Respirometria aplicada à modelação de uma ETAR descentralizada Nelson Filipe Malveiro Encarnação Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química Orientadora: Professora Doutora Helena Maria Rodrigues Vasconcelos Pinheiro Co-Orientadora: Professora Doutora Carla Isabel Costa Pinheiro Júri Presidente: Professor Doutor Sebastião Manuel Tavares Silva Alves Orientadora: Professora Doutora Helena Maria Rodrigues Vasconcelos Pinheiro Vogal: Doutora Rita Cardoso Soares Ribeiro Santos Novembro 2014
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Respirometria aplicada à modelação de uma ETAR descentralizada · desenvolvido contou com o apoio financeiro da empresa Simtejo S.A e da Fundação para a Ciência e ... Por divisão
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Respirometria aplicada à modelação de uma ETAR
descentralizada
Nelson Filipe Malveiro Encarnação
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Química
Orientadora: Professora Doutora Helena Maria Rodrigues Vasconcelos Pinheiro
Co-Orientadora: Professora Doutora Carla Isabel Costa Pinheiro
Júri
Presidente: Professor Doutor Sebastião Manuel Tavares Silva Alves
Orientadora: Professora Doutora Helena Maria Rodrigues Vasconcelos Pinheiro
Vogal: Doutora Rita Cardoso Soares Ribeiro Santos
Novembro 2014
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Agradecimentos
Gostaria de agradecer a realização da presente dissertação aos meus orientadores. À Prof.ª Helena
Pinheiro, a experiência e conhecimento transmitido na estruturação da tese de mestrado e a
disponibilidade que sempre teve desde o início até a entrega final, as quais contribuíram para a minha
aprendizagem académica e científica. À Prof.ª Carla Pinheiro pela atribuição do tema e confiança em
mim depositada.
Do Núcleo de Engenharia Sanitária (NES), do Laboratório Nacional de Engenharia Civil, ao Eng.º
Sérgio Teixeira Coelho, atual chefe do núcleo, a oportunidade dada, à Engª Rita Ribeiro, responsável
pela parte experimental do trabalho desenvolvido, a quem eu agradeço a orientação, o conhecimento
científico transmitido, o rigor e disciplina exigido, as indicações e importantes conselhos dados.
Ao Eng.º Paulo Inocêncio pela disponibilização do caso de estudo do projeto DEMOCON. O trabalho
desenvolvido contou com o apoio financeiro da empresa Simtejo S.A e da Fundação para a Ciência e
a Tecnologia no âmbito do projeto PTDC/AAG-TEC/4124/2012.
Aos técnicos superiores João Vale e assistente Vítor Napier do NES, pela competência e apoio
prestado na realização do trabalho experimental.
A todos os meus colegas do NES, Paula, Aisha, Maria, Bruno, Marta, Catarina, Guilherme e Rui pela
amizade e companhia ao longo do tempo.
Por último, quero agradecer à minha família, em especial à minha mãe, pai, irmã e ao meu avô, pela
enorme ajuda e apoio constante que começou desde cedo e que irão para além do percurso académico.
Um muito obrigado a todos.
IV
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Resumo
Hoje em dia, a respirometria representa uma importante ferramenta de suporte à modelação de
sistemas de tratamento biológico. A implementação de um modelo em lamas ativadas é potencialmente
muito útil no controlo e otimização do tratamento das águas residuais em ETAR.
O objetivo principal da presente dissertação é a realização de ensaios de respirometria para avaliar o
efeito de características específicas do afluente à uma unidade de tratamento biológico, através da
observação e análise qualitativa do respirograma. A utilização de um modelo matemático para
simulação dos processos biológicos, requer a atribuição de valores aos parâmetros que integram a sua
estrutura, que, na maioria dos casos, não podem ser determinados diretamente por medidas analíticas
optando, assim, pela introdução dos ensaios respirométricos.
A partir dos ensaios de respirometria foram obtidos valores para os seguintes parâmetros de modelação
de sistema em lamas ativadas: YH (0.72 g O2biomassa/g O2
substrato), μHmáx (0.22 h-1), kh (0.2 h-1) e bH (0.06
h-1). Por divisão das áreas do respirograma foram determinadas as frações de matéria orgânica
presentes na composição das águas residuais afluentes à ETAR. Os valores estimados podem ser
considerados como uma base para a atribuição de valores iniciais a parâmetros e variáveis do modelo
ASM1, necessários ao processo de calibração.
Palavras-chave: respirometria; modelação de lamas ativadas; águas residuais; ASM1; tratamento
descentralizado
VI
VII
Abstract
Nowadays, respirometry is an important supporting tool for modeling biological treatment systems. The
implementation of a model for activated sludge is potentially very useful practice in the control and
optimization of the treatment of wastewater treatment plants.
The aim of this thesis consisted in performing respirometric assays in order to obtain information about
the characteristics of biodegradability of tributaries at the inlet of a decentralized wastewater treatment
plant, and also on the capacity for development of heterotrophic biomass in the existing biological
treatment. The use of this model requires assignment of values to the parameters that make up its
structure, which in most cases cannot be directly determined by using analytical measurements, thus
justifying respirometric assays.
Respirograms representing the evolution of heterotrophic biomass in the activated sludge system were
built from the respirometric information, and values for the following modeling parameters were obtained:
YH (0.72 g O2biomass/ g O2
substrate) μHmax (0.22 h-1), kh (0.2 h-1) and bH (0.06 h-1). By dividing the respirogram
areas, fractions of COD present in the composition of raw wastewater were also determined. The
estimated values may be considered as a basis for the assignment of initial values of the ASM1 model
2.1.2 Descrição sumária do funcionamento de estações de tratamento de águas residuais ........................................................................................ 4
2.1.3 O tratamento secundário e os diversos processos biológicos ................ 6
2.1.4 Descrição geral do processo de lamas ativadas ..................................... 7
2.1.5 Principais variáveis do sistema das lamas ativadas ................................ 8
2.1.6 Principais variáveis de controlo do sistema das lamas ativadas ........... 10
2.2 Processos de depuração biológica ..................................................................... 11
2.4.2 Exemplos de aplicação de respirometria a casos de estudo em Portugal e no estrangeiro ..................................................................................... 22
2.4.3 Condição experimental para a avaliação de respirograma ................... 23
2.4.4 O respirómetro ....................................................................................... 23
2.4.5 Tipos de equipamento de respirometria ................................................ 24
2.4.6 Descrição do cálculo da taxa de respiração em fase líquida ................ 24
2.4.7 Descrição do cálculo da taxa de respiração em fase gasosa ............... 25
2.4.8 Descrição dos processos biológicos a monitorizar ................................ 25
3. O projeto DEMOCON .................................................................................................... 28
3.1 Descrição sumária do projeto ............................................................................. 28
3.2 Estudo de caso ................................................................................................... 29
3.3 Integração do trabalho de mestrado no projeto .................................................. 29
3.4 A ETAR de Bucelas ............................................................................................ 30
4. Materiais e Métodos ...................................................................................................... 33
4.5.2 Operação da ETAR em dias de campanha ........................................... 38
4.5.3 Medições na ETAR ................................................................................ 39
4.5.4 Monitorização de OD ao longo das valas oxidação T7 ......................... 39
4.6 Obtenção dos valores da OUR para construção dos respirogramas ................. 40
4.7 Estimativa de parâmetros de modelação de lamas ativadas a partir de respirogramas ..................................................................................................... 42
Anexo I ETAR de Bucelas - Respirogramas & Determinação analítica das águas residuais .......................................................................................................... 73
XI
Índice de figuras
Figura 1 – Fases do tratamento de uma ETAR ....................................................................... 5
Figura 2 - Sistema de lamas ativadas ...................................................................................... 8
Figura 3 – Diferentes formas de azoto na Natureza em resultado da ação de bactérias. ..... 14
Figura 4 - Ciclo de remoção de substrato orgânico biodegradável (conceito ASM1) (adaptado de Vanrolleghem, 2002). ................................................................... 19
Figura 5 - Ciclo da remoção de amónia conceito (ASM1) (adaptado de Deus, 2012). ......... 20
Figura 6 - Diagrama geral sobre respirometria (adaptado de Canudas, 2005) ..................... 22
Figura 7 - Metodologia DEMOCON (Ribeiro, 2011) ............................................................... 28
Figura 8 - ETAR de Bucelas (fonte: www.simtejo.pt) ............................................................. 29
Figura 9 - Fases do projeto DEMOCON, enquadramento da tese de dissertação................ 30
Figura 10 - Planta da ETAR de Bucelas (adaptado de Ribeiro 2014a) ................................. 31
Figura 11 – Visitas a ETAR: (a) poço afluente, (b) vala de oxidação, (c) decantador biológico, (d) filtro de areia, (e) filtro de prensa, (f) desarenador, (g) vista geral 32
Figura 12 - Figura 12- Locais de colheita: (a) ponto de descarga vala de oxidação, (b) canal de parshall........................................................................................................... 33
Figura 13 - Instalação de respirometria .................................................................................. 34
Figura 14 - Setup do programa DATALOG (aquisição de dados) ......................................... 35
Figura 15 – (a) preparação de OUR, (b) disposição de sonda s::can ................................... 36
Figura 16 – Pontos de medição: vala de oxidação da ETAR (adaptado de Ribeiro, 2014a) 40
Figura 17 - Perfil de decréscimo de oxigénio registada na fase de desarejamento no respirómetro (adaptado de Kohler, 2008) ........................................................... 41
Figura 18 - Representação esquemática da utilização de substrato pelos microrganismos heterotróficos (adaptado de Spanjers et al., 1996)............................................. 43
Figura 19 – Exemplo de respirogramas obtidos no presente trabalho .................................. 49
Figura 20 - Localização na curva respirométrica de alguns parâmetros de modelação........ 53
Figura 21 – Resposta da biomassa heterotrófica a adição de acetato .................................. 54
Figura 22 - Pontos utilizados na estimativa de µHmáx ............................................................. 55
Figura 23 - Pontos utlizados na estimativa de bH ................................................................... 55
