Aulas de Tratamento de Águas Residuárias e Tratamento de Efluentes. Aulas não revisadas. Vários autores.

1. TRATAMENTO DE ÁGUAS
RESIDUÁRIAS
Aula 5 - Princípios de aeração

2. Princípios de aeração
A aeração é uma operação unitária de fundamental
importância em um grande número de processos
aeróbios de tratamento de esgoto. Desde que o
líquido esteja deficiente de um gás (oxigênio), há uma
tendência natural do gás passar da fase gasosa, onde
se encontra em quantidade satisfatória para fase
líquida, onde esta deficiente. O oxigênio é um gás que
se dissolve mal no meio líquido. Por esta razão, há em
vários sistemas a necessidade de se acelerar o
processo natural, de forma a que o fornecimento de
oxigênio possa se dar em uma taxa mais elevada
equivalente a taxa do seu consumo pelas bactérias.

3. Princípios de aeração
Entre os processos de tratamento de esgotos a
utilizarem a aeração artificial encontram-se as
lagoas, os lodos ativados e suas variantes, os
biofiltros aerados e alguns outros processos mais
específicos. Dentre os processos de tratamento do
lodo, a digestão aeróbia utiliza também aeração
artificial.

4. Princípios de aeração

Há duas formas principais de se produzir aeração
artificial:
•Introduzir
ar
ou
oxigênio no líquido
(aeração
por
ar
difuso)

5. Princípios de aeração
•
Causar
um
grande
turbilhonamento, expondo o
líquido na forma de gotículas,
ao ar, e ocasionando a
entrada do ar atmosférico no
meio
líquido
(aeração
superficial ou mecânica)

6. Princípios de aeração
Quando um líquido é exposto a um gás, ocorre um
contínuo intercâmbio de moléculas da fase
líquida para a fase gasosa e vice e versa. O
equilíbrio dinâmico esta associado à concentração
de saturação do gás na fase líquida.

7. Fundamentos de transferência de
gases
A
concentração de saturação é diretamente
proporcional à concentração na fase gasosa. O
coeficiente KD é denominado coeficiente de
distribuição, e depende da natureza do gás e do
líquido e da temperatura.
Cs = KD . Cg
Cg = concentração do gás na fase gasosa (mg L-1)
Cs = concentração do gás na fase líquida (mg L-1)
KD = coeficiente de distribuição (dependente da natureza do gás, do líquido e
da temperatura).

8. Fundamentos de transferência de
gases

Para a difusão do oxigênio na água, KD assume os
seguintes valores:
Observação: Quanto maior a temperatura, menor a
solubilidade do gás no meio líquido. A maior
agitação das moléculas na água faz com que os
gases tendam a passar para a fase gasosa.

9. Fundamentos de transferência de
gases
A equação que estabelece a concentração de saturação de um
gás na água, em função da temperatura e da pressão é:
Cs = KD . Dv . (Pa-Pv) . _PM_
(R.T)
Onde:
dv = distribuição volumétrica do O2 no ar atmosférico (ar = 21% O2)
PM = peso molecular do oxigênio (32 g mol-1)
Pa = pressão atmosférica (101,325 Pa nas CNTP)
Pv = pressão de vapor da água
R = constante universal (8,3143 J/Kmol);
T = temperatura (K).
Cs = concentração do gás na fase líquida (mg L-1)
KD = coeficiente de distribuição (dependente da natureza do gás, do líquido e da temperatura).

