Aula 5 aeração

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

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Aula 5 aeração

  1. 1. TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS Aula 5 - Princípios de aeração
  2. 2. Princípios de aeração A aeração é uma operação unitária de fundamental importância em um grande número de processos aeróbios de tratamento de esgoto. Desde que o líquido esteja deficiente de um gás (oxigênio), há uma tendência natural do gás passar da fase gasosa, onde se encontra em quantidade satisfatória para fase líquida, onde esta deficiente. O oxigênio é um gás que se dissolve mal no meio líquido. Por esta razão, há em vários sistemas a necessidade de se acelerar o processo natural, de forma a que o fornecimento de oxigênio possa se dar em uma taxa mais elevada equivalente a taxa do seu consumo pelas bactérias.
  3. 3. Princípios de aeração Entre os processos de tratamento de esgotos a utilizarem a aeração artificial encontram-se as lagoas, os lodos ativados e suas variantes, os biofiltros aerados e alguns outros processos mais específicos. Dentre os processos de tratamento do lodo, a digestão aeróbia utiliza também aeração artificial.
  4. 4. Princípios de aeração  Há duas formas principais de se produzir aeração artificial: •Introduzir ar ou oxigênio no líquido (aeração por ar difuso)
  5. 5. Princípios de aeração • Causar um grande turbilhonamento, expondo o líquido na forma de gotículas, ao ar, e ocasionando a entrada do ar atmosférico no meio líquido (aeração superficial ou mecânica)
  6. 6. Princípios de aeração Quando um líquido é exposto a um gás, ocorre um contínuo intercâmbio de moléculas da fase líquida para a fase gasosa e vice e versa. O equilíbrio dinâmico esta associado à concentração de saturação do gás na fase líquida.
  7. 7. Fundamentos de transferência de gases A concentração de saturação é diretamente proporcional à concentração na fase gasosa. O coeficiente KD é denominado coeficiente de distribuição, e depende da natureza do gás e do líquido e da temperatura. Cs = KD . Cg Cg = concentração do gás na fase gasosa (mg L-1) Cs = concentração do gás na fase líquida (mg L-1) KD = coeficiente de distribuição (dependente da natureza do gás, do líquido e da temperatura).
  8. 8. Fundamentos de transferência de gases  Para a difusão do oxigênio na água, KD assume os seguintes valores: Observação: Quanto maior a temperatura, menor a solubilidade do gás no meio líquido. A maior agitação das moléculas na água faz com que os gases tendam a passar para a fase gasosa.
  9. 9. Fundamentos de transferência de gases A equação que estabelece a concentração de saturação de um gás na água, em função da temperatura e da pressão é: Cs = KD . Dv . (Pa-Pv) . _PM_ (R.T) Onde: dv = distribuição volumétrica do O2 no ar atmosférico (ar = 21% O2) PM = peso molecular do oxigênio (32 g mol-1) Pa = pressão atmosférica (101,325 Pa nas CNTP) Pv = pressão de vapor da água R = constante universal (8,3143 J/Kmol); T = temperatura (K). Cs = concentração do gás na fase líquida (mg L-1) KD = coeficiente de distribuição (dependente da natureza do gás, do líquido e da temperatura).
  10. 10. Fundamentos de transferência de gases  Valores para pressão de vapor da água (Pv)
  11. 11. Exercício 1  Calcular a concentração de saturação de oxigênio na água pura nas seguintes condições: Temperatura = 20°C . Pressão atmosférica ao nível do mar Cs = KD . Dv . (Pa-Pv) . _PM_ (R.T) 9,2mg/l Onde: dv = distribuição volumétrica do O2 no ar atmosférico (ar = 21% O2) = 0,21 PM = peso molecular do oxigênio (32 g mol-1) = 32 g/mol Pa = pressão atmosférica (101,325 Pa nas CNTP) = 101325 Pa Pv = pressão de vapor da água = 2330 Pa R = constante universal (8,3143 J/Kmol); 8,3143 J/Kmol T = temperatura (K). 293°K (=20°C) Cs = concentração do gás na fase líquida (mg L-1) KD = coeficiente de distribuição (dependente da natureza do gás, do líquido e da temperatura). 0,0337
  12. 12. Fundamentos de transferência de gases A altitude exerce uma influência na solubilidade de um gás. Quanto maior a altitude, menor a pressão atmosférica, e menor a pressão para que o gás se dissolva na água. A salinidade afeta também a solubilidade do oxigênio.
  13. 13. Fundamentos de transferência de gases  Concentração de saturação de oxigênio (mg/l)
  14. 14. Mecanismos de transferência de gases Há dois mecanismos básicos para a transferência do oxigênio da fase gasosa para a fase líquido.  Difusão molecular  Difusão turbulenta A difusão molecular pode ser descrita como a tendência de qualquer substancia de se espalhar uniformemente pelo espaço disponível.