Figura 24 - Decomposição dos respirogramas nas frações de substrato biodegradável ...... 58
XII
Índice de quadros
Quadro 1 - Níveis de tratamento de fase líquida de ETAR (adaptado de Linsley et al., 1992). .................................................................................................................... 5
Quadro 2 - Classificação de processos intensivos de tratamento biológico (Linsley et al., 1992). .................................................................................................................... 6
Quadro 3 - Principais reações nas águas residuais de acordo com as condições ambientais (Ferreira, 2006). .................................................................................................. 13
Quadro 4 - Taxa de reação e constante de rendimento das bactérias nitrificante a 20ºC (adaptado de Henze et al., 1997). ...................................................................... 15
Quadro 5 - Descrição da campanha preliminar 1 (adaptado de Ribeiro, 2014a). ................. 39
Quadro 6 - Valor de CQO adicionado aos OUR .................................................................... 43
Quadro 7 – Informação sobre ensaios respirométricos ......................................................... 48
Quadro 8 - Valores estimados de parâmetros e variáveis do modelo ASM1 ........................ 59
Quadro 9 - Valores típicos dos parâmetros cinéticos e estequiométricos do modelo ASM1, para pH neutro de águas residuais domésticas (adaptado de Henze et al., 1987) ................................................................................................................... 61
Quadro 10 - Valores de CQO e eficiências de remoção ........................................................ 62
Quadro 11 – Análise das frações de CQO com os resultados da determinação analítica .... 64
XIII
Índice de figuras Anexo I
Figura A I- 1 Respirogramas de Abril a Outubro de 2014, ensaios de AR (apresentados do lado esquerdo da página); ensaios de AR+LM (apresentados do lado direito da página) ................................................................................................................ 79
Índice de quadros Anexo I
Quadro A I- 1 Valores utlizados na preparação dos OUR 09-04-2014 .................................. 80
Quadro A I- 2 Valores utlizados na preparação dos OUR 28-04-2014 .................................. 80
Quadro A I- 3 Valores utlizados na preparação dos OUR 14-05-2014 .................................. 80
Quadro A I- 4 Valores utilizados na preparação dos OUR 02-07-2014 ................................. 80
Quadro A I- 5 Valores utilizados na preparação dos OUR 16-07-2014 ................................. 81
Quadro A I- 6 Valores utlizados na preparação dos OUR 17-09-2014 .................................. 81
Quadro A I- 7 Valores utilizados na preparação dos OUR 07-10-2014 ................................. 81
Quadro A I- 8 - Valores utilizados na preparação dos OUR 15-10-2014 ............................... 81
Quadro A I- 9 Valores de SST e SSV da determinação analítica às amostras dos OUR e de licor misto da vala de oxidação nº1 .................................................................... 82
Quadro A I- 10 Valores de parâmetros analíticos na água residual ...................................... 83
XIV
XV
Notações e Abreviaturas
Símbolos – letras latinas
Símbolo Significado Dimensão
bH Taxa de decaimento T-1
CBO5 Carência bioquímica em oxigénio M.L-3
CQO Carência química em oxigénio M.L-3
CQOt Carência química em oxigénio total M.L-3
CQOf Carência química em oxigénio filtrado M.L-3
fp Fração da biomassa que conduz s produtos particulados --
kh Taxa específica máxima de hidrólise T-1
kLa Taxa de transferência de oxigénio dissolvido T-1
KNH Coeficiente de meia saturação de azoto amoniacal para M.L-3
Biomassa autotrófica
KO,A Coeficiente de meia saturação de oxigénio para Biomassa M.L-3
autotrófica
KO,H Coeficiente de meia saturação de oxigénio para Biomassa M.L-3
Heterotrófica
KS Coeficiente de meia saturação para biomassa heterotrófica M.L-3
Qaf Caudal de águas residuais afluente M-3.T-1
Qef Caudal de efluente tratado M-3.T-1
Qle Caudal de lamas extraídas M-3.T-1
Qlm Caudal de lamas extraídas M-3.T-1
Qlr Caudal de lamas recirculadas M-3.T-1
ro Taxa de utilização de oxigénio M.L-3.T-1
rs Taxa volumétrica de consumo de substrato rapidamente M.L-3.T-1
biodegradável na suspensão celular
rend Taxa de respiração endógena M.L-3.T-1
S Substrato M.L-3
Sl Matéria orgânica inerte solúvel M.L-3
SNH Azoto amoniacal M.L-3
SND Azoto orgânico biodegradável solúvel M.L-3
SNO Azoto na forma nítrica M.L-3
So Oxigénio dissolvido M.L-3
So_sat Oxigénio dissolvido (concentração de saturação) M.L-3
Xp Produtos particulados inertes resultantes do decaimento M.L-3
XS Substrato rapidamente biodegradável M.L-3
YH Rendimento para biomassa heterotrófica M.M-1
XVI
Símbolos – letras gregas
Ө Tempo de retenção hidráulico T
Өc Tempo retenção de sólidos T
µAmáx Taxa específica máxima de crescimento para biomassa T-1
autotrófica
µHmáx Taxa específica máxima de crescimento para biomassa T-1
heterotrófica
Siglas e acrónimos
ADP Águas de Portugal
ASM Activated Sludge Model
DEMOCON Metodologia Descentralizar Monitorização e Controlo
ERSAR Entidade Reguladora de Serviços de Águas Residuais
ETAR Estação de tratamento de águas residuais
IST Instituto Superior Técnico
FCT Fundação para a Ciência e a Tecnologia
IWA Internacional Water Association
LNEC Laboratório Nacional de Engenharia Civil
OD Oxigénio dissolvido
OUR Oxygen Uptake Rate
PENSAAR Uma nova Estratégia para o Setor de Abastecimento de Água e Saneamento de
Águas Residuais
PEAASAR Plano Estratégico de Abastecimento de Água e Saneamento Residuais
RASARP Relatório Anual dos Serviços de Águas e Resíduos em Portugal
SimTejo Saneamento Integrado Municípios do Tejo e Trancão
SMM Sistemas Multimunicipais
Subscritos
ATU Aliltioureia
AR Águas residuais afluentes
LM Lamas mistas
1
1. Introdução
1.1 Enquadramento do problema e âmbito do estudo
A organização do setor ambiental em Portugal no final da década de 80 do século passado, a integração
na hoje União Europeia, a posterior criação do grupo Águas de Portugal (AdP) e de um conjunto de
Sistemas Multimunicipais (SMM), que são caracterizados pela elevada abrangência geográfica,
determinaram a configuração do setor da água tal como a conhecemos hoje. Os dados estatísticos
evidenciam que os níveis de atendimento em saneamento em Portugal e de cobertura dos serviços da
água no território nacional tiveram melhorias contínuas desde 1993 (ERSAR, 2012). A análise aos
recursos financeiros revela que a estrutura de financiamento das infraestruturas de serviços de águas
apresentou grande dependência dos fundos comunitários, tendo sido dada prioridade, numa primeira
fase, à construção de sistemas centralizados de tratamento de águas residuais. Foi privilegiado o
investimento em sistemas de grande cobertura a nível do território nacional, de forma a atingir o
equilíbrio entre custos per capita de população e a melhoria dos indicadores ambientais, para além da
redução do número de descargas no meio hídrico recetor. Porém, importa referir que uma parte
significativa da população reside em aglomerados de pequenas dimensão, vilas e aldeias do nosso
país, e as necessidades existentes em particular nas zonas de povoamento disperso ou marcadamente
rural, podem ser demasiado onerosas face à densidade populacional, colocando em causa as
economias de escala caraterísticas dos próprios sistemas centralizados. Numa altura particular em que
os conceitos de gestão sustentável e uso eficiente de água são denominadores comuns transversais a
entidades gestoras, técnicos do setor e consumidores final, é colocada a possibilidade de contar com
outras soluções alternativas. A aposta nos sistemas descentralizados que dispõem de uma diversidade
de soluções técnicas ou o uso de soluções naturais que possibilitam o uso eficiente da água são
exemplos que, integrados nos sistemas centralizados, podem constituir uma mais-valia para todos os
intervenientes.
Contudo, a gestão local de soluções de saneamento de pequena dimensão é condicionada na maioria
das vezes por questões operacionais e de problemas de sustentabilidade, associados a falta de
economias de escala de pequenos sistemas, o que tem levado à opção pela integração em sistemas
centralizados. Mas, esta perspetiva está a ser alterada recentemente e prova disso são as linhas
orientadoras nos documentos: PENSAAR 2020, a nova estratégia nacional para os serviços da água.
Anteriormente, no programa PEAASAR II, tinham sido estabelecidos as diretrizes para o período de
2007 a 2013, nos quais o conceito de sustentabilidade nas mais diversas vertentes é valorizado, tais
como, os princípios de universalidade no acesso, de continuidade e qualidade do serviço. Em termos
estatísticos a situação descrita faz parte do paradigma nacional levando a uma ausência de gestão e
monitorização responsável em ETAR de pequena dimensão conduzindo, nalguns casos, a uma
operação não controlada, e consequente não aproveitamento das potencialidades do ponto de vista da
saúde pública, sustentabilidade financeira e gestão integrada de recursos naturais. A aposta de futuro
2
passa pela monitorização contínua, modelação com apoio à decisão e gestão avançada de sistemas,
aproveitando o conhecimento científico e a disponibilidade de instrumentos tecnológicos.
As entidades gestoras responsáveis pelo funcionamento de ETAR têm como principal missão respeitar
os parâmetros de qualidade da água e obedecer às normas legais europeias de segurança ambiental.
A introdução de novas metodologias de gestão em sistemas urbanos de água de menor dimensão é
uma inovação e um desafio tecnológico, com objetivos definidos, de se melhorar o próprio sistema e
rentabilizar os custos de operação. O projeto DEMOCON é um exemplo prático que está a ser
desenvolvido no sentido de se ter um domínio de controlo do sistema de tratamento de águas residuais
com recurso a monitorização em linha das principais variáveis de controlo e posterior implementação
de um modelo computacional, que permita descrever o comportamento dinâmico e hidráulico de ETAR
descentralizadas (Ribeiro, 2011).
A ETAR de Bucelas serve um agregado populacional de cerca de 5.000 habitantes, tendo
implementado o processo convencional por lamas ativadas com arejamento prolongado. Representa
um exemplo das inúmeras ETAR de pequena dimensão existentes do nosso país, onde a depuração
biológica das águas residuais urbanas depende de sistemas de arejamento mecânico e, como tal,
apresentam um consumo energético importante. Os custos globais inerentes com o tratamento
secundário representam metade dos custos totais de operação da ETAR e a maior parcela corresponde
ao consumo de energia com os arejadores mecânicos, pelo que é de salientar que é considerado um
importante parâmetro de otimização e de controlo do funcionamento da ETAR (WEF 2009, citados por
Amand et al., 2012).
O controlo do processo de respiração dos microrganismos nos reatores de lamas ativadas é um dos
principais fatores de equilíbrio e de manutenção do sistema. Por este motivo, é de assinalar que a
aplicação de instrumentos relacionados com a monitorização de oxigénio dissolvido (e.g.,
respirometria) em sistema de lamas ativadas, tem vindo a consolidar-se na comunidade, como uma
ferramenta de apoio à modelação e simulação em processos de lamas ativadas (Novák et al., 1994).
