Com o objetivo de otimizar o KLa e, consequentemente, aumentar a taxa de transferência
de oxigénio, foram avaliadas várias profundidades de imersão dos rotores de arejamento. Como referido no Capitulo 2, a profundidade de imersão dos rotores de arejamento influência o valor do KLa.
70
Foram selecionadas duas profundidades superiores e duas inferiores. Em ambas, realizou- se análises à concentração de OD ao longo da profundidade do tanque, com o intuito de se verificar se este era suficiente na totalidade do tanque. Torna-se necessário analisar a concentração de OD detalhadamente uma vez que, variando a percentagem de imersão dos rotores de arejamento, há variação deste ao longo de todo o tanque.
De modo a não danificar os rotores de arejamento, o mínimo de imersão testada foi de 15 %. Os resultados da concentração de OD, no ponto ótimo e no ponto crítico, para essa profundidade de imersão são apresentados na Figura 37. Estes foram realizados a uma temperatura de 25,7 °C. Tornou-se irrelevante analisar a concentração de OD quando apenas os geradores de fluxo estão em funcionamento, uma vez que os valores são aproximadamente os mesmos para as várias imersões dos rotores (fase de desnitrificação).
Analisando a Figura 37, verifica-se novamente que a concentração de OD diminui à medida que a profundidade do tanque aumenta. Esta análise é mais notável no ponto ótimo, uma vez que, como referido anteriormente, no ponto crítico a mistura do tanque apresenta maior homogeneidade. O ponto crítico continua a corresponder a uma zona anóxica do tanque. Em relação aos rotores estarem 21 % submersos, no ponto ótimo (Figura 34 A) há um decréscimo acentuado da concentração de OD, tanto utilizando rotores e geradores de fluxo em simultâneo como apenas rotores. Verifica-se também que, a 21 % de imersão, utilizando apenas rotores, atinge-se valores mais elevados da concentração de OD do que utilizando em conjunto rotores e
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0 0,6 1,2 1,8 2,4 OD (mg/L) Profundidade (m)
Figura 37- Representação gráfica da concentração de OD ao longo da profundidade do tanque, a 15 % de imersão dos rotores de arejamento, na ETAR de Água Longa, considerando o sistema rotores e geradores de fluxo no ponto ótimo ( ); rotores e geradores de fluxo no ponto crítico (); apenas rotores no ponto ótimo (); apenas rotores no ponto crítico ().
71
geradores de fluxo a 15 % de imersão dos rotores. A concentração de OD no ponto ótimo não chega a atingir o nível pretendido ao longo de toda a profundidade do tanque, o que leva a concluir que seja necessário maior tempo de arejamento do que quando os rotores se encontravam a 21 % de imersão. Relacionando o ponto crítico a 15 % de imersão com o ponto crítico a 21 % de imersão, verifica-se que há um pequeno decréscimo da concentração de OD. Este não é significativo porque neste ponto (desnitrificação) não é necessário oxigénio.
Posteriormente, foi analisada uma profundidade de imersão intermédia, 18 %, cujas análises foram retiradas a uma temperatura do tanque de 26,1 °C. Os resultados da concentração do OD ao longo da profundidade do tanque para esta imersão dos rotores estão apresentados na Figura 38.
Verifica-se pela Figura 38 que a concentração de OD aumenta em relação aos rotores estarem 15 % submersos (Figura 37). As concentrações de OD atingidas a 18 % de imersão quando são utilizados apenas rotores são da mesma ordem de grandeza das atingidas quando são utilizados rotores e geradores de fluxo em simultâneo a 15 % de imersão. No entanto, estes valores não chegam a atingir as concentrações de OD a 21 % de imersão (Figura 34). Utilizando rotores e geradores de fluxo em simultâneo a 18 % de imersão não se atinge as concentrações de OD utilizando apenas rotores a 21 % de imersão. Sendo assim, a alteração da profundidade de imersão dos rotores de arejamento para 15 % ou 18 % levaria a um aumento do tempo de arejamento. Em
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 0 0,6 1,2 1,8 2,4 OD (mg/L) Profundidade (m)
Figura 38- Representação gráfica da concentração de OD ao longo da profundidade do tanque, a 18 % de imersão dos rotores de arejamento, na ETAR de Água Longa, considerando o sistema rotores e geradores de fluxo no ponto ótimo ( ); rotores e geradores de fluxo no ponto crítico (); apenas rotores no ponto ótimo (); apenas rotores no ponto crítico ().
