Proposição de melhorias na operação de ssitemas de tratamento de esgotos sanitários de lodos ativados mediante aeração prolongada na ETE Manguinhos

Abstract

Resumo: O setor de tratamento de esgotos no Brasil tem cobertura de apenas 46%, caracterizando um cenário precário e desafiador. Dentre os métodos de tratamento de esgotos sanitários, destacam-se os sistemas de lodos ativados por possuírem inúmeras vantagens frente ao cenário brasileiro. O sistema de lodos ativados por aeração prolongada consiste em um tanque anóxico e de aeração, um decantador secundário e duas elevatórias, uma para recirculação interna e outra para recirculação de lodo secundário. Este trabalho teve o propósito de identificar uma ETE que opere no Brasil por sistema de lodos ativados por aeração prolongada e possuísse dados operacionais consistentes, para que fosse possível caracterizar parâmetros indicativos de qualidade de esgoto bruto e tratado, modelar, calibrar, validar e simular hidraulicamente o sistema de lodos ativados por aeração prolongada existente utilizando o modelo ASM1 e propor melhorias nos processos hidráulicos. O estudo consistiu em identificar e caracterizar a ETE escolhida, coletar os dados de esgoto na entrada e saída do reator da ETE mensalmente entre os períodos de janeiro a setembro de 2019 e com base nos dados coletados e de geometria do sistema, modelá-la, utilizando o ASM1, calibrá-lo, validá-lo e simulado no software Stoat WRc e por fim, foram propostas melhorias em processos hidráulicos. Com base nessas informações, a ETE escolhida foi a Manguinhos, localizada no município de Serra/ES, pois foi a estação de tratamento que se adequou com as necessidades do estudo. A vazão média constatada foi de 66,99 L.s-1, opera dentro da faixa projetada (111 L.s-1), além disso, os resultados das análises coletadas indicaram a eficiência média de remoção de DBO5 e DQO no período de janeiro a setembro de 2019, 81,59 e 77,95%, respectivamente. A nitrificação e a desnitrificação não ocorreram adequadamente. Com o modelo calibrado e validado, foi possível representar a ETE no software, em que o processo de calibração do modelo resultou em 8 (dos 25) coeficientes cinéticos fora do intervalo obtido pela literatura. A validação do modelo foi atingida satisfatoriamente resultando em uma diferença média de 2,22% dos dados modelados com os dados observados. Verificou-se que os decantadores operavam sobrecarregados, havendo perda significativa de sólidos devido a erro de projeto, pois o dimensionamento do sistema biológico foi feito utilizando-se uma cinética em que considerava toda a biomassa volátil como biodegradável, resultando em uma capacidade de carga biológica menor (1689 kg DBO5.dia-1) do que prevista em projeto (2829 kg DBO5.dia-1) e atualmente a carga média de DBO5 é de 1812 kg DBO5.dia-1, operando acima da capacidade prevista. Por meio da simulação, constatou-se a necessidade da ampliação do reator de lodos ativados em 900m³, dois novos decantadores secundários, melhorias no sistema de recirculação e aeração. Foram propostas, portanto, a ampliação do reator de 5.248 m³ para 6148 m³, sendo estes ampliados onde são atualmente os decantadores secundários; dois novos decantadores secundários circulares de 1881 m³ cada e total de 3761 m³; ampliação da capacidade de bombeamento da elevatória de lodo secundário de 94 L.s-1 para 141 L.s-1, 5 novos aeradores, totalizando 24 aeradores, sendo que são 9 existentes em um reator e 10 aeradores em outro, assim 12 em cada tanque. Após a proposição de melhorias, a eficiência global do sistema de lodos ativados da ETE Manguinhos esperada para remoção de matéria biológica e nitrogenada foi de 91,14% e 73,42%, respectivamente.

Abstract: In Brazil only 46% of sewage are in fact treated, characterizing a precarious and challenging scenario related to sewage treatment sector. Among the sewage treatment methods, stand out the activated sludge systems for several advantages in relation to the Brazilian scenario. The activated sludge system comprises of an aeration tank, a secondary settler and two sewage pumps, one for internal recirculation and secondary sludge recirculation. This thesis aimed to identify a WWTP that operates in Brazil by a system of sludge activated by prolonged aeration and has consistent operational data, to characterize parameters indicative of the quality of raw and treated sewage, to hydraulically simulate the existing sludge system activated by prolonged aeration using ASM1 model to propose improvements in the hydraulic processes and evaluate it through hydraulic simulation of the proposed system. The study consisted of identifying the WWTP chosen in this study, collecting the sewage data at the entrance and exit of the WWTP reactor monthly between the periods from January to September 2019 and based on the collected data and geometry of the reactor, modeling it using ASM1 which was calibrated, validated and simulated in the Stoat WRc software and, finally, improvements in hydraulic processes were proposed. The Manguinhos WWTP, located in the municipality of Serra/ES was the treatment plant that was adapted to the needs of the study. It was found that the average flow of 66,99 L/s operates within the projected range (111 L/s), in addition, the results of the collected analyzes indicated the average efficiency of removal of BOD5 and COD in the period from January to September 2019, 81,59 and 77,95%, respectively. Nitrification and denitrification do not occur properly. With the model calibrated and validated, it was possible to represent WWTP in the software, in which the model calibration process resulted in 8 (out of 25) kinetic coefficients outside the range recommended by the literature. The validation of the model was achieved satisfactorily, resulting in an average difference of 2.22% of the modeled data with the observed data. It was found that the secondary settlers operated overloaded with significant loss of solids due to design error, as the sizing of the biological system was done using a kinetics in which the entire volatile biomass was considered biodegradable, resulting in a lower biological load capacity (1.689 kg BOD5/day) than planned in the project (2.829 kg BOD5/day) and currently the average load of BOD5 is 1.812 kg BOD5/day, operating above the expected capacity. Through the simulation, there was a need to expand the activated sludge reactor by 900m³, two new secondary settlers, improvements in the recirculation and aeration system. Therefore, it was proposed to expand the reactor from 5.248 m³ to 6.148 m³; two new circular secondary settlers of 1.881 m³ each and a total of 3.761 m³; expansion of the secondary sludge pumping capacity from 94 L/s to 141 L/s, 5 new aerators totaling 24 aerators, 12 in each tank. After proposing improvements, the overall efficiency of the activated sludge system at the Manguinhos WWTP expected for removal of biological and nitrogenous matter was 91,14% and 73,42%, respectively.