Estudo comparativo da determinação experimental ?· Estudo comparativo da determinação experimental…

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    04-Oct-2018

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<ul><li><p>Luiz Guilherme Abreu de Paula*/Adrianus Cornelius van Haandel/ Heraldo Antunes Silva Filho/ Geilza Alves Porto</p><p>Estudo comparativo da determinao experimental das constantes de sedimentabilidade de lodos ativadosExperimental determination comparative study of activated sludge settling constants</p><p>DOI: 10.4322/dae.2018.006 </p><p> Data de entrada: 12/10/2016 </p><p> Data de aprovao: 22/05/2017</p><p>Luiz Guilherme Abreu de Paula Mestre em Engenharia Civil e Ambiental pela Universidade Federal de Campina Grande.Adrianus Cornelius van Haandel Professor do Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de Campina Grande.Heraldo Antunes Silva Filho Professor do Curso de Saneamento Ambiental do Instituto Federal de Educao Cincia e Tecnologia do Cear (IFCE).Geilza Alves Porto Mestranda em Tecnologia de Polmeros no Instituto de Macromolculas pela Universidade Federal do Rio de Janeiro. *Endereo para correspondncia: luizguilhermeacm@gmail.com.</p><p>ResumoRealizou-se um estudo comparativo para avaliar os mtodos esttico e dinmico de determinao das cons-</p><p>tantes k e v0 e a validade da Equao de Vesilind como parmetro para caracterizar a sedimentabilidade </p><p>de sistemas de lodo ativado. A investigao foi realizada com o lodo produzido por 3 diferentes sistemas </p><p>de lodo ativado, que foram operados por um perodo de 155 dias. Os dados para a anlise de sedimenta-</p><p>bilidade para determinar as constantes de Vesilind k e v0 foram obtidas com os mtodos esttico e din-</p><p>mico, visando sua comparao. Os resultados experimentais mostraram que os dois mtodos do conclu-</p><p>ses equivalentes sobre as constantes de Vesilind, uma vez que no houve diferena significativa entre os </p><p>seus valores mdios. A validade da equao de Vesilind foi confirmada tanto para os lodos gerados em sis-</p><p>tema de fluxo contnuo (UCT) como em sistemas RBS e determinado pelos mtodos dinmico e esttico. </p><p>Palavras-chave: Sedimentabilidade. Equao de Vesilind. Lodo Ativado.</p><p>AbstractWe carried out a comparative study to evaluate the steady and dynamic determination methods for k and v0 con-</p><p>stants and the validity of Vesilind equation as a parameter for characterizing the settling of sludge activated sys-</p><p>tems. The investigation was performed with sludge obtained from three sludge activated systems operated for 155 </p><p>days. The steady method has been performed according to White (2004) and the dynamic method according to </p><p>Leito (2004). The experimental results showed that the two methods gave equivalent conclusions, once there was </p><p>not a significant difference between their average values. The Vesilind Equation reliability was verified for sludges </p><p>produced in a continuous flow system (UCT) and RBS systems, both measured by steady and dynamic methods. </p><p>Keywords: Settling. Vesilind Equation. Sludge Activated.</p><p>A Revista DAE est l icenciada sob a Licena Atribuio- NoComercial 4.0 Internacional Creative Commons.