Além disso, pode ter um papel essencial na estratégia de controlo e de tomada de decisão com base
nos resultados experimentais, e, neste sentido, o presente trabalho de mestrado pretende contribuir
para esse desígnio.
1.2 Objetivos
O objetivo do presente trabalho está relacionado com a compreensão da cinética de crescimento e de
decaimento das bactérias heterotróficas associadas à remoção da carga orgânica presente nas águas
residuais urbanas. Pretendeu-se reproduzir no laboratório condições experimentais que sejam
semelhantes ao tratamento biológico existente no caso de estudo. A componente experimental do
trabalho consistiu na realização de ensaios respirométricos à escala laboratorial, utilizando, para tal,
um respirómetro instalado no Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC).
3
Resumidamente e de um modo geral, o trabalho desenvolvido no período da dissertação (aplicação do
método experimental respirométrico) foi centrado nos seguintes aspectos:
Avaliação da biodegrabilidade de águas residuais urbanas.
Compreensão de processos microbiológicos envolvidos no processo de lamas ativadas.
Avaliação do enfeito de características específicas do afluente à unidade de tratamento
biológico, através da observação e análise qualitativa do respirograma.
1.3 Estrutura da dissertação
A tese de dissertação é composta por sete capítulos e o apêndice de anexo I, organizados conforme a
seguinte estrutura:
Capítulo 1: Enquadramento do tema de dissertação e breve referência à evolução da história do
saneamento em Portugal até ao presente. Perspetivas de outras soluções num futuro próximo.
Definição dos objetivos da tese.
Capítulo 2: Revisão Bibliográfica, descrição do tratamento realizado em ETAR, os processos biológicos
envolvidos no sistema por lamas ativadas. Breve introdução à modelação ASM1. A respirometria e a
sua utilidade no cálculo de variáveis na fase calibração do modelo matemático de tratamento biológico.
Capitulo 3: Descrição do caso de estudo - A ETAR de Bucelas. Parte do trabalho desenvolvido na
dissertação integrado no projeto DEMOCON.
Capitulo 4: Matérias e Métodos, descrição do trabalho desenvolvido no LNEC. A aplicação do método
respirométrico e a estratégia de cálculo utlizada na estimativa de alguns parâmetros de modelação,
incluindo as frações orgânicas presentes na composição das águas residuais afluentes à unidade de
tratamento biológico. Determinação de parâmetros analíticos da água residual.
Capitulo 5: Resultados e Discussão, apresentação dos resultados obtidos através da técnica de
respirometria, avaliação destes e comparação com os valores da determinação analítica feita à água
residual.
Capitulo 6: Apresentam-se as conclusões a respeito dos resultados obtidos e referidas perspetivas de
trabalho futuro.
Capitulo 7: Referências Bibliográficas.
Anexo I: Apresenta-se a informação completa dos respirogramas, das condições experimentais, e da
caracterização analítica de amostras.
4
2. Revisão do estado da arte
2.1 Tratamento Biológico
2.1.1 Enquadramento jurídico-institucional
Na publicação do Relatório Anual dos Serviços de Águas e Resíduos em Portugal (RASARP 2012),
com dados referenciados a 31 de Dezembro de 2011, é feita uma caracterização dos serviços de
abastecimento público de água, de saneamento de águas residuais urbanas e de gestão de resíduos
sólidos urbanos. O decreto-Lei nº277/2009, de 2 de outubro, introduziu um reforço da regulação do
setor, alargando a responsabilidade das competências de intervenção da Entidade Reguladora de
Serviços de Águas Residuais e Resíduos (ERSAR), a todas as entidades gestoras envolvidas nestes
serviços, independentemente do modelo de gestão se figurar em sistemas municipais, intermunicipais,
multimunicipais ou com participação de capitais privados sob forma de concessão público-privada
(estabelecido pelo Decreto-Lei nº 379/93) de 5 Novembro.
O enquadramento jurídico-institucional referente ao serviço de abastecimento público da água resulta
da aprovação da Lei n.º58/2005 de 29 de Dezembro (Lei da Água), que transpôs para o direito interno
a Diretiva-Quadro da Água (Diretiva 2000/60/CE) de 23 de Outubro de 2000, que visa lançar as bases
de atuação das entidades gestoras (cerca de 500 em Portugal, incluindo as de resíduos), para garantir
uma gestão sustentável das águas e dos serviços, por forma a evitar a degradação dos recursos e
garantir a sua proteção a longo prazo (ERSAR, 2012).
Em 2008 foram publicados os seguintes despachos interpretativos relativos a aplicação do Regime
Económico e Financeiro dos recursos hídricos (Decreto-Lei nº 97/2008) de 11 de junho, que define que
o “regime de tarifas aplicável aos serviços públicos de águas está subordinado aos princípios
genericamente estabelecidos pela Lei da Água e pelo presente diploma, devendo permitir a
recuperação dos custos associados à provisão destes serviços, em condições de eficiência (…),
garantir a transparência na formação da tarifa a pagar pelos utilizadores e assegurar o equilíbrio
económico e financeiro de cada serviço prestado pelas entidades gestoras”. De acordo com o definido
nos Decreto-Lei n.º 152/97 de 19 de Junho (transposição para o direito interno da Diretiva nº
91/271/CEE de 21 de Maio) e nº 236/98, de 1 de Agosto, são estabelecidos os objetivos de proteção
das águas superficiais, dos efeitos provocados pelas descargas de águas residuais urbanas no meio
aquático e definidos os requisitos de tratamento destas atendendo à sensibilidade do meio hídrico
recetor.
2.1.2 Descrição sumária do funcionamento de estações de tratamento de
águas residuais
Uma estação de tratamento de águas residuais (ETAR) é uma instalação de depuração de águas
residuais resultantes de consumo doméstico ou de atividade industrial, cuja função é cumprir com os
5
parâmetros exigidos na licença de descarga para posterior rejeição no meio hídrico recetor (mar, rios,
lagoas, ribeiras ou águas subterrâneas) (Decreto-Lei nº152/97 e Decreto-Lei nº236/98).
No processo de operação de uma ETAR é identificado duas fases distintas de tratamento, associadas
a fase líquida e a fase sólida, que corresponde, aos sólidos removidos das águas residuais da primeira
fase, de acordo com a Figura 1. A sequência de tratamento da fase líquida em geral apresenta a
seguinte ordem de etapas: preliminar, primário, secundário e terciário.
Figura 1 – Fases do tratamento de uma ETAR
Em cada fase do tratamento são utilizadas operações unitárias de natureza física, química ou biológica
descrito no Quadro 1, consoante aspectos técnicos e de gestão da própria ETAR.
Quadro 1 - Níveis de tratamento de fase líquida de ETAR (adaptado de Linsley et al., 1992).
Nível de tratamento da fase líquida
Descrição Geral
Preliminar
Processos físicos de remoção de sólidos grosseiros, óleos e areias presentes nas águas residuais. Proteção de equipamento e evitar obstrução do circuito hidráulico.
Função das operações unitárias físicas: gradagem (material sólido de dimensão elevada), tamisador (sólidos grosseiros), tanque de desengorduramento (óleos) e desareanador (areias).
Primário
Processos físicos ou físico- químicos para reduzir os sólidos em suspensão (70% do total) e redução matéria orgânica (20 % em CBO5).
Operações unitárias físico-químicas: decantação/sedimentação e flotação.
Primário Avançado
Aumento da eficiência da etapa primária por via da adição química com o objetivo de alterar o estado físico dos sólidos em suspensão.
Operação unitária química: precipitação química.
Secundário
Processos biológicos de redução da matéria orgânica biodegradável na forma coloidal, dissolvida ou suspensa e remoção de nutrientes; de azoto e de fósforo.
XI - Material orgânico inerte particulado (g O2.m-3)
SI - Material orgânico inerte solúvel (g O2.m-3)
A matéria orgânica biodegradável, por sua vez, é dividida em duas frações: o substrato rapidamente
biodegradável, (SS) considerado como solúvel, e do material lentamente biodegradável (XS),
considerado como particulado (Choi et al., 2006).
A taxa de biodegradação dos substratos orgânicos presentes em águas residuais é sobretudo um
reflexo das caraterísticas físicas (solúvel ou particulada). O material orgânico na forma solúvel é
facilmente transferido através da parede celular, ao invés de na forma particulada ou coloidal. A
19
presença de material macromolecular complexo, implica a necessidade da ação de enzimas
extracelular, capazes de reduzir estes compostos a outros mais simples, i.e., o substrato lentamente
biodegradável aprisionado na matriz dos flocos biológicos é convertido em compostos de fácil
assimilação (Ss).
A matéria orgânica não biodegradável, inerte suspensa (Xl) e inerte solúvel (Sl) passa pelo sistema
tratamento sem sofrer qualquer alteração na sua forma. O Xl é em grande parte removido através da
purga de lamas, enquanto o Sl é removido com o efluente da ETAR.
O modelo ASM1 assenta no conceito de morte-regeneração da matéria carbonácea, introduzido na
década de 70 e 80 por Dold et al., (1980), citado por (Henze et al., 2000), para diferenciar as várias
reações ocorridas após a morte dos microrganismos, designadamente, das heterotróficas (Figura 4).
Figura 4 - Ciclo de remoção de substrato orgânico biodegradável (conceito ASM1) (adaptado de Vanrolleghem, 2002).
O ciclo apresentado na Figura 4, descreve segundo o conceito ASM1, o consumo de substrato
rapidamente biodegradável (Ss), com consumo de oxigénio em condições aeróbias, resultando na
síntese de biomassa heterotrófica (XH). Do decaimento da biomassa heterotrófica e reciclagem de parte
da biomassa inativa (Xl) segundo o conceito de morte-regeneração, que inclui o termo fp (fração da
biomassa de produtos particulados), é iniciado o processo de conversão do material lentamente
biodegradável (Xs). O ciclo é concluído, com a produção de Ss por hidrólise e consumo de Xs. A parte
remanescente de Ss é consumida no metabolismo energético das heterotróficas, por via do processo
bioquímico de formação metabólica de (ATP), desencadeada pela libertação de eletrões na cadeia
transportadora do material orgânico para o aceitador de eletrões final – o oxigénio.
O fracionamento do azoto orgânico é descrito a partir de Azoto Kjedahl total (TKN). O modelo inclui três
grandes grupos: azoto amoniacal (SNH), biomassa ativa (XNB) e azoto ligado à matéria orgânica na
forma solúvel e particulado.
Na Figura 5, é representado a transformação de amónia, segundo o conceito morte-regeneração,
proposto por Dold (1980).
Crescimento
Decaimento
Hidrólise Manutenção
20
Figura 5 - Ciclo da remoção de amónia conceito (ASM1) (adaptado de Deus, 2012).
