[1 ] I - CAMPO DE APLICAÇÃO DO INVENTO

Esta patente de invenção de processo e de equipamento, tem o objetivo de apresentar um processo biológico aeróbico para tratar efluentes com matéria orgânica e nutrientes como nitrogénio orgânico e fósforo orgânico. O processo é de relevância ambiental, uma vez que se destina a reduzir ao máximo, considerando-se o estado da arte, a poluição de águas descartadas para os corpos d ^' água como rios, mares e lençóis freáticos. Também tem relevância do ponto de vista de redução de volumes de obras, custos de investimento e operacionais do processo de tratamento aeróbico de efluentes.

[2] II - ATUAL ESTÁGIO TECNOLÓGICO

Os sistemas biológicos aeróbicos destinados ao tratamento de efluentes com cargas orgânicas, atualmente em operação, denominados de lodo ativado, utilizam-se de duas etapas que executam diferentes operações unitárias:

[3] 1 - PRIMEIRA ETAPA: REATOR BIOLÓGICO

Etapa denominada de Reator Biológico que opera com bactérias aeróbias, contendo principalmente meios para a dissolução do gás oxigénio que poderá advir do ar atmosférico ou gás contendo oxigénio em concentrações maiores que a atmosfera, dissolvidos por equipamentos denominados de aeradores ou oxigenadores. Estes equipamentos utilizados para a dissolução de gases fornecem também a energia de mistura que deve ser utilizada para manter os sólidos presentes no reator em suspensão. Dentre estes sólidos estão os microrganismos responsáveis pela absorção e processamento da carga orgânica ou carga de nutrientes resultando numa remoção das mesmas do meio liquido.

[4] Como num sistema de lodo ativado, os microrganismos utilizados são aeróbios, o processo necessita da aplicação de equipamentos que dissolvam o gás oxigénio no líquido denominado de licor misto, que é o liquido a ser tratado mais a massa de microrganismos presentes no reator biológico.

[5] Também, em muitos processos químicos/fermentativos onde a dissolução do oxigénio do ar é necessária, a taxa de produção global do processo quase sempre é limitada pela transferência de oxigénio ao líquido, sendo este tema, objeto de muitas pesquisas com a finalidade de melhorar tais taxas de transferência.

[05] Os equipamentos utilizados para a promoção desta oxigenação são denominados de aeradores, sopradores e difusores ou oxigenadores. Vários sistemas de aeração são utilizados no projeto de processos de tratamentos de águas residuá- rias.

[6] Dois métodos básicos de aeração de águas residuárias são:

a- Dissolver ar ou oxigénio na água residuária com difusores submersos ou outros dispositivos de aeração e

b- Agitação mecânica da água residuária que promove dissolução do oxigénio do ar atmosférico.

[7] Os dispositivos de aeração são classificados como:

a. -Dispositivo de aspiração: Consiste de um propulsor hidráulico que bombeia um fluxo de massa líquida, que pelo efeito venturico, succiona o ar da atmosfera e descarrega a mistura ar/água abaixo da superfície da água. Este dispositivo apresenta uma baixa eficiência de transferência de oxigénio.

b. - Tubos estáticos: Consiste em um ou mais tubos montados no fundo do reator biológico, que recebem ar de sopradores que são dissolvidos no líquido através de furos nos tubos, aerando e promovendo a mistura porém possuem uma baixa transferência de oxigénio.

c- Difusor de disco: Consiste em discos de cerâmica rígidos ou membrana porosa flexível montados sobre tubos de distribuição de ar junto ao fundo do tanque. Estes recebem ar de sopradores a serem dissolvidos no líquido através dos poros dos discos que dispensam bolhas de ar no líquido. A energia para mistura deste processo é fornecida pelo ar soprado transformado em bolhas liberadas no líquido, em movimento ascensional.

d.- Venturi: Aplicado em um equipamento de aeração, o venturi é responsável pela sucção de ar e promoção de sua mistura no líquido em forma de pequenas bolhas. Um aerador Venturi é composto de um bocal, seguido de um conduto de diâmetro constante (garganta) e, em seguida, de um cone gradualmente divergente. A área da garganta sendo pequena, resulta em uma alta velocidade do líquido, seguido de um decréscimo correspondente na pressão estática o que permite a utilização do Venturi como um dispositivo de sucção de gases. O projeto de um Venturi para succionar gases, utiliza como critério a obtenção de uma pressão inferior à atmosférica. Os furos existentes na parede da garganta proporcionam a sucção de ar ou outro gás, devido à diferença de pressão.

e.- Ejetores - São dispositivos que utilizam a energia cinética de um jato de líquido a alta velocidade para conduzir, dispersar e dissolver gases em líquidos. Nesta categoria se encontra o sistema de aeração "Aeração a Jato" que é composto por bombas hidráulicas para recirculação de licor misto do reator biológico, cujo licor misto

[8] 2 - SEGUNDA ETAPA: SEDIMENTAÇÃO GRAVITACIONAL DE SÓLIDOS. Segunda etapa denominada por sedimentação gravitacional , que opera com decantadores ou sedimentadores gravitacionais, constituídos por compartimentos de baixa turbulência hidráulica que permitem que os microrganismos formados no reator biológico, sejam separados por sedimentação ao fundo e coletados com ou sem auxílio de raspadores de fundo que direcionam o lodo até um ponto de coleta onde eles são succionados, sendo grande parte recirculada ao reator biológico e parte descartada para adensamento, desaguamento e disposição.