</p><p>51</p><p>artigos tcnicos</p><p>Revista DAE | nm. 210 | vol. 66 | abril a junho de 2018</p></li><li><p>1 INTRODUOEm sistemas de tratamento com slidos em sus-</p><p>penso, como o lodo ativado, a sedimentabilidade </p><p> utilizada para indicar a eficincia na clarificao </p><p>da gua do efluente e do adensamento dos sli-</p><p>dos no final do processo. A sua medio ado-</p><p>tada para fins de projeto e de monitoramento de </p><p>desempenho, tendo por objetivo a otimizao do </p><p>processo de clarificao do efluente e a preven-</p><p>o de problemas com a sedimentabilidade do </p><p>lodo. Nesse sentido, o estudo de mtodos confi-</p><p>veis para medir a sedimentabilidade importante </p><p>e necessrio para facilitar o diagnstico da situa-</p><p>o do sistema em escala real.</p><p>O primeiro mtodo usado para medir a sedimen-</p><p>tabilidade do lodo foi proposto por Mohlman </p><p>(1934) edenominado ndice volumtrico de lodo </p><p>(IVL). A medio consiste em determinar a razo </p><p>entre o volume ocupado por 1 litro de lodo aps 30 </p><p>minutos de sedimentao tranquila e a concen-</p><p>trao inicial de slidos suspensos do lodo avalia-</p><p>do. Trata-se de um teste simples e com utilizao </p><p>prtica no monitoramento de lodos de sistemas </p><p>de tratamento. Entretanto, os seus resultados so </p><p>influenciados pelo volume e concentrao inicial </p><p>de slidos em suspenso da amostra utilizada </p><p>(MARAIS e VAN HAANDEL, 1999). Por essa razo, </p><p>o valor numrico da IVL no d informao clara </p><p>sobre a sedimentabilidade do lodo.</p><p>Alguns pesquisadores buscaram alternativas </p><p>para aperfeioar o mtodo IVL. Stobbe (1964) </p><p>desenvolveu o ndice volumtrico de lodo diludo </p><p>(IVLD), estabelecendo que o volume final de lodo </p><p>deve ser menor do que 200 ml para que o resul-</p><p>tado no seja influenciado pela concentrao </p><p>inicial. White (1975) desenvolveu o ndice volu-</p><p>mtrico do lodo agitador (IVLA), que estabelece </p><p>uma relao entre o volume de lodo e a unidade </p><p>de massa de slidos suspensos em ensaios com </p><p>uma proveta de 1 litro aps 30 minutos de se-</p><p>dimentao mediante uma agitao mecnica </p><p>suave. Esses aprimoramentos reduziram, porm </p><p>no eliminaram o problema do IVL.</p><p>Vesilind (1968) props quantificar a sedimentabi-</p><p>lidade de lodo como uma funo entre a velocida-</p><p>de de sedimentao em zona e a sua concentrao </p><p>de lodo, em que duas grandezas mecnicas, de-</p><p>nominadas constantes k e v0, exercem influencia </p><p>no comportamento da sedimentao, conforme a </p><p>Equao 1. A constante k est relacionada com-</p><p>pressibilidade do lodo (quanto menor o valor de k, </p><p>maior o adensamento do lodo em um determi-</p><p>nado volume) e a constante v0 representa a velo-</p><p>cidade de sedimentao inicial com uma diluio </p><p>com concentrao de lodo tal que as partculas se </p><p>sedimentariam individualmente (sedimentao </p><p>no estorvada). Ambas as constantes so deter-</p><p>minadas mediante ensaios com diferentes dilui-</p><p>es de licor misto, reproduzindo resultados que </p><p>independem de sua concentrao inicial. </p><p>v = vo.exp(-kX</p><p>t) (1)</p><p>Onde:</p><p>v = velocidade de sedimentao em zona (m.h-1)</p><p>k = constante de sedimentabilidade ligada com-</p><p>pressibilidade do lodo (l.g-1)</p><p>v0 = constante de sedimentabilidade ligada velo-</p><p>cidade de sedimentao (m.h-1)</p><p>Estudos realizados por Consentino et al. (2005), </p><p>Figueiredo et al. (2006) e Sales (2013) vm de-</p><p>monstrando a validade da equao de