FILTROS

BIOLÓGICOS

AERÓBIOS

PHD-2411 Saneamento IPHD-2411 Saneamento I 1818

SISTEMAS DE FILTROS BIOLÓGICOSSISTEMAS DE FILTROS BIOLÓGICOSAERÓBIOSAERÓBIOS

Grade Caixa de areiaDecantador

PrimárioFiltros

BiológicosDecantador Secundário

Adensamento

Digestão

Secagem Lodo “Seco”

Rio

Reator UASB + Filtro Biológico Aeróbio

PHD-2411 Saneamento IPHD-2411 Saneamento I 1818

SISTEMAS DE FILTROS BIOLÓGICOSSISTEMAS DE FILTROS BIOLÓGICOSAERÓBIOSAERÓBIOS

Grade Caixa de areiaReatorUASB

Filtros Biológicos

Decantador Secundár io

Secagem

Lodo “Seco”

RioLodo

Esgoto Tratado

FILTROS BIOLÓGICOS AERÓBIOS

Bioquímica e Microbiologia

(CH2O)X + O2 CO2 + H2O + (CH2O)Y

(CH2O)X CH4 + CO2 + H2O + (CH2O)Y + H2 + H3C-COOH +

Filtro Biológico - Estrutura do Biofilme

Na parte externa do biofilme predominam bactérias comoaerobacter, flavobacter, pseudomonas e alcalígenes. Naparte interna do biofilme, predominam microrganismos comosphaerotilus natans, nocárdia e beggiatoa. As bactériasnitrificadoras, Nitrossomonas e Nitrobacter podem aparecerna parte baixa dos filtros descendentes, onde se verificambaixa DBO carbonácea e elevada concentração de oxigêniodissolvido. Fungos como o Mucor, Penicillium e Fusariumtambém tormam parte do processo. Complementam oecossistema de filtros biológicos protozoários como osciliados Opercularia, Epystilis e Vorticella, além demicrometazoários como os rotíferos. Algas podem aparecerna parte superior do filtro, aberta e exposta à luz solar. Alítambém se hospedam verrnes, caramujos e larvas de insetos.

ETE CAÇADORES - CAMBÉ/PR

Características dos Materiais de Enchimento dos Filtros

Característica/Material

Área superficialespecífica (m2/m3)

Massa específica(kg/m3)

Porosidade

Pedras 50 - 70 800 - 1450 40 - 60Plástico 100 - 200 30 - 100 94 - 97

Sistema de Drenagem - Fundo Falso do Filtro

Arranjos Típicos

Equação Fundamental

Sh / So = 10-k.h.(A/Q)^n ,onde:

Sh e So : Concentração de substrato (DBO) à profundidade h e à entrada dofiltro, mg/L

k : Constante da velocidade de remoção de substrato, d-1

h : Profundidade do leito, m

A : Área do filtro, m2

Q : Vazão afluente aos filtros, m3/d

n : Característica do material de enchimento, n = 0,44 para pedras e 0,67 paraanéis plásticos.

k varia entre 0,12 e 0,2 d-1 para esgoto sanitário a 20oC. Para outrastemperaturas corrige-se k através de:

kToC = k20oC * 1,08(T – 20)

Estudos em Laboratório

So / Sh = 10k.h.(A/Q)^n

log (So / Sh) = k.h.(A/Q)n

Portanto, lançando-se em gráfico log (So / Sh)contra h x (A/Q)n tem-se uma reta cujocoeficiente angular corresponde ao valor de k.

Equação de Eckenfelder

Sh / So = 10-K.h.(Sa^m).(A/Q)^n Em que:

K: Constante da velocidade da reação, m/dh: profundidade do leito, mQ: Vazão, m3/dA: Área superficial do filtro, m2

Sa : Área superficial específica do material de enchimento,m2/m3

m e n : Características do material de enchimento. Metcalf &Eddy recomendam usar m = n = 1, caso não se tenham dadosmais específicos.