[9] O objetivo da recirculação dos sólidos separados no sedimentador gravitacional para o reator biológico tem o intuito de aumentar a concentração de microrganismos no reator biológico e assim aumentar a capacidade de remoção de carga para o volume de reator biológico disponível. No processo de lodo ativado convencional, a concentração de sólidos suspensos no reator biológico é em torno de 2000 mg/L a 4000 mg/L. Nestas concentrações o período de detenção no sedimentador por característica de processo, gira em torno de 3 a 5 horas. Neste compartimento a concentração de oxigénio dissolvido de praticamente 0 (zero). Nesta condição, este tipo de ambiente é denominado de ambiente anóxico. Neste tipo de ambiente, não recomenda-se que uma bactéria aeróbia permaneça mais que 5 horas. Para se sedimentar concentrações de lodo acima de 4000 mg/L demandar-se- ia períodos de detenção de decantação acima de 5 horas, sendo portanto este o fator limitante da concentração de microrganismos em projetos de lodo ativado convencional.

[10] O processo de tratamento de efluentes por lodo ativado convencional pode ser definido portanto como a interligação hidráulica de dois compartimentos, operando em duas etapas diferentes, tendo a primeira etapa o objetivo de desenvolver uma cultura de microrganismos capazes de absorver e digerir o material dissolvido em uma massa de água, no compartimento denominado de reator biológico e numa segunda etapa o outro compartimento denominado de separação de sólidos, geralmente é constituído por sedimentadores gravitacionais, capazes de separar os microrganismos que se encontram na fase sólida da fase líquida. A fase líquida é o líquido contido no tanque de aeração, isento da massa de microrganismos. Enquanto os sólidos são coletados no fundo do sedimentador, o líquido isento da massa de microrganismo é descartado através de vertedores superficiais.

[1 1 ] O efluente tratado, é o efluente decantado, descarregado pelos vertedores.

[12] A massa de poluentes é absorvida pelo microrganismo e descartada como lodo biológico

[13] III - PROCESSO BIOLÓGICO AERÓBICO DE LODO ATIVADO COM SEPARAÇÃO HIDRODINÂMICA DE SÓLIDOS

[14] 1 - INTRODUÇÃO:

[15] O Processo Biológico Aeróbico de Lodo Ativado com Separação Hidrodinâmica, cujo diagrama pode ser verificado na Figura 1 , difere do Lodo Ativado Convencional, por conter 3 etapas como: Reator Biológico; Separador Hidrodinâmico e Sedimentação Gravitacional de Sólidos ou Decantação Secundária.

[16] Dito processo tem os mesmos objetivos do tratamento de Lodo Ativado convencional, entretanto utilizando-se de volume menor de tanques, uma vez que nele, a soma do volume do Separador Hidrodinâmico (4) acrescido ao volume do Reator Biológico (2) pode chegar a ser metade do volume do Reator Biológico utilizado em Lodo Ativado convencional.

[17] Para a operação do Processo de Lodo Ativado com Separação Hidrodinâmica de Sólidos, foi necessário inventar-se o equipamento Separador Hidrodinâmico de Sólidos (4) que é também objeto deste pedido de patente.

[18] 2 - DESCRIÇÃO DO PROCESSO

O Processo Biológico Aeróbico de Lodo Ativado com Separação Hidrodinâmica de Sólidos, consiste na inserção de um equipamento ou compartimento denominado Separador Hidrodinâmico de Sólidos (4) no processo de Lodo Ativado Convencio- nal, à jusante do Reator Biológico(2) e a montante do Sedimentador Gravitacional (9).

[19] O Processo de Lodo Ativado com Separação Hidrodinâmica de Sólidos, compreende as seguintes etapas:

[20] a - Etapa de Reação Biológica.

A Etapa de Reação Biológica, onde ocorre o contato do afluente com os microrganismos e oxigénio dissolvido, absorção e metabolização dos poluentes dissolvidos, contem os seguintes dispositivos:

a.1- Reator Biológico (2) que consiste basicamente em tanque ou recipiente podendo ser executado em concreto, aço, fibra de vidro, etc;

a.2- Sistema de dissolução de ar ou oxigénio que consiste em equipamento de dissolução de gases no líquido (chamado de aeração a jato), formado por:

a.2.1 - ejetor de líquido (30) que consiste em dispositivo que gera turbulência hidráulica devido a aumentar a velocidade do líquido por bocal, para a dissolução de gás no líquido;

a.2.2- ejetor de gás (23) que consiste em dispositivo que recebe o gás e líquido sob pressão gerando o particionamento do gás, produzindo-se microbolhas de gás, descarregadas no licor misto presente no Reator Biológico (2), dissolvendo oxigénio no líquido por difusão, cuja eficiência depende da seção de contato entre gás- líquido e da diferença de concentração de saturação do oxigénio presente no gás (depende da pressão parcial do oxigénio) e da concentração de oxigénio já dissolvido no líquido que receberá a dissolução do gás.

a.2.3- gerador de gás (24) que consiste em um soprador de ar atmosférico ou um gerador de gás com concentrações de oxigénio maiores que a atmosférica, ou em um tanque criogênico contendo oxigénio armazenado na forma líquida e convertido em gás por vaporizador atmosférico para suprimento do sistema de dissolução.