No presente ciclo, o azoto amoniacal (SNH) é utilizado como fonte de energia para a síntese da biomassa
autotrófica (XA) e, também, na nitrificação. O SNH é formado a partir da amonificação de azoto orgânico
solúvel (SND). Do decaimento da biomassa autotrófica, são obtidas as frações de azoto lentamente
biodegradável (XS), matéria inerte (XP) e azoto orgânico particulado (XND). Para finalizar o ciclo, volta-
se a formar SNH, por processo de hidrólise de XND, baseado no conceito de morte-regeneração e
consumido SND durante a amonificação (Deus, 2012).
2.3.3 Modelação de processos biológicos, variáveis e parâmetros
O modelo ASM1 apresenta uma estrutura matricial baseada nos trabalhos de Peterson (1965), já
referido, e uma notação simplificada recomendada por Grau et al. (1982) (citado por Henze et al., 2000),
que permite representar a cinética e a estequiometria para cada processo, reconhecendo assim, a
componente associado a cada processo biológico. A continuidade dos coeficientes estequiométricos é
também assegurada e, assim, evitam-se incoerências nos cálculos aos balanços de massa.
O ASM1 inclui treze variáveis de estado de caracterização das águas residuais: sete associadas ao
material orgânico, quatro relativas ao azoto, uma referente ao oxigénio dissolvido e outra para a
alcalinidade (Henze et al., 1987). No modelo aplicado, são incluídos dezanove parâmetros; cinco dos
quais estequiométricos e catorze cinéticos. Os parâmetros estequiométricos introduzidos no modelo
fornecem a informação associada ao rendimento celular e a proporção de azoto na biomassa. Os
parâmetros cinéticos, refletem taxas de crescimento e decaimento dos microrganismos heterotróficos
e autotróficos envolvidos nos processos biológicos. Na modelação dos parâmetros cinéticos e
estequiométricos, é considerada a influência na velocidade específica de crescimento, descrita pela lei
Monod, por limitação de substrato orgânico.
XND
SND
SNH
SNO
XA
XS
XP
Hidrólise
Amonificação
Nitrificação Crescimento
Decaimento
O2 H2O
21
O ASM1 integra oito processos biológicos (Henze et al., 1987):
Crescimento aeróbio da biomassa heterotrófica.
Crescimento em condições anóxicas, da biomassa heterotrófica.
Crescimento aeróbio da biomassa autotrófica.
Decaimento de biomassa heterotrófica.
Decaimento de biomassa autotrófica.
Hidrólise da matéria orgânica particulada.
Hidrólise de material azotado particulado.
Amonificação de azoto orgânico solúvel.
2.3.4 Calibração do modelo ASM1
A calibração do modelo ASM1, visa estimar os valores iniciais para os parâmetros do modelo
matemático, através do melhor ajuste possível, entre os resultados da simulação e os valores medidos.
Um dos primeiros passos no desenvolvimento do modelo de tratamento biológico é a fase de calibração
e validação. Na literatura, existem diversos protocolos que disponibilizam os procedimentos a seguir
na fase de calibração do modelo (Ribeiro, 2011).
Os resultados obtidos através da medição respirométrica demonstram, a utilidade e a preponderância
na modelação de sistemas por lamas ativadas (Insel et al., 2002). Procedendo-se, normalmente, a
determinação das constantes de crescimento da biomassa heterotrófica e autotrófica, bem como, da
taxa hidrólise de substrato lentamente biodegradável e do rendimento em biomassa heterotrófica e
autotrófica (Spanjers e Vanrolleghem,1995). Conseguinte, o número de variáveis de estado na
calibração do modelo é então reduzido, por contribuição dos ensaios de respirométricos, sendo que na
sua maioria, não são diretamente mensuráveis, através dos vários dispositivos de medição instalados
no sistema de auto-controlo da ETAR (Ribeiro, 2011). Uma dos principais constrangimentos na
aplicação de monitorização e controlo dos processos biológicos, está na fiabilidade e robustez dos
sensores para medição online das principais variáveis, como a atividade da biomassa, percursores ou
produtos (CPPM, 2006).
A calibração de um modelo matemático deve ser limitada a alguns dos valores dos seus parâmetros,
cuja seleção é sustentada no efeito que apresentam, no ajustamento entre valores calculados e da
medição (Gujer, 2006).
A análise de sensibilidade, por fim, permite interpretar o efeito da variação de determinadas variáveis
na resposta do modelo. No presente caso, tratando-se de um modelo matemático, é expectável que os
processos biológicos mais lentos sejam efetivamente predominantes e que dependem em maior grau,
do decaimento da biomassa e hidrólise da matéria orgânica lentamente biodegradável. Por fim, o
modelo matemático deve ser validado comparando os resultados das simulações, com os valores
utilizados no ajustamento (Ribeiro, 2011).
22
2.4 Método respirométrico
2.4.1 Introdução
A respirometria por definição consiste na medição e interpretação da taxa de consumo biológico de
oxigénio (ro), em condições experimentais bem definidas (Spanjers et al., 1996).
O ensaio respirométrico consiste em monitorizar as quantidades de oxigénio consumido por unidade
de tempo e de volume, associado ao crescimento aeróbio da biomassa no processo de degradação
biológica de substrato orgânico biodegradável (Spanjers et al., 1996). O respirograma é uma
representação gráfica da taxa de consumo de oxigénio em função do tempo, cujo comportamento
permite indicar como a biomassa responde à presença do tipo de substrato disponível nas amostras
(Spanjers et al., 1999). Através da informação respirométrica, pode ser possível, obter uma estimativa
para os parâmetros biocinéticos, fracionamento orgânico e caracterização da biomassa ativa, com base
no parâmetro da CQO (Haandel e Catunda, 1982; Brouwer et al.,1998; Kappeler e Gujer, 1992; Novák
et al.,1994; Vanrolleghem et al., 1999; Mathieu e Etienne, 2000).
Hoje em dia, a respirometria representa uma importante ferramenta de suporte a modelação e controlo
de ETAR, particularmente na caracterização das águas residuais afluentes (Benes et al., 2002; Novák
et al.,1994; Munz et al., 1998).
Na Figura 6, são identificados os vários processos biológicos envolvidos na respirometria, as variáveis
diretamente mensuráveis, tais como, a concentração de oxigénio na mistura líquida/fase gasosa e a
fonte de carbono (substrato orgânico).
Figura 6 - Diagrama geral sobre respirometria (adaptado de Canudas, 2005)
2.4.2 Exemplos de aplicação de respirometria a casos de estudo em Portugal
e no estrangeiro
Em Portugal, existem alguns estudos realizados sobre respirometria, que a seguir se descrevem: caso
de estudo, referente a simulação do sistema de tratamento biológico instalado na ETAR da Maia e de
Verdelhos, respetivamente (Cheng et al., 1997; Ribeiro 2011). Caso de estudo, do intercetor da Costa
Biomassa
Gás Interface Líquido
Biomassa (crescimento celular)
Energia CO
2+H
2O
23
de Estoril, entre várias medições feitas no local, foi medida a concentração de oxigénio dissolvido
(Almeida e Butler, 2002; Mourato 2000). No campo da investigação, foi empregue a respirometria in-
situ, no sistema de tratamento por fitodepuração (Adreottola et al., 2005), no estudo da composição de
uma mistura de compostos orgânicos com diferentes cinéticas de biodegradação (Cogkor, et al., 2009),
ou no estudo de reabilitação de solos contaminados com compostos petrolíferos voláteis (BTEX) (Vila,
2004).
2.4.3 Condição experimental para a avaliação de respirograma
Spanjers et al., (1989) citados por Ferreira et al., (2002) referem que existe a necessidade de condições
ambientais e analíticas ótimas, para uma boa definição dos respirogramas, às quais, água residual e a
biomassa representam os elementos chave no ensaio biocinético. Foram identificados três atributos: a
fonte de biomassa, o tipo de substrato e o tempo de medição. Para além disso, no sistema de
respirometria, devem ser mantidas constantes as seguintes variáveis: temperatura, pH e a pressão.
Antes, no início de cada ensaio respirométrico, deve proceder-se a calibração do respirómetro.
Fonte de inóculo - O estado da biomassa, influência os resultados das medidas respirométricas,
existem diversas fontes; desde a biomassa presente no tanque de lamas ativadas (MLSS), proveniente
do sistema de recirculação das lamas ou relativo às águas residuais afluentes (Vanrolleghem e Lee,
2003). Este autor refere também que, dependendo do tipo de inóculo utilizado, este pode constituir um
fator crítico no desempenho da atividade da biomassa, e esse resultado, pode refletir-se ao nível da
qualidade do respirograma.
Fonte de substrato – A evolução da curva de respiração representada no respirograma, pode variar de
acordo, com a disponibilidade de substrato e da sua origem, como foi referido no subcapítulo 2.3.2
Em relação, a metodologia aplicada para realização de medidas respirométricas, descrevem-se os
seguintes:
Método instantâneo – realizado no próprio sistema em estudo (e.g., lamas ativadas), apenas
determinado a condição inicial da respiração.
Método de medição em intervalos – restringido apenas a determinação da taxa de respiração,
em intervalos de tempo específico.
Método para obtenção de respirogramas – representação gráfica da taxa de consumo de
oxigénio em função do tempo, por aplicação de uma regressão linear como metodologia base
no tratamento matemático, dos dados respirométricos.
2.4.4 O respirómetro
O respirómetro é o equipamento utilizado para avaliar a respirometria (Deus et al., 2012).
Habitualmente, apresenta a seguinte configuração: parte operativa constituída por reator biológico e
sensores de medição; OD, pH e de temperatura. Por um sistema de comando, onde é definido, a
programação das tarefas a ser executadas durante o período de medição e de um sistema operativo,
que permite transferir os dados experimentais provenientes da medição para um computador (aquisição
de dados).
24
2.4.5 Tipos de equipamento de respirometria
Segundo Ros (1993), citado por Ferreira et al., (2002), são indicados, seguidamente, as diversas
configurações de respirómetro utilizado:
Fechados, subdivididos em manométricos, volumétricos ou mistos. Não permitem trocas com
o exterior.
Abertos, subdivididos em contínuos ou descontínuos. Permitem trocas com o meio material
externo.
Na respirometria manométrica ou volumétrica, a medição da taxa de consumo de oxigénio é feita de
forma indireta, a partir da variação de OD em fase gasosa derivado da alteração de pressão, numa
célula de medição. A respirometria manométrica é constituída por uma câmara de mistura, interligada
a um manómetro em forma de “U”. O princípio de medição consiste em quantificar a quantidade de CO2
produzidas numa solução alcalina (e.g., hidróxido de potássio), quando se dá a oxidação dos
compostos orgânicos presentes na amostra. A variação de pressão, observada, pode depois ser
convertida no volume de gás (oxigénio) consumido, através da lei dos gases perfeitos (Baker e Herson,
1994).
