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1 INTRODUÇÃO
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Sobre a eficiência de transferência de O2 padrão médio, conforme o tipo de bolha, VON
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Nessa primeira fase do estudo focou-se na obtenção do coeficiente de transferência de
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3 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Como o objetivo deste estudo é a utilização do coeficiente KLa para a definição do novo
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Desta forma, considerando-se os dados reais do tanque de aeração, que possui volume útil
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-consumo de O2 máximo = 1,50 x 709,06 kgO2/...
3.2 Uso do KLa obtido experimentalmente para definir a nova TTO.
Os valores obtidos em campo estão presentes na tabela 4 e...
Figura 4: Determinação do KLa
Figura 5: Respirometria e Kla (tempo total do teste)
Fonte: O autor (2014)
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Relata VON SPERLING (1996) que embora sejam realizados testes em laboratórios dos
fabricantes, a adoção dos valores em con...
A tabela 5 resume as taxas de transferência de oxigênio que estão sendo aplicadas atualmente
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-Conjuntos moto-sopradores
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-Assim, com a nova potência calculada obteve-se a nova vazão de ar:
-59.700,00 W = Qg (Nm³/h) x 1000,00 kg/m³ x 9,81 m/s2
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-carga de N disponível = carga de N aplicado – 10% do lodo excedente
-carga de N disponível = 130,98 kg NTK/dia – 36,68 SS...
A tabela 8 apresenta o resumo de todos os valores obtidos para os sistemas de aeração: sistema
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Artigo científico para verificação da eficiência do coeficiente de transferência de gases (KLa) com utilização de efluente têxtil.

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UTILIZAÇÃO DO COEFICIENTE DE TRANSFERÊNCIA DE GASES (KLa) COMO PARÂMETRO AUXILIAR NA DETERMINAÇÃO DA TAXA DE TRANSFERÊNCIA DE OXIGÊNIO: ESTUDO DE CASO COM EFLUENTE TÊXTIL

  1. 1. UTILIZAÇÃO DO COEFICIENTE DE TRANSFERÊNCIA DE GASES (KLa) COMO PARÂMETRO AUXILIAR NA DETERMINAÇÃO DA TAXA DE TRANSFERÊNCIA DE OXIGÊNIO: ESTUDO DE CASO COM EFLUENTE TÊXTIL Lázaro Floriano dos Santos1 Everton Skoronski2 Resumo: Os efluentes têxteis apresentam relevante preocupação na região do Vale do Itajaí, no estado de Santa Catarina, sob o prisma da conservação dos recursos hídricos em virtude de seu elevado poder de carga poluidora, agravado pelo grande número de empresas do ramo, notadamente aquelas que possuem o processo de tinturaria e estamparia na sua linha produtiva. Para o tratamento dos efluentes, frequentemente é aplicado o sistema aeróbio de tratamento, onde os processos de transferência de oxigênio para água merecem destaque sob o ponto de vista técnico e de custo de operação. O objetivo deste estudo é avaliar o uso do coeficiente de transferência de oxigênio (KLa), em condições de campo, ou seja, com efluente real, para determinar a quantidade de oxigênio necessária a ser aplicada no tratamento biológico, da estação de tratamento de efluentes da EMPRESA X, localizada em Pomerode - SC. O estudo foi viabilizado com a montagem de um reator piloto, alimentado com o efluente industrial, e com aeração promovida por sistema de difusores de ar, simulando condições de operação normal de tratamento presentes no reator real. Durante 5 semanas consecutivas foram realizadas análises laboratoriais da carga orgânica nos dois reatores, aquele utilizado no tratamento dos efluentes da empresa e no sistema piloto. Ficou evidenciada a deficiência do sistema de aeração existente do reator real quanto à obtenção da eficiência do tratamento. O destaque do estudo foi a realização do teste de aeração no reator piloto para determinação do KLa. O valor obtido experimentalmente de 0,057 min- ¹ foi posteriormente empregado no cálculo da taxa de tranferência de oxigênio necessária para a obtenção do aumento da eficiência do tratamento real, tendo como meta atingir o valor estabelecido pela legislação, que é a redução mínima de 80% da carga de DBO. O reator real da EMPRESA X se constitui na principal etapa para remoção da carga orgânica no fluxograma da planta de tratamento. Isto ocorre uma vez que não há tratamento anaeróbio que precede o tanque de aeração e tampouco tratamento posterior para remoção de DBO. Assim, a otimização do tratamento biológico, com a introdução acertiva da quantidade de oxigênio é vital para a obtenção da eficiência desejada. Neste sentido o coeficiente experimental KLa apresentou resultados confiáveis ao ser utilizado no cálculo final da Taxa de Transferência de Oxigênio (TTO). Palavras-chave: Efluente têxtil. Coeficiente de transferência de oxigênio. Aeração. 1 Pós-Graduando em Gerenciamento de Águas e Efluentes pela Faculdade de Tecnologia do Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial-SENAI/Unidade Blumenau. E-mail: lazaroww@hotmail.com.br 2 Doutor em Engenharia Química e Professor Adjunto da Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC/Lages. E-mail: skoronski@cav.udesc.br