Fórmula do NRC – National Research Council

Válida para esgoto doméstico preenchido com pedras, a 20oC:

a) Sem recirculação de esgoto tratado à entrada do filtro:

EDBO (%) = 100 / [1 + 0,433 * (W/V)1/2] Em que:

EDBO (%) = Eficiência na remoção de DBO, em porcentagem

W = Carga de DBO aplicada ao filtro, em kg/dia

V = Volume do filtro, em m3

a) Com recirculação:

EDBO (%) = 100 / [1 + 0,433 * (W / V*F)1/2]

Onde:

F = ( 1 + r ) / ( 1 + 0,1*r2 ) onde r = Qr / Q

EDBO (%) = Eficiência na remoção de DBO, em porcentagem

W = Carga de DBO aplicada ao filtro, em kg/dia

V = Volume do filtro, em m3

CLASSIFICAÇÃO DOS FILTROS BIOLÓGICOS AERÓBIOS

Característica Baixa Taxa TaxaIntermediária

Alta Taxa TorreBiológica

Taxa de Aplic.Hidráulica(m3/m2/dia)

1 - 4 4 - 10 10 - 40 40 – 200

Taxa de Aplic.Vol. de DBO

(kgDBO/m3/dia)

0,08 – 0,32 0,24 – 0,48 0,32 – 1,0 0,8 – 6,0

Profundidade doLeito (m)

1,5 – 3,0 1,25 – 2,25 1,0 – 3,0 4,5 – 12,0

Material deEnchimento

pedra pedra pedra/plást plástico

Fator de Reciclo( r = Qr / Q)

0 0 - 1 1 - 3 1 - 4

Consumo deEnergia (W/m3)

2 – 4 2 - 8 6 - 10 10 - 20

Problemas comMoscas

grande pequeno raro nenhum

Recirculação de esgoto tratado para a entrada dos filtrosbiológicos

Balanço de massa na entrada do filtro:

Q * So + Qr * Se = ( Q + Qr ) * Si Em que:So = DBO do esgoto afluente ao filtro, antes da mistura com oreciclo

Se = DBO do efluente final, após o decantador secundário

Si = DBO do esgoto afluente ao filtro, depois da mistura com oreciclo

Q = Vazão média de esgoto sanitário

Qr = Vazão de recirculação de esgoto tratado

Dividindo-se pela vazão média de esgotos (Q):

So + r * Se = Si * ( 1 + r )

Si = ( So + r * Se ) / ( 1 + r )

Exercício de dimensionamento

Filtro Biológico Aeróbio de alta taxa

Dados: População atendida: 38.900 hab Carga de DBO dos esgotos: 2100 kg/dia Vazão média de esgotos: 101,7 L/s = 366m3/h = 8789

m3/dia

a) Determinação da vazão de recirculação

Admitindo-se a DBO dos esgotos à entrada dos filtros, após amistura com o fluxo de recirculação, Si = 100 mg/L e a DBO dosefluentes finais, Se = 20 mg/L, tem-se:

Si = ( So + r * Se ) / ( 1 + r )

100 = ( So + r * 20 ) / ( 1 + r )

DBO dos esgotos: 2.100 / 8789 = 0,239 kg/m3 = 239 mg/LEficiência dos decantadores primários na remoção de DBO: 30%DBO dos esgotos à entrada dos filtros: So = 0,7 x 239 = 167 mg/LPortanto,r = 0,84 Qr = 85,2L/s = 307 m 3/h = 7.361 m3/dia

a) Determinação da carga de DBO afluente aos filtros:Carga DBO = ( Q + Qr ) * Si = ( 8789 + 7361 ) * 0,1 kg/m3 =1617 kg/dia

b) Determinação do volume útil

Considerando-se enchimento de plástico, será usada a taxa deaplicação volumétrica de DBO de 1,2 kg/m3/d. O volume útil defiltros necessário será:

VF.B. = 1617 / 1,2 = 1348 m3

Considerando-se a profundidade do útil de 2,70 m, a área necessáriaserá:

AF.B. = 1348 / 2,70 = 500 m2

Deverão ser utilizados dois filtros de 18 m de diâmetro, perfazendo aárea de 254,5 m2 e volume de 687 m3 por filtro.

