percoladores

Leitos percoladores

Os leitos biológicos, também designados filtros biológicos ou filtros percoladores,

(figura seguinte), são constituídos por um leito de material adequado sobre o qual se

desenvolve um limo biológico, designado “zoogleia” (bactérias e exo-polímeros por elas

segregados, por água e partículas provenientes do meio aquoso).

A “zoogleia” serve de alimento a várias formas de vida (protozoários, larvas e vermes) que

contribuem, desta maneira, para controlar a espessura daquela camada biológica, que não

deve, em geral, ultrapassar os 4,0 mm, sob o risco de se poder verificar a colmatação do

leito.

- O efluente, após decantação, é aplicado sobre este leito biológico.

A matéria orgânica é removida por biosorção, coagulação e actividade biológica.

- O oxigénio necessário à oxidação aeróbica é fornecido pelo ar que circula através do leito.

FCT

PROTA Tratamento biológico de águas residuais 2012-2013

1

Figura 1 - Esquema de um leito percolador

Na camada biológica podem distinguir-se, normalmente, duas sub-camadas.

Na mais exterior, que está em contacto com o ar, verifica-se uma oxidação da matéria orgânica em condições aeróbias.

Na camada mais interior, onde pode já não chegar o oxigénio atmosférico devido ao seu consumo na parte mais externa do biofilme, verificar-se-ão condições anaeróbias.

FCT


Leitos percoladores

2

Leitos percoladores

COMPOSIÇÃO E ESPESSURA DA CAMADA BIOLÓGICA

A composição da camada biológica, ou biofilme, é muito variável do ponto de vista

biológico, essencialmente constituída por bactérias e exo-polímeros por elas

secretados, os quais possibilitam a adesão à superfície sólida do suporte, água,

particulas do meio e metabolitos.

Nesta camada verifica-se a existência de outras formas de vida (protozoários,

vermes e larvas, por exemplo) que dela se alimentam, contribuindo para o controlo

da espessura do biofilme.

- No arranque do leito, enquanto a espessura do biofilme é pequena, o oxigénio do

ar consegue difundir-se através de toda a película e verificam-se condições aeróbias

em toda a camada.

FCT 3


Leitos percoladores

COMPOSIÇÃO E ESPESSURA DA CAMADA BIOLÓGICA

Com o aumento da espessura da camada verifica-se que, a partir de dada altura, o

oxigénio é todo consumido na parte mais exterior do biofilme, ficando a mais interior a

ter um metabolismo anaeróbio.

Com a continuação do aumento da espessura, a matéria orgânica acaba por ser

consumida antes de chegar aos microrganismos aderentes à superfície do material de

enchimento.

Estes, privados de alimento, tendem a entrar em auto-oxidação perdendo as suas

capacidades de aderência, provocando o arrastamento de partes do biofilme com o

efluente. Este fenómeno é função das cargas orgânica e hidráulica aplicadas ao leito.

O material arrastado, que representa o crescimento líquido da biomassa, tem de ser

removido num decantador final, designado por decantador secundário ou tanque de

húmus, para evitar que o efluente do leito veja acrescidos os valores dos sólidos

suspensos, SS e da carência bioquímica de oxigénio, CBO.

FCT 4


PROJECTO DE LEITOS BIOLÓGICOS

No projecto, devem ter-se em conta os seguintes aspectos:

Necessidade de pré-tratamento;

Sistema de dosagem para aplicação do efluente ao leito;

Enchimento: tipo, volume e dimensões;

Sistema de drenagem para recolha do efluente;

Sistema de ventilação para fornecimento do oxigénio necessário;

Sedimentador secundário para remoção dos sólidos arrastados do leito.

FCT 5



PRÉ – TRATAMENTO

Em geral, é necessário o pré-tratamento para remoção dos sólidos suspensos

grosseiros e das gorduras que poderiam provocar colmatação do leito. Poderá também

ser necessária a correcção do pH e a adição de nutrientes, no caso do efluente ser

carente deles.

SISTEMA DE DOSAGEM (Distribuição)

Este sistema destina-se a distribuir regular e uniformemente o efluente sobre o leito.

No caso do leito ser circular ter-se-à um distribuidor rotativo, apoiado numa

estrutura central que incorpora a entrada do efluente. A rotação do distribuidor pode

ser provocada, quando há carga suficiente, por efeito de torniquete. Este facto torna

necessária a regulação do caudal do efluente a fim de evitar que a rotação do

distribuidor seja demasiado rápida (caudais de ponta) ou demasiado lenta (períodos de

caudais baixos). Este controle de caudais consegue-se, nos leitos a funcionar por

gravidade, por meio de uma câmara, dita doseadora, equipada com sifão.