  2. 2. 1 INTRODUÇÃO A indústria têxtil é grande geradora de efluentes por conta dos processos das linhas de produção que exigem grandes quantidades de água e soluções químicas diversas, notadamente naquelas que apresentam, além da fiação, etapas de tinturaria e estamparia. A busca de redução de custos com a geração de efluentes, tão volumosos e nocivos ao meio ambiente, representa o maior obstáculo comum enfrentado pelo ramo têxtil em todos os continentes (BRAILE, 1979). Os efluentes da indústria têxtil apresentam composição heterogênea e uma grande quantidade de material tóxico e recalcitrante, o que torna seu tratamento complexo. Esses efluentes apresentam uma forte coloração, uma grande quantidade de sólidos suspensos, pH altamente variável, temperatura elevada, grandes concentrações de DQO, considerável quantidade de metais pesados (Cr, Ni ou Cu), compostos orgânicos clorados e surfactantes (ARAUJO; YOKOYAMA, 2006). Conforme BRAILE (1979), o processamento industrial têxtil pode apresentar as seguintes etapas, com as respectivas emissões de efluentes: a) Fiação: sem produção de efluentes; b) Tingimento de fios: efluentes de cores fortes, composto por soda cáustica, detergentes e sabões; c) Engomação: efluente altamente concentrado, com DBO elevada, resultante de resíduos do amido; d) Tecelagem: não há produção de efluentes; e) Desengomação e lavagem: efluente com residuais da goma de amido e do reagente da hidrólise. Esses, embora com volume produzido baixo, têm DBO elevada, chegando a influir em 50% da DBO total dos efluentes gerados; f) Cozimento e lavagem: efluentes com residuais de soda cáustica; g) Alvejamento e lavagem: efluentes contínuos, compostos por cloro, hipoclorito e peróxido; h) Mercerização e lavagem: efluentes com pequena carga poluidora; i) Estamparia: efluentes com corantes, soda cáustica e goma; j) Tinturaria: efluentes com composição variada, pela variedade de corantes e volumosos, com forte coloração e por vezes tóxicos e com valores de DBO normalmente baixos; l) Lavagem: efluentes volumosos com concentração elevada decorrente da goma e de corantes aplicados nas etapas anteriores; m) Acabamento: efluentes de lavagem dos cilindros (fular) e do piso, que podem conter: uréia, formol, trifosfato, amido, estearato, emulsões de resinas e sais de magnésio. O tratamento biológico com o uso do sistema de lodos ativados por aeração prolongada é a melhor opção de tratamento para efluentes têxteis, onde a DBO pode ser reduzida para níveis estipulados pela legislação, desde que o pH fique restrito a certa faixa de controle e ocorra constância na temperatura do efluente (BRAILE, 1996). No sistema de lodos ativados por aeração prolongada, a biomassa permanece no sistema por um período mais longo, quando comparado ao sistema de lodos ativados convencional, da ordem de 18 a 30 dias, recebendo a mesma carga de DBO do efluente bruto que o sistema convencional. Desta forma, haverá menor disponibilidade de alimento para as bactérias (relação A/M de apenas 0,07 a 0,15 KgDBO/KgSSVTA.dia). A quantidade de biomassa (KgSSVTA) é maior que no sistema de lodos ativados convencional, assim o volume do reator aeróbio também é maior, e o tempo de detenção do líquido é em torno de 16 a 24 horas (CHERNICARO, 2001). Segundo BRANCO (1978), a aeração do efluente, por qualquer processo, produz a oxidação rápida do material orgânico através de uma intensa proliferação de bactérias aeróbias, as quais consomem a matéria orgânica na presença de nutrientes, entrando em fase endógena por superpopulação. Nesta fase ocorre a floculação, que permite a precipitação das partículas restantes em suspensão. Ressalta ainda este autor que a deficiência da aeração manterá grandes quantidades de matéria orgânica biodegradável e de valor energético, dificultando a boa floculação. Por outro lado uma aeração excessiva conduz para uma floculação mais
  3. 3. significativa, normalmente com flocos de baixa capacidade depuradora causada pela diminuta quantidade de bactérias com reduzido metabolismo. As bactérias apresentam melhores resultados para a floculação na fase endógena de reprodução, enquanto que são mais eficientes na oxidação da carga orgânica e remoção da DBO na fase de crescimento (logarítmica) e que o fornecimento adequado de oxigênio em qualquer processo aeróbio é que vai otimizar e equilibrar a eficiência das bactérias tanto na função de sedimentação, quanto de oxidação. O oxigênio necessário para os organismos depuradores da matéria orgânica e formadores de flocos está na forma dissolvida no próprio efluente, podendo ser complementado e fomentado pelos microrganismos, pelo ar atmosférico ou por introdução mecânica, conclui BRANCO (1978). A dificuldade de solubilidade de oxigênio no meio líquido exige em muitos casos a estimulação do processo natural de oxigenação para suprir a taxa exigida pelas bactérias. Uma das formas de aeração artificial ocorre por difusão de ar, onde a introdução do oxigênio ocorre pela malha de difusores que normalmente estão dispostos no fundo do tanque e a transferência acontece ao longo do percurso da bolha em direção a superfície, percorrendo a massa líquida. Esses sistemas podem ser viabilizados por difusores porosos, tipo prato, disco, domo ou tubo, que geram bolhas finas e médias; ou podem ser utilizados difusores não porosos, tipo tubos dotados de furos ou ranhuras, que por sua vez geram bolhas grossas (VON SPERLING, 1996). Da mesma forma, para a introdução artificial do oxigênio na massa líquida, podem ser utilizados aeradores mecânicos, compressores na difusão de ar, ou sistema de oxigênio puro. A concentração desejada de Oxigênio Dissolvido (OD) no tanque de aeração deve ser em média, entre 1,5 – 2,0 mg/l, condição adequada para manter o metabolismo dos microrganismos aeróbicos (ACQUA, 2014). Sobre a porosidade dos difusores CHERNICARO (2001) relata que os difusores classificados por geradores de bolhas grossas conferem maior consumo energético e maior simplicidade do sistema de aeração, enquanto que os difusores enquadrados como geradores de bolhas médias e finas, conferem menor consumo energético, mas apresentam operação mais cuidadosa devido aos entupimentos. A tabela 1 apresenta a comparação entre os dois tipos de difusores, elencando vantagens e desvantagens. Tabela 1 – Tipo de bolhas: vantagens x desvantagens. Tipo Vantagens Desvantagens Bolhas finas -elevada transferência de oxigenio; - boa capacidade de mistrura; - flexibilidade operacional. - custo de implantação elevado; - possibilidade de colmatação; - necessidade de filtro de ar. Bolhas médias - boa capacidade de mistura; - reduzido custo de manutenção. - custo de implantação elevado; - filtro de ar pode ser necessário. Bolhas grossas - baixo custo de manutenção; - baixo custo de implantação; - não ocorre colmatação; - filtro de ar não é necessário. -baixa transferência de oxigênio; - elevado consumo de energia.