[21 ] b - Etapa de Separação Hidrodinâmica de Sólidos.

A Etapa de Separação Hidrodinâmica de Sólidos, é executada no dispositivo Cole- tor Hidrodinâmico de Sólidos (4), que é compreendido por:

b.1- Carcaça do coletor (3) que consiste em estrutura executada em concreto, aço ou fibra de vidro, etc, que delimita o interior do Separador Hidrodinâmico e serve para a instalação de demais sistemas do Separador. O afluente ao Separador Hi- drodinâmico é advindo do Reator Biológico (2) que passa pela carcaça (3), através dos orifícios (5).

b.2- Sistema coletor de licor de água decantada que consiste em conjunto para executar a coleta do licor misto decantado (7), com o intuito de arrastar hidraulica- mente o mínimo possível da massa de sólidos em suspensão.

b.3- Sistema coletor de licor misto com sólidos sedimentados que consiste em conjunto para executar a coleta de licor misto com sólidos sedimentados, com o intuito de coletar a máxima massa de sólidos possível, dos sólidos em suspensão no Separador Hidrodinâmico (4). Este sistema conta com o coletor de lodo (6) compreendido por vários tubos com orifícios de captação de lodo (21 ) que estão distribuídos por toda a seção transversal do fundo do Separador Hidrodinâmico (4).

b.4.- Sistema laminar de sedimentação de sólidos que é composto por placas laminares (8), que induzem a diminuição do raio hidráulico na região das placas, reduzindo a turbulência hidráulica e aumentando a capacidade de sedimentação de sólidos.

b.5- Bomba centrífuga (20) consistindo em elemento que executa a sucção do licor misto do sistema coletor de sólidos decantados, pela tubulação (22) e descarrega pela tubulação (1 1 ) para o Reator Biológico (2), passando através do sistema de dissolução de ar atmosférico ou oxigénio.

[22] c- Etapa de sedimentação gravitacional de sólidos não separados no Sedi- mentador Gravitacional.

A etapa de sedimentação gravitacional de sólidos (9) compreende os seguintes dispositivos:

c.1- Sistema de distribuição de licor advindo do Separador que consiste em dispositivo tubular (32) que recebe a vazão da tubulação (10), para reduzir a velocidade do jato e distribuir a vazão de entrada para o sentido descendente.

c.2- Sistema coletor ou raspador de lodo de fundo que consiste em parede inclinada (13) compondo um ângulo máximo de 60° com a parede oposta, onde o lodo que nela sedimentou desliza por gravidade para o ponto de coleta ou para casos de grandes sedimentadores, consiste em máquina raspadora de fundo , que raspam o lodo para o centro do Sedimentador (9) para ser transferido para o poço de lodo. c.3- Sistema de armazenamento e bombeamento de lodo: consiste em comparti- mento de armazenamento de lodo interligado ao fundo do Sedimentador (9) pela tubulação (14) e equipado com bomba centrífuga (15) para recalcar o lodo em reciclo para o Reator Biológico (2), e descartar parcela do lodo pela tubulação (18) por vazão controlada pela válvula (19).

c.4- Sistema de coleta de agua decantada que compreende o vertedor (16) e a tubulação de descarte de água decantada e tratada (17).

[23] 3 - FUNCIONAMENTO DO PROCESSO

O Processo Biológico Aeróbio de Lodo Ativado com Separação Hidrodinâmica compreende três etapas; Reação Biológica; Separação Hidrodinâmica e Sedimentação de Sólidos.

[24] Entre os três compartimentos do processo ocorre o fluxo de licor misto por gravidade, com rebaixamento do nível de líquido (27) de montante à jusante.

O efluente poluído entra na etapa de Reação Biológica, para que a matéria orgânica nele dissolvida seja absorvida por uma biota de microrganismos aeróbios hete- rotróficos e o nitrogénio amoniacal seja biologicamente oxidado à nitrato por bactérias autotróficas. A biota é mantida com concentração constante no reator através do controle de vazão de descarte de lodo, tanto pelo descarte do Sedimentador Gravitacional, bem como pelo descarte do Separador Hidrodinâmico (4).

[25] No Reator Biológico está instalado um sistema de dissolução de oxigénio que além de dissolver o oxigénio necessário ao desenvolvimento biológico dos microrganismos responsáveis pelo tratamento, também fornece energia hidráulica ao Reator Biológico (2) para a necessária manutenção dos microrganismos em suspensão.

[26] O Processo de Lodo Ativado com Separação Hidrodinâmica opera com dois reciclos de lodo, advindos do Separador Hidrodinâmico (4) e do Sedimentador de Sólidos (9).

[27] Os microrganismos presentes no Reator Biológico tem uma cinética de crescimento exponencial, auxiliada pelos ditos reciclos de lodo.

[28] O duplo reciclo de lodo é uma diferença significartiva em relação ao Lodo Ativado convencional ,que conta com apenas um reciclo de lodo sedimentado e advindo do Sedimentador de Sólidos (9) .

[29] Na etapa de Reação Biológica a capacidade de remoção de matéria orgânica dissolvida, é diretamente proporcional à concentração de microrganismos, ou seja, quanto maior for a concentração de microrganismos, maior será a capacidade de remoção de carga do tratamento global.