Spanjers et al. (1998) citados por Ferreira et al., (2002) referem que para fins de pesquisa, ainda
prevalece o uso de equipamentos configurados como protótipos desenvolvidos em escala laboratorial,
baseados na medida da taxa de respiração por sensores eletroquímicos de OD (e.g., células-Clark).
Para além da configuração do biorreator, Spanjers et al. (1998) (citados por Ferreira et al., 2002), e
também a IWA (International Water Association), classificaram a técnica de respirometria, de acordo
com, os seguintes aspetos:
A fase de medição da concentração de oxigénio dissolvido - OD - G (gasosa) ou - L (líquida).
Condição de operação da corrente de entrada/saída de gás no volume de reator – F (fluxo) ou
S (estático).
Condição de operação da corrente de entrada/saída de líquido no volume de reator – F (fluxo)
ou S (estático).
Para a medição de OD em fase líquida é de salientar que existem oito tipos configurações distintas,
que são dependentes da configuração de respirómetro utilizado (Vanrolleghem, 2002a).
2.4.6 Descrição do cálculo da taxa de respiração em fase líquida
Para a estimativa da taxa de respiração num ensaio biocinético, normalmente, é realizado o balanço
de massa ao reator biológico. É necessário requerer a quantidade de oxigénio transferido da fase
gasosa para a fase líquida, e também parte desta, consumida na respiração da biomassa heterotrófica.
O balanço de massa ao oxigénio no biorreator em fase líquida e em regime de mistura perfeita é
apresentado pela equação 15. Os primeiros dois termos da equação 15 são referidos ao fluxo
advectivo, representando a concentração de oxigénio dissolvido no respetivo caudal de entrada e de
saída do sistema. O terceiro termo contempla o arejamento e está associado a transferência de gás
25
(oxigénio) na interface, entre a fase gasosa e a cultura mista de microrganismos. Por último, o termo
(ro), reflete a taxa de respiração ou velocidade específica de oxigénio consumido associado ao consumo
de substrato orgânico por parte da biomassa (equação 16).
𝑑 (𝑉𝐿𝑆0)
𝑑𝑡= 𝑄𝑒𝑆𝑜,𝑒 − 𝑄𝑠𝑆𝑜 + 𝑉𝐿𝐾𝐿𝑎(𝑆𝑜
∗ − 𝑆𝑜) − 𝑉𝐿𝑟𝑜 (15)
𝑟𝑜 = 𝑄𝑂2𝑋 (16)
Em que,
So – Concentração de OD em fase líquida (g.m-3)
So * – Concentração de saturação de OD em fase líquida (g.m-3)
So,e – Concentração de OD em fase líquida na corrente de alimentação (g.m-3)
Qe – Caudal de entrada de líquido no sistema (g.m-3)
Qs – Caudal de saída de líquido no sistema (m3.h-1)
VL – Volume da fase líquida (m3)
KLa – Coeficiente de transferência de oxigénio da interface gás-líquido do sistema (g.m-3.h-1)
ro – Taxa de respiração total (g.m-3.h-1)
Neste trabalho de dissertação, o método respirométrico aplicado veio facilitar a resolução do balanço
de massa, surgindo apenas o termo pretendido correspondente a taxa de respiração.
Existem dois fatores que dependendo do tipo de respirómetro (e.g., fluxo contínuo de gás) são
necessários para o cálculo da taxa de respiração, designadamente, o coeficiente volumétrico de
transferência de oxigénio, (KLa) e a concentração de saturação de OD na fase líquida.
2.4.7 Descrição do cálculo da taxa de respiração em fase gasosa
Admitindo um sistema idêntico ao anterior, o balanço de massa ao oxigénio em fase gasosa, é expresso
através da equação 17.
𝑑 (𝑉𝐺𝐶0)
𝑑𝑡= 𝐹𝑒𝐶𝑜,𝑒 − 𝐹𝑠𝐶𝑜 − 𝑉𝐿𝐾𝐿𝑎(𝑆𝑜
∗ − 𝑆𝑜) (17)
Onde,
So – Concentração de OD em fase líquida (g.m-3)
So * – Concentração de saturação de OD em fase líquida (g.m-3)
So,e – Concentração de OD em fase líquida na corrente de alimentação (g.m-3)
Qe – Caudal de entrada de líquido no sistema (m3.h-1)
Qs – Caudal de saída de líquido no sistema (m3.h-1)
2.4.8 Descrição dos processos biológicos a monitorizar
No capítulo 2.3 foram identificados os diversos processos biológicos que integram o modelo
matemático, foi feita uma descrição de acordo com o modelo ASM1, segundo o conceito de morte-
regeneração proposto por Dold (1980). Foi descrito o mecanismo de remoção de matéria carbonácea
26
e de azoto. No atual subcapítulo 2.4.8 são identificados as variáveis e parâmetros integrados nas
equações envolvidas nos processos biológicos.
Havendo a disponibilidade de substrato exógeno no meio reacional, a taxa de consumo de oxigénio é
composta de duas partes:
Taxa de respiração do substrato – que corresponde ao consumo de oxigénio associado à
degradação do mesmo e reflete-se no crescimento da biomassa.
Taxa de respiração endógena – que consiste no consumo de oxigénio necessário à obtenção
de energia necessário à obtenção de energia para manutenção das funções vitais das células,
sem que, no entanto, se dê a multiplicação celular.
A taxa de respiração endógena é praticamente independente da concentração de substrato, de tal
forma, que pode ser indicativa da atividade da biomassa no meio reacional (Spanjers, 1993).
A equação 18 traduz a contribuição dos diferentes tipos de utilização de oxigénio na taxa total de
respiração:
𝑟𝑜 = 𝑟𝑠 + 𝑟𝑒𝑛𝑑 (18)
Em que:
ro – Taxa total de respiração ( g.m-3.h-1)
rs – Taxa de respiração do substrato (respiração exógena) (g.m-3.h-1)
rend – Taxa de respiração endógena (g.m-3.h-1)
De acordo com o conceito de Dold (1980) a taxa de respiração exógena (rs) é apresentada na seguinte
equação:
𝑟𝑠 =1−𝑌𝐻
𝑌𝐻𝜇𝐻𝑋𝐻 +
4,57−𝑌𝐴
𝑌𝐴𝜇𝐴𝑋𝐴 (19)
Os parâmetros que podem ser avaliados correspondem a taxa de crescimento heterotrófica (μH) e de
rendimento em biomassa (YH), incluindo a concentração de biomassa ativa (XH).
A determinação dos valores de μH e μA são dependentes da concentração de substrato SS (orgânico
solúvel), SNH (azoto amoniacal) e de So (oxigénio dissolvido), assumindo que os parâmetros cinéticos
obedecem a lei Monod com limitação dupla por substrato e oxigénio, tal como, apresentam as equações
20 e 21:
μH = μHmáx 𝑆𝑆
𝐾𝑆+𝑆𝑆
𝑆𝑜
𝐾𝑂𝐻+𝑆𝑜 (20)
μA = μAmáx 𝑆𝑁𝐻
𝐾𝑁𝐻+𝑆𝑁𝐻
𝑆𝑜
𝐾𝑂𝐴+𝑆𝑜 (21)
Um dos pressupostos da respirometria consiste em assegurar a condição de não limitação de oxigénio
durante o período de ensaio. Seguramente, é simplificado o cálculo das variáveis, apresentadas nas
equações 20 e 21, dado que “switching function” So/So+Ko passa a tender para um valor
aproximadamente unitário, So>> Ko (Deus et al., 2012). Nestas condições os coeficientes de meia-
saturação: para o crescimento de biomassa heterotrófica em substrato facilmente biodegradável (KS),
27
autotrófica para o azoto amoniacal (KNH), e em utilização de oxigénio para a biomassa heterotrófica e
autotrófica (KOH e KNH) podem ser omissos das respetivas equações (20) e (21), consoante a população
microbiana, cuja taxa de respiração é pretendida medir e avaliar.
Na generalidade dos casos práticos, para ser medido em exclusivo a taxa de respiração das
heterotróficas, a biomassa autotrófica presente no meio reacional deve ter atividade insignificante
(optou-se por adicionar um inibidor de nitrificação (aliltioureia) nos ensaios de respirometria) e não
ocorra a desnitrificação.
Esta metodologia anunciada fez parte do trabalho posteriormente desenvolvido no âmbito da tese de
dissertação, de modo a obter os parâmetros que traduzem o rendimento e a cinética das bactérias
heterotróficas.
28
3. O projeto DEMOCON
3.1 Descrição sumária do projeto
A metodologia DEMOCON (DEcentralized MOnitoring and CONtrol) consiste num conjunto de
procedimentos baseados, em grande medida, na aquisição em linha de dados do processo e sua
utilização num modelo matemático para controlo do sistema de tratamento. Esta metodologia tem três
fases (Figura 7). A etapa de monitorização visa a obtenção de informação sobre o sistema de
tratamento através da realização de campanhas periódicas. A etapa de diagnóstico operacional tem
por objetivo a avaliação do funcionamento do sistema de tratamento e identificação de eventuais
problemas. A etapa de controlo consiste no desenvolvimento de estratégias para a melhoria do
funcionamento da ETAR e na aplicação das ações selecionadas. Um elemento chave no processo de
melhoria contínua é a condução de um trabalho de monitorização de seguimento, que permita
documentar o sucesso das medidas de controlo implementadas (Ribeiro, 2011).
Figura 7 - Metodologia DEMOCON (Ribeiro, 2011)
O projeto DEMOCON - Monitorização e controlo de estações de tratamento de águas residuais
descentralizadas (PTDC/AAG-TEC/4124/2012) é financiado pela Fundação para a Ciência e
Tecnologia e tem por objetivo melhorar a metodologia DEMOCON. Este projeto é coordenado pelo IST
e tem ainda como parceiros o LNEC e a empresa Simtejo (do grupo Águas de Portugal). O projeto
arrancou em Maio de 2013 e tem uma duração de 2 anos. As tarefas do projeto são:
a. Estudo de opções de monitorização e controlo operacional em sistemas descentralizados e seleção
crítica da base de trabalho a usar no estudo de caso;
b. Conceção de um modelo mecanístico não linear para simular o comportamento dinâmico da ETAR
estudada;
c. Calibração e validação da estrutura do modelo dinâmico, com dados experimentais da unidade à
escala real, parcialmente processados por sensores inferenciais;
Monito-
rização
Diagnóstico
operacionalControlo
Descrição
inicial do
sistema de
tratamento
Gestão
operacional
sustentável
de ETAR
Melhoria contínua
Etapa 1 Etapa 2 Etapa 3
29
d. Desenvolvimento de uma metodologia expedita para supervisão e controlo avançados duma ETAR
de pequena dimensão e sua aplicação e validação numa série de campanhas operacionais na ETAR
estudada.