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relação ao ponto crítico não há alterações significativas, as concentrações de OD continuam a ser muito reduzidas.
Procedeu-se à análise do tanque com os rotores 25 % submersos, cujas análises foram retiradas com o tanque a uma temperatura de 25,4 °C. Assim, torna-se possível analisar o comportamento do tanque após aumento da área de contacto dos rotores com o licor misto. Na Figura 39 está representada a variação da concentração de OD ao longo da profundidade do tanque para essa imersão.
Analisando a Figura 39, observa-se que a concentração de OD aumenta muito em relação às imersões dos rotores analisadas anteriormente. Nesta profundidade de imersão, para ambos os sistemas analisados, é transferido o oxigénio necessário para manter a concentração de OD acima do desejado ao longo de todo o tanque de arejamento. Utilizando apenas rotores observa- se uma concentração de OD muito mais elevada do que utilizando rotores e geradores de fluxo simultaneamente a 21 % de imersão (Figura 34). Verifica-se que no ponto crítico há um aumentou significativo das concentrações de OD, o que leva a concluir que a desnitrificação deixe de ocorrer nesse ponto se o tempo definido para o nível alto de oxigénio não for reduzido. Uma vez que a ETAR não possui obrigações em relação à remoção dos nitratos, não se torna uma preocupação.
De seguida, analisou-se o tanque de arejamento com os rotores 27 % submersos. Esta profundidade de imersão foi a máxima testada neste projeto para não danificar os equipamentos de arejamento. A representação da concentração de OD ao longo da profundidade do tanque de
1 1,5 2 2,5 3 3,5 0 0,6 1,2 1,8 2,4 OD (mg/L) Profundidade (m)
Figura 39- Representação gráfica da concentração de OD ao longo da profundidade do tanque, a 25 % de imersão dos rotores de arejamento, na ETAR de Água Longa, considerando o sistema rotores e geradores de fluxo no ponto ótimo ( ); rotores e geradores de fluxo no ponto crítico (); apenas rotores no ponto ótimo (); apenas rotores no ponto crítico ().
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arejamento está representada na Figura 40. Estas análises foram realizadas com o tanque a uma temperatura de 24,9 °C.
Analisando a Figura 40, observa-se um comportamento idêntico da concentração de OD no tanque de arejamento, ou seja, vai diminuindo ao longo deste. Como observado a 25 % de imersão (Figura 39) no ponto crítico deixa de ocorrer a desnitrificação, passando a ocorrer a nitrificação e remoção da matéria orgânica. Verifica-se um acréscimo da concentração de OD em relação a 25 % de imersão. Não é aconselhado colocar os rotores de arejamento a 27 % de imersão uma vez que se verificou um sobreaquecimento dos rotores, supostamente devido à elevada força que exerciam no licor misto.
Em relação à concentração de OD ao longo da profundidade do tanque de arejamento conclui-se que para ambas as profundidades de imersão analisadas inferiores à inicial seria necessário um aumento do tempo de arejamento. Enquanto para as profundidades de imersão superiores à inicial seria necessário uma redução do tempo de arejamento.
Seguidamente, para as várias profundidades de imersão foi analisada a CL ao longo do tempo a partir do momento em que o tanque inicia o arejamento (Figura 41). As temperaturas em que os ensaios foram realizados correspondem às temperaturas dos ensaios realizados para a concentração de OD ao longo da profundidade do tanque.
