Lagoas de Estabilização Profa. Dra. Gersina N. da Rocha Carmo Junior LAGOAS FACULTATIVAS.

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1 Lagoas de Estabilização Profa. Dra. Gersina N. da Rocha Carmo Junior LAGOAS FACULTATIVAS

2 Lagoas Facultativas Variante mais simples Retenção dos esgotos por um período de tempo longo o suficiente para que os processos naturais de estabilização da matéria orgânica se desenvolvam. Vantagens e Desvantagens Predominância dos fenômenos naturais

3 Lagoas facultativa – Descrição do Processo

4 Características do efluente de uma lagoa facultativa:  Cor verde devido às algas;  Elevado teor de oxigênio dissolvido;  Sólidos em suspensão, embora praticamente estes não sejam sedimentáveis (as algas praticamente não sedimentam no teste do cone Imhoff).

5 Influência da Algas Lagoa de estabilização facultativa As algas desempenham papel fundamental Concentração maior do que a de bactérias líquido na superfície, predominantemente verde

6 Lagoas de estabilização de Lins/SP

7 Lagoa Facultativa: Dispositivo de Saída

8 clorofila a Presença de algas é medido na forma de clorofila a Concentração de clorofila em lagoas facultativas depende da: Carga aplicada e da temperatura Situam-se na faixa de 500 a 2000 mg/l Influência da Algas

9 Lagoas facultativa – Descrição do Processo Em termos de sólidos em suspensão secos, a concentração é usualmente inferior a 200 mg/L. Em termos de números elas podem atingir contagens na faixa de 10 4 a 10 6. Algas

10 Influência da Algas Grupo de algas de importância encontradas nas lagoas de estabilização: Algas verdes (clorofíceas): conferem a cor esverdeada Principais gêneros:Chlamydomonas, Euglenas e Chlorellas; Possuem flagelo: capacidade de locomoção (otimização da posição em relação à incidência de luz e à temperatura) Indicam geralmente boas condições

11 Cianobáctérias (anteriormente denominadas cianofíceas, ou algas verde-azulada): apresentam características de bactérias e algas, atualmente classificadas com bactérias. Não possuem organelas de locomoção como cílios, flagelos, podem se deslocar por deslizamento Necessidade nutricional reduzida Influência das Algas CO 2, N 2, água, alguns minerais e luz Típicos de esgoto com baixo pH e pouco nutrientes.

12 Algas, Energia luminosa e oxigênio em função da profundidade Figura 2 - Algas, energia luminosa e oxigênio em uma lagoa facultativa (seção transversal) Fonte: Sperling, 2002 Profundidade Consumo de oxigênio Produção de oxigênio Algas Intensidade luminosa Oxipausa

13 Profundidade da zona aeróbia em função da carga de DBO DiaNoiteDiaNoite Superfície da lagoa Fundo da lagoa Baixa carga de DBO Elevada carga de DBO Zona aeróbia Zona anaeróbia Zona aeróbia Zona anaeróbia Fig. Influência da carga aplicada à lagoa e da hora do dia na espessura das camadas aeróbias (Sperling, 2002).

14 O pH da lagoa varia ao longo da profundidade O pH depende da fotossíntese e da respiração, através das seguintes relações: Fotossíntese: Consumo de CO 2 O íon bicarbonato(HCO 3 - ) tende a se converter a OH - O pH se eleva Respiração Produção de CO 2 O íon bicarbonato(HCO 3 - ) tende a se converter a H + O pH se reduz.

15 O pH da lagoa varia ao longo da profundidade Durante o dia nas horas de máxima atividade fotossintética. pH pode atingir valores em torno de 10 Podem ocorrer os seguintes fenômenos:  Conversão da amônia ionizada(NH 4 + ) a amônia livre(NH 3 ) a qual é tóxica, mas tende a se liberar para a atmosfera(remoção de nutrientes);

16 Contin...  Precipitação dos fosfatos (remoção de nutrientes);  Conversão do sulfeto(H 2 S) causador do mau cheiro a bissulfeto(HS - ) inodoro.

17 A influência das condições ambientais Em lagoas de estabilização Radiação solar, temperatura e o vento FatorInfluência Radiação solar Velocidade de fotossíntese Temperatura Velocidade de fotossíntese Taxa de decomposição bacteriana Solubilidade e transferência de gases Condições de mistura Vento Condições de mistura Reaeração atmosférica (Sperling, 2002).

