O processo de lodo ativado: quatro decisões que dimensionam o tanque

O que o processo de lodo ativado remove

O processo de lodo ativado é o estágio biológico usado na maioria do esgoto municipal e em boa parte da água residuária industrial. Três partes o sustentam: um tanque de aeração, onde a vazão é misturada a uma cultura suspensa de microrganismos; um decantador, onde essa cultura sedimenta e sai da água tratada; e uma linha de retorno que leva o lodo sedimentado de volta ao tanque.

Essa população faz dois trabalhos: oxida a matéria orgânica biodegradável que os números de DBO e DQO descrevem e, onde o lodo é retido tempo suficiente, oxida a amônia a nitrato. A nitrificação é o que faz da idade do lodo uma decisão de projeto, e não um número de manutenção. Um terceiro trabalho, transformar nitrato em nitrogênio gasoso, precisa de uma zona sem oxigênio dissolvido, e é tratado no artigo sobre A²/O.

As quatro decisões abaixo são os botões de projeto dessa cultura, e não são independentes: cada uma escreve o mesmo balanço de massa, e é por isso que fixar uma isoladamente produz um tanque pequeno demais, com aeração insuficiente ou incapaz de reter seus próprios sólidos.

Decisão um: a idade do lodo

A idade do lodo é o tempo médio que uma partícula de sólidos passa no sistema: a massa de sólidos retida no tanque de aeração e no decantador dividida pela massa retirada a cada dia, em dias. Ela também é chamada de tempo de retenção de sólidos, ou TRS.

É o botão que decide a maior parte do resto. Uma idade curta mantém a cultura jovem e de crescimento rápido: mais lodo excedente e nenhum tempo para estabelecer os organismos de crescimento mais lento. Os nitrificantes crescem mais devagar que os organismos que removem matéria orgânica, então uma estação que precisa nitrificar tem de reter seu lodo tempo suficiente para que eles sejam mantidos, e não lavados; a idade necessária sobe conforme a água esfria.

Números comumente citados colocam o lodo ativado convencional em cerca de 5 a 15 dias e a aeração prolongada em cerca de 20 a 30 dias. Essas faixas descrevem a prática comum, e não a sua água, e devem ser lidas como um método de partida, e não como uma especificação. A idade de que uma estação precisa decorre da exigência de efluente — se a amônia precisa ser oxidada e em que temperatura de inverno — e de quão bem o lodo sedimenta.

Como determiná-la: parta do padrão de lançamento para o organismo mais lento que a estação precisa reter na água mais fria que vai encontrar, e depois confirme na estação em operação, onde os sólidos do licor misto e o lodo descartado a cada dia dão a idade efetivamente praticada.

Decisão dois: a relação alimento/microrganismo

A relação alimento/microrganismo, escrita A/M em quase todo lugar, é a massa de alimento que chega a cada dia dividida pela massa de organismos mantida para consumi-lo: DBO, ocasionalmente DQO, sobre sólidos suspensos do licor misto, em quilogramas de DBO por quilograma de sólidos suspensos do licor misto por dia.

A A/M e a idade do lodo são o mesmo botão visto de dois lados: retenha mais lodo contra a mesma carga e a relação cai, descarte mais lodo e ela sobe. Uma relação alta favorece crescimento rápido, floco volumoso e mais lodo excedente; uma relação baixa significa alimento escasso, crescimento mais lento, cultura mais estável e nitrificação mais fácil de manter, até o floco se tornar puntiforme e lento para sedimentar.

Números de partida frequentemente citados para uma estação convencional ficam em torno de 0.2 a 0.4 kg de DBO por kg de sólidos suspensos do licor misto por dia, com a aeração prolongada mais baixa, da ordem de 0.05 a 0.15. Leia-os como um método de partida, e não como uma especificação: a carga na relação é o seu afluente, e não um afluente típico.

Como determiná-la: a relação raramente é um ponto de ajuste por si só. Ela é calculada a partir da carga de projeto e da concentração de sólidos que o tanque vai manter, e conferida no registro de operação — vazão e DBO do afluente com os sólidos suspensos do licor misto. Onde a análise do afluente é incerta, o gráfico de qualidade do afluente de projeto mostra quais números merecem confiança.

Decisão três: a taxa de retorno de lodo ativado

A taxa de retorno é a vazão de lodo sedimentado bombeada do fundo do decantador de volta ao tanque de aeração, normalmente declarada como uma razão em relação à vazão afluente. Sem ela, os organismos que fazem o trabalho saem com o lodo de descarte e a população no tanque de aeração cai até o processo falhar.

A taxa define duas coisas ao mesmo tempo: os sólidos suspensos do licor misto com que o tanque de aeração opera, porque o lodo retornado para um dado volume define esse número, e a carga hidráulica sobre o decantador, porque cada litro retornado passa por ele duas vezes. Retorne pouco e o manto de lodo sobe até sólidos saírem com o efluente; retorne muito e o decantador fica sobrecarregado, o que arrasta o manto para fora com a mesma eficácia.

A taxa decorre da concentração de sólidos de que o tanque precisa e da concentração do lodo que está sendo retornado, e a segunda é uma propriedade do lodo, e não da bomba. A sedimentabilidade é medida pelo índice volumétrico de lodo, e um lodo que sedimenta bem pode ser retornado em uma taxa menor. Taxas da ordem de 0.5 a 1 vez a vazão afluente são comumente citadas para uma estação convencional, e a taxa precisa acompanhar o lodo que a estação de fato produz.