Este estudo foi realizado até a concentração de OD no licor misto atingir 1,5 mg/L, para não prejudicar o funcionamento da ETAR.
1 1,5 2 2,5 3 3,5 0 0,6 1,2 1,8 2,4 OD (mg/L) Profundidade (m)
Figura 40- Representação gráfica da concentração de OD ao longo da profundidade do tanque, a 27 % de imersão dos rotores de arejamento, na ETAR de Água Longa, considerando o sistema rotores e geradores de fluxo no ponto ótimo ( ); rotores e geradores de fluxo no ponto crítico (); apenas rotores no ponto ótimo (); apenas rotores no ponto crítico ().
74 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 0 10 20 30 40 50 60 70 80 CL (mg/L) Tempo (s) A 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 CL (mg/L) Tempo (s) B 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 CL (mg/L) Tempo (s) C 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 CL (mg/L) Tempo (s) D
Figura 41- Representação gráfica da CL ao longo do tempo no tanque de arejamento, considerando o sistema rotores e geradores de fluxo ( ) e apenas rotores (), para diferentes imersões dos rotores de arejamento: 27 % (A); 25 % (B); 18 % (C) e 15 % (D).
75
Analisando a Figura 41, verifica-se um aumento da concentração de OD a partir do momento em que o tanque inicia o arejamento. Para as profundidades de imersão testadas não se verificam diferenças significativas na concentração de OD utilizando rotores e geradores de fluxo em simultâneo como apenas rotores. A 18 % de imersão, quando se utiliza apenas rotores a subida da concentração de OD a partir dos 20 segundos tem um crescimento diferente do que quando se utiliza rotores e geradores de fluxo em simultâneo. Esto fenómeno pode dever-se à presença de uma bolha de água no sensor de oxigénio, pois aos 80 segundos volta a ter um comportamento semelhante. Assim, utilizando rotores e geradores de fluxo em conjunto ou apenas rotores na etapa 2, para cada profundidade de imersão, o tempo necessário para atingir a concentração de OD no licor misto para a ETAR em estudo (1 mg/L) seria próximo. Isto leva a concluir que, para estas profundidades de imersão, seria relevante não utilizar os geradores de fluxo na etapa 2. Colocar os rotores a 27 % de imersão provocou muita turbulência no licor misto, não se tornando muito precisa a medição da CL no licor misto. Pela Figura 41, verifica-se que quanto mais elevada é a imersão dos rotores de arejamento no licor misto, mais rápida é atingida essa concentração. A representação da CL ao longo do tempo auxilia na determinação do KLa para cada
sistema em análise. Na Tabela 25 estão representados os valores do KLa para os dois sistemas
analisados e para ambas as profundidades de imersão dos rotores de arejamento. Visto que as medições foram realizadas a diferentes temperaturas e este é um parâmetro que interfere no KLa,
foi realizado o ajuste deste valor, ou seja, determinado o KLa a 20 °C para ambas as medições.
Tabela 25- Valores do KLa20 utilizando rotores e geradores de fluxo e utilizando apenas rotores na fase 2, para as
várias profundidades de imersão.
KLa20 (min-1)
Profundidade de imersão (%) Rotores e geradores de fluxo Rotores
27 1,99 1,73
25 1,81 1,65
21 1,60 1,31
18 1,23 0,98
15 0,96 0,89
Analisando a Tabela 25, verifica-se um aumento do valor do KLa à medida que se aumenta
a profundidade de imersão dos rotores de arejamento. Isto deve-se ao aumento da área de contacto dos rotores com o licor misto. Este também aumenta com a utilização de geradores de fluxo na etapa 2, devido ao aumento da turbulência provocada no licor misto. Quando os rotores
76
estão 15 % submersos, a diferença do KLa entre os dois sistemas é muito reduzida, uma vez que
não provoca muito movimento no tanque, devido à pequena área de contacto com o licor misto. De modo a verificar se é possível a utilização das profundidades de imersão testadas sem que estas provoquem agitação insuficiente no licor misto, foi analisada a percentagem de MS para cada uma destas. Uma vez que se verificou que o tanque de arejamento é considerado homogéneo ao longo da sua profundidade, apenas foi analisada a percentagem de MS à superfície do tanque. Esta análise está representada na Figura 42, referente ao ponto ótimo e ao ponto crítico.
