Dimensionamento de Reator UASB para Esgotamento Sanitário

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS CAMPUS DO SERTÃO EIXO DA TECNOLOGIA ENGENHARIA CIVIL DIMENSIONAMENTO DE REATOR UASB DELMIRO GOUVEIA 2021 ERIKA FERNANDA LISBOA DOS SANTOS HELEN BEATRIZ LISBOA FIGUEIREDO DE MORAES KARLA KETLENN SANTOS SILVA MAIQUE BASTOS LIMA DIMENSIONAMENTO DE REATOR UASB Projeto apresentado à disciplina de Sistema de Esgotamento Sanitário e Pluvial ministrada pelo prof Dr Antônio Pedro de Oliveira Netto como requisito parcial de obtenção de nota da primeira avaliação bimestral AB2 no semestre de 20202 do curso de Engenharia Civil da Universidade Federal de Alagoas Campus do Sertão DELMIRO GOUVEIA 2021 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO 4 11 Reator UASB 4 2 DIMENSIONAMENTO 4 21 Dados 4 22 Tratamento Preliminar 5 221 Vazões de Projeto 5 222 Tempo de detenção hidráulica TDH 5 223 Volume do Reator 6 224 Geometria e Velocidade Ascensional 6 225 Sistema de distribuição do afluente 8 226 Velocidade de passagem nas aberturas do compartimento de decantação 9 227 Separador trifásico 9 228 Taxa de escoamento superficial no compartimento de decantação 11 229 Tempo de detenção hidráulica no compartimento de decantação 12 3 ESTIMATIVA DA PRODUÇÃO DE BIOGÁS E LODO 13 31 Estimativa da Produção de Biogás 13 32 Estimativa da Produção de lodo 14 4 Tanque de Aeração TA 15 41 Cálculo da vazão 15 42 Cálculo do volume do tanque de aeração 17 43 Razão de recirculação 17 44 Vazão de descarte de lodo 𝑸 18 45 Vazão de ar 𝑸 𝑹 18 1 INTRODUÇÃO O presente projeto tem como objetivo realizar o dimensionamento de um reator do tipo UASB para a cidade de Delmiro Gouveia onde o esgoto é caracterizado como médio e os lodos ativados são de alta taxa Em seu memorial de cálculo serão apresentadas todas as verificações necessárias com eficiência estimada igual a 70 em termos de DBO além da estimativa de produção de lodo e biogás Além disso será estimada a vazão de ar necessária para aeração o volume do tanque de aeração de lodos ativados com eficiência estimada de 90 em termos de DBO vazão de recirculação vazão de descarte do lodo e carga orgânica residual 11 Reator UASB O reator UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket consiste numa tecnologia de tratamento de esgoto do tipo biológica baseada na decomposição anaeróbia da matéria orgânica Foi desenvolvido foi desenvolvido na década de 70 por Lettinga e colaboradores na universidade Wageningen na Holanda Os reatores UASB deve conter um separador trifásico que seja capaz de separar adequadamente o biogás o líquido e os sólidos de modo a liberar os dois primeiros e reter os sólidos Seu esquema pode ser verificado através da figura 1 Figura 1 Esquema de reator tipo UASB Fonte InterfaceEHS 2013 2 DIMENSIONAMENTO 21 Dados Os dados informados nas diretrizes do projeto e os dados levantados para o dimensionamento do reator UASB levando em conta a cidade escolhida Delmiro Gouveia são População estimada 52016 habitantes Temperatura média do mês mais frio T 228 C Temperatura média anual T 259 C Consumo efetivo per capita de água qe 12597 Lhabd Coeficientes de majoração de vazão K1 12 e K2 15 Biogás composto por 70 de metano Aeração difusa e ar atmosférico no tanque de aeração TA As informações da temperatura do mês mais frio da cidade e a temperatura média anual foram retiradas do site wwwclimatedataorg já as informações da população e do consumo efetivo per capita de água foram retirados do site wwwpainelsaneamentoorgbr 22 Tratamento Preliminar 221 Vazões de Projeto Com os dados fornecidos é possível calcular a vazão média de projeto 1 Encontrada a vazão média é possível encontrar a vazão máxima através da equação 2 2 222 Tempo de detenção hidráulica TDH Sabese que o tempo de detenção hidráulica TDH deve ser igual ou superior a 7h para temperaturas do esgoto entre 22 ºC e 25 C como apresentado na ABNT NBR 12209 2011 O parâmetro utilizado para seu cálculo leva em consideração a temperatura média do mês mais frio do ano apresentada nos dados