FCT 6



NATUREZA DO MATERIAL DE ENCHIMENTO E ALTURA DO LEITO

Como já foi referido, um leito biológico não é mais do que um recipiente no qual se

encontra um material de enchimento adequado sobre o qual se aplica o efluente pré-

decantado que, percolando através do leito, entra em contacto com o biofilme.

O material de enchimento do leito biológico deve ter as seguintes características:

Ser mecanicamente resistente à erosão;

Ser resistente às características do efluente e à acção biológica;

Ter características que facilitem a adesão dos microrganismos;

Ter elevada área especifica e elevada porosidade;

Ser leve e barato

FCT 7



NATUREZA DO MATERIAL DE ENCHIMENTO E ALTURA DO LEITO (cont.)

Na prática é usual a utilização de brita, godo ou materiais plásticos para o

enchimento.

Quando o enchimento é feito por brita ou godo a altura do leito não deve

ultrapassar 3 m. Se aquele enchimento for de plástico, com uma maior porosidade e

menor densidade, a altura pode ser substancialmente maior (6 a 15 m).

Enchimentos plásticos

Vantagens: permitem maiores alturas do leito; elevada área específica (podendo atingir

os 200 m2/m3); grande porosidade, sendo por isso menos sujeitos a entupimentos,

permitindo a aplicação de maiores cargas orgânicas.

Desvantagens custos mais elevados e menor eficiência de remoção da matéria

orgânica.

FCT 8


Leitos percoladores


SISTEMA DE DRENAGEM

Destina-se à recolha do efluente do leito e, geralmente, é constituído por uma base

impermeável situada por baixo da base perfurada do leito.

Apresenta diversos canais com a inclinação necessária para concentrar o efluente à

saída.

Deve ser dimensionada para permitir o escoamento do caudal máximo sem prejudicar o

espaço necessário à ventilação do leito.

FCT 9

Leitos percoladores


SISTEMA DE VENTILAÇÃO

Embora a ventilação do leito possa ser feita mecanicamente no caso de pequenas

unidades, em geral é utilizada a ventilação por convecção natural.

No inverno, devido à temperatura do efluente e à acção microbiana, o ar no interior do filtro tem

temperatura mais elevada, sendo por isso menos denso, gerando-se correntes ascendentes.

Ao contrário, no verão o ar é arrefecido no interior do filtro e geram-se corrente descendentes.

É necessário prever aberturas no fundo do leito, entre a placa de suporte do enchimento e

a placa de drenagem que permitam a circulação daquelas correntes. A área daquelas

aberturas deve ser superior a 5 - 10% da área em planta do leito.

FCT 10

Leitos percoladores


DECANTADOR SECUNDÁRIO

Este orgão, cuja função é, como já se referiu, a remoção dos sólidos arrastados pelo

efluente, pode ser dimensionado de acordo com os princípios anteriormente

apresentados.

cargas hidráulicas: 0,8 m3/m2.hora

tempos de retenção: 2 - 3 horas (caudal de ponta).

FCT 11

Leitos percoladores


SISTEMAS DE LEITOS BIOLÓGICOS

Os leitos biológicos podem associar-se, entre si ou com outros processos de

tratamento, de diversas maneiras. Os arranjos mais usuais, representados, de maneira

esquemática, na figura seguinte são o de leito único (sem ou com recirculação); o de

leitos alternados e o de leito duplo.

SISTEMA DE LEITO ÚNICO

Este sistema pode ser operado sem recirculação (sistema de baixa carga) ou com

recirculação (sistema de alta carga).

A utilização da recirculação é útil para manter o biofilme sempre molhado (em

períodos de ausência de efluente) e diluir a carga orgânica do efluente a tratar e

deve fazer-se sempre que a CBO5 daquele efluente seja superior a 500 mg/L.

FCT 12



FCT 13




SISTEMA DE LEITOS ALTERNADOS

Neste sistema são utilizados dois leitos em série. O efluente do primeiro leito, após

passar pelo respectivo decantador, é aplicado ao segundo leito.

O primeiro leito recebe uma carga orgânica elevada pelo que se verifica grande

produção de limo. O segundo é sujeito a cargas orgânicas muito mais leves, servindo

para polimento final do efluente. Neste leito, a produção de biomassa é baixa.

