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DESENVOLVIMENTO DE SOFTWARE PARA PRDIMENSIONAMENTO DE REATORES
ANAERBIOS DE MANTA DE LODO - UASBKnia Mara da Rocha(1) Engenheira
Civil formada pela Escola de Engenharia da UFMG (1998). Fabiano
Medeiros de Oliveira Aluno do 10o perodo do Curso de Engenharia
Civil da UFMG. Bolsista de iniciao cientfica (CNPq). Raquel da
Silveira Cota Engenheira Civil e Sanitarista pela UFMG (1997).
Mestranda em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hdricos pela
UFMG. Carlos Augusto de Lemos Chernicharo Engenheiro civil e
sanitarista. Doutor em engenharia ambiental pela Universidade de
Newcastle upon Tyne UK. Professor Adjunto do Departamento de
Engenharia Sanitria e Ambiental da UFMG. Marcos von Sperling
Engenheiro Civil e Sanitarista. Doutor em Engenharia Ambiental pelo
Imperial College UK. Professor Adjunto do Departamento de
Engenharia Sanitria e Ambiental da UFMG. Endereo(1): Rua Equador
264/603 - Bairro Sion - Belo Horizonte - MG - CEP: 30330-390 -
Brasil - Tel.: (031) 238-1020 - Fax: (031) 238-1879 - e-mail:
[email protected]
RESUMO O presente trabalho teve como objetivo o desenvolvimento
de um programa computacional para o pr-dimensionamento de reatores
anaerbios tipo UASB. O programa denominado UASBware Retangular foi
focado nos reatores UASB retangulares tratando efluentes
essencialmente orgnicos. O ordenamento do dimensionamento dos
reatores UASB vem contribuir para o projeto e divulgao da
tecnologia anaerbia, alm de possibilitar uma minimizao dos erros de
dimensionamento que podem ocorrer. Os parmetros recomendados e
utilizados para o clculo no programa foram objeto de ampla
pesquisa. O programa se apresenta com interface amigvel e de fcil
compreenso, tendo sido desenvolvido para ambiente Windows. Possui
ainda completo sistema de ajuda, tornando fcil seu manuseio e
entendimento por parte dos usurios, alm de servir como uma
eficiente ferramenta de divulgao da tecnologia.
PALAVRAS-CHAVE: Dimensionamento de Reatores Anaerbios, Reator
UASB, Software de Dimensionamento, Tratamento Anaerbio.
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INTRODUO Em decorrncia da ampliao de conhecimento na rea de
tratamento de esgotos, os sistemas anaerbios, notadamente os
reatores anaerbios de fluxo ascendente e manta de lodo (reatores
UASB), cresceram em maturidade, passando a ocupar uma posio de
destaque, no s em nvel mundial mas principalmente em nosso pas, em
vista de seu baixo custo, sua simplicidade operacional e s nossas
boas condies ambientais de temperatura. Constata-se que o nvel de
conhecimento no campo do tratamento anaerbio em nosso pas elevado,
embora esteja ainda bastante localizado. Entretanto, apesar do
conhecimento acumulado a esse respeito, no h ainda um roteiro claro
e sistematizado, acessvel a comunidade tcnico-cientfica, sobre o
dimensionamento de reatores UASB. Torna-se clara a importncia de
que os diversos critrios e parmetros de projeto destes reatores
sejam expressos de uma forma compreensvel e seqencial, permitindo
seu correto dimensionamento, e visando evitar alguns equvocos de
projeto que tm sido observados, em funo do grande incremento no
nmero de projetos de UASB, sem o proporcional aumento de capacitao
de projetistas. Desta forma, o presente trabalho prope um roteiro
claro e sistematizado, sobre o dimensionamento de reatores UASB de
configurao retangular tratando efluentes essencialmente orgnicos.
Apresentando os diversos critrios e parmetros de projeto expressos
de forma compreensvel e seqencial, este trabalho possibilita o
correto e otimizado dimensionamento das cmaras de reao, decantao e
captura de gs dos reatores UASB. O trabalho prope, ainda, o
desenvolvimento de um programa computacional para
pr-dimensionamento deste tipo de reator. Desta forma, espera-se
contribuir para padronizar o dimensionamento dos reatores UASB, alm
de divulgar os conceitos bsicos dos reatores anaerbios,
difundindo-o como um mtodo de tratamento simples e de baixo custo.
METODOLOGIA Coleta e Compilao de Informaes No incio do projeto foi
realizada uma ampla pesquisa sobre os principais aspectos relativos
ao projeto e operao dos reatores UASB em operao no Brasil e em
pases de clima semelhante. Isto possibilitou o desenvolvimento de
um amplo trabalho de coleta e seleo de dados consistentes.