[30] Após a biota ter absorvido os poluentes dissolvidos, o liquido no interior do Reator que agora se denomina de "licor misto" segue para a etapa de Separação Hidrodinâmica"

[31 ] No interior do "Separador Hidrodinâmico", devido ao projeto hidráulico do sistema, aproximadamente dois terços da vazão de entrada é encaminhada para o coletor de licor misto com sólidos decantados induzidos pela vazão de sucção da bomba (20) e um terço da vazão de entrada no Separador, que coincide com a vazão de entrada no processo, é direcionada para o sistema de coleta de licor decantado e flui por gravidade para o Sedimentador Gravitacional (9) pela tubulação (10).

[32] A vazão recalcada pela bomba centrífuga (20), é reciclada para o Reator Biológico (2), passando pelo sistema de dissolução de gases. O sistema de dissolução de gases é responsável por suprir a demanda de oxigénio pelos microrganismos aeróbios e fornecer a energia de mistura responsável pela manutenção dos sólidos em suspensão no reator.

[33] A função da Separação Hidrodinâmica é de fazer uma separação de sólidos, retirando concentração de sólidos do licor misto que segue para a etapa de Sedimentação Gravitacional e adicionando concentração de sólidos ao licor misto que é captado pelo sistema de captação de lodo do Separador Hidrodinâmico.

[34] Para que o dito efeito de separação ocorra, o Separador Hidrodinâmico tem instalado um sistema de separação laminar composto pelas lâminas (8), que reduz a turbulência em sua região para valores de número de Reynolds abaixo de 2000, transformando o regime de turbulento para laminar, induzindo assim a sedimentação mais intensa de sólidos. Este efeito somado a uma composição de forças de arraste aplicadas nas partículas resultará no encaminhamento das mesmas para o coletor de lodo (6), sendo que a massa de partículas que passa pelo vertedor (7), é menor que 30% da massa de partículas que entra no Separador Hidrodinâmico (4). Consequentemente a massa de sólidos que é coletada pelo coletor de lodo (8) será maior que 70% da massa de entrada no Separador Hidrodinâmico (4).

[35] A saída de líquido decantado do Separador Hidrodinâmico (4), ocorre por gra- vidade, pela admissão do mesmo no vertedor através dos orifícios (26), que estão distribuídos por toda a seção transversal superior do Separador.

[36] O licor misto com lodo mais concentrado, é captado pelo sistema de coleta de lodo do Separador pelos orifícios (21 ). Os ditos orifícios estão presentes em tubos de coleta por toda a seção transversal do Separador Hidrodinâmico, recebendo a vazão de sucção da Bomba Centrífuga (20), produzindo-se assim o efeito de arraste hidráulico na direção horizontal, sentido para baixo, nas partículas sólidas ou flocos biológicos que se encontrem dentro do Separador Hidrodinâmico (4), produzindo o efeito de separação hidrodinâmica de sólidos.

[37] No Reator Biológico (2), a concentração de microrganismos deve ser mantida constante , em valores que satisfaçam a taxa de aplicação de substrato entre 0,05 a 0,5 kg de demanda bioquímica de oxigénio por dia, por kg de microrganismos em suspensão no reator, para que se atinja a remoção desejada de carga orgânica dissolvida no efluente. O controle da concentração de microrganismos é feito tanto pelo descarte do lodo do Separador Hidrodinâmico quanto pelo Sedimentador Gra- vitacional.

[38] O efluente tratado é o sobrenadante decantado retirado pela tubulação de descarte de água decantada (17), isento da carga orgânica dissolvida absorvida no Reator Biológico (2) e isento também dos sólidos sedimentados no Sedimentador Gravitacional (9).

[39] 3.1 - PRINCÍPIOS DA SEPARAÇÃO HIDRODINÂMICA

[40] Separação Hidrodinâmica é regida por princípios de operações unitárias envolvendo partículas, ou sistemas particulados.

[41 ] O processo de Separação Hidrodinâmica de Sólidos pode ser descrito através de teoria sobre sistemas particulados, conforme teoria de Interação Partícula- Fluído.

[42] Pode se observar na Figura 6, a dinâmica do sistema fluído-partícula, sendo a nomenclatura adotada conforme abaixo:

(33) - Floco biológico (partícula)

(34) - U∞desc- Velocidade de aproximação de descarregamento : É a vazão sobrenadante de descarregamento do separador hidrodinâmico (35) - U∞suc- Velocidade de aproximação de sucção de lodo: É a vazão succionada pela bomba hidráulica interligada ao coletor de sólidos do separador hidrodinâmico.

(36) - Vetor de força representando o peso do floco (ps.V.g), sendo V o volume da partícula, ps o peso específico da partícula e g a aceleração da gravidade.

(37) - FDsuc- Força de arraste de sucção: Dada pela lei de Stokes para a atuação da velocidade de sucção de lodo.

(39) - FDdesc- Força de arraste de descarte: Dada pela lei de Stokes para a atuação da velocidade de aproximação de descarregamento.

(38) - Empuxo : Força de empuxo sendo E=Vp.p. g, sendo p a densidade do líquido.

(40) - RFD- Vetor resultante das forças FDsuc, FDdesc, peso próprio e E. Para efeito de dimensionamento do sistema este vetor é o utilizado para o direciona- mento do floco e dimensionamento do separador hidrodinâmico.

Ângulo β: Ângulo formado pela horizontal e a força de arraste de sução (37). Depende das características geométricas do separador hidrodinâmico.

Ângulo a: Ângulo formado pela horizontal e a força de arraste de descarte (39). Depende das características geométricas do separador hidrodinâmico.