  4. 4. Sobre a eficiência de transferência de O2 padrão médio, conforme o tipo de bolha, VON SPERLING (1997) apud CHERNICARO (2001) comenta que as bolhas finas apresentam eficiência de 10 a 30%, as bolhas médias de 6 a 15% e as bolhas grossas de 4 a 8%. Já com referência a eficiência de oxigenação as bolhas finas apresentam valores entre 1,2 e 2,0 kgO2/kWh, as bolhas médias entre 1,0 e 1,6 kgO2/kWh e as bolhas grossas entre 0,6 e 1,2 kgO2/kWh. A introdução de gases no meio líquido gera o aparecimento de jatos bifásicos, com a tendência de propagação da base para a superfície, com a emissão de bolhas que vão transferir massa de ar para o líquido. A taxa de transferência de oxigênio desse sistema pode ser expressa pela lei de Fick, que possui vasta aplicação na engenharia sanitária e ambiental (LIMA NETO, I. E. apud MUELLER; BOYLE; POPEL, 2002). dC/dt = KLa (Cs-C) Segundo VON SPERLING (1996) a taxa de transferência de oxigênio em efluentes costuma variar para locais diferentes e pode apresentar valores diferenciados para um mesmo equipamento, motivo pelo qual deve-se expressar a referida taxa nas seguintes formas:a) condições padrão (água limpa; temperatura do líquido a 20ºC; altitude de 0m e sistema de aeração instalado num tanque teste); b) condições de campo (efluente; temperatura do líquido, altitude real da estação em relação ao nível do mar e sistema de aeração instalado). A correlação entre a taxa de transferência de oxigênio em condições padrão (TTOpadrão) com o coeficiente global de transferência de oxigênio (KLa), pode ser expressa pela equação: TTO padrão = (KLa . Cs (20ºC) . V)/1000 Na EMPRESA X, o sistema de aeração existente não apresenta a eficiência desejada, ou seja, o efluente final é encaminhado para o corpo receptor fora dos parâmetros legais de lançamento em termos de remoção de carga orgânica. Neste sentido o uso do KLa obtido nas condições de campo, forneceu valores acertivos quanto ao comportamento do efluente na introdução e consumo do oxigênio, proporcionando maior segurança na definição da ampliação do sistema de aeração a ser implantado, justificando a realização deste trabalho. Este estudo tem por objetivo utilizar o conhecimento do coeficiente global de transferência de oxigênio, o KLa, obtido experimentalmente no efluente específico, da EMPRESA X, do ramo têxtil, para auxiliar na determinação da taxa de transferência de oxigênio adequada a ser introduzido no reator real da referida empresa. 2 MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Montagem do reator piloto
  5. 5. Nessa primeira fase do estudo focou-se na obtenção do coeficiente de transferência de oxigênio (KLa) do efluente real. Para tanto foi realizada a montagem de um reator piloto, instalado ao lado do tanque de aeração, conforme figura 1 e figura 2. Figura 1: Esquema das instalações do reator piloto e decantador piloto. Entrada do ar comprimido Difusores de ar Medidor de vazão Bomba de homogenização Decantador 200 Litros Entrada do efluente Saída do efluente Medidor de Oxigênio dissolvido 5000 litros Fonte: O autor (2014). Essa unidade piloto utilizou um reservatório em polipropileno de 5.000,00 litros (reator) e um reservatório metálico de 200,00 litros, que funcionou hipoteticamente como decantador secundário e que serviu de ponto de coleta das amostras da saída do reator piloto (conforme Figura 1). No interior do reservatório maior foram instalados 02 difusores porosos, tipo disco, de 230 mm, em EPDM, modelo P-250, com vazão média de 85 l/min de ar e com produção de bolhas finas. Os difusores ficaram assentados a 20 cm do fundo do reservatório. Foi aplicada vazão de ar de 200,00 l/min (12 Nm³/h), ou seja, os 02 difusores atuaram com vazões superiores à média nominal. A vazão de ar foi controlada por regulador de pressão para ar comprimido e medida com rotâmetro vertical de policarbonato, da marca Blaster Controles, modelo BLI-200 (pressão de 5 m.c.a., temperatura máxima de 80ºC). O princípio de funcionamento do rotâmetro utilizado é baseado na área variável para líquidos ou gases e fornece leitura por indicação direta a partir da posição do flutuador. O efluente foi bombeado de um ponto central do tanque de equalização com o uso de uma bomba pneumática e aduzido por uma tubulação de polietileno de alta densidade de 2” até o interior do reator piloto. A vazão de ar citada (12 Nm³/h) foi adotada e controlada no rotâmetro para manter a concentração média de OD em 2,50 mg/l no interior do reator piloto. Para a medição do OD foi utilizado um oxímetro da marca YSI, modelo 55 digital, com sensor polarográfico, com faixa de medição de 0 a 20 mg/l, que ficou instalado durante todo o período do experimento. A vazão afluente ao reator piloto foi ajustada para 3,50 l/min (0,21 m³/h) para manter o mesmo tempo de detenção do reator real que é de 24 horas. Na saída do reator piloto um tubo de polietileno de 2” conduziu o efluente com o lodo biológico formado para o reservatório menor onde ocorreu a decantação do lodo. Não foi prevista a recirculação de lodo biológico em virtude da limitada dimensão do reator piloto. Para a aclimatação das bactérias foi coletado lodo manualmente no reator real e inoculado na unidade piloto. Optou-se por um período de 15 dias de adaptação das bactérias, pois mesmo com o uso de lodo do reator real, as condições na unidade piloto apresentam diferenças em relação à unidade real, como dimensão, formato geométrico do tanque, proximidade com os pontos de difusão e quantidade de sólidos em suspensão causada pela densidade de potência gerada pelos difusores. Após este período executou-se a primeira