Utilizou-se uma vasta fonte de dados, compreendendo peridicos,
teses, livros, etc. A partir do levantamento bibliogrfico,
verificou-se relativa dificuldade de se encontrar dados
representativos. Percebeu-se, tambm, ser difcil obter fontes que
fornecessem todos os dados necessrios para uma anlise cuidadosa das
informaes. Algumas informaes levantadas no se mostraram adequadas
do ponto de vista da catalogao, sobretudo como fonte para
estruturar um banco de dados. Isto dificultou os trabalhos de
sistematizao, prejudicando a estruturao do banco de dados e,
consequentemente, a de definio dos parmetros de projeto e operao
dos reatores UASB.
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Este fato gerou a necessidade de se entrar em contato com os
principais especialistas e pesquisadores do Brasil, objetivando a
coleta de informaes novas e/ou complementares. Sendo assim, foram
enviados pedidos de informaes aos autores de artigos de relevncia
para a pesquisa. Aps a fase inicial de coleta e compilao de dados,
desenvolveu-se um banco de dados eletrnico para auxiliar o
armazenamento e posterior consulta aos dados. Os dados obtidos
(basicamente dados bibliogrficos) passaram por uma anlise
cuidadosa, culminando por fim na elaborao de um banco de dados
informatizado. As tabelas a seguir contm os principais critrios e
parmetros sistematizados. Tabela 1: Principais critrios e parmetros
sistematizados.Parmetro Valores recomendados 1,0 - 1,25 < 1500
75 - 100 0,10 - 0,15 2,0 - 3,0 25 - 30 1,0 3,0 - 5,0 70 - 80 0,10 -
0,15 > 45 1,5 - 2,0 2,0 - 3,5 0,10 - 0,20
Relao comprimento/largura dos mdulos Volume do reator (m3)
Dimetro do tubo de distribuio do afluente (mm) Distncia entre o
bocal de sada e o fundo do reator (m) rea de influncia de cada tubo
de distribuio (m2) Largura mnima do coletor de gases (cm) Taxa
mnima de liberao de biogs (m3/m2.h) Taxa mxima de liberao de biogs
(m3/m2.h) Concentrao de metano no biogs (%) Trespasse dos
defletores de gases em relao abertura para o decantador (m)
Inclinao das paredes do decantador () Profundidade do compartimento
de decantao (m) Altura do compartimento de digesto (m) Coeficiente
de produo de slidos (kgSST/kgDQOapl) Coeficiente de produo de
slidos, em termos de DQO 0,11 - 0,23 (kgDQOlodo/kgDQOapl)
Concentraes esperadas do lodo de descarte (%) 2-5 Densidade do lodo
(kgSST/m3) 1020 - 1040 Fonte: VIEIRA (1983), BREA (1994), VAN
HANDELL & LETTINGA (1984), LETTINGA & HULSHOFF POL (1995),
CASSEB (1996), BARBOSA (1989), CHERNICHARO (1997)
Tabela 2: Resumo dos principais critrios e parmetros hidrulicos
para o projeto de reatores UASB tratando esgotos
domsticos.Critrio/parmetro Faixa de valores, em funo da vazo para
Qmd para Qmx para Qpico(*) < 4,0 < 6,0 3,5 - 4 0,5 0,7 0,9 -
1,1 1,5 - 2,0 2,0 - 2,3 < 4,0 - 4,2 < 5,5 - 6,0 0,6 - 0,8
< 1,2 < 1,6
Carga hidrulica volumtrica (m3/m3.d) Tempo de deteno hidrulica
(h)** Velocidade superficial do fluxo (m/h) Velocidade nas
aberturas para o decantador (m/h) Taxas de aplicao superficial no
decantador (m/h) Tempo de deteno hidrulica no decantador (h) 1,5 -
2,0 > 1,0 > 0,6 Fonte: ANDRADE NETO (1994), VAN HANDELL &
LETTINGA (1984), LETTINGA & HULSHOFF POL (1995), CHERNICHARO
(1997)20 Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitria e
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Engenharia de Software Para se criar o software da maneira mais
eficiente e atualizada, realizou-se uma reviso bibliogrfica no
campo da engenharia de software, onde tcnicas neste sentido foram
agregadas. Foi contemplada tambm nesta fase a escolha e o
aperfeioamento na linguagem de programao a fim de se implementar a
rotina de dimensionamento em meios computacionais. A linguagem
escolhida foi a Borland Delphi, pela qual se desenvolveu tambm o
banco de dados de auxlio a pesquisa dos reatores UASB. A linguagem
de programao Borland Delphi , entre as linguagens orientadas a
objeto, a que conta com ferramental mais amplo e de fcil assimilao.
Delphi no apenas uma linguagem de programao, mas todo um ambiente
que permite que o programador utilize os recursos visuais
disponveis no Windows, alm de disponibilizar um suporte eficiente
no manuseio do banco de dados. Seguindo os objetivos iniciais, o
programa deveria ser controlado pelo usurio, possibilitando a este
modificar variveis, parmetros de clculo ou as caractersticas dos
objetos do programa em tempo de execuo. O programa deveria, ainda:
i) possuir completo sistema de ajuda, com grande facilidade de
acesso; ii) apresentar interface amigvel e simples, interativa e de
grande esttica; e iii) ser capaz de gerar um relatrio, possvel de
exportao para o Word, consolidando todas as informaes envolvidas.