[43] Além destes parâmetros, também são necessários outras grandezas definidos conforme segue, para se equacionar o equipamento:

V, volume da partícula; m, massa da partícula; ps, densidade da partícula; v, velocidade da patícula; p, densidade do fluído; μ, viscosidade dinâmica do fluído;

U∞, velocidade de aproximação (ou não perturbada) do fluído; b, intensidade do campo externo de forças. [41 ] Para o cálculo das forças de arraste, adota-se a lei de Stokes, conforme segue na equação abaixo:

FD = I% * CD* p*D ² * U _∞

[44] Sendo p a densidade do líquido, D o diâmetro médio da partícula e U. a velocidade de aproximação e CD o coeficiente de arraste, conforme segue na equação abaixo:

sed

[45] Sendo v _sec i a velocidade de sedimentação do floco, obtido da de teoria consagrada de sedimentação de floco biológico, mais adiante explanada.

[46] Usualmente quando se opera com separação de sólidos biológicos, deve-se levar em conta conceitos que envolvem a condição biológica do lodo, cujos flocos são as partículas.

[47] Para esta questão, no âmbito de dimensionamento de sistemas de lodo ativa- do, usa-se a teoria do fluxo limite de sólidos, sendo que uma série de autores (White, 1976; Johnstone et al, 1979; Tuntoolavigerest & Grady, 1982; Koopman & Cadee, 1983; Pitmann, 1984; Daigger and Roper, 1985; Ekama & Marais, 1986; Wahlberg and Keinath, 1988, 1995; van Haandel et al, 1988; von Sperling, 1990; Daigger, 1995) procuravam expressar a velocidade de sedimentação do lodo em função de variáveis facilmente determináveis ou assumíveis, como o índice Volumétrico do Lodo (IVL e suas variantes). Uma vez estimada a velocidade de sedimentação do lodo pode-se empregar a teoria do fluxo limite para projeto e operação. A proposição de von Sperling e Fróes (1999) determina para cada faixa de se- dimentabilidade (de ótima até a péssima), uma média de valores de V ₀ e k, obtidos por diversos autores , tabelados na Tabela 1 mais abaixo.

[48] Com estes coeficientes é possível determinar-se a velocidade de sedimentação, conforme equação 04: V _sed =V ₀ .e ^{'k C}

[49] Sendo V _sec i (m.h ¹ ) a velocidade final da partícula, C a concentração de sólidos do meio analisado e V ₀ (m.h ¹ ) e k (L.g ), parâmetros tabelados em função da con- dição de lodo. No entanto o parâmetro V ₀ representa a velocidade da partícula sem a ação do efeito da concentração de sólidos no sistema.

[50] O parâmetro V _sec i é utilizado para se definir o coeficiente de arraste CD, utilizado no dimensionamento do separador hidrodinâmico de sólidos.

[51 ] Na Tabela 1 pode-se encontrar os parâmetros V ₀ e k tabelados em função da condição biológica do floco biológico.

Tabela 1

Boa 9,0 0,35 11,77 0,70

Média 8,6 0,50 8,41 ; 0,72

Ruim 6,2 0,67 6,26 : 0,69

Péssima 5,6 0,73 5,37 ; 0,69

[52] Utilizando-se das teorias acima, pode se prever em que ponto do Separador Hidrodinâmico a partícula vai tocar, sendo arrastada pela resultante das forças detalhadas.

[53] Considera-se o Separador Hidrodinâmico bem dimensionado, quando a partícula que entra no Separador em posição mais desfavorável, vai tocar o fundo e não a parede do Separador Hidrodinâmico. [54] 3.2- PRINCÍPIOS DO PROCESSO DE LODO ATIVADO COM SEPARAÇÃO HIDRODINÂMICA

[55] Seguem mais abaixo na Tabela 2, considerações de dimensionamento de capacidade de uma ETE convencional sem a utilização de Separador Hidrodinâmi- co, em comparação com outra com o Separador Hidrodinâmico operando em diferentes taxas de retenção de sólido.

[56] Na dita Tabela 2, encontram-se parâmetros adotados e calculados conforme a atual metodologia de dimensionamento de lodo ativado, e considerações de cálculo admitindo-se a inserção de um Separador Hidrodinâmico, cujos rendimento de separação de sólidos variam de 70 a 90%, conforme será relatado.

[57] Na primeira linha da Tabela 2 encontra-se o título indicando a eficiência de separação de sólidos do separador hidrodinâmico. As duas primeiras colunas da seção "Retenção Sólidos Separador Hidrodinâmico (%)" , com 0% de eficiência de separação, representam a operação do lodo ativado sem a Separação Hidrodinâmica de Sólidos. Nas colunas seguintes os valores de eficiência de separação de sólidos foram adotados com 70%, 80% e 90%. Esta eficiência depende do projeto adotado para o Separador. Em função da eficiência de separação, é mostrado o aumento da capacidade de tratamento.