3.2 Estudo de caso
O caso de estudo do projeto DEMOCON é a ETAR de Bucelas (Figura 8). Esta ETAR com capacidade
de 1575 m3/dia está em funcionamento desde 2004 e tem tratamento secundário por vala de oxidação
(Simtejo, 2009). Tem ainda um sistema de filtração e desinfeção das águas residuais tratadas (não são
visíveis na fotografia)
Figura 8 - ETAR de Bucelas (fonte: www.simtejo.pt)
As principais caraterísticas da ETAR de Bucelas são as seguintes:
• A ETAR serve a freguesia de Bucelas, com uma população próxima dos 4600 habitantes
(dados do Censos 2011).
• A operação da ETAR é assegurada através de visitas diárias efetuadas pelo pessoal técnico
de operação.
• As águas residuais afluentes têm origem essencialmente doméstica.
• O sistema de tratamento biológico é por lamas ativadas em duas valas de oxidação.
3.3 Integração do trabalho de mestrado no projeto
O trabalho desenvolvido no âmbito da presente tese de mestrado está integrado na tarefa 3 do projeto
DEMOCON (Figura 9) e foi desenvolvido nos seguintes moldes:
Realização de ensaios respirométricos relativo ao caso de estudo, a ETAR de Bucelas.
Obter informação sobre a composição das águas residuais afluentes à ETAR relativamente ao
seu fracionamento da componente orgânica, a partir da interpretação e análise de
respirogramas.
30
Estimar os parâmetros de modelação de lamas ativadas. Os parâmetros cinéticos e
estequiométricos: rendimento heterotrófico (YH), a taxa máxima de crescimento heterotrófico
(µHmáx), a taxa de decaimento (bH) e a taxa específica máxima de hidrólise de substrato
particulado ou lentamente biodegradável (kh), úteis para a tarefa de calibração e de validação
da estrutura do modelo dinâmico ASM1.
Foram realizadas várias determinações analíticas à composição das amostras de águas
residuais: CQOt, CQOf SST e SSV.
Colaborar em campanhas experimentais, no âmbito de outras tarefas do projeto DEMOCON.
Na Figura 9 apresenta-se o enquadramento do trabalho desenvolvido na presente tese no âmbito do
projeto DEMOCON.
Figura 9 - Fases do projeto DEMOCON, enquadramento da tese de dissertação
3.4 A ETAR de Bucelas
O esquema geral da ETAR de Bucelas é ilustrando na Figura 10, identificando as diversas unidades de
tratamento instaladas, segundo o nível de tratamento: preliminar, primário, secundário e terciário. O
percurso normal de circulação das águas residuais na ETAR tem início com o seu transporte desde o
poço de entrada até a operação de gradagem/tamisador, através do sistema de elevação (parafusos
de Arquimedes). Depois, de transitar pelo tanque de desengorduramento, o efluente é encaminhado
para o tratamento biológico em vala de oxidação (arejamento prolongado) seguindo-se a filtragem
através de filtros de areia e, por último, a desinfeção por radiação ultravioleta. O meio hídrico recetor
do efluente tratado é o rio Trancão.
Tarefa 1: Estudo de opções de monitorização e
controlo operacional e seleção da base de trabalho
a usar no estudo de caso
Tarefa 2: Conceção de um modelo mecanístico não
linear para simular o comportamento dinâmico da
ETAR estudada
Tarefa 3: Calibração e validação da estrutura do
modelo dinâmico, com dados experimentais da
ETAR
Tarefa 4: Desenvolvimento e validação da
metodologia expedita para supervisão e controlo
avançados na ETAR estudada
Foco da tese:
1 – Colaboração nas
campanhas experimentais na
ETAR estudada
2 – Realização dos ensaios
respirométricos
3 – Determinação de
parâmetros cinéticos e
estequiométricos do modelo
matemático
4 – Determinação das frações
de CQO no afluente à ETAR
Projeto DEMOCON
31
Figura 10 - Planta da ETAR de Bucelas (adaptado de Ribeiro 2014a)
Na Figura 11, incluem-se algumas imagens das visitas de Bucelas.
a b
32
Figura 11 – Visitas a ETAR: (a) poço afluente, (b) vala de oxidação, (c) decantador biológico, (d) filtro de areia, (e) filtro de prensa, (f) desarenador, (g) vista geral
.
c
e
d
f
g
33
4. Materiais e Métodos
4.1 Introdução
No âmbito da dissertação, o trabalho proposto foi dividido em duas partes. Numa parte, foi realizado
trabalho de campo, e de outra, onde se realizou ensaios laboratoriais. O trabalho de campo teve lugar
na ETAR de Bucelas. Consistiu na colheita de amostras de águas resíduas afluentes para a realização
de ensaios de respirometria, utilizando para tal, um respirómetro instalado no LNEC, concretamente no
Núcleo de Engenharia Sanitária (NES). Geralmente, as visitas técnicas à ETAR foram feitas no período
da manhã, ficando reservado para a tarde, o ensaio de respirometria. Esta atividade desenvolvida foi
integrada no projeto DEMOCON, teve o seu arranque oficial no dia 9 de Abril de 2014.
Nos dias 15/16 de Julho e 15/17 de Outubro de 2014, foram realizadas as campanhas experimentais
preliminares CP1 e CP2. O objetivo destas campanhas foi identificar os pontos de estudo e obter os
primeiros dados de monitorização das variáveis do sistema de tratamento biológico, descritas no
subcapítulo 4.5.
4.2 Colheita de amostras
As amostras (água residual e licor misto), destinadas à respirometria foram colhidas em dois locais
distintos na ETAR de Bucelas. Foi feita a recolha de 9 litros de água residual, a jusante do canal parshall
(zona de descarga) e depois colocado em garrafas de plástico escuro. A colheita realizou-se nos
períodos em que não se verificou recirculação interna de efluentes para o poço de entrada das águas
residuais brutas, resultante de algumas operações unitárias, nomeadamente, dos filtros de areia e de
banda. Contudo, esta situação pode alterar não só o estado físico e composição das mesmas, bem
como, a caracterização da componente orgânica presente. Na zona de descarga, numa das valas de
oxidação foi feita a recolha de 1 litro de licor misto (MLSS), durante o período em que esteve ligado o
sistema arejamento. Os ciclos de arejamento estão programados para funcionar intermitentemente em
intervalos de 1h.
Figura 12 - Figura 12- Locais de colheita: (a) ponto de descarga vala de oxidação, (b) canal de parshall
a b
34
4.3 Descrição do respirómetro utlizado
O respirómetro instalado no LABES (Laboratório de Engenharia Sanitária do LNEC) foi construído e
usado por Almeida (1999) e em Ribeiro (2011). O sistema de respirometria na variante LSS – efetua a
medição de oxigénio em fase líquida e em regime estático, também conhecida por “respirometria
fechada”. Este equipamento é constituído por um conjunto de quatro biorreatores (frascos de vidro) e
quatro sensores de oxigénio dissolvido - OD, instalados em cada unidade. Os reatores também
designados por OUR1, OUR2, OU3 e OUR4 são colocados numa cuba metálica com um sistema de
termostatização por banho de água controlada por um sensor de temperatura. Na base superficial foram
inseridas placas de agitação, que por ação de barras magnéticas colocadas em cada reator, promovem
a homogeneização contínua (300 rpm). O ar a injectar no conteúdo do reator é fornecido através de
uma garrafa de ar seco comprimido (com válvula de pressão), localizada nas imediações do
equipamento e acionado por controlador automático. O registo dos dados é feito através de um
computador interligado ao respirómetro.
Os reatores OUR têm uma capacidade de volume de 2,5 l. Na parte superior possuem estrutura de
material polimérico do tipo plexiglass. Esta estrutura dispõe de um orifício onde é introduzido o tubo de
alimentação de ar comprimido e de uma câmara de expansão, de modo, a evitar eventuais perdas de
conteúdo durante o fornecimento de ar, atendendo a forte agitação e formação de espuma durante os
ciclos de arejamento. Com objetivo de minimizar esses efeitos referidos e limitar as trocas gasosas com
o ambiente exterior devido a existência de um orifício no topo das câmaras de expansão, optou-se,
assim, por colocar pedras na base das mesmas e reforçar as juntas com braçadeiras de borracha. As
restantes junções constituintes do reator são isoladas com material de PVC para prevenir fugas de
matéria.
Figura 13 - Instalação de respirometria
O painel controlo do respirómetro aplica de modo automático os intervalos de valores definidos pelo
utilizador para injeção de ar, no período de arejamento. Para arranque e interrupção de ar no regime
de arejamento foi estabelecido um set-point, entre os valores de 60 a 85% de saturação de oxigénio
dissolvido. O oxigénio dissolvido é medido, em cada reator, através de uma sonda de OD da Danfoss
(OXY 1100). A termostatização do banho não se encontrava a funcionar na altura dos ensaios por
Câmara de
expansão
Banho
termoestático
Sonda de
oxigénio
Reactor
biológico
Barra
magnética
Placa de
agitação
Pedra difusora
Sensor de
temperatura
Terminal
controlo
Fornecimento
de ar
Registo de
dados
Termóstato
Câmara de
expansão
Banho
termoestático
Sonda de
oxigénio
Reactor
biológico
Barra
magnética
Placa de
agitação
Pedra difusora
Sensor de
temperatura
Terminal
controlo
Fornecimento
de ar
Registo de
dados
Termóstato
35
problemas técnicos. Segundo Almeida (1999) o set-point aplicado a temperatura do banho deve estar
entre 20º C, sendo medido através de um sensor de temperatura PT100. Na maioria das vezes, os
ensaios de respirometria foram realizados em dias quentes, para manter a temperatura do banho
aproximadamente a 20º C foi preciso adicionar placas de gelo.
O sistema de aquisição de dados interligado ao respirómetro - programa DATALOG - regista
continuamente os valores de concentração de oxigénio dissolvido, temperatura e de tempo no decorrer
do ensaio experimental.
Figura 14 - Setup do programa DATALOG (aquisição de dados)
4.4 Protocolo experimental no laboratório
O protocolo experimental seguido para este trabalho foi elaborado por Ribeiro (2014). E descreve de
forma sucinta, os passos a seguir na fase de preparação, no decorrer e término da atividade laboratorial
de modo a obter os respirogramas com a vista a estimar os parâmetros de modelação. É também
indicada toda informação relativa a reserva de amostras para a determinação analítica a ser efectuada,
no início e no final de cada ensaio de respirometria.