  6. 6. bateria de coletas. Em seguida foram realizadas 4 outras baterias, espaçadas a cada 7 dias, totalizando 5 semanas consecutivas (Tabela 3). Essas coletas foram realizadas simultaneamente no tanque de equalização (corresponde à entrada do reator real), no decantador secundário real (corresponde à saída do reator real) e no decantador piloto (corresponde à saída do reator piloto). Figura 2 – Estação piloto postada ao lado da estação real. Fonte: O autor (2014). 2.2 Teste de determinação do KLa em campo O teste foi realizado no reator piloto com efluente real, portanto em condições de operação e empregado o método não estacionário, também conhecido como método da reaeração, onde a taxa de transferência de oxigênio (TTO) está diretamente vinculada ao aumento da concentração de OD, conforme VON SPERLING, 1996. A temperatura do efluente no momento do teste era de 26,10ºC. O teste começou com o desligamento dos aeradores. A concentração de OD era de 2,98 mg/l e foram coletados dados da depleção de OD (processo de respirometria) a cada minuto, até a estabilização, que ocorreu após 59 minutos de observação e com valor estabilizado em 0,29 mg/l de OD. Iniciou-se então a segunda fase do teste com o religamento dos aeradores. A concentração inicial era então de 0,29 mg/l de OD e foram coletados dados do aumento da concentração a cada minuto, até a estabilização, que ocorreu após 53 minutos de observação e com valor estabilizado em 3,22 mg/l de OD. O valor do KLa para o método não estacionário, onde o maior valor que pode ser atingido pela concentração de oxigênio (C∞ ) é inferior à saturação é definido pela expressão (VON SPERLING, 1996): C = C∞ - (C∞ - C₀) . e– Kla ( t - tₒ ) Esta equação sintetiza a determinação da taxa de consumo de oxigênio (C∞ - (C∞ - C₀)), a taxa de produção de oxigênio após religamento dos aeradores (e – Kla ( t - tₒ) ) e o cálculo do coeficiente de transferência de oxigênio (KLa). O cálculo matemático do KLa foi obtido pela análise da regressão, com os valores pares de OD x t, coletados durante a observação experimental (VON SPERLING,1996), após sua representação na forma linearizada conforme equação abaixo: 𝑙𝑛 𝐶 𝑠.𝑠. − 𝐶 𝐶 𝑠.𝑠. − 𝐶0 = −𝐾𝐿. 𝑎. 𝑡 . Reator piloto Decantador piloto Reator piloto Reator real
  7. 7. 3 RESULTADOS E DISCUSSÕES Como o objetivo deste estudo é a utilização do coeficiente KLa para a definição do novo valor da TTO a ser aplicada no tanque de aeração (reator real), o autor dividiu a análise de resultados em 3 etapas, que foram: a) Levantamento do sistema de aeração existente; b) Uso do Kla obtido experimentalmente na definição da nova TTO; c) Verificação da eficiência atingida com a nova TTO obtida. 3.1 Levantamento da situação existente do sistema de aeração. Inicialmente procurou-se caracterizar a situação real do tratamento biológico existente, com ênfase para o sistema de aeração instalado (difusores tipo disco). Na entrada do tanque de aeração a média da concentração diária de DBO5 foi de 447,00 mg/l e de Nitrogênio Kjeldahl foi de 57,45 mg/l. Foram considerados dados diários durante 5 meses (janeiro a maio de 2014) conforme Tabela 2. Para definição da eficiência no tanque de aeração, observou-se dados laboratoriais para DBO5 e DQO de amostras coletadas no tanque de equalização e na saída do tanque de aeração (reator real) durante 5 semanas consecutivas, obtendo-se para a DBO5 a eficiência de 63,25% e para a DQO a eficiência de 60,37% , conforme constata-se na Tabela 3. Tabela 2: Valores médios diários do reator real. Parâmetro Janeiro Fevereiro Março Abril Maio Entrada Saida Entrada Saida Entrada Saida Entrada Saida Entrada Saida DBO5(mg/l) 383,79 68,42 373,80 69,08 462,08 77,97 443,28 55,48 572,50 27,06 DQO(mg/l) 985,00 301,00 604,00 353,00 846,00 291,00 1.431,00 289,00 1.460,00 120,00 NKjed(mg/l) 33,79 29,92 55,93 23,98 91,51 48,23 92,68 79,63 13,34 6,60 Fonte: O autor (2014). Tabela 3: Concentrações: Equalização (entrada)/Piloto(saída)/Reator(saída). SEMANA PARAMETRO EQUALIZAÇÃO PILOTO REATOR REAL EFICIÊNCIA (%) 1ª SEMANA DBO5 414,06 199,82 173,40 58,62 DQO 925,00 343,00 489,00 47,13 2ª SEMANA DBO5 1.050,78 432,00 453,00 56,88 DQO 2.601,00 974,00 774,00 70,24 3ª SEMANA DBO5 398,00 103,40 164,34 58,70 DQO 1.212,00 480,00 242,00 80,03 4ª SEMANA DBO5 1.093,36 180,12 407,40 62,73 DQO 1.461,00 267,00 700,00 52,08 5ª SEMANA DBO5 865,10 90,61 179,20 79,28 DQO 1.660,00 328,00 790,00 52,40 Fonte: O autor (2014).
