eficiência que uma lagoa única. No entanto, o sistema possui uma maior flexibilidade e garantia, no caso de se ter que interromper o fluxo para uma lagoa. Sobrecarga orgânica na primeira célula: A primeira recebe toda a carga do efluente. O projeto deverá avaliar o balanço de oxigênio nesta célula (produção e consumo). Geralmente constituise a primeira célula maior.
  38. 38. ACUMULO DE LODO O lodo acumulado no fundo da lagoa é resultado dos sólidos em suspensão do esgoto bruto, incluindo areia, mais microorganismos. A fração orgânica do lodo é estabilizado anaerobiamente, sendo convertida em água e gases. A taxa de acumulo média de lodo em lagoas facultativas é da ordem de apenas 0.03 a 0.08 m3 /hab. Ano. A menos que a lagoa esteja com uma alta carga, o lodo se acumulará por diversos anos, sem necessidade de qualquer remoção.
  39. 39. DIMENSIONAMENTO   • • • • • • • • • DIMENSIONAMENTO DE LAGOA FACULTATIVA Dados: População = 20000hab Vazão afluente: Q = 3000 m3/d DBO afluente (concentração de DBO): S0 =350 mg/l Temperatura: T = 23° C (líquido no mês mais frio) Taxa de aplicação superficial: Ls =220kgDBO5/ha.d Profundidade: H = 1,80 m Remoção de DBO em 20°C: K =0,35 d-1 Coeficiente de temperatura: Ѳ = 1,05 Acumulo de lodo = 0,05m3/hab
  40. 40. Passo 1 – Cálculo da carga afluente de DBO5 Carga(L) = concentração (So) x vazão (Q) • Vazão afluente: Q = 3000 m3/d • DBO afluente (concentração de DBO): S0 =350 mg/l mg/l = g/m3 1050 kg/d
  41. 41. Passo 2 - Cálculo da área requerida A = _L_ LS A = área requerida para a lagoa (ha) (?) L = carga de DBO total (solúvel + particulada) afluente (kgDBO5 /d) (1050kg/d) Ls = taxa de aplicação superficial (KgDBO5 /ha.d) (220kg/ha.d) cesan.com.br 48000m2 As taxas de Ls podem ser adotadas variando de: -Regiões com inverno quente e elevada isolação: Ls = 240 a 350 kgDBO5/ha.d -Regiões de inverno e isolação moderados: Ls = 120 a 240 kgDBO5/há.d -Regiões com inverno frio e baixa insolação: Ls = 100 a 180 KgDBO5/ha.d
  42. 42. Passo 3 – Cálculo do volume resultante V = A.H H H = Profundidade (1,8 m) V = Volume requerido (?) A = Área total requerida (48000m2) Através da taxa de aplicação superficial e da profundidade tem-se o volume da lagoa. 86400m3
  43. 43. Passo 4 – Cálculo do tempo de detenção resultante t = _V_ Q t = tempo de detenção (d) (?) V = Volume da lagoa (m3 ) (86400m3) Q = vazão média afluente (m3/d) (3000m3.d) É o tempo necessário para que os microorganismos procedam à estabilização da matéria orgânica na lagoa. Esta associado ao volume e à vazão de projeto. 28,8 d
  44. 44. Passo 5 – Correção da temperatura KT = K20 . Ѳ(T-20) KT Coeficiente de remoção da DBO em uma temperatura do líquido T qualquer (d-1) (?) K20 = Coeficiente de remoção da DBO na temperatura do líquido de 20°C (d-1) (0,35d-1) Ѳ = Coeficiente de temperatura (-) (1,05) T = temperatura °C (23°C) = O valor do coeficiente de remoção da DBO (K) é calculado em função do modelo hidráulico assumido na lagoa. 0,41d-1
  45. 45. Passo 6 – Estimativa do DBO Solúvel efluente Utilizando-se o modelo de mistura completa (Fórmula) S=___S0____ 27mg/l 1 + Kt . t So = Concentração de DBO total (mg/l) 350mg/l S = concentração de DBO solúvel (mg/l) ? Kt = Coeficiente de remoção de DBO (d-1) 0,41d-1 t = tempo de detenção total (d) 28,8d A DBO Solúvel através da assimilação rápida das bactérias As partículas entram no tanque e são imediatamente dispersas em todo o corpo do reator.