  15. 15. Mecanismos de transferência de gases A teoria da penetração diz que durante certo tempo de exposição o gás difunde no elemento fluido, penetrando no líquido, o tempo de exposição é considerado muito curto (0,1s) para prevalecer as condições estacionárias. De acordo com a teoria de penetração, as seguintes fórmulas poder ser obtidas para a transferência de gases:
  16. 16. Mecanismos de transferência de gases   Taxa de absorção do gás: dM = A.(Cs-Co). _D_ dt (π .t) Profundidade de penetração do gás: xp = √π.D.t M = massa de gás absorvida através da área A durante o tempo t (g); A = área interfacial de exposição (m²); t = tempo de exposição (s); Co = concentração inicial do gás no seio da massa líquida (g.m-3); Xp = profundidade de penetração do gás na massa líquida (m). D = coeficiente de difusão
  17. 17. Exercício 2 Um tanque em estado de repouso, totalmente desprovido de oxigênio, com uma temperatura de 20°C, ao nível do mar, é exposto ao ar. Pergunta-se: Qual a taxa de absorção de oxigênio? Taxa de absorção do gás: _dM_ =(Cs-Co). _D_ dt A (π .t) Co = 0,0 g/m3 Cs = 9,2 g/m3 D = 1,8 x 10-9 m2/s t = 1 segundo t = 60 segundos t = 3600 segundos t = 86400 segundos
  18. 18. Exercício 2 Qual a profundidade de penetração do oxigênio? Profundidade de penetração do gás: xp = √π.D.t t = tempo de exposição (s); • 1 segundo • 60 segundos • 3600 segundos • 86400 segundos Xp = profundidade de penetração do gás na massa líquida (m). D = coeficiente de difusão molecular (m2/s) 1,8 x 10-9m2/s
  19. 19. Exercício 2  O objetivo desse exercício é de ressaltar que o fato de que a transferência de oxigênio por difusão molecular é extremamente lenta. No tratamento dos esgotos, a elevada demanda de oxigênio não pode ser suprida simplesmente pela difusão molecular. A) 1) 2) 3) 4) Taxa de absorção de oxigênio – 220 x 10 -6 g/m2.s 2,8 x 10-6 g/m2.s 3,7 x10-6 g/m2.s 0,75 x 10-6 g/m2.s B) Profundidade de penetração de oxigênio – 1) 0,075 x 10 -3 m 2) 0,582 x 10-3 m 3) 4,51 x10-3 m 4) 22,1 x 10-3 m
  20. 20. Fatores de influência na transferência de oxigênio A taxa de transferência de oxigênio do equipamento de aeração a ser instalado em uma estação é frequentemente determinado em condições distintas daquelas nas quais ele operará. Para estimativa da taxa de transferência nas condições de operação é necessário ter como base os resultados obtidos no teste realizado em condições padronizadas.
  21. 21. Fatores de influência na transferência de oxigênio Os fatores de maior influência na taxa de transferência de oxigênio são: • Temperatura • Concentração de oxigênio dissolvido • Características do esgoto • Características do aerador e da geometria do reator
  22. 22. Taxa de transferência de oxigênio no campo em condições padrão Devido a interação simultânea dos diversos fatores de influência, torna-se evidente que a taxa de transferência de oxigênio, para um mesmo equipamento, deverá variar de local para local. Fórmula para taxa de transferência de oxigênio é dado por:
  23. 23. Taxa de transferência de oxigênio no campo em condições padrão TTO padrão = Taxa de transferência de Oxigênio Padrão (kgO2/h) TTO campo = Taxa de transferência de Oxigênio no campo, nas condições de operação (KgO2/h) Cs = concentração de saturação de oxigênio na água limpa nas condições (temperatura e altitude O de operação no campo (g/m3) CL = concentração média de oxigênio mantida no reator 9g/m3) Cs(20°C) = concentração de saturação de oxigênio da água limpa, nas condições padrão (g/m3) fH = fator de correção de Cs para altitude (= 1 – altitude/9450) β = fator de correção devido a presença de sais, matéria particulada e outros agentes. Valores variam de 0,70 a 0,98, sendo que o valor de 0,95 é frequentemente adotado. α = fator de correção devido a transferência de oxigênio pelas características dos esgotos, e pela geometria do reator e grau de mistura. Os valores variam de 0,6 a 1,2 para aeração mecânica e de 0,4 a 0,8 para aeração por ar difuso. Ѳ = coeficiente de temperatura. Usualmente adotado como 1,024 T = temperatura do líquido.