[58] Segue abaixo a descrição de cada linha da tabela, com a explanação de cálculos:

Linha 1 (Vazão): A unidade adotada para a vazão é de m3/h sendo os valores adotados no sentido da demonstração da função do separador hidrodinâmico no processo de lodo ativado;

Linha 2 (DBO5): Demanda Bioquímica de Oxigénio, cuja unidade adotada é kg/m ³ e o valor adotado é constante para toda a tabela e representa o valor médio de carga orgânica para esgoto sanitário;

Linha 3 (F/M): Fator Food/Microrganism, sendo que a unidade adotada é kgDBO ₅ / kgSSV.dia e representa o fator que determina o projeto de lodo ativado , resultando na determinação do volume necessário do reator biológico. Sua equação é F/ M=(Q ^* DBO ₅ )/(VTA ^* SSVTA), onde Q é a vazão em m ³ /dia, DBO ₅ é a carga orgâni- Tabela 2

ca do efluente em kg/m ³ , VTA é o volume do tanque de aeração em m ³ e SSVTA é os sólidos voláteis em suspenção em kg/m ³ ;

Linha 4 (DBOrem): Representa a eficiência de remoção de DB0 ₅ do processo de lodo ativado em porcentagem e pode ser calculada, para esgoto sanitário, pela fórmula DBOrem=(1 -(FM/3)) ^* 100%. Notar que o rendimento de remoção depende a relação F/M;

Linha 5 (SST Reator Biológico): A unidade adotada é kg/m ³ e representa a concentração de sólidos totais em suspensão a ser mantida no interior do reator biológico;

Linha 6 (SST Sedimentador Secundário): A unidade é kg/m ³ , representa a concentração de sólidos totais que passa para o Sedimentador Gravitacional após sofrer detenção pelo separador hidrodinâmico é dado pela fórmula ;

SSTDec=(100 - Ef. Rem. Separador Hidrodinâmico)% ^* SST Reator Biológico;

Linha 7 (Volume Tanque Aeração (VTA)): A unidade é m ³ e representa o volume do tanque de aeração ou reator biológico necessário para obter a remoção dada em função da concentração de sólidos voláteis a serem mantidos no mesmo. Dado pela fórmula VTA=(Q ^* DB0 ₅ )/(FM ^* SSV), sendo os parâmetros os mesmos da linha 3 e para a situação SSV=0,8 ^* SST;

Linhas de 8 até 1 1 (Coeficientes de sedimentabilidade): adotados para projeto como lodo de sedimentabilidade ruim. Os coeficientes de sedimentabilidade podem ser obtidos na Tabela 1 ;

Linha 12 (Recirculação R): Recirculação de lodo do Sedimentador Gravitacional para o tanque de aeração. A unidade é a porcentagem da vazão de entrada no sistema de lodo ativado, ou Qr=R ^* Q, onde Qr é a vazão de recirculação em m ³ /h;

Linha 13 (Taxa admissível de aplicação de sólidos (G _L )): A unidade é kgSST/h.m ² e representa a taxa de sólidos em kg por hora aplicada em 1 m ² de decantação secundária admissível para que todos os sólidos sejam sedimentados evitando-se a perda dos mesmos pelo sobrenadante. A equação utilizada para cálculo desta taxa é G _L =m ^* (R ^* V ₀ ^* EXP(-k ^* Co) ^A n, sendo C ₀ =SSTA (kg/m ³ ); Linha 14 (Seção necessária de sedimentação): Representa a seção necessária de Sedimentador Gravitacional para receber a carga de sólidos do reator biológico ou separador hidrodinâmico dada em m ² e é calculada pela equação: A=(Q+Qr) ^* C ₀ / G _L ;

Linha 15 (Volume de sedimentação): É o volume aproximado da unidade de decantação secundária em m ³ e calculado pela seção de sedimentação vezes a profundidade média, sendo a profundidade adotada de 3m;

Linha 16 (Período de sedimentação): É o período médio em que o lodo permanece no Sedimentador Gravitacional em horas e é dado pelo volume do Sedimentador dividido pela vazão de entrada no mesmo.

[59] Objetiva-se fazendo uso da Tabela 2, de se demonstrar o aumento da capacidade de tratamento com a utilização do processo de Lodo Ativado com Separação Hidrodinâmica em comparação ao tratamento de Lodo Ativado convencional.

[60] Na Tabela 2 o sistema convencional de Lodo Ativado é dimensionado para a capacidade unitária de 1 m ³ /h de efluente, com um volume de reator biológico de 6,67 m ³ . Mantendo-se este mesmo volume de tanque de reação biológica, aumen- ta-se a vazão do tratamento para o dobro. Para a manutenção do rendimento de 90% de remoção de DB0 ₅ deve-se manter constante a relação F/M em 0,3 kgD- BO/kgSSV.dia. Para tanto é necessário se aumentar a concentração de sólidos. [] [61 ] Observa-se no processo de Lodo Ativado convencional, que com o aumento da concentração de sólidos no reator biológico, necessita-se aumentar a seção de sedimentação, como por exemplo; para se duplicar a vazão num sistema convencional tendo as condições do lodo classificado como "ruim" (vide coeficientes na Tabela 1 ), necessita-se de uma seção de decantação secundária mais de 20 vezes maior que a seção necessária para uma vazão unitária, resultando em um período de detenção no Sedimentador Gravitacional em torno de 30 horas. Como o Sedimentador encerra um ambiente anóxico, não se recomenda a permanência do lodo biológico nele, acima de 5 horas, sendo inviável portanto a duplicação da vazão de um Lodo Ativado convencional simplesmente aumentando-se fisicamente a seção do Sedimentador Gravitacional.

[62] Porém, no processo de Lodo Ativado com Separador Hidrodinâmica a situa- ção é diferente. Para se detalhar algumas situações, é necessário se considerar a eficiência de retenção de sólidos no Separador Hidrodinâmico.