10. Fundamentos de transferência de
gases

Valores para pressão de vapor da água (Pv)

11. Exercício 1

Calcular a concentração de saturação de oxigênio na água pura nas
seguintes condições: Temperatura = 20°C . Pressão atmosférica ao nível
do mar
Cs = KD . Dv . (Pa-Pv) . _PM_
(R.T)
9,2mg/l
Onde:
dv = distribuição volumétrica do O2 no ar atmosférico (ar = 21% O2) = 0,21
PM = peso molecular do oxigênio (32 g mol-1) = 32 g/mol
Pa = pressão atmosférica (101,325 Pa nas CNTP) = 101325 Pa
Pv = pressão de vapor da água = 2330 Pa
R = constante universal (8,3143 J/Kmol); 8,3143 J/Kmol
T = temperatura (K). 293°K (=20°C)
Cs = concentração do gás na fase líquida (mg L-1)
KD = coeficiente de distribuição (dependente da natureza do gás, do líquido e da
temperatura). 0,0337

12. Fundamentos de transferência de
gases
A altitude exerce uma influência na solubilidade de
um gás. Quanto maior a altitude, menor a pressão
atmosférica, e menor a pressão para que o gás se
dissolva na água. A salinidade afeta também a
solubilidade do oxigênio.

13. Fundamentos de transferência de
gases

Concentração de saturação de oxigênio (mg/l)

14. Mecanismos de transferência de gases
Há dois mecanismos básicos para a transferência do
oxigênio da fase gasosa para a fase líquido.
 Difusão molecular
 Difusão turbulenta
A difusão molecular pode ser descrita como a
tendência de qualquer substancia de se espalhar
uniformemente pelo espaço disponível.

15. Mecanismos de transferência de gases
A teoria da penetração diz que durante certo tempo
de exposição o gás difunde no elemento fluido,
penetrando no líquido, o tempo de exposição é
considerado muito curto (0,1s) para prevalecer as
condições estacionárias.
De acordo com a teoria de penetração, as seguintes
fórmulas poder ser obtidas para a transferência de
gases:

16. Mecanismos de transferência de gases


Taxa de absorção do gás:
dM = A.(Cs-Co). _D_
dt
(π .t)
Profundidade de penetração do gás:
xp = √π.D.t
M = massa de gás absorvida através da área A durante o tempo t (g);
A = área interfacial de exposição (m²);
t = tempo de exposição (s);
Co = concentração inicial do gás no seio da massa líquida (g.m-3);
Xp = profundidade de penetração do gás na massa líquida (m).
D = coeficiente de difusão

17. Exercício 2
Um tanque em estado de repouso, totalmente desprovido de oxigênio, com
uma temperatura de 20°C, ao nível do mar, é exposto ao ar. Pergunta-se:
Qual a taxa de absorção de oxigênio?
Taxa de absorção do gás:
_dM_ =(Cs-Co). _D_
dt A
(π .t)
Co = 0,0 g/m3
Cs = 9,2 g/m3
D = 1,8 x 10-9 m2/s
t = 1 segundo
t = 60 segundos
t = 3600 segundos
t = 86400 segundos

18. Exercício 2
Qual a profundidade de penetração do oxigênio?
Profundidade de penetração do gás:
xp = √π.D.t
t = tempo de exposição (s);
•
1 segundo
•
60 segundos
•
3600 segundos
•
86400 segundos
Xp = profundidade de penetração do gás na massa líquida (m).
D = coeficiente de difusão molecular (m2/s) 1,8 x 10-9m2/s

19. Exercício 2

O objetivo desse exercício é de ressaltar que o fato
de que a transferência de oxigênio por difusão
molecular é extremamente lenta. No tratamento
dos esgotos, a elevada demanda de oxigênio não
pode ser suprida simplesmente pela difusão
molecular.
A)
1)
2)
3)
4)
Taxa de absorção de oxigênio –
220 x 10 -6 g/m2.s
2,8 x 10-6 g/m2.s
3,7 x10-6 g/m2.s
0,75 x 10-6 g/m2.s
B) Profundidade de penetração de oxigênio –
1) 0,075 x 10 -3 m
2) 0,582 x 10-3 m
3) 4,51 x10-3 m
4) 22,1 x 10-3 m

20. Fatores de influência na transferência
de oxigênio
A
taxa de transferência de oxigênio do
equipamento de aeração a ser instalado em uma
estação é frequentemente determinado em
condições distintas daquelas nas quais ele
operará.
Para estimativa da taxa de transferência nas
condições de operação é necessário ter como base
os resultados obtidos no teste realizado em
condições padronizadas.