  8. 8. Desta forma, considerando-se os dados reais do tanque de aeração, que possui volume útil de 2.277,00 m³ (comprimento = 33,00 m; largura = 20,00 m; altura útil = 3,45 m), vazão média de 95,00 m³/h e tempo de detenção hidráulica de 24 horas, elaborou-se a sequência de cálculos que definiu o consumo de oxigênio, potência instalada e gasto energético no reator real, conforme segue: -Cargas -DBO5 média (removida) – 282,72 mg/l (63,25%) -carga de DBO5 afluente= 95,00 m³/h x 2872,72 mg/l DBO5 = 644,60 kgDBO/dia -carga NTKafluente= 95,00 m³/h x 57,45 mg/l NTK = 130,98 kgNTK/dia -Lodo excedente -Sólidos Suspensos (SS) = 0,60 kgSS/kgDBO5 x 644,60 kgDBO5/dia = 386,76 kgSS/dia -Sólidos Suspensos Totais (SST) = 386,76 kgSS/dia -Sólidos Suspensos Voláteis (SSV) → SSV = (SSV/SS) x SS SSV = 0,75 x 386,76 kgSS/dia = 290,07 kgSSV/dia -carga de N disponível = carga de N aplicado – 10% do lodo excedente -carga de N disponível = 130,98 kg NTK/dia – 29,00 SSV/dia = 101,98 kgN/dia -Consumo de O2 -demanda carbonácea = 644,60 kgDBO5/dia x 1,10 kgO2/kgDBO5 = 709,06 kgO2/dia = 29,54 kgO2/h -demanda nitrogenada = 101,98 kgN/dia x 4,60 kgO2/kgN = 469,11 kgO2/dia = 19,55 kgO2/h -demanda média total de O2 = demanda carbonácea + demanda nitrogenada -demanda média total de O2 = 1.178,17 kgO2/dia = 49,09 kgO2/h Constatou-se então que 60% de O2 foi consumido com a demanda carbonácea e 40% com a demanda nitrogenada. Como não há tratamento anaeróbio anterior ao tanque de aeração, 60% do O2 introduzido foi gasto na remoção da DBO5, o que não ocorreria se o tratamento biológico fosse precedido de um processo anaeróbio, como um reator UASB, por exemplo. Entretanto o objetivo da estação de efluentes da EMPRESA X é somente a remoção da carga carbonácea, desta forma o consumo de O2 ficou assim definido:
  9. 9. -consumo de O2 máximo = (relação consumo máximo/consumo médio) x consumo médio -consumo de O2 máximo = 1,50 x 709,06 kgO2/dia = 1.063,59 kgO2/dia = 44,31 kgO2/h -consumo O2 condições padrão = (relação padrão/campo) x consumo de O2 campo -consumo O2 condições padrão = 1,80 x 1.063,59 kgO2/dia = 1.914,46 kgO2/dia = 79,77 kgO2/h Adotando-se: -Eficiência de oxigenação padrão = 1,80 kgO2/kWh (aeração prolongada) -Potência requerida = consumo O2 condições padrão/ eficiência de oxigenação padrão -Prequerida = 79,77 kgO2/h/1,80 kgO2/kWh = 44,31 kW = 60,20 CV No reator real de fato estão instalados 02 conjuntos moto-sopradores com potência unitária de eixo do motor de 30 CV e consumo energético unitário de 22 kW. Os referidos conjuntos ficam ligados 24 horas por dia, ou seja, o sistema de aeração atua com sua máxima capacidade e a eficiência de remoção da DBO5 obtida, também, é a máxima operacional possível. Os valores calculados acima em concordância com os valores reais de potência e energia instalados indicam confiabilidade aos valores de entrada da memória de cálculo (concentração, eficiência e carga de DBO5), mas fundamenta principalmente o valor de consumo O2 obtido (79,77 kgO2/h). -densidade de potência (DP) = potência média/ volume do reator -DP = 44.310 W/ 2.277,00 m³ = 19,45 W/m³ -conforme recomendado a DP em lodos ativados deve ter valor superior a 10,00 W/m³, para manter maiores concentrações de sólidos em suspensão. -consumo energético anual = 44 kW x 24 h/dia x 365 dia/ano = 385.440,00 kw/ano -custo do kWh da EMPRESA X = R$ 0,36* * fonte: fatura de energia elétrica da EMPRESA X -custo anual com a aeração do reator real = R$ 138.744,00 O estudo abordou esta checagem do sistema de aeração existente uma vez que o mesmo não sofre manutenção há pelo menos 5 anos, o que torna importante o conhecimento da eficiência do mesmo quanto ao valor de oxigênio transferido para a massa líquida.
  10. 10. 3.2 Uso do KLa obtido experimentalmente para definir a nova TTO. Os valores obtidos em campo estão presentes na tabela 4 e expressos nos gráficos das figuras 3, 4 e 5. O valor do KLa corresponde à inclinação da reta de melhor ajuste (VON SPERLING (1996), que no caso deste estudo ficou definido em 0,057 min-1 . Tabela 4: Kla e Respirometria – dados de campo Fonte: O autor (2014) Figura 3: Respirometria e Kla (reta de ajuste) Fonte: O autor (2014) y = 0,057x + 0,5684 R² = 0,9574 y = -0,0399x + 2,2726 R² = 0,9283 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 O2(mg/L) Tempo (min) Respirometria x KLa Curva KLA Curva Respirometria Linear (Curva KLA) Determinação do KLa Determinação da Respirometria T(min) O2(mg/l) T(min) O2(mg/l) T(min) O2(mg/l) T(min) O2(mg/l) 1 0,29 31 2,51 1 2,98 31 0,94 2 0,43 32 2,57 2 2,71 32 0,94 3 0,51 33 2,66 3 2,54 33 0,87 4 0,52 34 2,67 4 2,25 34 0,84 5 0,57 35 2,72 5 2,12 35 0,83 6 0,65 36 2,73 6 1,99 36 0,81 7 0,80 37 2,75 7 1,95 37 0,73 8 0,87 38 2,80 8 1,91 38 0,74 9 0,94 39 2,86 9 1,85 39 0,72 10 1,07 40 2,89 10 1,77 40 0,71 11 1,15 41 2,9 11 1,72 41 0,61 12 1,25 42 2,95 12 1,64 42 0,61 13 1,37 43 2,98 13 1,59 43 0,60 14 1,43 44 3,02 14 1,57 44 0,59 15 1,53 45 3,04 15 1,54 45 0,55 16 1,57 46 3,07 16 1,53 46 0,53 17 1,67 47 3,11 17 1,52 47 0,54 18 1,74 48 3,12 18 1,51 48 0,48 19 1,81 49 3,15 19 1,47 49 0,47 20 1,86 50 3,18 20 1,40 50 0,41 21 1,95 51 3,22 21 1,35 51 0,37 22 2,03 52 3,21 22 1,24 52 0,35 23 2,04 53 3,22 23 1,18 53 0,33 24 2,12 24 1,17 54 0,31 25 2,23 25 1,15 55 0,29 26 2,31 26 1,10 56 0,27 27 2,35 27 1,07 57 0,28 28 2,41 28 1,06 58 0,29 29 2,44 29 0,98 59 0,29 30 2,50 30 0,95