[63] As vazões estabelecidas para o processo operando com Separador Hidrodinâmico, (Tabela 02, item 01 ), são de 2,00; 3,00; e 4,00 m ³ /h e estão relacionadas aos valores da eficiência de retenção do separador hidrodinâmico.

[64] Estas vazões são as vazões admissíveis que o processo comporta, utilizando -se como volume constante de reator igual a 6,67 m ³ (Tabela 02, item 7), conside- rando-se o tratamento do efluente com uma eficiência de remoção de carga de 90%.

[65] Para manter a eficiência de tratamento em vazões maiores que no processo convencional, mantendo-se o mesmo volume de reator biológico, é necessário au- mentar-se a concentração de lodo biológico neste compartimento, conforme a Tabela 2, item 5; para 6,0 ; 9,0 ; 12;0 kgSST/m ³ .

[66] Caso não houvesse a ação do separador hidrodinâmico, estas concentrações seriam as que passariam para o Sedimentador Gravitacional, fazendo reduzir substancialmente a taxa de sólidos admissíveis (Tabela 2 item 13) .

[67] Porém, com a aplicação do separador hidrodinâmico, a passagem de sólidos para o Sedimentador Gravitacional, será respectivamente de 1 ,8; 1 ,8 e 1 ,2 kgSST/ m ³ como respectivas taxas de aplicação (Tabela 2, item 6), que são concentrações possíveis de serem tratadas pelo Sedimentador Gravitacional.

[68] Os resultados das seções de sedimentação necessárias registradas na linha 14, respectivamente 0,52m ² , 0,78m ² e 0,52m ² encontram-se abaixo da seção necessária para a sedimentação convencional, onde usualmente se projeta Lodo Ati- vado convencional pela taxa de aplicação hidráulica de 1 ,0 m ³ /m ^2* h .

[69] Assim sendo, fica teoricamente demonstrada a maior capacidade de tratamento do Lodo Ativado com Separação Hidrodinâmica em relação ao Lodo Ativa- do convencional.

[70] 4 - VANTAGENS DO PROCESSO DE LODO ATIVADO COM SEPARAÇÃO HIDRODINÂMICA SOBRE O LODO ATIVADO CONVENCIONAL. O Processo de Lodo Ativado com Separação Hidrodinâmica opera com as seguintes vantagens sobre o processo de Lodo Ativado convencional:

[71 ] 4.1 - No processo de Lodo Ativado convencional, a concentração de sólidos que flui para o Sedimentador é a mesma que se encontra no Reator Biológico. No Processo de Lodo Ativado com Separação Hidrodinâmica, a concentração de sólidos que entra no Sedimentador Gravitacional (9) é menor que a existente no Reator Biológico (2). Dita diferença habilita o aumento da capacidade de sedimentação, já que a taxa de aplicação hidráulica em um sedimentador gravitacional é inversa e exponencialmente proporcional à concentração de sólidos de entrada neste sedimentador.

[72] 4.2.- Com o menor carregamento de sólidos no Sedimentador Gravitacional (9), é possível aumentar o carregamento hidráulico do mesmo, resultando-se assim na habilitação de aumento de vazão deste processo em comparação a um processo convencional.

[73] 4.3 - O efeito de reciclar o lodo do Separador hidrodinâmico em concentração de microrganismos maior que no Reator Biológico habilita o fator cumulativo possibilitando o aumento da concentração de microrganismos no Reator Biológico

(2),

[74] 4.4- Os efeitos das vantagens dos itens 6.2 e 6.3 somados simultaneamente torna possível o aumento da capacidade global de tratamento em relação ao Lodo Ativado convencional.

[75] 4.5- O processo de Lodo Ativado com Separação Hidrodinâmica de Sólidos, opera com redução da massa biológica que flui para o Sedimentador Gravitacional, fazendo com que somente uma pequena fração da massa biológica aeróbia permaneça em ambiente anóxico pelo período de detenção do Sedimentador Gravitacional, sendo que no Lodo Ativado convencional, toda a massa de microrganismos passa pelo Sedimentador Gravitacional e lá permanece pelo período de detenção convencional. Tal fato atribuiu ao Lodo Ativado com Separação a operar com o lodo mais saldável, porque a maior parte da biota permanece todo o tempo em ambiente óxico, conferindo uma maior estabilidade e resistência à choques.

[76] 4.6 - A operação com Separador Hidrodinâmico resulta na redução de bulking por proliferação de bactérias filamentosas, já que por ação hidrodinâmica, as ditas bactérias ficam retidas no reator biológico, e impedidas de passarem para o Sedimentador Gravitacional e serem perdidas por "overflow"

[77] 4.7 No caso de morte de microrganismos por toxicidade aguda ou sobrecarga, a recuperação do processo de Lodo Ativado com separação hidrodinâmica, devido a este sistema, ocorre em tempo muito menor, pois o bulking de lodo fica retido pelo separador hidrodinâmico, acelerando muito a recuperação do Processo.

[78] IV - EQUIPAMENTO SEPARADOR HIDRODINÂMICO

[79] 1 .- INTRODUÇÃO

[80] O Separador Hidrodinâmico de Sólidos é um equipamento idealizado para operar no processo de Lodo Ativado com Separação de Sólidos.