do projeto como também o volume total do reator UASB A partir da tabela 1 é possível identificar o tempo de detenção hidráulica para a cidade de Delmiro Tabela 1 Tempos de detenção hidráulica para projetos de reatores UASB Temperatura do esgoto C Tempo de detenção hidráulica h Para Qméd Para Qmáx 15 a 18 100 70 18 a 22 80 55 22 a 25 70 45 25 60 240 Fonte Chernicaro 2016 De acordo com a tabela apresentada é possível notar que o tempo de detenção hidráulica para a temperatura média do mês mais frio da cidade de Delmiro Gouveia 238 ºC será de 7h para a vazão média e 45h para a vazão máxima 223 Volume do Reator Encontrado o tempo de detenção hidráulica é possível calcular o volume do reator através da equação 3 3 Onde é o volume do reator em é o tempo de detenção hidráulica em h Portanto Como o volume de um reator UASB varia entre 400 e 500 dividindo o volume o volume total por 4 ficaríamos com 4 reatores de 4423 arredondando esse valor ficamos com 4 reatores de 450 224 Geometria e Velocidade Ascensional A velocidade pode estar compreendida entre intervalos que levam em consideração a vazão média e a vazão máxima para Qméd o intervalo será Para Qmáx o intervalo será Levaremos em consideração o intervalo da Qmáx e utilizaremos a equação 3 para determinar a área 4 Em que é a área do reator é a vazão máxima em é a velocidade ascensional em Arredondaremos para 98 Para Qméd teremos 5 Nesse caso foi possível verificar que a velocidade ascensional se encontra no intervalo definido para Qméd A altura do reator do tipo UASB deve estar contida no intervalo de 40 a 50 para calculá la utilizaremos a equação 5 6 Como H está compreendida no intervalo a altura passou na verificação Sabese que 15 a 20 devem ser reservados para o compartimento de decantação 25 a 35 devem ser reservados para o compartimento de digestão Nesse caso adotaremos altura reservada para o decantador 16 altura reservada para o digestor 30 Por fim fazendo a relação entre L e B e adotando teremos que substituindo na equação 6 temos 7 Onde é o comprimento do reator é a largura do reator em Substituindo Logo Conferindo o volume Nesse caso confere com os volumes adotados para cada um dos 4 reatores 225 Sistema de distribuição do afluente Segundo Netto 2020 a área de influência usual deve estar entre 2 e 35 nesse caso foi utilizada uma área de 25 através da equação 7 podemos calcular o número total de tubos 8 Em que é o número de tubos é a área de influência em Portanto 226 Velocidade de passagem nas aberturas do compartimento de decantação Levando em consideração a vazão máxima para esse cálculo temos Através da equação 8 é possível determinar o valor da velocidade de passagem 9 Em que é a área das aberturas em 227 Separador trifásico Para a largura das câmaras de gás foi utilizado o valor padrão de 60 Já para a altura o valor recomendado é de 03 por isso para os separadores do presente projeto serão consideradas alturas de 03 para as câmaras de gás Sabese que a altura máxima do decantador é 2 nesse caso o valor adotado será de 16 Com isso é possível calcular a altura das abas inclinadas do separador trifásico através da equação 9 10 Em que é a altura do decantador em é a altura das abas inclinadas em é a altura da câmara de gás em Logo Para prosseguir com o dimensionamento foi adotado um valor de 60 para o ângulo de inclinação da parede do compartimento de decantação em relação à horizontal Utilizando a tangente do ângulo complementar de 60 nesse caso 30 é possível encontrar o valor da largura da abertura das abas inclinadas 𝑥 descontando a largura da câmara de gás sendo assim 𝑥 𝑥 Portanto a largura total da abertura das abas inclinadas é dada por De acordo com Chernicharo 2011 a largura da abertura dupla de passagem para o decantador corresponde ao dobro do valor da largura da abertura simples de passagem para o decantador Considerando a área das aberturas será encontrada através da seguinte equação 10 O cálculo do número de separadores será feito através da equação 11 11 Em que é o número máximo de separadores trifásicos