A análise da Figura 42 permite verificar que a percentagem de MS diminui à medida que se aumenta a imersão dos rotores de arejamento. Isto acontece uma vez que, para os rotores estarem mais submersos, é aumentada a altura do licor misto no tanque, provocando um aumento do volume de efluente no tanque sem se alterar a concentração de lamas que está no tanque. Esta alteração têm pouco influência no sistema, não sendo significativa. Para as várias imersões dos rotores analisadas, a concentração de ST presente é suficiente, uma vez que se encontra acima dos 3 500 mg/L. 0,32 0,34 0,36 0,38 0,4 0,42 0,44 15 18 21 25 27 MS (%) % de Imersão A A 0,32 0,34 0,36 0,38 0,4 0,42 0,44 0,46 15 18 21 25 27 MS (%) % de Imersão B
Figura 42- Representação gráfica da MS para as várias profundidades de imersão dos rotores de arejamento, na ETAR de Água Longa, considerando o sistema rotores e geradores de fluxo ( ); apenas rotores () e apenas geradores de fluxo () para o ponto ótimo (A) e crítico (B).
77
Conclui-se que, em relação à concentração de ST, pode-se optar tanto pela utilização de rotores e geradores de fluxo em simultâneo como pela utilização de apenas rotores para ambas as profundidades de imersão, não interferindo isso na homogeneidade do tanque.
O consumo energético dos equipamentos vária consoante a percentagem que estes estão submersos. Este deve ser relacionado com o KLa, pois como já referido, deve ser estabelecida uma
relação entre a transferência de oxigénio e a energia consumida. A variação do consumo energético e do KLa com a profundidade de imersão está apresentada na Figura 43.
Através da análise da Figura 43, verifica-se que à medida que se aumenta a profundidade de imersão dos rotores de arejamento, o consumo energético aumenta. Isto acontece uma vez que quanto mais os rotores estão submersos no licor misto mais força exercem para o movimentar. Averigua-se também, como anteriormente, que utilizando rotores e geradores de fluxo em conjunto obtém-se um consumo energético superior, pois estão ambos os equipamentos a consumir energia (consultar anexo VI). Conclui-se que, nas condições testadas, um KLa superior
implica um consumo energético superior. Isto acontece uma vez que este aumenta com o aumento da profundidade de imersão dos rotores, que provoca aumento do consumo energético.
O KLa mais elevado foi obtido a 27 % de imersão, contudo esta profundidade de imersão
não é aconselhada, como referido anteriormente. Uma profundidade de imersão inferior à inicial utilizando apenas rotores leva a uma diminuição brusca do KLa. Nestas, utilizando rotores e
geradores de fluxo em simultâneo observa-se que o consumo energético é superior ao consumo
0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 0 5 10 15 20 25 30 35 15 18 21 25 27 KLa (min-1) Energia (kW) % de imersão
Rotores e geradores de fluxo (min-1) Rotores (min-1)
Rotores e geradores de fluxo (kW) Rotores (kW)
Figura 43- Representação gráfica da variação do consumo energético e do KLa para as várias profundidades de
78
energético inicial, ou seja, utilizando apenas rotores a 21 % de imersão, e possuem um KLa inferior.