21. Fatores de influência na transferência
de oxigênio
Os fatores de maior influência na taxa de
transferência de oxigênio são:
• Temperatura
• Concentração de oxigênio dissolvido
• Características do esgoto
• Características do aerador e da geometria do
reator

22. Taxa de transferência de oxigênio no
campo em condições padrão
Devido a interação simultânea dos diversos fatores
de influência, torna-se evidente que a taxa de
transferência de oxigênio, para um mesmo
equipamento, deverá variar de local para local.
Fórmula para taxa de transferência de oxigênio é
dado por:

23. Taxa de transferência de oxigênio no
campo em condições padrão
TTO padrão = Taxa de transferência de Oxigênio Padrão (kgO2/h)
TTO campo = Taxa de transferência de Oxigênio no campo, nas condições de
operação (KgO2/h)
Cs = concentração de saturação de oxigênio na água limpa nas condições
(temperatura e altitude O de operação no campo (g/m3)
CL = concentração média de oxigênio mantida no reator 9g/m3)
Cs(20°C) = concentração de saturação de oxigênio da água limpa, nas condições
padrão (g/m3)
fH = fator de correção de Cs para altitude (= 1 – altitude/9450)
β = fator de correção devido a presença de sais, matéria particulada e outros agentes.
Valores variam de 0,70 a 0,98, sendo que o valor de 0,95 é frequentemente
adotado.
α = fator de correção devido a transferência de oxigênio pelas características dos
esgotos, e pela geometria do reator e grau de mistura. Os valores variam de 0,6 a
1,2 para aeração mecânica e de 0,4 a 0,8 para aeração por ar difuso.
Ѳ = coeficiente de temperatura. Usualmente adotado como 1,024
T = temperatura do líquido.

24. Exercício 3
Em uma estação de tratamento de esgoto, é necessário o fornecimento
de 100kgO/h (TTO campo), nas condições de operação, através de
um sistema de aeração mecânica. Determinar a Taxa de
Transferência de Oxigênio Padrão, sabendo-se que:
Temperatura do líquido T=23°C
Altitude = 800m
CL = 1,5mg/l
Cs = 8,7mg/l
Cs (20°C)= 9,2mg/l
β = 0,95
α =0,90
Ѳ = 1,024
fH = 0,92
161 kgO2/h

25. Exercício 3

Os resultados finais obtidos são:
TTOcampo
TTOpadrão
TTO Campo (dado do problema)
TTO padrão (encontrado)
62%

26. Eficiência de oxigenação
A eficiência de oxigenação (EO) retrata a taxa de
transferência de oxigênio (KgO2/h) por unidade de
potência consumida (kW), sendo expressa na
unidade de KgO2/kWh.
EO = __TTOpadrão__
P
EO = eficiência de oxigenação (kgO2/kWh)
P = potência consumida (kW)

27. Potência consumida
No caso de aeração mecânica, deve-se ser sempre bem claro
se a potência consumida inclui ou não as eficiências do
motor e redutor. No caso de aeração por ar difuso, a
potência requeria para os sopradores pode se expressa em
termos de vazão de ar e da pressão a ser vencida, da
seguinte forma:
P = ___Qg . ρ . g . (di + ΔH)__
η
P = potencia requerida (W)
ρ = peso específico do líquido (1000kg/m3)
g = aceleração da gravidade (9,81m/s2)
di = profundidade de imersão dos difusores de ar (m)
ΔH = perda de carga no sistema de distribuição de ar (m)
η = eficiência do motor e do soprador (-)

28. Eficiência de transferência de oxigênio
Em um sistema de aeração por ar difuso, a razão de
utilização de oxigênio (RUO) expressa a
quantidade de oxigênio absorvido por m3 de ar
aplicado, ou seja:
RUO = _TTO padrão__
Qs
RUO = razão de utilização de oxigênio (KgO2
absorvido/m3 ar aplicado)
Qs = vazão de ar (m3/h)