a) Verificação da taxa de escoamento superficial, com base navazão média de esgotos:

Qméd. / As = (8789 + 7361) / 509 = 31,8 m3/m2/d

a) Área necessária de aberturas para ventilação:

Aabert = 0,01 * AF.B. = 0,01 * 254,5 = 2,55 m2

b) Área de drenagem dos esgotos à saída do filtro:

Adren = 0,15 * AF.B. = 0,15 * 254,5 = 38,2m2

Fotografia dos filtros biológicos percoladores

Material de enchimento e distribuidor de esgoto

Decantador secundário

FILTROS BIOLÓGICOS AERADOS SUBMERSOSOs critérios básicos para o dimensionamento de filtrosbiológicos de alta taxa, para se obter efluente final com DBO 30 mg/l para um afluente de DBO 100 mg/l, são:

Taxa de aplicação de DBO por área de enchimento– CACA 12 g DBO/m²xdiaCV 0,88 kg DBO/m3xdia para enchimento com pedra, comárea superficial específica de ~70 m²/m³.

Considerando-se inicialmente a taxa de aplicação volumétricade 0,8 kg DBO/m3xdia, tem-se, para o ano 2022:Carga de DBO = 1.037 kg/diaVFB = 1.037 / 0,8 = 1.296 m3

Considerando-se 03 filtros biológicos aerados de leitosubmerso, o volume útil por filtro biológico será de 1.296 / 3= 432 m3.

Considerando-se a profundidade do leito de brita No. 4 iguala 2,8 m, a área superficial necessária de cada filtro será 432 /2,8 = 154 m2.

Utilizando-se filtros com diâmetro D = 14 m, a área de cadafiltro será de 154 m2 e o volume útil será de 2,8 * 154 = 431m3 por filtro. O volume útil total (três filtros) será de 431 * 3= 1.293 m3. Considerando-se a implantação de apenas 02(dois) filtros aerados na primeira etapa, o volume útildisponível será de 2 * 431 = 862 m3. Considerando-se a áreasuperficial específica da brita No. 4 igual a 70m2/m3, tem-se asseguintes condições operacionais:

PARÂMETROANO2002

ANO2012

ANO2022

Carga DBO kg/dia 497 739 1037

Volume útil de filtros aerados m3 862 862 1293

Taxa apl volumétrica de DBO kg/ m3.dia 0,58 0,86 0,80

Área superficial total brita 4 m2 60.340 60.390 90.510

Taxa DBO/Aench (CA) g/m2.dia 8,2 12,2 11,5

Área superficial de filtros m2 308 308 462

Vazão média de esgotos m3/dia 5.630 8.981 11.625

Vazão máxima de esgotos m3/dia 8.951 13.660 18.006

Taxa de escoam sup p/Qméd m3/m2/dia 18,3 28,9 25,2

Taxa de escoam sup p/Qmáx m3/m2/dia 29,1 44,4 39,0

Área útil de passagem (área de vazios) do sistema deapoio do material de enchimento deve ser superior a 15% daárea superficial do filtro. Apas. > 0,15 * 154 = 23 m2

A alimentação do esgoto deve ter a melhor distribuiçãopossível dentro do filtro, que será de fluxo ascendente edeverá ser junto ao piso da câmara de entrada ao fundo dofiltro. A aeração será através de tubos perfurados, com saídaslaterais e horizontais de ar, ou através de difusores de bolhagrossa, sempre mais próximo à laje de suporte das pedras. Asaída de ar deverá estar sempre acima da tubulação dealimentação de esgoto, para evitar subida do ar pela tubulaçãode alimentação.

Principais características dos filtros biológicos:No. de unidades : 03 (02 na 1a. etapa)Forma – circular em plantaDiâmetro, em planta D = 14,0 mAltura do material de enchimento hu = 2,8 mÁrea superficial = 154 m2 por unidadeVolume útil = 431 m³ por unidadeALIMENTAÇÃO DOS FILTROS BIOLÓGICOSAERADOS SUBMERSOSOs filtros biológicos serão alimentados por tubulaçãocentral, vertical, que irá até 0,5 m abaixo da laje desuporte das pedras.