Vesilind </p><p>para sistemas de tratamento. Nesses trabalhos, </p><p>observa-se que a sua aplicao prtica vai alm da </p><p>medio convencional em sistemas de lodo ativa-</p><p>do, podendo adot-lo, tambm, na caracterizao </p><p>de lodos anaerbios floculentos de reatores UASB </p><p>para tratamento de esgoto e at mesmo de lodo </p><p>anaerbio granulado para tratamento de vinhoto. </p><p>Portanto, a sua adoo como metodologia para </p><p>determinar a sedimentabilidade de lodos se torna </p><p>A Revista DAE est l icenciada sob a Licena Atribuio- NoComercial 4.0 Internacional Creative Commons.</p><p>52</p><p>artigos tcnicos</p><p>Revista DAE | nm. 210 | vol. 66 | abril a junho de 2018</p></li><li><p>vlida e relevante para diferentes sistemas trata-</p><p>mento biolgico com suspenso de slidos.</p><p>O mtodo esttico, proposto por White (1975) e </p><p>posteriormente melhorado por Van Haandel e </p><p>Marais (1999), o mtodo mais empregado para </p><p>a determinao das constantes de Vesilind. Os </p><p>ensaios so feitos em colunas de sedimentao </p><p>transparentes e milimetradas, onde observado </p><p>o comportamento da interface lodo/sobrena-</p><p>dante de amostras de licor misto com diferentes </p><p>concentraes de lodo em funo do tempo, me-</p><p>diante uma leve agitao. Assim, grficos podem </p><p>ser feitos para determinar o perfil da sedimen-</p><p>tao zonal em funo da concentrao de lodo </p><p>(Xt), tornando possvel caracterizar a velocidade </p><p>de sedimentao do lodo (v), que corresponde </p><p>parte linear da curva do grfico. Correlacionando </p><p>os valores logartmicos da velocidade de sedimen-</p><p>tao com as suas respectivas concentraes di-</p><p>ludas, obtm-se um grfico linear que satisfaz a </p><p>Equao 2, onde a constante k a declividade da </p><p>reta e a constante v0 a interseco da reta com </p><p>a ordenada.</p><p>ln(v) = ln.v0.( kX</p><p>t) (2)</p><p>Embora seja um ensaio experimental confivel </p><p>para determinar as constantes de Vesilind, o m-</p><p>todo esttico possui desvantagens que limitam o </p><p>seu uso na rotina de monitoramento da sedimen-</p><p>tabilidade do lodo. O ensaio normalmente de-</p><p>morado e demanda um acompanhamento cons-</p><p>tante do laboratorista para anotao dos dados, </p><p>tornando-o pouco prtico frente a outros mto-</p><p>dos menos confiveis. Por essa razo, seu uso no </p><p> to frequente quanto o mtodo IVL.</p><p>O mtodo dinmico foi desenvolvido no labora-</p><p>trio da EXTRABES, Campina Grande - PB, com </p><p>o objetivo de automatizar a rotina experimental </p><p>observada no mtodo esttico. Em uma coluna </p><p>de sedimentao milimetrada, uma amostra de </p><p>licor misto com concentrao de lodo conhecida </p><p>(Xt) submetida expanso ascensional causa-</p><p>da por uma fora de arraste aplicada por vazes </p><p>lquidas de uma bomba hidrulica. Quando a in-</p><p>terface sobrenadante/lodo se estabiliza em uma </p><p>determinada altura (H), admite-se que houve um </p><p>equilbrio entre a velocidade de sedimentao do </p><p>lodo (v) e a velocidade ascendente do lquido (vl), </p><p>conforme a Equao 3. A concentrao de lodo Xt </p><p>de cada valor v pode ser estimada pela razo en-</p><p>tre a concentrao de slidos da amostra de lodo </p><p>(M) e o volume de lodo expandido (Vl), conforme a </p><p>Equao 4. Dessa forma, determinam-se os dados </p><p>necessrios para calcular as constantes de Vesi-</p><p>lind, satisfazendo a equao 1.