O perfil de fluxo é invertido periodicamente (linhas tracejadas na figura) numa base diária

ou semanal. Quando se procede a esta inversão, o leito inicialmente com pouco limo

começa a ter aumentada a produção deste enquanto que no que tinha elevada

espessura de biofilme se verifica o arrastamento de biomassa.

Consegue-se por este processo o controlo da espessura da camada biológica nos dois

leitos.

FCT 14




SISTEMA DE LEITO DUPLO

Neste sistema o primeiro leito tem um enchimento plástico e funciona como um

tratamento preliminar.

Apresenta, por norma, remoções de CBO5 da ordem dos 60 a 70%.

No segundo leito, que funciona com cargas mais baixas, verifica-se um

crescimento de biomassa muito inferior ao verificado no primeiro leito e um

polimento do efluente final.

FCT 15



DIMENSIONAMENTO DE LEITOS BIOLÓGICOS

Para se obterem as expressões de dimensionamento de um leito biológico iremos

considerar o que se passa num reactor ideal de fluxo de pistão, com uma reacção com

cinética de primeira ordem*. Como se pode verificar na figura seguinte, podemos

escrever o seguinte balanço de massa:

* É a cinética geralmente assumida para a remoção do CBO5

FCT

Q S Q S dS r A dh

Figura 3

16




Por integração da equação anterior obtem-se:

ou ainda

onde t - tempo de residência (= );

L - carga hidráulica (= ).

FCT

lnS

S

k A H

Q

e

0

S

Se ee

kH

L k

0

t

H

LQ

A

17




No caso dos leitos percoladores, o tempo de residência deverá ser corrigido, atendendo à

existência do material de enchimento, tendo Eckenfelder proposto a seguinte expressão:

onde C e n são constantes cujo valor depende do material de enchimento e área

específica.

Substituindo esta equação na penúltima obtem-se:

com K=k.C.

Esta expressão é a base matemática para o dimensionamento dos leitos biológicos.

S

Se ee

k CH

L

K H

Ln n

0

FCT

t CH

Ln

18




Vamos agora aplicar a expressão geral (reactor ideal de fluxo de pistão, com uma

reacção com cinética de primeira ordem* - Figura 3) a leitos biológicos sem e com

recirculação.

LEITO BIOLÓGICO SEM RECIRCULAÇÃO

Neste caso (ver figura 3) aplica-se a expressão directamente.

FCT 19




LEITO BIOLÓGICO COM RECIRCULAÇÃO

Neste caso, a concentração de substrato aplicada ao leito, S0, é inferior à do efluente,

Si, como se pode ver na figura.

FCT

20




Fazendo um balanço de massa ao ponto de junção da recirculação com o efluente de

entrada, teremos:

ou, após manipulação matemática:

Substituindo o valor de S0, na equação geral de projecto, dividindo ambos os termos da

fracção do primeiro membro da equação obtida por Si, e após manipulação matemática,

obtem-se:

FCT

Q S r Q S Q r Q Si e 0

SQ S r S

Q r

i e0

1

S

S

e

r r e

e

i

K H

L

K H

L

n

n

121


Leitos percoladores


DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL DAS CONSTANTES n E K

A utilização das equações anteriores só é possível se forem conhecidos os valores das

constantes n e K, os quais podem ser obtidos ou de literatura ou determinados

experimentalmente.

Para a sua determinação experimental deve proceder-se à montagem do sistema

representado, esquemáticamente, na figura.

FCT 22

Leitos percoladores



Após o desenvolvimento do biofilme adaptado ao efluente que se quer estudar, o que

pode demorar desde dias até semanas, de acordo com o tipo de esgoto, recolhem-se

amostras periodicamente, com diversas cargas hidráulicas e a várias profundidades, para

determinação da CBO5.

Os valores observados, em estado estacionário, são registados e irão permitir a

determinação dos valores das constantes, de acordo com o raciocínio a seguir

apresentado.

A equação de projecto logaritmizada, apresenta a seguinte forma:

A representação gráfica de em função de H é uma recta cujo declive, i, tem o

seguinte valor:

FCT

lnS

S

K H

L

en

0

lnS

S

e

0

iK

Ln23



Aplicando logaritmos a esta equação obtemos:

A representação gráfica de ln(-i) em função de ln L é uma recta que permite obter os

valores de n (inclinação da recta obtida) e o valor de K (intersecção na origem).

FCT

ln( ) ln ln i K n L

24


percoladores

Documents