Substituindo os valores teremos Entretanto foram adotados 4 separadores para que os parâmetros de verificação fossem atendidos Realizando o cálculo de e teremos Logo Fazendo o cálculo para a velocidade nas aberturas temos Para 12 Como passou na verificação Para Qméd Como também passou na verificação 228 Taxa de escoamento superficial no compartimento de decantação A taxa de escoamento superficial no compartimento de decantação deve ser igual ou inferior a para a vazão máxima e inferior a para vazão média Para esse cálculo será utilizada a equação 12 14 Em que é a taxa de escoamento superficial no compartimento de decantação em 13 é a área do decantador em Nesse caso para a vazão máxima temos OK Já para a vazão média OK 229 Tempo de detenção hidráulica no compartimento de decantação O tempo de detenção hidráulica no compartimento de decantação pode ser calculado através da equação 13 15 Em que é o tempo de detenção hidráulica no compartimento de decantação em Para a vazão máxima o TDH deve assumir um valor igual ou superior à 1 h já para a vazão média dever ser igual ou superior a 15 h Para temos OK Para temos OK 16 17 18 3 ESTIMATIVA DA PRODUÇÃO DE BIOGÁS E LODO 31 Estimativa da Produção de Biogás Dados Esgoto médio Alta taxa DQO 400 mgL DBO 200 mgL SS 230 mgL e 70 T média anual 259 C 22905 K Y obs 017 Para se estimar a produção de biogás é necessário inicialmente calcular a DQO convertida em CH4 Assim 𝑥 𝑥 Sabendo que a eficiência do reator está prevista em 70 de remoção de DBO e que a vazão média é de 524196 m³d teremos 𝑥 Para converter a produção mássica para produção volumétrica dividimos o valor encontrado pelo fator de correção da temperatura dado por Onde 𝑷 pressão atmosférica 1 atm 𝑲 𝑸𝑶 DQO correspondente a 1 mol de CH4 64gDQOmol 𝑹 Constante dos gases 008206 atmLmolK 𝑻 temperatura operacional do reator ºC Substituindo os valores temos 19 20 𝑥 𝑥 𝑥 𝑥 Assim a produção volumétrica de gás metano se dará através da fórmula abaixo A partir dos cálculos acima é possivel encontrar a produção de biogás gerado pelo reator Com isso sabendo que esse gás tem em sua composição em torno de 70 a 80 de gás metano e usando o valor intermediário 75 para o cálculo teremos 32 Estimativa da Produção de lodo A produção de sólidos no sistema é dada pela seguinte equação P𝒍𝒐𝒅𝒐 Y CO 𝑸𝑶 Onde P𝒍𝒐𝒅𝒐 produção de sólidos no sistema kgSSTd coeficiente de produção de sólidos 01 a 02 kgSSTkgDQOapl CO 𝑸𝑶 carga de DQO aplicada kgDQOd Adotando um valor de 015 para Y teremos 𝑥 𝑥 A produção volumétrica de lodo é dada pela seguinte equação 21 22 23 𝑥 Adotando uma massa específica de sólidos de 1030 kgm³ e TS igual a 4 teremos 𝑥 Com isso determinase que de toda a vazão média que chega ao UASB cerca de 35 dela corresponde à vazão de descarte do lodo que seguirá posteriormente à unidade de tratamento de lodo 4 Tanque de Aeração TA 41 Cálculo da vazão A vazão do tanque de aeração vai ser determinada pela diferença entre a vazão média e a vazão de lodo do reator UASB Sabese que Adotando teremos Para uma eficiência de 70 no reator UASB temos que a DBO do tanque de aeração será Se 24 25 26 27 Os valores dos coeficientes mostrados na Tabela 2 serão utilizados diretamente durante o dimensionamento ou para a obtenção de outros coeficientes usados no cálculo das vazões tempo de detenção e idade do lodo Tabela 2 Valores típicos dos coeficientes cinéticos para o processo de lodos ativados Coeficiente Unidade Faixa Valor Típico K d1 2 10 5 Y mgSSVmgDBO5 04 08 06 KS mgDBO5 25 100 60 mgDQO 15 70 40 Kd d1 0025 0075 006 Fonte Metcalf Eddy 1991 De acordo com a NBR 1220911 a concentração de lodo no tanque de aeração é igual a 1500 já a concentração de lodo na recirculação é igual a 3000 De acordo com a Tabela 2 adotamos os valores dos seguintes parâmetros Levando em conta a eficiência de 90 do reator UASB a concentração final de DQO será Adotando 04 Como Substituindo 29 28 42 Cálculo do volume do tanque de aeração Para o cálculo do volume do tanque utilizaremos as seguintes equações 𝑥 30 Se Logo Portanto o volume do tanque