</p><p>vl = Q/A = v = v</p><p>oExp(-kX</p><p>t) (3)</p><p>Onde:</p><p>Vl = velocidade ascendente do lquido (m.h-1)</p><p>Q = vazo de gua aplicada (l.h-1)</p><p>A = rea da coluna de sedimentao (m)</p><p>Xt = M/V</p><p>l = M/(H.A) (4)</p><p>Onde:</p><p>M = massa de lodo na coluna de sedimentao (g). </p><p>Vl = volume do lodo quando se estabelece o equi-</p><p>lbrio (L)</p><p>H = altura da interface sobrenadante/lodo (cm)</p><p>Naturalmente, espera-se que os valores obtidos </p><p>com o mtodo dinmico sejam iguais queles </p><p>obtidos com o mtodo esttico, uma vez que se </p><p>baseiam na mesma equao bsica de Vesilind. </p><p>Dessa forma, realizou-se uma investigao expe-</p><p>rimental para comparar resultados dos mtodos </p><p>esttico e dinmico de determinao das cons-</p><p>tantes k e v0 e verificar a validade da Equao de </p><p>Vesilind para caracterizao da sedimentabilida-</p><p>de de diferentes sistemas de lodo ativado.</p><p>A Revista DAE est l icenciada sob a Licena Atribuio- NoComercial 4.0 Internacional Creative Commons.</p><p>53</p><p>artigos tcnicos</p><p>Revista DAE | nm. 210 | vol. 66 | abril a junho de 2018</p></li><li><p>2 MATERIAIS E MTODOSA investigao foi feita com lodo obtido de 3 sis-</p><p>temas de lodo ativado em escala de bancada no </p><p>laboratrio da EXTRABES da UEPB, operados em </p><p>temperatura de 25 1C e alimentados com esgo-</p><p>to domstico pr-gradeado da cidade de Campina </p><p>Grande - PB por um perodo de 155 dias. </p><p>Foram operados trs sistemas de lodo ativado distin-</p><p>tos: Sistema UCT (Figura 1), Sistema RBS unitrio para </p><p>nitrificao e desnitrificao em um nico reator (Fi-</p><p>gura 2) e Sistema RBS de cmaras dedicadas (Figura </p><p>3), com ambientes para nitrificao e desnitrificao </p><p>em reatores distintos. Os parmetros de projeto, tais </p><p>como volume, tempo de deteno hidrulica (TDH), </p><p>carga orgnica e a concentrao mdia de slidos </p><p>totais (SST) do lodo de cada sistema podem ser obser-</p><p>vados na Tabela 1. A idade de lodo adotada para todos </p><p>os sistemas foi de 20 dias, tendo por objetivo produzir </p><p>lodo com bactrias nitrificantes.</p><p>Tabela 1: Valores de volume (V), tempo de deteno hidrulica (TDH), carga orgnica e concentrao mdia </p><p>de slidos suspensos totais (SST) do lodo durante o perodo experimental dos sistemas de lodo ativado.</p><p>Sistemas V(l)TDH(h)</p><p>Carga Orgnica(g.l.d-1)</p><p>SST (g.l-1)</p><p>UCT 240 20 216 3,8</p><p>RBS Unitrio 15 9 28,8 3,5</p><p>RBS Cmaras Dedicadas 30 4,8 57,6 3,5</p><p>Figura 1: Representao esquemtica do sistema UCT.</p><p>Figura 2: Representao esquemtica do sistema RBS unitrio.</p><p>Figura 3: Representao esquemtica do sistema RBS com cmaras dedicadas.</p><p>A Revista DAE est l icenciada sob a Licena Atribuio- NoComercial 4.0 Internacional Creative Commons.</p><p>54</p><p>artigos tcnicos</p><p>Revista DAE | nm. 210 | vol. 66 | abril a junho de 2018</p></li><li><p>2.1 Coleta e Tratamento de Amostras</p><p>As amostras de lodo foram coletadas aps o des-</p><p>carte de lodo em excesso de cada sistema. Elas </p><p>foram submetidas sedimentao por aproxima-</p><p>damente 30 minutos e, em seguida, retirou-se o </p><p>efluente sobrenadante, sobrando apenas o lodo </p><p>adensado. Isso foi feito para aumentar a concen-</p><p>trao inicial dos slidos suspensos do lodo, per-</p><p>mitindo, assim, um maior alcance de valores Xt das </p><p>bateladas diludas em ambos os mtodos. Uma </p><p>frao desse lodo adensado foi separada para a </p><p>realizao do mtodo esttico, e a outra para rea-</p><p>lizao do mtodo dinmico.