29. Exercício 4
Determinar os principais parâmetros do seguinte sistema de
aeração por ar difuso (bolhas médias):
Volume útil do reator: V = 500m3
Vazão de ar: Qg = 0,6m3/s = 2160m3/h
Profundidade de imersão dos difusores di = 4,0 m
Perda de carga no sistema de distribuição de ar ΔH = 0,4m
Taxa de transferencia de oxigênio padrão TTO padrão = 60
KgO2 /h = 60000gO2/h
Eficiência do motor e do soprador: η = 0,60
ρ = peso específico do líquido 1000kg/m3
g = aceleração da gravidade 9,81m/s2

30. Exercício 4
a)Razão de utilização de oxigênio
RUO = __TTO padrão__
27,8 gO2/m3 ar
Qg
b) Razão de utilização de oxigênio por unidade de
imersão
__RUO__
7,0 gO2/m3 .m
di

31. Exercício 4
C) eficiência de transferência de oxigênio padrão
ETOP = 0,334 x RUO 9,3%
D) potencia requerida
P = ___Qg . ρ . g . (di + ΔH)__
η
43164W = 43,2 Kw
E) eficiência de oxigenação
EO = __TTOpadrão__
1,39 KgO2/KWh
P

32. Exercício 4
f_) densidade de potência
DP = P/V
86W/m3

33. Exercício 5
Para uma ETE a 1000m de altitude e a temperatura
média de inverno de 15° e temperatura média de
verão 25º, estimar a quantidade total de oxigênio
necessária ao sistema Nec.O2 total, a potência do
sistema de aeração.
(ETE – Reator de Lodos Ativados)

34. Passo 1 - transformações
Transformar a vazão média l/s para m3/d
Qo = 40,4 l/s
 Transformar a DBO5,20 média da entrada do reator
de mg/l para kg/m3
192,5mg/l
 Transformar
a DBO5,20 média na saída do
decantador secundário mg/l para kg/m3
8mg/l

Q = 3491,0m3/d
DBOentrada =0,1925 Kg/m3
DBOsaida = 0,008kg/m3

35. Passo 2 – Cálculo da necessidade de
O2
De acordo com as especificações de cada tipo de
reator temos alguns valores tabelados. Para reator
do tipo convencional a Necessidade de O2 é: 2
KgO2/kg DBO
Fazer a correção da temperatura para DBO
removida. (Temperatura de 25°C situação mais
crítica em termos da necessidade de O2)
DBO5, T° = DBO5,20° x 1,047 (T -20°)
Calcular para DBO entrada do reator e DBO saída do decanatdor
DBO entrada = 0,242 Kg/m3 DBOsaída = 0.010 kg/m3

36. Passo 2 – Cálculo da necessidade de
O2


DBO removida
DBOremov = DBO entrada – DBO saída
Carga de DBO diária removida:
Carga de DBOdiária removida = DBO removida x Qmédia
Necessidade O2 total média
Nec.O2média = Nec.O2 x Carga de DBO diária removida

DBO removida = 0,232Kg/m3 Carga de DBO remov. 810Kg DBO/dia
Nec O2 média 1620 KgO2/d

37. Passo 2 – Cálculo da necessidade de
O2
Para necessidade total de pico (Nec.O2 de pico),
considerar um acréscimo de 66% na necessidade
de O2
Nec. O2 total de pico = Nec.O2 total média x 66%

NecO2 = 2700kgO2/dia ou 112,5 KgO2/hora

38. Passo 3 – Necessidade de ar
Para sistemas de ar difuso, que funcionam acionados
por sopradores ou por compressores de ar, pode-se
querer conhecer a quantidade de ar necessária
“Nec.ar”.
Considera-se
então,
de
forma
aproximada, que em 1kg de ar há cerca de
0,22kg de O2, ou, em outras palavras para cada
1kg de O2 há necessidade de se fornecer cerca de
4,55 kg de ar.