4.4.1 Preparação do ensaio respirométrico
Na preparação do ensaio de respirometria foi feito um duplicado com as amostras de água residual e
também com a adição de licor misto (MLSS) do tanque de arejamento. O volume total presente em
cada reator foi de 2 L. Nos ensaios em presença de inóculo, as condições experimentais são
influenciadas pela composição das águas residuais e, sobretudo, pela escolha da razão
substrato/biomassa (S/X), (g CQO.g SSV-1). Para se obter um respirograma representativo da cinética
de crescimento da biomassa heterotrófica, foi previamente fixada uma razão de (S/X)(g CQO.g SSV-1),
igual a 2. Esta razão foi mantida constante, à exceção do último ensaio realizado, onde foi considerado
o dobro da quantidade de inóculo. Foi adicionado um volume de inóculo (licor misto) com uma
concentração de sólidos totais voláteis (SSV) conhecida, de forma a manter constante o valor de S/X.
Os SSV é um valor estimado a partir da concentração de sólidos suspensos totais (SST), tendo como
36
referência os valores fornecidos pela Simtejo. Estes dados foram sendo continuamente atualizados
com base nas medidas feitas em laboratório, através de ensaios analíticos as amostras para determinar
os SST e SSV. Foi admitida uma gama de valores para os SSV no início de cada ensaio de
respirometria entre 3587 a 4165 g SSV.m-3. Por outro lado, foram obtidos valores da CQO e SST
através das medições da sonda s::can (espectofotómetro submersível), instalada no âmbito do projeto
DEMOCON. Esta sonda teve por objetivo monitorizar em contínuo a composição das águas residuais
afluentes, nomeadamente, os parâmetros de CQO, SST e azoto amoniacal, (Figura 15).
Figura 15 – (a) preparação de OUR, (b) disposição de sonda s::can
A atividade das bactérias nitrificantes foi inibida por adição de uma solução de aliltioureia (ATU), no
volume de biorreator. Assim, nos respirogramas é refletida apenas o consumo biológico de oxigénio
associado as bactérias heterotróficas.
4.4.2 Adição de substrato sintético
O crescimento das bactérias heterotróficas está associado à degradação de substrato exógeno
rapidamente biodegradável. À medida que decorre este processo biológico, verifica-se uma diminuição
contínua da taxa de consumo de oxigénio, derivado da disponibilidade ou limitação de substrato
presente. Na curva de respiração do respirograma é possível observar um patamar estável,
correspondendo, ao período de respiração endógena.
O método para determinar a taxa específica máxima de crescimento heterotrófico, consiste primeiro,
em identificar o período de respiração endógena, e depois, induzir um período de crescimento
exponencial não limitado da biomassa heterotrófica, através da adição de uma quantidade de substrato
sintético na forma solúvel rapidamente biodegradável.
O procedimento descrito por Almeida (1999) indica o fornecimento de acetato de sódio (CH3COONa),
numa quantidade igual a 0,27 g nos ensaios com água residual afluente e 0,34 g na presença de inóculo
a b
37
de lamas mistas. A disposição considerada foi OUR 1 e OUR 2 referido às amostras de águas residuais
(AR), e OUR 3 e OUR 4 inoculadas (AR+LM). Esta configuração foi depois alterada nos ensaios
realizados no dia 2-Julho-2014, e a partir de diante (OUR 1 e 3) passou a AR e (OUR 2 e 4) foi AR+LM.
A adição de acetato deve ser feita respeitando um intervalo de 24 h, após o arranque do ensaio
(aproximadamente a meio da atividade experimental). Pretendeu-se, que nesse momento, o consumo
de oxigénio esteja associado predominantemente à respiração endógena, possibilitando identificar
melhor o aumento da atividade microbiana.
No laboratório a adição de acetato foi efetuada aproveitando uma ciclo de (não) arejamento. Utilizando
uma pipeta volumétrica foi colhido um volume de amostra (30 ml) da mistura reacional do biorreator
para diluição prévia com acetato de sódio.
4.4.3 Determinação de parâmetros analíticos na água residual
Antes de iniciar o ensaio respirométrico e após a sua conclusão foram recolhidas amostras dos reatores
OUR 1, 2, 3, e 4 e posteriormente colocados em frascos de plástico de 250 ml. Em seguida foi feita a
caracterização analítica das respetivas amostras para determinar os seguintes parâmetros: CQO total
e CQO filtrado. Recorrendo a técnica de espectofometria de absorção molecular e uso de kits em cuvete
Relativamente aos ensaios simples com águas residuais, apresentam-se, seguidamente, uma análise
a estes valores:
Foram obtidos um conjunto de valores de YH acima 0,70 g O2biomassa.(g O2
substrato)-1, sendo que
alguns autores sugerem valores entre 0,55 e 0,67 g O2biomassa.(g O2
substrato)-1, (Quadro 9). Com
Kappeler e Gujer (1992) indicando que estes são independentes da temperatura. Contudo,
durante os ensaios de respirometria verificou-se algumas oscilações da temperatura,
frequentes em dias quentes, tendo (Almeida, 1999) citado que, na prática pode depender das
condições de crescimento da biomassa, tais como, a razão de S/X selecionada para o ensaio.
Além disso, durante o tratamento da informação respirométrica, o cálculo associado ao Aoacetato,
também pode ter subestimado o valor real de YH.
Kappeler e Gujer (1992) referiram que o parâmetro cinético de μHmáx depende da temperatura,
da configuração do reator e pode estar relacionada com o tempo de retenção de sólidos. Os
valores obtidos de μHmáx apresentaram pouca variação quando comparados com os valores da
bibliografia; este aspeto pode indicar um crescimento lento da população heterotrófica na
cultura, derivado da natureza do próprio substrato consumido.
Observando os valores das frações orgânicas de Ss, face aos valores de Xs, pode-se constatar
que existe uma menor contribuição do substrato rapidamente biodegradável em relação à
fração de lenta biodegradação.
Não foi possível estimar μHmáx à custa de Ss por falta de valores pontuais de ro.
Os valores de kh1 e kh2 refletem a limitação da disponibilidade de substrato orgânico
biodegradável presente nas águas residuais; estes apresentam valores superiores comparados
com os dados apresentados na bibliografia. Kappeler e Gujer (1992) referiram que estes são
independentes da temperatura, mas que podem depender da concentração da biomassa
heterotrófica XH. Note que existe uma elevada quantidade de biomassa ativa presente na
composição das águas residuais, já referido (subcapítulo 5.2.1).
A taxa de decaimento da biomassa heterotrófica apresenta valores entre (0,05 a 0,09 h-1). Foi
verificado uma tendência linear de declínio lento da taxa de respiração após o esgotamento de
substrato exógeno. Conclui-se que as bactérias heterotróficas possuem alguma resistência a
ambientes adversos, em particular, nas condições de falta de “substrato exógeno” ou de
substâncias inibitórias, presentes no meio reacional (Insel et al., 2002).
Na estimativa de XHo e XH1 houve alguma incerteza associada ao cálculo efetuado, por terem sido
utilizados os valores pontuais de ro nos instantes iniciais dos ensaios sujeitos a alguma instabilidade do
sistema de respirometria. O cálculo realizado para estimar as frações da CQO (Ss e Xs), também,
apresentou algum grau de incerteza, uma vez que, dependem do valor estimado de YH e da proposta
definida para o fracionamento da CQO, a partir das áreas do respirograma.
Dos ensaios de respirometria com amostras inoculadas não se verificaram alterações significativas nos
parâmetros de modelação, casos de, YH, μHmáx,kh1, kh2, bH. Este tipo de ensaio serviu, essencialmente,
para visualizar as diferenças da resposta da biomassa heterotrófica à degradação de substrato
61
orgânico, traduzido na curva ou forma dos respirogramas, que, como foi referido anteriormente, não foi
objetivamente concretizado.
Em relação a concentração de biomassa heterotrófica XH, os valores variaram consoante os ensaios,
mas é de salientar que uma parte significativa da biomassa pode apresentar uma elevada concentração
de produtos inertes particulados, em resultado do decaimento heterotrófico, a qual é fundamentada nos
seguintes aspetos observados: elevado tempo de retenção das lamas no sistema de tratamento
biológico e apreciação do perfil dos respirogramas, e, sobretudo, da pouca diferença registada entre
valores de concentração de biomassa heterotrófica inicial (XHo), relativamente aos ensaios com águas
residuais simples e inoculadas.
Em princípio, a concentração de XHo deveria ser superior, contudo no presente caso, o conteúdo em
SSV das amostras conta provavelmente com uma maior quantidade de substrato particulado (Xs) não
relacionada com a biomassa heterotrófica ativa (XH).
Quadro 9 - Valores típicos dos parâmetros cinéticos e estequiométricos do modelo ASM1, para pH neutro de águas residuais domésticas (adaptado de Henze et al., 1987)
Os valores do Quadro 8 são, assim, considerados como uma base de informação para o processo de
calibração do modelo. No Quadro 9, são apresentados os valores de parâmetros modelação
encontrados na bibliografia especializada.
*Valores médios dos parâmetros do modelo ASM1 (8 ensaios com águas residuais)
62
5.4 Análise as frações de CQO através de respirograma
Apresenta-se no Quadro 10, os resultados da determinação analítica realizada à composição das águas
residuais (OUR), no início e no final de cada ensaio respirométrico.
No Quadro 10, também são indicados as eficiências de remoção obtidas para os ensaios de
respirometria.
Utilizando os valores de CQO e contabilizando a carência química em oxigénio para cada OUR, relativo
ao início e após término do ensaio de respirometria, é possível calcular a sua eficiência de remoção,
através da expressão 47. Note que, foi preciso incluir a fração do acetato adicionado (Ssacetato) para
efeitos de cálculo.
%𝑅𝑒𝑚𝑜çã𝑜 = 1 −𝐶𝑄𝑂𝐹𝑖𝑛𝑎𝑙
𝐶𝑄𝑂𝐼𝑛í𝑐𝑖𝑜+𝑆𝑠𝑎𝑐𝑒𝑡𝑎𝑡𝑜 . 100 (47)
Quadro 10 - Valores de CQO e eficiências de remoção
Colheita de amostra
Tipo de ensaio
ID_Ensaio CQOtotal CQOfiltrado
Data Inoculado Unidades Início Ssacetato Final Remoção Início Ss
acetato Final Remoção
Dia-Mês-Ano Sim/Não Substrato g O2.m-3 g O2.m-3 g O2.m-3 % g O2.m-3 g O2.m-3 g O2.m-3 %
(combinations of) ativated sludge model no.1 parameters and components by respirometry. Wat. Sci.