Sendo assim, não é aconselhado utilizar os rotores de arejamento a 15 e a 18 % de imersão. Para otimizar o processo de tratamento, a percentagem de imersão ótima selecionada foi de 25 %. Foi selecionado o sistema que utiliza apenas rotores, pois o aumento do consumo energético utilizando rotores e geradores de fluxo em simultâneo não compensa o aumento do KLa. Como já referido, a esta profundidade de imersão, o tempo necessário para atingir o nível de
oxigénio pretendido para a ETAR em estudo é muito próximo para ambos os sistemas (Figura 41). Alterando o sistema para esta profundidade de imersão e utilizando apenas rotores, há um aumento considerável do KLa, compensando o aumento do consumo energético.
5.2. ETAR de Penices
5.2.1. Análise ao funcionamento da ETAR
Do mesmo modo que a ETAR de Água Longa, efetuou-se uma recolha de informação dos parâmetros da água residual afluente à ETAR de Penices, uma vez que também houve uma alteração das suas características afluentes previstas no projeto de execução. Os parâmetros analisados consistem em registos de caudal (Figura 44) e carga afluente (Figura 45) durante o período de agosto de 2014 a julho de 2015.
Ao analisar a Figura 44, verifica-se que há variação de caudal afluente nas diferentes épocas do ano. O caudal mais elevado corresponde aos períodos de inverno e o mais reduzido
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Caudal (m3/dia)
Wetawash Porminho Doméstico Total
79
aos períodos de verão. Esta variação de caudal deve-se principalmente ao caudal doméstico, pois além de corresponder ao caudal afluente mais elevado da ETAR (corresponde a cerca de 90 % do caudal afluente), é o que apresenta a variação mais drástica ao longo do ano. São várias as causas que podem justificar este fenómeno, como infiltrações nos sistemas de drenagem que se agravam em períodos de precipitação elevada. O aumento de caudal no mês de outubro e de novembro eventualmente está relacionado com a intensa precipitação que ocorreu nesses meses (Tabela 13 do anexo IV).
Comparando os dados atuais com os previstos no projeto de excussão verifica-se que apenas a indústria Porminho passou a descarregar na ETAR. No entanto, uma nova indústria, a Wetawash, não prevista no projeto de excussão passou a descarregar na ETAR com uma licença de descarga de um caudal médio mensal de 17 600 m3 e uma CBO
5 no efluente de 500 mg/L. O
caudal afluente de ambas as indústrias não chega a atingir o caudal estipulado na licença de cada uma. Cada indústria descarrega, aproximadamente, 75 m3/dia, não se verificando variações ao
longo do ano.
O caudal afluente total não chega a atingir o caudal médio diário estipulado no dimensionamento da ETAR. Esta foi dimensionada para tratar 6 210 m3/dia, no ano HP, contudo,
durante este período de análise, registou-se um caudal médio diário de, aproximadamente, 2 000 m3/dia, ou seja, 3 vezes menor (consultar Tabela 5 do anexo III). Verifica-se que a ETAR
dispõe de capacidade ociosa, pois esta a tratar um caudal inferior para o que foi dimensionada. Num laboratório externo à ETAR de Penices são realizadas análises semanais ao afluente e ao efluente. A caracterização do afluente está representada na Figura 45.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 NT, PT (mg/L) CQO, CBO5, SST (mg/L) CQO CBO5 SST PT NT
Figura 45- Dados semanais das características do afluente da ETAR de Penices no período de agosto de 2014 a julho de 2015.
80
Através da análise da Figura 45 observa-se que as concentrações dos parâmetros CBO5,
SST, CQO e NT apresentam variação significativa ao longo do ano, enquanto a concentração de PT
mantém-se praticamente constante (consultar Tabela 7 do anexo III). Apesar do caudal ser praticamente doméstico, do mesmo modo do que a ETAR de Água Longa, realizando a comparação com os valores de uma água residual doméstica típica, verifica-se que as concentrações da CBO5 e da CQO são consideravelmente mais elevadas, o que se deve à presença
de matéria industrial.