18 Mistura e estratificação térmica Na lagoa ocorrerá naturalmente uma mistura da massa líquida pela ação dos ventos e a um diferencial de temperatura. Benéfica  Para a distribuição das algas e do oxigênio no interior da massa líquida  Para diminuir o efeito de eventuais curto circuitos no escoamento A lagoa poderá apresentar uma estratificação térmica

19 Mistura e estratificação térmica Estratificação térmica A camada superior (quente) não se mistura com a camada inferior (fria). Termoclina Camada superior Camada inferior Vento Lagoa com estratificação térmica Sensível diminuição na temperatura acréscimo na densidade e viscosidade

20 Mistura e estratificação térmica Estratificação térmica As algas não motoras Permanecem na última camada, por sedimentação, apenas consumindo oxigênio. Algas móveis Permanecem a cerca de 30 a 50cm da superfície formando uma camada espessa que dificulta a penetração de luz solar. Diminuição do oxigênio nas lagoas Conseqüência redução da capacidade de estabilizar a matéria orgânica

21 A estratificação térmica é quebrada pela: Inversão térmica Mistura e estratificação térmica Fenômeno natural que pode se dar pelo resfriamento rápido da camada superior, por exemplo, no início da noite, ou com a entrada de uma frente fria. Camada única Vento Lagoa com mistura-Inversão térmica Aproximando a temperatura das duas camadas ou; Tornando a densidade da camada superior maior gerando a o revolvimento dessas camadas

22 Fatores controláveis  As características do esgoto a ser tratado;  As características do terreno;  As características dos corpos receptores;  A legislação ambiental;  As interferências das comunidades locais.

23 Critérios de projetos Os principais parâmetros de projeto das lagoas facultativas: Taxa de aplicação superficial; Profundidade; Tempo de detenção; Geometria (relação comprimento/largura)

24 Taxa de aplicação superficial Carga orgânica por unidade de área Baseia-se na necessidade de se ter uma determinada área de exposição à luz solar na lagoa, para que o processo de fotossíntese ocorra. Critérios de projetos Objetivo Objetivo de se garantir a fotossíntese e, o crescimento de algas, é o de se ter uma produção de oxigênio suficiente para suprir a demanda de oxigênio.

25 Taxa de aplicação superficial (L s ) A área requerida para a lagoa é calculada em função da taxa de aplicação superficial (L s ). A taxa é expressa em termos da carga de DBO. Onde: A= área requerida para a lagoa (ha); L= carga de DBO total (solúvel + particulada) afluente (KgDBO 5 )/d); L s = taxa de aplicação superficial

26 Taxa de aplicação superficial (L s ) A taxa a ser adotada, varia com a temperatura local, latitude, exposição solar, altitude e outros. Equação proposta por Mara (1997), segundo o autor, possui aplicabilidade global: Temperatura média do ar no mês mais frio. (Sperling, 2002).

27 Taxas de aplicação superficial no Brasil, em função da temperatura média do ar no mês mais frio, tendo por base a equação de Mara(Sperling,2002).

28 A área requerida para a lagoa Não há um valor máximo absoluto de área, a partir do qual o sistema de lagoas facultativas se torna inviável. No Brasil há um sistema de lagoas ocupando 100 ha. Argentina e Austrália, há sistema com mais de 300 ha. Observar: Condições locais, da topografia, da geologia e do custo do terreno. Recomendação da minuta do Projeto de Norma para Lagoas(1991): A área de uma lagoa facultativa não deve ser maior que 15 ha.

29 Profundidade (H) A profundidade da lagoa H é um compromisso entre o volume requerido V e a área requerida A. H = V/A Aspectos relacionados com a profundidade das lagoas Outros aspectos influem na seleção da profundidade.

30 Lagoas Rasas Aspectos relacionados com a profundidade das lagoas H < 1,0 m: totalmente aeróbias; área elevada, para atender o tempo de detenção; penetração total de luz; produção maximizada de algas; vegetação emergente:abrigo para larvas de mosquitos; São mais afetadas pela variação de temperatura.

31 Aspectos relacionados com a profundidade das lagoas Lagoas Profundas Possibilitam maior tempo de detenção; Mais estável; Maior volume de armazenamento de lodo; Os subprodutos da decomposição anaeróbios são liberados para as camadas superiores, demanda de oxigênio; Riscos de mau cheiro são reduzidos; Permitem expansão futura para a inclusão de aeradores.