  11. 11. Figura 4: Determinação do KLa Figura 5: Respirometria e Kla (tempo total do teste) Fonte: O autor (2014) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101 106 111 O2(mg/L) Tempo (min) Respirometria x KLa O2…
  12. 12. Relata VON SPERLING (1996) que embora sejam realizados testes em laboratórios dos fabricantes, a adoção dos valores em condições padrão para a situação real é dificultosa em virtude de características específicas de cada estação de tratamento, como geometria do tanque, tipo, número e forma de instalação dos difusores, entre outros fatores. Desta forma é fundamental o conhecimento amplo da capacidade de produção de oxigênio, no reator real e nas condições de operação, fato que pode ser viabilizado com o conhecimento do KLa do efluente em condições de operação. Acrescenta ainda VON SPERLING (1996), que a expressão matemática que relaciona a taxa de transferência de oxigênio (TTO padrão) com o coeficiente global de transferência de gases (KLa) pode ser assim definida: TTO padrão = Kla . Cs (20ºC) . V Onde: - TTO padrão: taxa de transferência de oxigênio em condições padrão ( kgO2/h) - Cs (20ºC): concentração de saturação de oxigênio na água limpa, nas condições padrão (g/m³) - V: volume do reator (m³) Então, aplicando-se os valores do estudo: - Kla = 0,057 min-1 - V = 2.277,00 m³ = 2.277.000,00 L - Cs (20ºC) = 9,20 mg/l* - fonte tabela pág. 184, VON SPERLING (1996). * altitude de Pomerode = 85 m (fonte: portal oficial da Prefeitura Municipal de Pomerode). - TTO padrão = 0,057 min-1 x 9,20 mg/l x 2.277.000,00 - TTO padrão = 1.719,44 kgO2/dia = 71,64 kgO2/h Obviamente que a demanda de O2 agora calculada com base no Kla, também leva em consideração a demanda nitrogenada. -consumo de O2 máximo = (relação consumo máximo/consumo médio) x consumo médio -consumo de O2 máximo = 1,50 x 1.719,44 kgO2/dia = 2.579,16 kgO2/dia = 107,46 kgO2/h -consumo O2 condições padrão = (relação padrão/campo) x consumo de O2 campo -consumo O2 condições campo = 2.579,16 kgO2/dia/1,8 = 1.432,86 kgO2/dia = 59,70 kgO2/h
  13. 13. A tabela 5 resume as taxas de transferência de oxigênio que estão sendo aplicadas atualmente no reator real e que culmina com uma eficiência de 63,25% na remoção da DBO5 e as taxas de transferência de oxigênio possível de serem introduzidas na massa líquida do reator real, valor este calculado a partir do Kla experimental obtido no reator piloto. Tabela 5 – Taxas de transferência de oxigênio Taxas de Transferência Taxas Existentes Taxas Calculadas Diferença TTO padrão 1.914,46 kgO2/dia 2.579,16 kgO2/dia (+) 25,77 % TTO campo 1.063,59 kgO2/dia 1.432,86 kgO2/dia (+) 25,77 % Fonte: O autor (2014) A taxa de transferência de oxigênio empregada no sistema existente mostrou-se 25,77% menor que a taxa efetivamente necessária para obter a eficiência, conforme possibilidade de transferência de oxigênio para o efluente demonstrada pelo KLa. -Eficiência de oxigenação padrão = 1,80 kgO2/kWh (aeração prolongada) -Potência requerida = consumo O2 condições padrão/ eficiência de oxigenação padrão -Prequerida = 107,46 kgO2/h/1,80 kgO2/kWh = 59,70 kW = 81,07 CV O sistema de aeração existente possui 2 conjuntos moto-sopradores de 30 CV. Para atender a nova demanda calculada será necessária a instalação adicional de um conjunto moto-soprador com capacidade para fornecimento de 21,07 CV ou 25 CV (especificação comercial). -DP = 59.700,00 W/ 2.277,00 m³ = 26,11 W/m³, -conforme recomendado a DP em lodos ativados deve ter valor superior a 10,00 W/m³, para manter maiores concentrações de sólidos em suspensão. -consumo energético anual = 59,70 kWh x 24 h/dia x 365 dia/ano = 522.972,00 kw/ano -custo do kWh da EMPRESA X = R$ 0,36* * fonte: fatura de energia elétrica da EMPRESA X -custo anual com a aeração do reator real = R$ 188.269,00 A tabela 6 apresenta a comparação dos consumos e custos energéticos, onde se observa que para a nova potência requerida, que irá proporcionar a eficiência adequada do tratamento biológico, haverá um aumento do custo anual com energia no valor de R$ 49.525,00, correspondente ao acréscimo 26,29%. Tabela 6: Consumo energético x custo energético Sistemas Aeração Consumo (kWh/ano) R$/kWh Custo (R$) Sistema Existente 385.440,00 0,36 138.744,00 Sistema Calculado 522.972,00 0,36 188.269,00 Diferença (+)137.532,00 - (+) 49.525,00 Diferença (%) (+)26,29 - (+)26,29 Fonte: O autor (2014)
  14. 14. -Conjuntos moto-sopradores -Cálculo do Rendimento dos conjuntos (ɳ) -Potência consumida na rede → P = 1,73 x Volt x i x cos ω -Dos valores extraídos das placas dos motores, temos: -Tensão = 380,00 V -Corrente = 42,80 A -Fator de Potência (cos ω) = 0,83 -P = 1,73 x 380,00 V x 42,80 A x 0,83 = 23.353,47 W = 23,35 kW -Potência no eixo do motor = 30 CV = 22.080,00 W = 22,08 kW -Rendimento (ɳ) = potência do eixo do motor/ potência consumida na rede -Rendimento (ɳ) = 22,08 kW/ 23,35 kW = 0,94 = 94% -Cálculo da vazão de ar dos conjuntos moto-sopradores -A vazão de ar e a potência requerida se relacionam em um sistema de difusores pela seguinte expressão (VON SPERLING, 1996): P = Qg . ρ . g ( di + ∆H )/ ɳ -Dados do sistema existente: -Potência requerida → (W) = 44.000,00 W -Vazão de ar → Qg = 2.200,00 m³/h = 0,61 m³/s -Profundidade de imersão dos difusores → di = 3,00 m -Rendimento → (ɳ) = 0,94 -Peso específico do líquido → ρ = 1000,00 kg/m³ -Aceleração da gravidade → g = 9,81 m/s2 -perda de carga no sistema de distribuição de ar → ∆H (à verificar) -P = 44.000,00 W = 2.200,00 Nm³/h x 1000,00 kg/m³ x 9,81 m/s2 (3,00m + ∆H) / 0,94 -∆H = 3,91 m (existente)