Uma linha vale traçar aqui: a linha de lodo de retorno não é a recirculação interna que leva licor nitrificado a uma zona anóxica. As duas são chamadas de recirculação, e fazem coisas opostas — uma retorna a cultura, a outra retorna nitrato.

Decisão quatro: o tanque de aeração

O tanque de aeração é onde as três primeiras decisões se tornam concretas. Seu volume é a massa de sólidos que a estação precisa manter, definida pela idade do lodo e pela carga, dividida pela concentração de sólidos suspensos do licor misto com que o tanque vai operar. Duas consequências decorrem disso e, de outro modo, pareceriam regras práticas: uma concentração de licor misto mais alta permite tratar a mesma carga em um tanque menor, e uma idade de lodo mais longa com concentração fixa exige um tanque maior.

O volume é só metade da decisão. O tanque também precisa entregar oxigênio, e a demanda tem duas partes: a parte carbonácea, que segue a carga orgânica de fato oxidada, e a parte nitrogenada, que aparece quando a estação nitrifica. Oxidar amônia a nitrato consome uma quantidade fixa de oxigênio por quilograma de nitrogênio, da ordem de 4.57 kg. Uma estação à qual se pede nitrificação precisa, portanto, de mais ar do que só a remoção de carbono exigiria.

Números de licor misto comumente citados são da ordem de 2000 a 4000 mg/L para lodo ativado convencional e de 3000 a 6000 mg/L para aeração prolongada. Leia-os como um método de partida, e não como uma especificação: a concentração que o seu decantador consegue manter sem perder sólidos é o limite real, e ela é determinada na estação, e não em uma tabela.

Como determiná-lo: a demanda de oxigênio vem da carga removida e do nitrogênio oxidado, e depois da eficiência de transferência dos difusores na profundidade daquela bacia, que é específica do equipamento.

Por que as quatro se movem juntas

Uma mudança em qualquer uma das quatro chega às outras três:

• Aumente a idade do lodo e o tanque terá de reter mais sólidos, em uma concentração de licor misto mais alta ou em um volume maior.
• Aumente a concentração do licor misto e a taxa de retorno sobe com ela, o que carrega o decantador com mais força.
• Baixe a relação alimento/microrganismo e a remoção de matéria orgânica se torna mais completa, mas a demanda de nitrificação aparece e a necessidade de ar pode subir.
• Empurre qualquer uma das três além do que o lodo consegue sedimentar, e os sólidos saem pelo vertedouro, diga o que disser o desenho.

A ordem do trabalho decorre disso: a exigência de efluente fixa a idade do lodo, a idade do lodo e a carga fixam a massa de sólidos, o decantador fixa a concentração que consegue manter, e a massa com a concentração fixa o volume.

Erros comuns

• Dimensionar o tanque apenas pelo tempo de residência, quando dois tanques com o mesmo tempo de detenção retêm quantidades muito diferentes de biomassa.
• Fixar uma idade de lodo que serve aos nitrificantes na temperatura de verão, quando a idade mínima de nitrificação sobe conforme a água esfria.
• Tratar o retorno de lodo como uma escolha de bomba.
• Ler a relação apenas da carga de projeto, quando o registro de operação é a medição.
• Presumir que a estação vai operar na concentração de licor misto de projeto quando o decantador não consegue mantê-la.
• Deixar o decantador fora do cálculo: sua área superficial define o teto da concentração que a linha consegue carregar.
• Copiar uma idade de lodo de uma estação sobre outra água, quando idade, concentração e sedimentabilidade andam juntas.

Autoverificação antes de os números serem fixados

• A exigência de efluente está escrita como o que precisa ser removido — matéria orgânica, amônia, nitrogênio, fósforo —, e não como um nome de processo?
• A temperatura de projeto é a mais fria em que a estação vai operar?
• A idade do lodo está definida a partir do organismo mais lento que a estação precisa reter nessa temperatura?
• A concentração do licor misto é uma que o decantador consegue manter, verificada contra o índice volumétrico de lodo esperado?
• A taxa de retorno de lodo ativado foi derivada da concentração alvo e da concentração do lodo de retorno?
• A relação alimento/microrganismo foi calculada a partir da carga de projeto e do licor misto que o tanque de fato vai manter?
• A demanda de oxigênio foi construída a partir da carga de carbono e da carga de nitrogênio separadamente?
• A produção de lodo excedente foi estimada, para que a carga de descarte e de desidratação seja conhecida?
• O tanque de aeração foi dimensionado a partir da massa de sólidos e da concentração em conjunto, e não de um tempo de residência?

De quatro números a um tanque de aeração

As quatro decisões terminam em um volume, uma concentração e uma demanda de ar. O gráfico de volume de tanque e TDH transforma um tempo de detenção em volume de bacia, e o guia de seleção e dimensionamento percorre o mesmo terreno a partir da vazão de projeto e do padrão de lançamento. Onde a carga é pequena o bastante para ser construída como um pacote único, a página de equipamentos MBR integrados cobre a versão com membrana do mesmo processo. Quanto da sua carga uma única unidade cobre é confirmado com a fábrica para a sua vazão de projeto, a sua análise de afluente e o seu padrão de lançamento, e não presumido de uma tabela.