</p><p>2.2 Mtodo Esttico</p><p>O mtodo realizado neste trabalho foi uma adap-</p><p>tao da metodologia sugerida por White (1975) e </p><p>Marais e Van Haandel (1999) conforme a Figura 4. </p><p>Montou-se uma coluna de sedimentao em acr-</p><p>lico transparente, com volume de 2 litros, altura </p><p>de 1 m e dimetro interno de 5 cm, com uma fita </p><p>milimtrica no centro da coluna. Um agitador de </p><p>baixa rotao (4/5 rpm) foi adaptado ao equipa-</p><p>mento para promover a sedimentao homog-</p><p>nea do lodo.</p><p>Para realizar o ensaio experimental, uma batelada </p><p>com amostra de lodo adensado com volume de 2 </p><p>litros foi adicionada suavemente at atingir a al-</p><p>tura limite da coluna. Em seguida, procedeu-se </p><p>a medio da altura da interface sobrenadante/</p><p>lodo sedimentado em intervalos de 1 em 1 minu-</p><p>to, totalizando 30 minutos de observaes. Ao fim </p><p>da primeira medio, o contedo da batelada foi </p><p>diludo em uma proporo de de lodo por de </p><p>efluente ps-tratado, formando uma nova bate-</p><p>lada de lodo diluda para uma nova medio. Para </p><p>cada ensaio, esse processo foi repetido mais 3 ve-</p><p>zes, totalizando 4 bateladas de lodo com concen-</p><p>traes distintas. </p><p> Figura 4: Representao esquemtica e visual das </p><p>colunas de sedimentao utilizados no mtodo esttico.</p><p>As constantes de Vesilind k e v0 de cada teste fo-</p><p>ram determinadas por meio da identificao da </p><p>velocidade de sedimentao zonal (v) e a concen-</p><p>trao de slidos totais (Xt) para satisfazer a Equa-</p><p>o 1. O valor v de cada batelada foi determinado </p><p>pela identificao da inclinao da reta tangente </p><p>do deslocamento da interface sobrenadante/lodo </p><p>em funo do tempo e o valor de Xt foi obtida em </p><p>anlises laboratoriais. Plotou-se, ento, um dia-</p><p>grama semilogartimico correlacionando os valo-</p><p>res logartmicos (ln) de v com os valores de Xt para </p><p>determinar a constante k (a inclinao da reta) e v0 </p><p>(a interseco da reta com a ordenada).</p><p>2.3 Mtodo Dinmico</p><p>O mtodo utilizado foi realizado conforme a me-</p><p>todologia proposta por Leito et al 2004. Foi uti-</p><p>lizada uma coluna de sedimentao construda </p><p>em acrlico transparente, com volume de 2 litros, </p><p>altura de 1 m e dimetro interno de 5 cm e muni-</p><p>da com uma fita milimtrica no centro da coluna, </p><p>para determinar a altura de deslocamento sobre-</p><p>nadante/lodo. A coluna foi equipada com uma </p><p>bomba de recirculao e um agitador de baixa ro-</p><p>tao (4/5 rpm), conforme a Figura 5.</p><p>A Revista DAE est l icenciada sob a Licena Atribuio- NoComercial 4.0 Internacional Creative Commons.</p><p>55</p><p>artigos tcnicos</p><p>Revista DAE | nm. 210 | vol. 66 | abril a junho de 2018</p></li><li><p>Para realizar o ensaio experimental, utilizou-se um </p><p>volume de amostra de lodo adensado equivalente </p><p>a 1/3 do volume da coluna de sedimentao. Em </p><p>seguida, foi determinada a massa de lodo (M) da </p><p>amostra antes do incio do ensaio experimental, </p><p>para satisfazer os parmetros de clculo da Equa-</p><p>o 4. Parte da coluna foi preenchida com a amos-</p><p>tra...</p></li></ul>