[81 ] 2.- CAMPO DE APLICAÇÃO

[82] O Separador Hidrodinâmico de Sólidos pode ser utilizado para ser instalado no interior do Reator Biológico de uma nova planta de tratamento de Lodo Ativado com Separação Hidrodinâmica, ou em uma planta de tratamento de Lodo Ativado convencional, para transformá-la em Lodo Ativado com Separação Hidrodinâmica, aumentando a sua capacidade ou melhorando seu rendimento de remoção de poluentes. O Separador Hidrodinâmico poderá ser aplicado como uma unidade, ou varias unidades interligadas hidraulicamente para operar em tratamentos de maior vazão.

[83] 3 - DESCRIÇÃO DO EQUIPAMENTO

[84] O Separador Hidrodinâmico de Sólidos é o compartimento, tanque ou equipamento do processo de Lodo Ativado com a Utilização do Separador Hidrodinâmico.

[85] Na Figura 2, encontra-se desenho da vista geral do equipamento, e nas Figuras 3, 4 e 5 encontra-se cortes do equipamento para visualização interna.

[86] A Separação Hidrodinâmica é regida por princípios de operações unitárias envolvendo partículas, ou sistemas particulados.

[87] A Separação Hidrodinâmica de Sólidos no processo de lodo ativado com utilização de separador hidrodinâmico destina-se à retenção de sólidos biológicos dentro do tanque de aeração.

[88] A energia utilizada para a separação hidrodinâmica de sólidos é obtida do sistema de aeração que empregue "aeração a jato" para a dissolução de ar ou oxigénio, bastando conectar o coletor de lodo do separador hidrodinâmico à sucção da bomba hidráulica que opera na aeração/oxigenação.

[40] O Separador Hidrodinâmico é formado pela carcaça (3), que pode ser construída de materiais diversos como fibra de vidro, aço, concreto, etc. O objetivo desta carcaça é de se delimitar o volume de atuação de separação hidrodinâmica e servir de suporte para a fixação de outros componentes do Separador Hidrodinâmico.

[89] O Conjunto vertedor (7), tem a função de coletar o efluente decantado, com os sólidos perdidos que não foram retidos pelo Separador Hidrodinâmico. No Vertedor (7) estão fixados os tubos perfurados de coleta de efluente decantado (28). Estes elementos são responsáveis pela admitir o efluente decantado e encaminhar para a caixa principal (7). Em geral, estes tubos (28) tem o diâmetro de 150 a 250 mm. O tubo perfurado de um lado é fixado na caixa vertedora e do outro lado na carcaça do separador.

[90] Os orifícios para a coleta de efluente decantado (26), são orifícios de diâmetro aproximado de 15 a 30 mm, posicionados no tubo de coleta de decantado (28).

[91 ] O tubo de descarga (10) é responsável pela descarga de sobrenadante do separador hidrodinâmico.

[92] O conjunto de elementos de separação laminar (8) é empregado no auxílio para a sedimentação da partícula, uma vez que ele propicia a transformação do regime hidráulico de turbulento para laminar, por meio da redução do raio hidráulico na sua região. O elemento de separação laminar é composto por lâminas de fina espessura (8), fixadas na carcaça com um ângulo de inclinação de 60° em relação à horizontal. O espaçamento entre as laminas é de 5 a 15 cm, e a largura das lâminas é de 1 ,0 a 1 ,5 m.

[93] O conjunto de coleta de sólidos sedimentados tem a função de distribuir a vazão de sucção por toda a seção do separador hidrodinâmico, para que a partícula admitida no separador receba uma vazão no sentido vertical, direção para baixo, gerando uma força cuja magnitude depende do coeficiente de arraste desta partícula no meio em que se encontra. Esta força é o componente físico que atua no sentido de aumentar a concentração de sólidos do lodo coletado em relação ao efluente decantado. Também tem a função de coletar os sólidos separados para que estes possam ser recalcados de volta ao reator biológico por meio de bombeamento hidráulico.

[94] O tubo central de coleta de sólidos sedimentados (21 ) é o tubo de diâmetro de 200 a 400 mm, que recebe os tubos perfurados (29), para conduzir o líquido contendo sólidos sedimentados ao tubo central.

[95] Os tubos perfurados conectados ao tubo central (21 ) são tubos contendo orifícios (6) de diâmetros de 25 a 50 mm, distribuídos equidistantemente ao longo do tubo, objetivando-se distribuir a vazão de sucção de separação por toda a seção longitudinal do separador hidrodinâmico.

[96] O tubo de descarga do líquido contendo sólidos sedimentados (22) é o tubo que se conecta na sucção da bomba hidráulica que aciona o separador hidrodinâmico, cujo recalque se direciona ao equipamento de "aeração a jato" que por sua vez, descarrega no reator biológico.

[97] O Separador Hidrodinâmico funciona de acordo com a teoria sobre sistemas particulados.

[98] Usualmente quando se opera com separação de sólidos biológicos, deve-se levar em conta conceitos que envolvem a condição biológica do lodo, cujos flocos são as partículas.

[99] A velocidade de sedimentação do floco, deve ser utilizada para se definir o coeficiente de arraste de Stokes, para se utilizar no dimensionamento do separador hidrodinâmico de sólidos.

[100]Adota-se como hipótese de dimensionamento a necessidade da partícula atingir o fundo do separador hidrodinâmico. As características geométricas do separador hidrodinâmico deverão atender a este requisito.