32 entre 1,5 a 3,0 m 1,5 a 2,0 m mais usual Após a obtenção do valor da área superficial (através da adoção de um valor para a taxa de aplicação superficial) e da adoção da profundidade, obtém-se o volume da lagoa. V= H x A Projetos O conhecimento disponível é ainda limitado. Para otimizar a profundidade da lagoa de forma a obter o maior número de benefícios. Profundidade (H)

33 Tempo de Detenção Associado ao volume e a vazão de projeto: Onde: t = tempo de detenção (d); V = volume da lagoa (m 3 ); Q =Vazão média afluente (m 3.d); Vazão média é a média entre a vazão afluente e a vazão efluente:

34 Tempo de Detenção Lagoas facultativas primária, tratando esgoto doméstico. t= 15 a 45 dias varia com as condições locais, notadamente a temperatura O tempo de detenção requerido para oxidação da matéria orgânica varia com as condições locais, notadamente a temperatura. Menores tempo de detenção- regiões em que a temperatura do líquido é elevada. Esgotos concentrados - tempo de detenção elevado.

35 O tempo de detenção pode ser utilizado de uma das seguintes formas: Adotar o t como um parâmetro explicito do projeto. Após ter sido adotado t, calcula-se V: V= t x Q Como a área A já foi determinada com base no critério da taxa da aplicação, pode-se calcular H: H= V/A

36 Adotar o H como um parâmetro explicito do projeto. Tendo-se H e A, calcula-se V: V= A x H E em decorrência o tempo de detenção t: t= V/Q

37 Geometria da lagoa (relação comprimento/largura) Importante critério, influência no regime hidráulico da lagoa. O regime hidráulico de fluxo de pistão é o mais eficiente em termos de remoção de DBO. Regime mistura completa é mais indicado quando se tem um despejo com grande variedade de carga e à presença de compostos tóxicos.

38 Pode ser projetado para se aproximar das condições de fluxo em pistão ou mistura completa. fluxo em pistão (elevada relação comprimento/largura) As partículas entram continuamente no reator; Sem misturas longitudinais; Concentração próximo a entrada é diferente a concentração de saída. Geometria da lagoa (relação comprimento/largura)

39 Geometria da lagoa(relação comprimento/largura) Mistura completa Homogeneização em todo tanque possibilita a imediata dispersão dos poluentes; A concentração logo se iguala a baixa concentração do efluente; Menor eficiência na remoção de DBO.

40 Geometria da lagoa(relação comprimento/largura) A eficiência do sistema na remoção de poluentes modelados pela reação de primeira ordem (ex: DBO e coliformes) segue a ordem apresentada abaixo: Lagoas fluxo em pistão Série de lagoas de mistura completa Lagoa única de mistura completa Maior eficiência Menor eficiência

41 Relação comprimento/largura Elevada, tendem a fluxo pistão Próximo a 1 lagoa quadrada, regime mistura completa. Relação comprimento/largura (L/B) = 2 a 4 Geometria da lagoa(relação comprimento/largura) Lagoas facultativas

42 LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO LAGOAS FACULTATIVAS Efluente de cor verde com elevado teor de O.D. e sólidos em suspensão não sedimentáveis (algas) Efluente de cor verde com elevado teor de O.D. e sólidos em suspensão não sedimentáveis (algas)

43 Estimativa da concentração efluente de DBO Fórmulas para o cálculo da concentração efluente S (DBO solúvel ) Regime hidráulico EsquemaFórmula da concentração de DBO solúvel efluente (S) Fluxo de pistão S= S 0.e -kt Mistura completa (1 celula) Mistura completa (celulas iguais em série)

44 Estimativa da concentração efluente de DBO Fórmulas para o cálculo da concentração efluente (DBO solúvel ) Onde: S 0 = Concentração de DBO total afluente (mg/L); S= Concentração de DBOsolúvel afluente (mg/L); K=Coeficiente de remoção de DBO (d -1 ) t= tempo de detenção total (d) n = número de lagoas em série (-)

45 Estimativa da concentração efluente de DBO DBO total efluente = DBO solúvel + DBO particulada 1 mg SS/L = 0,3 a 0,4 mgDBO 5 /L Sólidos em suspensão 1 mg SS/L = 1,0 a 1,5 mgDQO/L DBO particulada = 0,3 a 0,4mgDBO/L 1mgSS/L

46 Eficiência de remoção de DBO A maior parte dos coeficientes de remoção de DBO disponível na literatura são para mistura completa. Faixa de valores para o dimensionamento do valor do coeficiente de remoção de DBO (K): LagoaK(20°C) Lagoas primárias (recebendo esgoto bruto) 0,30 a 0,40d -1 Lagoas secundárias (recebendo esgoto efluente de uma lagoa ou reator) 0,25 a 0,32d -1

47 Estimativa da concentração efluente de DBO Para diferentes temperaturas de K pode ser corrigido através da seguinte equação: K T = K 20. θ (T-20) Diferentes valores de θ propostos na literatura: Para K = 0,35d -1, tem-se θ= 1,085 Para K = 0,30d -1, tem-se θ= 1,05

48 Lagoa Facultativa

49 Lagoas Facultativa

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51 Acúmulo de lodo Resultado dos sólidos em suspensão do esgoto bruto, incluindo: areia, mais microrganismos (bactérias e algas) sedimentado Fração orgânica é estabilizada anaeróbicamente, convertida em água e gases. O volume acumulado é inferior ao volume sedimentado.