  15. 15. -Assim, com a nova potência calculada obteve-se a nova vazão de ar: -59.700,00 W = Qg (Nm³/h) x 1000,00 kg/m³ x 9,81 m/s2 (3,00m + 3,91 m) / 0,94 -Qg = 3.170,47 Nm³/h Obviamente que o incremento no valor da vazão de ar implicaria na instalação de maior quantidade de difusores e por consequência num aumento da perda de carga na rede de distribuição de ar, mas tais acréscimos não são significativos e fogem do interesse deste estudo. Como a vazão de ar já instalada é de 2.200,00 Nm³/h, será necessária a instalação adicional de um conjunto moto-soprador com capacidade para fornecimento de 970,47 Nm³/h ou 1.000,00 Nm³/h (especificação comercial), conforme especificação da Tabela 7. Tabela 7: Equipamentos: sistema de aeração existente x sistema de aeração calculado Equipamentos Sistema Existente Sistema Calculado Motores 02 motores de 30,00 CV e 22,00 kW/motor (+) 01motor 25,00 CV e 20,00 kW Sopradores 02 sopradores de 1.100,00 Nm³/h/soprador (+) 01soprador de 1.000,00 Nm³/h Fonte: O autor (2014) 3.3 Verificação da eficiência atingida com a TTO calculada. O objetivo do estudo foi comprovar que a taxa de transferência de oxigênio calculada a partir do Kla obtido no experimento mostrou-se suficiente para conferir ao efluente a eficiência esperada de 80% na remoção da carga carbonácea, complementando a eficiência do sistema de aeração existente, que consegue remover apenas 63,25%. Para esta verificação final simulou-se na entrada da memória de cálculo, a concentração de DBO5 a ser removida com o valor de 357,60 mg/l, que corresponde a 80% de remoção em relação ao valor da DBO5 média diária de entrada no reator real, que é de 447,00 mg/l. -Cargas -DBO5 média (a ser removida) – 357,60 mg/l (80,00%) -carga de DBO5 afluente= 95,00 m³/h x 357,60 mg/l DBO5 = 815,33 kgDBO/dia -carga NTKafluente= 95,00 m³/h x 57,45 mg/l NTK = 130,98 kgNTK/dia -Lodo excedente -Sólidos Suspensos (SS) = 0,60 kgSS/kgDBO5 x 815,33 kgDBO5/dia = 489,19 kgSS/dia -Sólidos Suspensos Totais (SST) = 489,19 kgSS/dia -Sólidos Suspensos Voláteis (SSV) → SSV = (SSV/SS) x SS SSV = 0,75 x 489,19 kgSS/dia = 366,89 kgSSV/dia
  16. 16. -carga de N disponível = carga de N aplicado – 10% do lodo excedente -carga de N disponível = 130,98 kg NTK/dia – 36,68 SSV/dia = 94,30 kgN/dia -Consumo de O2 -demanda carbonácea = 815,33 kgDBO5/dia x 1,10 kgO2/kgDBO5 = 896,86 kgO2/dia = 37,36 kgO2/h -demanda nitrogenada = 94,30 kgN/dia x 4,60 kgO2/kgN = 433,78 kgO2/dia = 18,07 kgO2/h -demanda média total de O2 = demanda carbonácea + demanda nitrogenada -demanda média total de O2 = 1.330,64 kgO2/dia = 55,44 kgo2/h Fazendo-se a mesma consideração do item 3.1 deste estudo, que considerou somente a demanda com a remoção da carga carbonácea, uma vez que esse é o objetivo da estação de tratamento da EMPRESA X, tem-se o seguinte consumo de oxigênio: -consumo de O2 máximo = (relação consumo máximo/consumo médio) x consumo médio -consumo de O2 máximo = 1,50 x 896,86 kgO2/dia = 1.345,29 kgO2/dia = 56,05 kgO2/h -consumo O2 condições padrão = (relação padrão/campo) x consumo de O2 campo -consumo O2 condições padrão= 1,80 x 1.345,29 kgO2/dia= 2.421,52 kgO2/dia = 100,89 kgO2/h -Eficiência de oxigenação padrão = 1,80 kgO2/kWh (aeração prolongada) -Potência requerida = consumo O2 condições padrão/ eficiência de oxigenação padrão -Prequerida = 100,89 kgO2/h/1,80 kgO2/kWh = 56,05 kW = 76,12 CV -densidade de potência (DP) = potência média/ volume do reator -DP = 56.050 W/ 2.277,00 m³ = 24,61 W/m³ Conforme recomendado a DP em lodos ativados deve ter valor superior a 10,00 W/m³, para manter maiores concentrações de sólidos em suspensão. -consumo energético anual = 56,05 kWh x 24 h/dia x 365 dia/ano = 490.998,00 kw/ano -custo do kWh da EMPRESA X = R$ 0,36* * fonte: fatura de energia elétrica da EMPRESA X -custo anual com a aeração do reator real = R$ 176.759,28
  17. 17. A tabela 8 apresenta o resumo de todos os valores obtidos para os sistemas de aeração: sistema existente, sistema calculado via Kla e sistema simulado para remoção de 80% de DBO5. Tabela 8: Resumo dos dimensionamentos do sistema de aeração Parâmetros Sistema Existente Sistema via KLA Sistema Simulado DBO5 removida (mg/l) 282,72 - 357,60 Eficiência de remoção (%) 63,25 - 80,00 Carga carbonácea (kgDBO/dia) 644,60 - 815,33 TTO padrão (kgO2/h) 79,77 107,46 100,89 TTO campo (kgO2/h) 44,31 59,70 56,05 Potência requerida (kW) 44,31 59,70 56,05 Potência do motor (CV) 60,20 81,07 76,12 Densidade de potência (W/m³) 19,45 26,21 24,61 Consumo energético anual (kWh) 385.440,00 522.972,00 490.998,00 Custo energético anual (R$) 138.744,00 188.269,00 176.759,28 Fonte: O autor (2014) Observou-se que os valores das taxas de transferência de oxigênio (TTO) calculadas com base no KLa mostraram-se superiores às taxas necessárias para fornecer 80% de eficiência, ou seja, a utilização da TTO via KLa implicou numa eficiência superior à desejada. Observou-se também que custo energético anual para elevar a efiência do tratamento biológico aplicando-se a TTO obtida pelo KLa, aumentou 26,29% para fornecer eficiência superior a 80%. Entretanto se o valor da eficiência desejada ficar limitado a 80% o aumento do custo energético será da ordem de 21,49%. O dimensionamento do sistema via KLa mostrou-se suficiente em relação ao sistema existente e ao sistema simulado, fundamentalmente porque o teste foi realizado em condições similares às condições de operação e forneceu valores fidedignos e máximos quanto a solubilidade do oxigênio no efluente investigado. 