será 𝑥 31 43 Razão de recirculação Verificando o tempo de detenção hidráulica dos lodos ativas para um sistema de alta taxa 32 Calculando o tempo médio de resistência celular 33 Como se trata de um sistema alta taxa nesse caso o tempo médio de resistência celular ou a idade do lodo passou na verificação Sendo assim a razão hidráulica será calculada através da equação 34 34 Como Substituindo na equação da razão hidráulica 44 Vazão de descarte de lodo 𝑸 O valor da vazão de descarte de lodo será calculado através da seguinte equação 35 45 Vazão de ar 𝑸 𝑹 Sabendo que DQO 120 mgL e a relação entre DQO E DBO temos Para calcular o valor da carga será utilizado o produto entre a vazão e DBO com 36 isso temos 𝑥 Para os cálculos da necessidade de oxigênio considerase 𝐸 2 25 𝑘 2𝑘 Matéria Orgânica 𝐸 𝑥 𝐸 Assim podemos encontrar a vazão de ar pela seguinte fórmula 𝑥 𝑥 𝑥 37 38 REFERÊNCIAS ABNT NBR 12209 Elaboração de projetos hidráulicosanitários de estações de tratamento de esgotos sanitários Associação Brasileira de Normas Técnicas Rio de Janeiro p 53 2011 NETTO A O Notas de Aula Universidade Federal de Alagoas Delmiro Gouveia 2021 InterfacEHS Dimensionamento de um reator UASB para o tratamento de águas residuárias de suinocultura Disponível em httpwww3spsenacbrhotsites blogsInterfacEHSwpcontentuploads20130991dossieInterfacEHSpdf Acesso em 10 de setembro de 2021 Centro Experimental de Saneamento Ambiental UFRJ Reator UASB Disponível em httpwwwsaneamentopoliufrjbrindexphpbrinfraestruturareatorusab Acesso em 10 de setembro de 2021 PIVELI R P Tratamento de esgotos sanitários Disponível em httpsctecufalbrpro fessorelcaAPOSTILA2020TRATA 20TRATAMENTO20DE20ESGOTOSpdf pdf Acesso em 10 de setembro de 2021 CLIMATE DATAORG Clima Delmiro Gouveia Disponível em httpsptclimate dataorgamericadosulbrasilalagoasdelmirogouveia42941 Acesso em 10 de setembro de 2021 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS CAMPUS DO SERTÃO ENGENHARIA CIVIL DOCENTE DISCENTES ASSUNTO DISCIPLINA ESCALA PRANCHA ERIKA FERNANDA HELEN BEATRIZ KARLA KETLENN MAIQUE BASTOS DR ANTÔNIO PEDRO NETTO SISTEMA DE ESGOTAMENTO SANITÁRIO E PLUVIAL TANQUE DE AERAÇÃOPLANTA BAIXA 1100 OBSERVAÇÕES TODAS AS MEDIDAS ESTÃO EM METROS 0505 SOPRADOR DE AR 1986 984 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS CAMPUS DO SERTÃO ENGENHARIA CIVIL DOCENTE DISCENTES ASSUNTO DISCIPLINA ESCALA PRANCHA ERIKA FERNANDA HELEN BEATRIZ KARLA KETLENN MAIQUE BASTOS DR ANTÔNIO PEDRO NETTO SISTEMA DE ESGOTAMENTO SANITÁRIO E PLUVIAL SEPARADORES TRIFÁSICOSDETALHAMENTO 1100 OBSERVAÇÕES TODAS AS MEDIDAS ESTÃO EM METROS 0205 130 30 10 140 10 160 50 70 10 DEFLETORES DE GASES CÂMARAS DE GÁS DOS SEPARADORES TRIFÁSICOS ABAS INCLINADAS DO SEPARADOR TRIFÁSICO ABERTURA DE PASSAGEM PARA DECANTADOR 60 NA DETALHAMENTO SEPARADOR TRIFÁSICO UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS CAMPUS DO SERTÃO ENGENHARIA CIVIL DOCENTE DISCENTES ASSUNTO DISCIPLINA ESCALA PRANCHA ERIKA FERNANDA HELEN BEATRIZ KARLA KETLENN MAIQUE BASTOS DR ANTÔNIO PEDRO NETTO SISTEMA DE ESGOTAMENTO SANITÁRIO E PLUVIAL VISTA SUPERIOR DO REATOR UASB 1100 OBSERVAÇÕES TODAS AS MEDIDAS ESTÃO EM METROS 0405 70 210 140 700 1400 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS CAMPUS DO SERTÃO ENGENHARIA CIVIL DOCENTE DISCENTES ASSUNTO DISCIPLINA ESCALA PRANCHA ERIKA FERNANDA HELEN BEATRIZ KARLA KETLENN MAIQUE BASTOS DR ANTÔNIO PEDRO NETTO SISTEMA DE ESGOTAMENTO SANITÁRIO E PLUVIAL CORTE DO REATOR UASB 1100 OBSERVAÇÕES TODAS AS MEDIDAS ESTÃO EM METROS 0305 BOLHAS DE AR PARTÍCULAS DE IODO MANTA DE IODO LEITO DE IODO 1400 300 130 30 60 80 70 10 70 10 70 10 160 60 60 60 460 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS CAMPUS DO SERTÃO ENGENHARIA CIVIL DOCENTE DISCENTES ASSUNTO DISCIPLINA ESCALA PRANCHA ERIKA FERNANDA HELEN BEATRIZ KARLA KETLENN MAIQUE BASTOS DR ANTÔNIO PEDRO NETTO SISTEMA DE ESGOTAMENTO SANITÁRIO E PLUVIAL UNIDADE DE SEPARADOR TRIFÁSICODETALHAMENTO 1100 OBSERVAÇÕES TODAS AS MEDIDAS ESTÃO EM METROS 0105 75 60 75 210 130 30 60 DETALHAMENTO SEPARADOR TRIFÁSICO