39. Passo 3 – Necessidade de ar

Necessidade ar total
Nec.ar total = 4,55 kg ar x Nec.O2/dia
12285Kg ar/dia ou 512 Kg ar/hora

40. Passo 4 – Potencia necessária para os
aeradores mecânicos

Potência necessária para os aeradores mecânicos:
Pneces = Nec.O2
N
onde: N = N0 x λ
N = capacidade de aeração em campo
N0 = capacidade de transferência de O2, pelos aeradores
nas condições de teste; (para aeradores de baixa
rotação pode-se adotar No = 1,5 KgO2/Cv.h)
λ = fator de correção de N0 para as condições de campo

41. Passo 4 – Potencia necessária para os
aeradores mecânicos
λ = α x _(β x CSW - CL) x 1,02 (T-20)
9,17
= fator de correção devido a transferência de oxigênio pelas
características dos esgotos, e pela geometria do reator e grau de mistura.
Adotado = 0,85
β = fator de correção devido a presença de sais, matéria particulada e
outros agentes. Adotado =0,95
CSW = Concentração de saturação de OD. (para água limpa, na altitude de
1000m e temperatura que ocorre no campo de Tinv = 15°C e Tverão =
25°C) tem se: CSWinv = 9,0 mg/l e CSWverão = 7,3mg/l
CL = concentração de OD no reator = 2,0 mg/l
9,17 = Concentração de saturação de oxigênio dissolvido nas condições teste
λ = fator de correção de N0 para as condições de campo
α

42. Passo 4 – Potencia necessária para os
aeradores mecânicos
Efetuar os cálculos para λ inverno e λ verão
λ = α x _(β x CSW - CL) x 1,02 (T-20)
9,17
Para dimensionamento utilizar os valores mais críticos λ
menor.



Encontrar a capacidade de aeração “de campo”
onde: N = N0 x λ
Potencia necessária para os aeradores
Pneces = Nec.O2
N
λ inverno = 0,55 e λ verão 0,51 N = 0,77KgO2/cv.h Pnec = 146,1 cv

43. Passo 5 – Potencia necessária para
sopradores e/ou compressores

Mesmo roteiro anterior (aeradores mecânicos)
porem para o cálculo de λ, adota-se o valor de α =
0,73
λ inverno = 0,47 e λ verão = 0,43 N = 0,65KgO2/cv.h e Pnec = 173,1 cv

44. Passo 6 – Número de aeradores mecânicos
necessário para cada reator
Para 4 reatores, com 4,0m de profundidade útil, área
de 60,0m2 e volume de 240,0m3 cada. Os arranjos
para os aeradores podem ser bastante
diversificados. Para aeradores de baixa rotação e
alta densidade de potência de funcionamento
contínuo, pode-se fixar potência total necessária
Ptotal neces. 160cv. Cada reator deverá ter 2
aeradores de 20cv cada

45. Passo 7 – Cálculo da densidade de
potência resultante
Considerando-se, para cada reator a potência de
40cv = 29420W e volume do reator de 240,0m3
tem-se:
DP = __Potência___
Volume
122,6 W/m3

46. Aeradores
Aeração mecânica – aerador de eixo
horizontal
Aeradores fixos - aspectos das
estruturas
Aeração mecânica – aerador flutuante de
alta velocidade ligado
Aeração por ar difuso – aspectos da
turbulência na superfície do liquido

47. Aeradores
Aeração mecânica – Aerador flutuante de
alta velocidade
Aeração mecânica – Aerador fixo de eixo
horizontal
Aeração mecânica – de baixa velocidade

48. Material consultado



Esgoto sanitário: coleta, transporte, tratamento e
reuso agrícola/ Coord. Aeriovaldo Nuvolari 2 ed.
São Paulo, Blucher, 2011
Von Sperling, Marcos. Princípio básico de
tratamento de esgoto. Belo Horizonte, UFMG, 1996
PRINCÍPIOS DE AERAÇÃO, Luciano Vieira