Para simplificar a interpretação dos dados e a comparação com os dados do projeto de excussão da ETAR em estudo, na Tabela 26 estão representadas as características médias afluentes (em kg/dia) dos parâmetros analisados anteriormente referentes a agosto de 2014 a julho de 2015.
Tabela 26- Condições médias de afluência da ETAR de Penices de agosto de 2014 a julho de 2015
Parâmetro Ano 2014/2015 Caudal (m3/dia) 2 000 SST (kg/dia) 1 237 CBO5 (kg/dia) 1 308 CQO (kg/dia) 2 227 NT (kg/dia) 173 PT (kg/dia) 17
Comparando a Tabela 26 com Tabela 15, verifica-se que todas as cargas mássicas dos parâmetros analisados são inferiores ao previsto no projeto de dimensionamento. Como acontece na ETAR de Água Longa, visto que a concentração de CBO5 e de NT têm valores inferiores ao
previsto, torna-se necessário reavaliar este processo para conhecer as necessidades atuais de oxigénio.
De modo a verificar se o subsistema em análise proporciona o devido tratamento à água residual, na Figura 46 está representada a caracterização do efluente. Com este gráfico é possível verificar se a licença de descarga é cumprida.
81
Analisando a Figura 46, verifica-se que as concentrações de todos os parâmetros diminuem com o tratamento efetuado, até concentrações que cumprem os requisitos de descarga. O tratamento aplicado é suficiente para a ETAR em questão.
Foi analisada a variação da temperatura do tanque de arejamento ao longo do período de análise, ou seja, de agosto de 2014 a julho de 2015 (Figura 47).
Analisando a Figura 47, observa-se que ao longo do ano a temperatura varia de, aproximadamente, 13 a 30 °C, conforme as estações do ano. A temperatura média é de, aproximadamente, 21 °C (consultar Tabela 9 do anexo III).
Uma vez que se verificou alteração das características afluentes em relação ao previsto no projeto de execução e de modo a facilitar o manuseamento do tanque de arejamento, foram
0 5 10 15 20 25 30 35 Temperatura (ºC)
Figura 47- Variação da temperatura do tanque de arejamento da ETAR de Penices de agosto de 2014 a julho de 2015. 0 20 40 60 80 0 20 40 60 80 100 120 NT, PT (mg/L) CQO, CBO5, SST (mg/L) CQO CBO5 SST PT NT
Figura 46- Dados semanais das características do efluente da ETAR de Penices no período de agosto de 2014 a julho de 2015.
82
calculadas as necessidades atuais de oxigénio. Na Tabela 27 estão representadas as necessidades atuais de oxigénio para diferentes gamas de CBO5 e temperaturas, escolhidas consoante as
variações que ocorrem ao longo do ano.
Tabela 27- Necessidades de oxigénio para diferentes valores de CBO5 e temperatura, na ETAR de Penices
O2 necessário (kg/dia) Temperatura (°C) CBO5 (mg/L) 15 20 25 30 400 1297 1332 1364 1393 600 1720 1773 1822 1866 800 2144 2215 2280 2339 1000 2568 2656 2737 2812
Analisando a Tabela 27, verifica-se, novamente, que a necessidade de oxigénio aumenta com a temperatura e com o aumento da concentração de CBO5 (fenómenos explicados no
subcapítulo 5.1.1). Sendo assim, conclui-se que é necessário fornecer maior quantidade de oxigénio nos períodos de verão.
De modo a comparar o oxigénio que é necessário fornecer ao sistema previsto no dimensionamento do projeto (Tabela 16) com o oxigénio necessário nas condições atuais, calculou-se a necessidade de oxigénio para uma CBO5 de 900 mg/L (correspondente à média no
período de análise), a uma temperatura de 15 °C. Nestas condições é necessário, aproximadamente, 2 356 kg/dia de O2. Em comparação com o projeto de excussão, a necessidade
de oxigénio reduziu cerca de 50 %, consequência das cargas poluentes estarem abaixo do previsto.