Avaliação e aplicação de simulações matemáticas para definição de regime hidráulico e constantes cinéticas de remoção de matéria orgânica em reatores de tratamento de esgoto sanitário

Abstract

Resumo: As deficiências nos serviços de saneamento no Brasil frequentemente são ressaltadas devido ao baixo percentual de cobertura por rede coletora de esgoto. Além disso, alguns autores têm mostrado que mesmo nos locais onde o esgoto é coletado e tratado, os sistemas de tratamento nem sempre atingem os níveis esperados de eficiência, por vezes devido a problemas de ordem hidráulica. Por isso, quando do projeto de novos reatores ou busca por otimização daqueles já existentes, deve-se buscar adotar regimes hidráulicos e constantes cinéticas de degradação de matéria orgânica realistas. O presente trabalho teve como objetivo avaliar e aplicar as simulações matemáticas para obtenção desses parâmetros de projeto, a partir dos dados de sistemas em operação. Para tanto, foi adotado o parâmetro estatístico Erro Percentual da Estimativa e foi elaborado um programa computacional para realização das rotinas de cálculo, o qual foi usado para simulação do comportamento de dez reatores de tratamento de esgotos domésticos já estudados por outros autores, de diferentes tipos (Filtro Biológico Percolador, Filtro Biológico Aerado Submerso, Filtro Anaeróbio, UASB, Wetland, e Lagoas Anaeróbia, Aerada e Facultativa). Verificou-se que o tipo de resposta, em termos de regime hidráulico e constante cinética, teve mais influência do TDH e eficiência de remoção dos reatores do que diretamente do tipo de biodegradação – aeróbia ou anaeróbia. De uma forma geral, o k resultante das simulações aumentou à medida que diminuiu o valor de TDH e, à exceção do UASB, todos os k’s foram maiores para a DQO que para a DBO. Posteriormente, foram dimensionados reatores hipotéticos com base nos resultados das simulações do UASB, lagoa aerada e lagoa facultativa. Quando comparados os resultados, em termos de volume, com os reatores originais e com os volumes calculados por outros métodos, foram verificadas diferenças significativas. Com vistas à análise de sensibilidade das simulações, o uso de valores decimais ou inteiros de concentração não influenciou nos resultados. Já o uso de médias mensais ao invés de dados diários, nos casos analisados, resultou nos mesmos regimes hidráulicos mas constantes cinéticas diferindo em até 0,1 dia^-1. Nas simulações realizadas com TDH constante, a tendência é que os erros percentuais convirjam para o mesmo valor à medida que há maior precisão da constante k; o mesmo não foi observado com TDH variável. No entanto, a adoção de TDH constante não invalida os resultados das simulações e pode dar boas indicações a respeito do regime hidráulico e constante k.

Abstract: The deficiencies in the sanitation services in Brazil are frequently emphasized due to the low percentage of the population served by sewer collection systems. Beyond this, some authors have been showing that even where the sewage is collected and treated, the treatment systems not always reach the expected efficiency levels, sometimes due to poor hydraulic conditions. Hence, when a reactor is developed or optimized, it’s necessary to adopt the most realistic regimes and reaction rate coefficient (k) possible. This study had the purpose of testing and applying mathematical simulations as a tool for achieving these project parameters using data of reactors in operation. Therefore, it has been adopted the statistical parameter Standard Error of Estimate, and a computational algorithm has been developed to run the alculations. The algorithm has been used for the simulation of ten domestic wastewater treatment reactors of different types already studied by other authors (Trickling Filters, Submerged Biological Aerated Filter, Anaerobic Filter, UASB, Wetland and Anaerobic, Aerated and Facultative Ponds). It has been noticed that the kind of result, in terms of hydraulic regime and reaction rate coefficient, was influenced more by the Hydraulic Retention Time (HRT) and removal efficiency of the reactors than directly by the kind of biodegradation – aerobic or anaerobic. In a general way, the resulted value of k increased with the decrease in the HRT. Except by the UASB responses, all the k’s for COD were larger than for BOD. A second step in the study was to dimension hypothetical reactors (UASB, aerated pond and facultative pond) based on the results of the simulations. When the results were compared, in terms of volume, with the original reactors and with the volumes calculated by other methods, significant differences were noticed. As a art of the sensitivity analysis of the methodology adopted in the study, it has been concluded that there is no difference between the results obtained with the simulations using integer concentration values and the ones using decimal values. In the cases analyzed, the simulations run with monthly average values, instead of daily ones, have resulted in the same hydraulic regimes and the differences in k values were up to 0,1 day^-1. In the simulations adopting constant HRT, the errors obtained for the different regimes tended to converge to a same value as the precision of k increased; this was not observed with variable HRT. Even so, the adoption of a constant HRT does not invalidate the simulations results, and may give good approximations regarding the hydraulic regime and constant k.