  24. 24. Exercício 3 Em uma estação de tratamento de esgoto, é necessário o fornecimento de 100kgO/h (TTO campo), nas condições de operação, através de um sistema de aeração mecânica. Determinar a Taxa de Transferência de Oxigênio Padrão, sabendo-se que: Temperatura do líquido T=23°C Altitude = 800m CL = 1,5mg/l Cs = 8,7mg/l Cs (20°C)= 9,2mg/l β = 0,95 α =0,90 Ѳ = 1,024 fH = 0,92 161 kgO2/h
  25. 25. Exercício 3  Os resultados finais obtidos são: TTOcampo TTOpadrão TTO Campo (dado do problema) TTO padrão (encontrado) 62%
  26. 26. Eficiência de oxigenação A eficiência de oxigenação (EO) retrata a taxa de transferência de oxigênio (KgO2/h) por unidade de potência consumida (kW), sendo expressa na unidade de KgO2/kWh. EO = __TTOpadrão__ P EO = eficiência de oxigenação (kgO2/kWh) P = potência consumida (kW)
  27. 27. Potência consumida No caso de aeração mecânica, deve-se ser sempre bem claro se a potência consumida inclui ou não as eficiências do motor e redutor. No caso de aeração por ar difuso, a potência requeria para os sopradores pode se expressa em termos de vazão de ar e da pressão a ser vencida, da seguinte forma: P = ___Qg . ρ . g . (di + ΔH)__ η P = potencia requerida (W) ρ = peso específico do líquido (1000kg/m3) g = aceleração da gravidade (9,81m/s2) di = profundidade de imersão dos difusores de ar (m) ΔH = perda de carga no sistema de distribuição de ar (m) η = eficiência do motor e do soprador (-)
  28. 28. Eficiência de transferência de oxigênio Em um sistema de aeração por ar difuso, a razão de utilização de oxigênio (RUO) expressa a quantidade de oxigênio absorvido por m3 de ar aplicado, ou seja: RUO = _TTO padrão__ Qs RUO = razão de utilização de oxigênio (KgO2 absorvido/m3 ar aplicado) Qs = vazão de ar (m3/h)
  29. 29. Exercício 4 Determinar os principais parâmetros do seguinte sistema de aeração por ar difuso (bolhas médias): Volume útil do reator: V = 500m3 Vazão de ar: Qg = 0,6m3/s = 2160m3/h Profundidade de imersão dos difusores di = 4,0 m Perda de carga no sistema de distribuição de ar ΔH = 0,4m Taxa de transferencia de oxigênio padrão TTO padrão = 60 KgO2 /h = 60000gO2/h Eficiência do motor e do soprador: η = 0,60 ρ = peso específico do líquido 1000kg/m3 g = aceleração da gravidade 9,81m/s2
  30. 30. Exercício 4 a)Razão de utilização de oxigênio RUO = __TTO padrão__ 27,8 gO2/m3 ar Qg b) Razão de utilização de oxigênio por unidade de imersão __RUO__ 7,0 gO2/m3 .m di
  31. 31. Exercício 4 C) eficiência de transferência de oxigênio padrão ETOP = 0,334 x RUO 9,3% D) potencia requerida P = ___Qg . ρ . g . (di + ΔH)__ η 43164W = 43,2 Kw E) eficiência de oxigenação EO = __TTOpadrão__ 1,39 KgO2/KWh P
  32. 32. Exercício 4 f_) densidade de potência DP = P/V 86W/m3
  33. 33. Exercício 5 Para uma ETE a 1000m de altitude e a temperatura média de inverno de 15° e temperatura média de verão 25º, estimar a quantidade total de oxigênio necessária ao sistema Nec.O2 total, a potência do sistema de aeração. (ETE – Reator de Lodos Ativados)
  34. 34. Passo 1 - transformações Transformar a vazão média l/s para m3/d Qo = 40,4 l/s  Transformar a DBO5,20 média da entrada do reator de mg/l para kg/m3 192,5mg/l  Transformar a DBO5,20 média na saída do decantador secundário mg/l para kg/m3 8mg/l  Q = 3491,0m3/d DBOentrada =0,1925 Kg/m3 DBOsaida = 0,008kg/m3
  35. 35. Passo 2 – Cálculo da necessidade de O2 De acordo com as especificações de cada tipo de reator temos alguns valores tabelados. Para reator do tipo convencional a Necessidade de O2 é: 2 KgO2/kg DBO Fazer a correção da temperatura para DBO removida. (Temperatura de 25°C situação mais crítica em termos da necessidade de O2) DBO5, T° = DBO5,20° x 1,047 (T -20°) Calcular para DBO entrada do reator e DBO saída do decanatdor DBO entrada = 0,242 Kg/m3 DBOsaída = 0.010 kg/m3
  36. 36. Passo 2 – Cálculo da necessidade de O2   DBO removida DBOremov = DBO entrada – DBO saída Carga de DBO diária removida: Carga de DBOdiária removida = DBO removida x Qmédia Necessidade O2 total média Nec.O2média = Nec.O2 x Carga de DBO diária removida  DBO removida = 0,232Kg/m3 Carga de DBO remov. 810Kg DBO/dia Nec O2 média 1620 KgO2/d
  37. 37. Passo 2 – Cálculo da necessidade de O2 Para necessidade total de pico (Nec.O2 de pico), considerar um acréscimo de 66% na necessidade de O2 Nec. O2 total de pico = Nec.O2 total média x 66%  NecO2 = 2700kgO2/dia ou 112,5 KgO2/hora
  38. 38. Passo 3 – Necessidade de ar Para sistemas de ar difuso, que funcionam acionados por sopradores ou por compressores de ar, pode-se querer conhecer a quantidade de ar necessária “Nec.ar”. Considera-se então, de forma aproximada, que em 1kg de ar há cerca de 0,22kg de O2, ou, em outras palavras para cada 1kg de O2 há necessidade de se fornecer cerca de 4,55 kg de ar.