  46. 46. Passo 7 – Estimativa da DBO particulada e efluente Admitindo se uma concentração de SS (sólidos em suspensão) efluente igual a 80mg/l, e considerando-se que cada 1 mgSS/l implica numa DBO5 em torno de 0,35mg/l. DBO5particulado = Concentração de SS efluente x Valor da DBO5 Deve-se lembrar que a DBO particulada é detectada no teste da DBO, mas poderá não ser exercida no corpo receptor, dependendo das condições de sobrevivência das algas. 28mgDBO5-/l
  47. 47. Passo 8 – DBO total efluente DBO total efluente = DBO solúvel + DBO particulada A DBO total (solúvel + particulada) é devido ao fato que os sólidos em suspensão orgânicos, responsáveis pela DBO particulada, serem convertidos em sólidos dissolvidos através de enzimas lançadas ao meio pelas próprias bactérias. 55mg/l
  48. 48. Passo 9 – Cálculo da eficiência da remoção da DBO E = __S0 – St__ . 100 = S0 So = Concentração de DBO total (mg/l) 350mg/l St = concentração de DBO total (mg/l) 55mg/l E = Eficiência da remoção ? 84%
  49. 49. Passo 10 – Dimensões da lagoa As dimensões da lagoa são função do terreno e da topografia locais. Caso seja dotadas 2 lagoas em paralelo e uma relação comprimento/largura (L/B) igual a 2,5 em cada lagoa, ter-se á: A = L .B (L = 2,5B ) Lagoa 1 Lagoa 2 Largura: B= 98 m Comprimento: L = 245,0 m (para cada lagoa)
  50. 50. Passo 11 – Área total requerida para todo o sistema A área requerida para a lagoa, incluindo os taludes, urbanização, vias internas, laboratório, estacionamento e outras áreas de influência, é cerca de 25% a 33% maior do que a área líquida calculada a meia altura. Assim: Atotal = 1,3 . A liquida 62400M2 ou 6,2 ha 2.corsan.com.b
  51. 51. Passo 12 – Área per capita Área per capita = __Atotal__ População 3,1m2/hab
  52. 52. Passo 13 – Acumulo de Lodo Acumulação anual = Acumulo de lodo população x Acumulo de lodo: 0,05m3/hab.ano População: 20000hab 1000m3/ano
  53. 53. Passo 14 – Espessura em um ano Espessura = __Acumulo Anual x Ano___ Área total da lagoa • • Espessura em 20 anos de operação? Após 20 anos de operação o lodo ocupa quantos % da profundidade útil da lagoa? 0,021 m/ano ou 2,1 cm/ano
  54. 54. Exercício Dimensionar uma lagoa facultativa para uma população contribuinte de 20.000 hab, com uma contribuição unitária de 176 L/hab.d e DBO de 200 mg/L. A temperatura média no mês mais frio é de 20°C. Admitir uma concentração 80mg/L de SS efluente. Verifique também a eficiência da lagoa.
  55. 55. Bibliografia     Lagoas de estabilização, volume 3, Marcos Von Sperling 2ª Edição Ampliada; 2ª 2006. Editora UFMG (publicação do DESA) Braile, Pedro Marcio. Manual de Tratamento de Águas Residuárias Industriais. São Paulo. CETESB,1993 Giordano,Gandhi.TRATAMENTO E CONTROLE DE EFLUENTES INDUSTRIAIS. Universidade Estadual do Rio de Janeiro Fundação Estadual do Meio Ambiente . F981o Orientações básicas para operação de estações de tratamento de esgoto / Fundação Estadual do Meio Ambiente. —- Belo Horizonte: FEAM, 2006.
  56. 56. Sugestão de leitura http://www.cetesb.sp.gov.br/servicos/normas--cetesb/43-normas-tecnicas---cetesb NORMA TÉCNICA D3.560/Dez/1989 - Manual de avaliação de desempenho de lagoas de estabilização: manual técnico  http://www.cetesb.sp.gov.br/servicos/normas--cetesb/43-normas-tecnicas---cetesb NORMA TÉCNICA P3.240 – 1981 Manual de projeto de lagoas de estabilização 
  57. 57. Atividade Com base no material de aula e no artigo em anexo “ANÁLISE DA EFICIÊNCIA DAS LAGOAS FACULTATIVAS DA ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE EFLUENTE MUNICIPAL DE INHUMAS-GOIÁS Goiânia, 2007/1” Apresente uma reflexão sobre o uso das lagoas facultativas como método de Tratamento de Esgotos. • Apresentar texto de no máximo uma página. • Grupo de no máximo 4 pessoas • Entrega – Quarta feira 18/04

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