NECESSIDADE DE OXIGÊNIO:Os filtros operarão como sistema biológico aeróbio de taxaintermediária e sem nitrificação, requerendo cerca de 1,0

kgO2/kgDBO removida.Considerando, por segurança, DBO do efluente de 20 mg/l, anecessidade de oxigênio será, para o ano 2022, de:

NEC.O2= (1.037 – 11.625x0,02)x1,0 = 804,5 kgO2/dia ou ~

34 kgO2/hora.A aeração será com bolhas grossas, atravessando o leito depedras.Para hu = 2,8 m de enchimento + 0,7 de água 12%

= 0 x Para T = 28ºC CSW = 7,7 mg/l = 0,95

0,57 * 0,12 = 0,068 ou 6,8% Será adotado = 6,8%

necessidade de introdução de oxigênio será

de 34 / 0,068 = 500 kgO2/hora ou 2.176 kg

ar/hora ou ainda 1.814 Nm3ar/hora ou Qar =

30,0 Nm3ar/minuto por filtro.

Para atender às horas de pico, será

considerada uma vazão de ar de 37 Nm3

ar/minuto e pressão de 5 m.c.a.

- SISTEMA DE FORNECIMENTO DE AR Serão utilizados 03 sopradores (01por filtro e mais01 de reserva) para Q 12,5 Nm3ar/minuto, pressãode 5,0 mca - PRODUÇÃO DE LODO NOS FILTROS BIOLÓGICOS A produção de lodo nos filtros biológicos de altataxa é de cerca de 0,9 kg SS/kg DBO removida oucerca de 0,7 kg SS/kg DBO aplicada para eficiênciade remoção de DBO entre 75% e 80% no filtro biológicoaerado submerso.Será considerado:X = 0,7 kg SS/kg DBO aplicadaXV = 0,53 kg SSV/kg DBO aplicada

ANOCARGA DBO

APLICADA (kg DBO/dia)

XFILTRO BIOL

(kg SS/dia)

XV.FILTRO

BIOL

(kg

SSV/dia)

2002 497 350 263

2012 739 517 392

2022 1.037 726 550

DECANTADOR SECUNDÁRIO Para efluentes de filtros biológicos, que podem seraplicados para filtros biológicos submersos aerados,o parâmetro básico de dimensionamento é a taxa de

escoamento superficial, qA.

Pela NB 570/90 – qA 36 m3/m2xdia para Valoresusuais para DBO 30 mg/l:

qA = 16 a 32 m3/m2xdia para (usual 24 m3)

qA,máx < 40 a 48 m3/m2xdia para Qmáx

A taxa de escoamento linear através do vertedor desaída deve ser 380 m3/m2xdia para .

Vazões de dimensionamento dos decantadores

ANO (m3/dia) Qmáx (l/s)

2002 5.630 103,6

2012 8.981 158,1

2022 11.625 208,4

Área necessária : A ≥ (208,4 * 86,4) / 40 = 484,4 m2

para o ano 2022

Ou A ≥ (208,4 * 86,4) / 40 = 450 m2 para o ano 2022.

Será utilizado 01 decantador secundário com D = 24 m.

Área do decantador = 452 m2

Comprimento do vertedor = 75,4 m

As taxas de escoamento superficial para as diferentes

situações são:

Aq

ANO ÁREA qA,máx

2002 452 m² 12,5 m3/m2xdia 19,8 m3/m2xdia

2012 452 m² 19,9 m3/m2xdia 30,2 m3/m2xdia

2022 452 m² 25,7 m3/m2xdia 39,8 m3/m2xdia

Taxa de escoamento linear pelos vertedores (qL)Para 2022 para qL = 11.625 / 75,4 = 154 m3/m.diapara Qmáx qL = (208,4 * 86,4) / 75,4 = 239 m3/m.dia- Profundidade do decantador:A profundidade útil do decantador secundário será hu =3,0 m junto à parede lateral- Alimentação do decantador:A máxima vazão afluente ao decantador será de ~ 208l/s. Será utilizado diâmetro de Ø 500 mm.