  39. 39. Passo 3 – Necessidade de ar  Necessidade ar total Nec.ar total = 4,55 kg ar x Nec.O2/dia 12285Kg ar/dia ou 512 Kg ar/hora
  40. 40. Passo 4 – Potencia necessária para os aeradores mecânicos  Potência necessária para os aeradores mecânicos: Pneces = Nec.O2 N onde: N = N0 x λ N = capacidade de aeração em campo N0 = capacidade de transferência de O2, pelos aeradores nas condições de teste; (para aeradores de baixa rotação pode-se adotar No = 1,5 KgO2/Cv.h) λ = fator de correção de N0 para as condições de campo
  41. 41. Passo 4 – Potencia necessária para os aeradores mecânicos λ = α x _(β x CSW - CL) x 1,02 (T-20) 9,17 = fator de correção devido a transferência de oxigênio pelas características dos esgotos, e pela geometria do reator e grau de mistura. Adotado = 0,85 β = fator de correção devido a presença de sais, matéria particulada e outros agentes. Adotado =0,95 CSW = Concentração de saturação de OD. (para água limpa, na altitude de 1000m e temperatura que ocorre no campo de Tinv = 15°C e Tverão = 25°C) tem se: CSWinv = 9,0 mg/l e CSWverão = 7,3mg/l CL = concentração de OD no reator = 2,0 mg/l 9,17 = Concentração de saturação de oxigênio dissolvido nas condições teste λ = fator de correção de N0 para as condições de campo α
  42. 42. Passo 4 – Potencia necessária para os aeradores mecânicos Efetuar os cálculos para λ inverno e λ verão λ = α x _(β x CSW - CL) x 1,02 (T-20) 9,17 Para dimensionamento utilizar os valores mais críticos λ menor.    Encontrar a capacidade de aeração “de campo” onde: N = N0 x λ Potencia necessária para os aeradores Pneces = Nec.O2 N λ inverno = 0,55 e λ verão 0,51 N = 0,77KgO2/cv.h Pnec = 146,1 cv
  43. 43. Passo 5 – Potencia necessária para sopradores e/ou compressores  Mesmo roteiro anterior (aeradores mecânicos) porem para o cálculo de λ, adota-se o valor de α = 0,73 λ inverno = 0,47 e λ verão = 0,43 N = 0,65KgO2/cv.h e Pnec = 173,1 cv
  44. 44. Passo 6 – Número de aeradores mecânicos necessário para cada reator Para 4 reatores, com 4,0m de profundidade útil, área de 60,0m2 e volume de 240,0m3 cada. Os arranjos para os aeradores podem ser bastante diversificados. Para aeradores de baixa rotação e alta densidade de potência de funcionamento contínuo, pode-se fixar potência total necessária Ptotal neces. 160cv. Cada reator deverá ter 2 aeradores de 20cv cada
  45. 45. Passo 7 – Cálculo da densidade de potência resultante Considerando-se, para cada reator a potência de 40cv = 29420W e volume do reator de 240,0m3 tem-se: DP = __Potência___ Volume 122,6 W/m3
  46. 46. Aeradores Aeração mecânica – aerador de eixo horizontal Aeradores fixos - aspectos das estruturas Aeração mecânica – aerador flutuante de alta velocidade ligado Aeração por ar difuso – aspectos da turbulência na superfície do liquido
  47. 47. Aeradores Aeração mecânica – Aerador flutuante de alta velocidade Aeração mecânica – Aerador fixo de eixo horizontal Aeração mecânica – de baixa velocidade
  48. 48. Material consultado    Esgoto sanitário: coleta, transporte, tratamento e reuso agrícola/ Coord. Aeriovaldo Nuvolari 2 ed. São Paulo, Blucher, 2011 Von Sperling, Marcos. Princípio básico de tratamento de esgoto. Belo Horizonte, UFMG, 1996 PRINCÍPIOS DE AERAÇÃO, Luciano Vieira

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