52 Acúmulo de lodo A taxa de acúmulo do lodo em lagoas facultativas é da ordem de 0,03 a 0,08 m 3 /hab.ano Elevação média da camada de lodo em torno de 1 a 3 cm/ano. O ocupação do volume da lagoa é baixo O lodo acumulará por diversos anos sem necessidade de remoção.

53 Vinculação entre a cor da lagoa e a característica de funcionamento

54 Lagoa Jardim Paulistano II Sistemas De Lagoas Anaeróbias Seguidas Por Lagoas Facultativas (Sistema Australiano) Lagoa Restinga Sistemas De Lagoas Anaeróbias Seguidas Por Lagoas Facultativas (Sistema Australiano)

55 Exemplo de Dimensionamento Exemplo: Dimensionar uma lagoa facultativa para os seguintes dados: População: 20.000 hab. Vazão afluente: 3.000 m 3/ d Temperatura: T=23°C (líquido no mês mais frio); DBOafluente: S 0 =350mg/L Admitir uma concentração 80mg/L de SS efluente. L 0 = 1050kg/d (exercício da lagoa anaeróbia) Solução: a) Carga de afluente à lagoa facultativa: A carga efluente da lagoa anaeróbia é a carga afluente à lagoa facultativa. Com a eficiência de remoção de 60% na lagoa anaeróbia, a carga afluente à lagoa facultativa será:

56 a) Carga de afluente à lagoa facultativa: L = 420 KgDBO/d

57 Exemplo de Dimensionamento b) Adoção da taxa de aplicação superficial de 220 kgDBO/ha.d c) Cálculo da área requerida

58 d) Adoção de um valor para a profundidade : H = 1,80 m (adotado) Exemplo de Dimensionamento V= A x H f) E em decorrência o tempo de detenção t: t= V/Q e) Calcular o volume resultante V= 19.000 x 1,80 = 34.200 m 3 T = 34.200/3000 = 11,4 d

59 g) Adoção de um valor para o coeficiente de remoção de DBO (k) Regime de mistura completa, 20°C K = 0,27 d -1 (adotado) θ = 1,05 Correção para a temperatura de 23°C K T = k 20 x θ (T-20) K 23 = 0,27 x 1,05 (23-20) K 23 = 0,31d -1

60 h) Estimativa da DBO solúvel efluente Utilizando-se o modelo de mistura completa (admitindo-se uma célula não predominantemente longitudinal). S = 75,30 mg/L

61 i) Estimativa da DBO particulada efluente DBO particulada = 0,3 a 0,4mgDBO/L 1mgSS/L DBO particulada = 0,35mgDBO/L x 80mgSS/L 1mgSS/L DBO particulada = 28mgDBO/L

62 j) Estimativa da concentração efluente de DBO DBO total efluente = DBO solúvel + DBO particulada DBO total efluente = 75,30 + 28 DBO total efluente = 103,3mg/L l) Eficiência de remoção de DBO E = 70,5%

63 m) Dimensões das lagoas Exemplo de Dimensionamento Adotar uma lagoas e uma relação comprimento/largura(L/B) igual a 2,5 em cada lagoa. A área da lagoa facultativa = 19.000m 2 A = L x B = (2,5B)B = 2,5B 2 19.000 = 2,5B 2 = 87 m L = 2,5xB = 2,5x89 = 218m Resposta: Comprimento L = 218m Largura B = 87m

64 m) Dimensões das lagoas Exemplo de Dimensionamento Adotar duas lagoas em paralelo e uma relação comprimento/largura(L/B) igual a 2,5 em cada lagoa. A área de cada lagoa facultativa = 19.000m 2 /2 = 9.500 m 2 A = L x B = (2,5B)B = 2,5B 2 9.500 = 2,5B 2 = 62 m L = 2,5xB = 2,5x62 = 155m Resposta duas lagoas de: Comprimento L = 155m Largura B = 62m

65 Exemplo de Dimensionamento Exercício 1: Dimensionar uma lagoa facultativa para uma população contribuinte de 20.000 hab, com uma contribuição unitária de 176 L/hab.d e DBO de 200 mg/L. A temperatura média no mês mais frio é de 20°C Admitir uma concentração 80mg/L de SS efluente. Verifique também a eficiência da lagoa.