Tech., 39(1), 195-214.
Vanrolleghem, P. (2002). Control of ativated sludge wastewater treatment by using respirometry.
Universiteit de Gent, Belgium, 5 p.
Vanrolleghem, P. (2002a). Principles of respirometry in ativated sludge wastewater treatment.
Universiteit de Gent, Belgium, 3 p.
71
Vila, M., (2004). Reabilitação de solos observada através da respirometria – análise de sinal em
sistemas biológicos. Tese de Doutoramento, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto,
Porto.
WEF. (2009). Energy conservation in wastewater treatment facilities- Manual of Practice. Water
Environment Federation, (32), VA, USA, (citado em Amand et al., 2012).
Wentzel, M., Mbewe, A., Ekama, G. (1995). Batch test for measurement of readily biodegradable COD
and active organism concentrations in municipal waste waters. Water SA, 21(2), 117-124.
Wentzel, M., Mbewe, A., Lakay, M., Ekama, G. (1999). Batch test for characterization of the
carbonaceous materials in municipal wastewater. Water SA, 25(3), 327-335.
Legislação
Decreto-lei n.º 152/97, de 19 de Junho. Relativo ao tratamento de águas residuais urbanas (transpõe
para o direito interno a Directiva n.º 91/271/CEE).
Decreto-Lei n.º 236/98, de 1 de Agosto. Estabelece normas, critérios e objetivos de qualidade com a
finalidade de proteger o meio aquático.
Decreto-Lei nº 58/2005 de 29 de Dezembro. Aprova a Lei da Água, transpondo para a ordem jurídica
nacional a Directiva n.º2000/60/CE, do Parlamento Europeu e do Conselho, de 23 de Outubro, e
estabelecendo as bases e o quadro institucional para a gestão sustentável das águas.
Decreto-Lei n.º 97/2008, de 11 de Junho. Estabelece o regime económico e financeiro dos recursos
hídricos, disciplinando a taxa de recursos hídricos, as tarifas dos serviços públicos de águas e os
contratos-programa em matéria de gestão dos recursos hídricos.
Decreto-Lei n.º 379/93, de 5 de Novembro. Estabelece o regime de exploração e gestão dos sistemas
multimunicipais e municipais de captação, tratamento e distribuição de água para consumo público, de
recolha, tratamento e rejeição de efluentes e de recolha e tratamento de resíduos sólidos.
O Decreto-Lei nº277/2009, de 2 de outubro. Estabelece o regime de manutenção e restruturação do
Instituto Regulador de Águas e Resíduos, I.P (IRAR, I.P), redenominado Entidade Reguladora dos
Serviços de Águas e Resíduos, I.p. (ERSAR, I.P).
72
73
Anexo I ETAR de Bucelas - Respirogramas & Determinação analítica das águas residuais
75
0
5
10
15
20
25
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
OU
R(g
.m-3
.h-1
)
Tempo (h)
20140409_OUR2
respiração endógena
0
5
10
15
20
25
30
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
OU
R(g
.m-3
.h-1
)
Tempo (h)
20140428_OUR1
respiração endógena 0
5
10
15
20
25
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
OU
R(g
.m-3
.h-1
)
Tempo (h)
20140428_OUR3
respiração endógena
0
5
10
15
20
25
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
OU
R(g
.m-3
.h-1
)
Tempo (h)
20140409_OUR4
respiração endógena
0
5
10
15
20
25
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
OU
R(g
.m-3
.h-1
)
Tempo (h)
20140409_OUR3
respiração endógena
76
0
5
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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
OU
R(g
.m-3
.h-1
)
Tempo (h)
20140514_OUR3
respiração endógena
0
5
10
15
20
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30
35
40
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
OU
R(g
.m-3
.h-1
)
Tempo (h)
20140514_OUR4
respiração endógena
0
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10
15
20
25
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
OU
R(g
.m-3
.h-1
)
Tempo (h)
20140428_OUR4
respiração endógena
77
0
5
10
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20
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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
OU
R(g
.m-3
.h-1
)
Tempo (h)
20140702_OUR4
respiração endógena
0
5
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15
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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
OU
R(g
.m-3
.h-1
)
Tempo (h)
20140716_OUR2
respiração endógena
0
5
10
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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
OU
R(g
.m-3
.h-1
)
Tempo (h)
20140917_OUR1
respiração endógena
0
5
10
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20
25
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
OU
R(g
.m-3
.h-1
)
Tempo (h)
20140917_OUR2
respiração endógena
0
5
10
15
20
25
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
OU
R(g
.m-3
.h-1
)
Tempo (h)
20140702_OUR3
r respiração endógena
0
5
10
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20
25
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
OU
R(g
.m-3
.h-1
)
Tempo (h)
20140716_OUR3
respiração endógena
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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
OU
R(g
.m-3
.h-1
)
Tempo (h)
20140917_OUR4
respiração endógena
0
5
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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
OU
R(g
.m-3
.h-1
)
Tempo (h)
20141007_OUR1
respiração endógena
0
5
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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
OU
R(g
.m-3
.h-1
)
Tempo (h)
20141007_OUR2
respiração endógena
79
Figura A I- 1 Respirogramas de Abril a Outubro de 2014, ensaios de AR (apresentados do lado esquerdo da página); ensaios de AR+LM (apresentados do lado direito da página)
0
5
10
15
20
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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
OU
R(g
.m-3
.h-1
)
Tempo (h)
20141015_OUR2
respiração endógena
0
5
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15
20
25
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
OU
R(g
.m-3
.h-1
)
Tempo (h)
20141007_OUR3
respiração endógena
0
5
10
15
20
25
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
OU
R(g
.m-3
.h-1
)
Tempo (h)
20141015_OUR4
respiração endógena0
5
10
15
20
25
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
OU
R(g
.m-3
.h-1
)
Tempo (h)
20141015_OUR3
respiração endógena
0
5
10
15
20
25
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
OU
R(g
.m-3
.h-1
)
Tempo (h)
20141015_OUR1
respiração endógena
80
Quadro A I- 1 Valores utlizados na preparação dos OUR 09-04-2014
Condições Experimentais
Relação S0/X0 (g O2.g SSV-1) 2
Estimativa CQO_AF (g O2.L-1) 240
Estimativa SSV_LM (g SSV.L-1) 4165
Valor base de X0 (g SSV) 120
Volume de LM por litro de AM (L) 0,029
Volume de LM por OUR (L) 0,066
Quadro A I- 2 Valores utlizados na preparação dos OUR 28-04-2014
Condições Experimentais
Relação S0/X0 (g O2.g SSV-1) 2
Estimativa CQO_AF (g O2.L-1) 294
Estimativa SSV_LM (g SSV.L-1) 4165
Valor base de X0 (g SSV) 147
Volume de LM por litro de AM (L) 0,035
Volume de LM por OUR (L) 0,035
Quadro A I- 3 Valores utlizados na preparação dos OUR 14-05-2014
Condições Experimentais
Relação S0/X0 (g O2.g SSV-1) 2
Estimativa CQO_AF (g O2.L.1) 294
Estimativa SSV_LM (g SSV.L-1) 4165
Valor base de X0 (g SSV) 147
Volume de LM por litro de AM (L) 0,035
Volume de LM por OUR (L) 0,081
Quadro A I- 4 Valores utilizados na preparação dos OUR 02-07-2014
Condições Experimentais
Relação S0/X0 (g O2.g SSV-1) 2
Estimativa CQO_AF (g O2.L-1) 414
Estimativa SSV_LM (g SSV.L-1) 4165
Valor base de X0 (g SSV) 207
Volume de LM por litro de AM (L) 0,050
Volume de LM por OUR (L) 0,114
81
Quadro A I- 5 Valores utilizados na preparação dos OUR 16-07-2014
Condições Experimentais (Campanha Preliminar 1)
Relação S0/X0 (g O2.g SSV-1) 2
Estimativa CQO_AF (g O2.L-1) 295
Estimativa SSV_LM (g SSV.L-1) 3587
Valor base de X0 (g SSV) 148
Volume de LM por litro de AM (L) 0,041
Volume de LM por OUR (L) 0,095
Quadro A I- 6 Valores utlizados na preparação dos OUR 17-09-2014
Condições Experimentais
Relação S0/X0 (g O2.g SSV-1) 2
Estimativa CQO_AF (g O2.L-1) 190
Estimativa SSV_LM (g SSV.L-1) 3587
Valor base de X0 (g SSV) 95
Volume de LM por litro de AM (L) 0,026
Volume de LM por OUR (L) 0,061
Quadro A I- 7 Valores utilizados na preparação dos OUR 07-10-2014
Condições Experimentais
Relação S0/X0 (g O2.g SSV-1) 2
Estimativa CQO_AF (g O2.L-1) 450
Estimativa SSV_LM (g SSV.L-1) 4000
Valor base de X0 (g SSV) 225
Volume de LM por litro de AM (L) 0,056
Volume de LM por OUR (L) 0,152
Quadro A I- 8 - Valores utilizados na preparação dos OUR 15-10-2014
Condições Experimentais (Campanha Preliminar 2)
Relação S0/X0 (g O2.g SSV-1) 1
Estimativa CQO_AF (g O2.L-1) 160
Estimativa SSV_LM (g SSV.L-1) 3750
Valor base de X0 (g SSV) 160
Volume de LM por litro de AM (L) 0,043
Volume de LM por OUR (L) 0,096
82
Quadro A I- 9 Valores de SST e SSV da determinação analítica às amostras dos OUR e de licor misto da vala de oxidação nº1
Código de Amostra SST (g.m-3) SSV (g.m-3)
OUR_LM_09042014 40 30
LM_09042014 210 160
OUR_LM_28042014 150 140
LM_28042014 1640 1100
OUR_LM_14052014 1980 1630
LM_14052014 2920 2000
OUR_LM_02072014 310 260
LM_02072014 6220 4220
OUR_LM_16072014 130 110
LM_16072014 2200 1500
OUR_LM_17092014 110 80
LM_17092014 5900 4070
OUR_LM_07102014 -- --
LM_07102014 3900 2670
OUR_LM_15102014 -- --
LM_15102014 4120 2720
83
Quadro A I- 10 Valores de parâmetros analíticos na água residual
Colheita de amostra
Tipo de ensaio
ID_Ensaio CQOtotal CQOfiltrado
Data Inoculado Unidades Início Final CQO
consumo Início Final
CQO consumo
Dia-Mês-Ano Sim/Não Substrato g O2.m-3 g O2.m-3 g O2.m-3 g O2.m-3 g O2.m-3 g O2.m-3