4 CONCLUSÃO Observou-se facilmente através dos dados que simularam 80% na remoção da carga de DBO5, que os valores obtidos para dimensionamento do sistema de aeração com o uso do KLa mostraram-se suficientes, ou seja, ficaram maiores que aos valores encontrados na simulação. Isto implica que a TTO calculada via KLa proporcionará eficiência ainda maior que 80% para o efluente estudado. Como os demais valores (potência dos motores, consumo energético, densidade de potência e custo energético anual) são diretamente proporcionais a TTO, obviamente que todos estes parâmetros demonstraram suficiência do sistema de aeração calculado via KLa para colocar a remoção carbonácea dentro das exigências da legislação. Desta forma, conclui-se que o emprego do coeficiente de transferência de gases (KLa) na determinação da taxa de transferência de oxigênio, para o efluente têxtil, foi precisa e conferiu confiabilidade ao dimensionamento do sistema de aeração. Isto se fundamentou principalmente porque a determinação deste coeficiente considerou comportamento de dissolução e difusão do OD no efluente real e específico que se deseja tratar. Finalizando, o autor recomenda que para tratamentos biológicos de efluente têxtil, que é tão heterogêneo, de empresa para empresa, o uso do coeficiente KLa obtido em campo seja uma prática comum no cálculo e dimensionamento dos sistemas de aeração pois a sua utilização implicará em economia
  18. 18. energética em sistemas superdimensionados e evitará a ineficiência do tratamento em caso de subdimensionamento. USE OF MASS TRANSFER COEFFICIENT (KLa) AS AUXILIARY PARAMETER IN DETERMINING OF THE OXYGEN TRANSFER RATE: A CASE STUDY WITH TEXTILE WASTEWATER Abstract: The textile effluents have great importance in the Vale do Itajaí region from the perspective of conservation of water resources because of their great power of pollution. The region has a large number of textile companies with dyeing and stamping processes in their production lines. The goal of this study is to evaluate the use of the mass transfer coefficient (KLa) under real conditions, i.e., using real effluent to determine the amount of oxygen required in the biological reactor of the wastewater treatment plant of COMPANY X, located in Pomerode-SC. The study comprised the installation of a pilot reactor to wich the real effluent was pumped and addictionally air diffusers were installed to simulate aeration conditions similar to the real reactor. During five consecutive weeks, laboratory analisis of the organic matter in the two reactors evidenced the deficiency of the existing system to remove organic matter on the original plant. The highlight of the study was the aeration test in the pilot reactor to determine the mass transfer coefficient. The KLa of 0.057 min- ¹ was experimentally obained and subdequentely utilized to calculate the transfer of oxygen rate needed to increase the efficiency of the treatment, aiming to comply with the value established law (80%). The real reactor from COMPANY X is the sole process of organic matter removal in the treatment plant and there isn’t any anaerobic treatment before the aeration tank nor subsequent treatment for BOD removal. Thus, it is important for the biological treatment the correct amount of oxygen is used to achieve the desire efficiency. As a result of this study, this process obtained a KLa that was able to produce adequate Oxygen Tranfer Rate (TTO). Key-words: Textile effluent. Mass transfer coefficient. Aeration. 5 REFERÊNCIAS SPERLING, Marcos. Princípios de tratamento biológico de águas residuárias. Belo Horizonte: Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – UFMG, 1996._ p.187-206. BRAILE, Pedro Marcio. Manual de tratamento de águas residuárias industriais, 1979 _p.320-325. ACQUA ENGENHARIA. Manual de operação de lodos ativados. Disponível em:< http://www.acquaeng.com.br>. Acesso em: 28/08/2014. BRANCO, Samuel Murgel. Hidrobiologia aplicada à engenharia sanitária. 2 ed. São Paulo: Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental, 1978._p.424-431. CHERNICARO, Carlos Augusto Lemos. Pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios. Belo Horizonte: PROSAB. Universidade Federal de Minas Gerais, 2001.___p.279-302.
  19. 19. LIMA NETO, I. E. Transferência de massa em sistemas de aeração por jatos bifásicos. Revista Engenharia Sanitária e Ambiental, v.18, n.1, p.9-14, jan/mar 2013. ARAUJO, F.V. F; YOKOYAMA, L. Remoção de cor em soluções de corantes reativos por oxidação com H2O2/UV. Revista Química Nova, v.29, n.1,p.11-14, 2006.

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