Em funo de tudo isso, e por se entender que o ambiente Windows ser
dominante no meio da informtica, por suas facilidades, optou-se por
se desenvolver o programa para este ambiente, utilizando todas as
suas ferramentas e recursos. Isto justifica a escolha da linguagem
de programao Borland Delphi, que atende a todos estes
requisitos.
Rotina de Dimensionamento A partir do conhecimento dos
principais critrios e parmetros a serem observados no clculo e
anlise destes, de modo a possibilitar sua uniformizao, foi
procedido o equacionamento matemtico para os clculos e verificao
dos diversos parmetros de projeto. As equaes validadas foram
dispostas de forma seqencial e lgica resultando em uma rotina de
dimensionamento especificamente aplicada ao pr-dimensionamento de
reatores UASB retangulares. Grande a quantidade de clculos e
simulaes que devem ser realizados para dimensionar este tipo de
reator. O processo fica ainda mais trabalhoso se algum dado de sada
no atender ao seu parmetro e for necessrio refazer o fluxo de
clculo. Desta forma, de grande importncia se implementar em
programa computacional a rotina de dimensionamento, para que se
consiga tornar o dimensionamento de reatores UASB algo simples e
rpido.
Implementao da rotina de dimensionamento A implementao ocorreu
por meio do desenvolvimento dos algoritmos baseados na rotina de
dimensionamento anteriormente desenvolvida. Todo um know-how foi
concebido para se adequar as equaes matemticas linguagem de
programao, especialmente no caso de clusulas e testes lgicos
necessrios para se atingir os objetivos
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de clculo. A codificao da rotina possui mais de 2000 linhas
divididas em blocos de procedimentos, onde cada um destes blocos
corresponde a uma etapa do clculo, sendo eles: i) clculo da vazo
afluente domstica; ii) clculo da vazo afluente total; iii) tempo de
deteno hidrulica; iv) clculo do compartimento de digesto; v) clculo
do compartimento de decantao; vi) clculos relativos aos tubos de
distribuio; vii) produo de biogs e produo de lodo. Juntamente com a
implementao da rotina de dimensionamento foi desenvolvido todo o
sistema auxiliar do programa, necessrio ao seu funcionamento de
acordo com o objetivo de torn-lo de fcil manuseio. As interfaces,
as caixas de dilogo, o sistema de ajuda e o gerador do relatrio
texto foram desenvolvidos paralelamente.
RESULTADOS Como resultado deste trabalho, teve-se desenvolvido
um software para prdimensionamento de reatores anaerbios de manta
de lodo de seo retangular, produto este para ambiente operacional
Windows tanto para verso 3.11 como para a 95 ou 98. No software,
cada etapa do dimensionamento possui pgina prpria. Todas as pginas
apresentam sistema de ajuda especfico, seus dados de entrada, seus
parmetros e suas variveis de sada. A obteno de uma interface
amigvel e agradvel foi motivo de grande preocupao. Sendo assim,
todas as pginas foram construdas de forma simples, no intuito de
tornar o mais fcil possvel a utilizao do programa pelo usurio. A
navegao pelas pginas ocorre pelo ndice que se localiza em sua parte
inferior, podendo o usurio acessar qualquer pgina,
independentemente de sua seqncia. Contudo, as variveis e parmetros
somente se habilitam depois que o clculo foi corretamente efetuado
na pgina anterior. A disposio e seqncia dos objetos nas pginas do
programa segue a rotina de clculo. Cada pgina apresenta parmetros e
resultados. Os parmetros se localizam em toda a parte superior da
pgina, j os resultados se localizam na parte inferior da pgina,
logo acima dos botes Ajuda, Sair, Continuar e Voltar. A janela
possui ainda o boto Clculo, que executa todas as verificaes e
clculos relativos quela etapa, mostrando os resultados logo a
seguir.
Apresentao do Programa O programa foi desenvolvido para se
apresentar em uma nica janela que possui vrias pginas. Ele
apresenta-se em 12 pginas seqenciais e no simultneas. Das 12 pginas
do programa, 6 so efetivamente relativas ao clculo e 6 so de
apresentao inicial, de desenho e de relatrio. Cada uma destas
pginas de clculo refere-se a uma etapa da rotina apresentada, sendo
por questo de espao fsico contempladas juntamente em alguns casos.
O software denominado UASBWare apresenta como resultado de sada
todos os dados necessrios para um dimensionamento adequado e
correto de acordo com os parmetros de clculo colocados. So dados de
sada: carga orgnica e a concentrao do afluente;20 Congresso
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intervalo de TDH total possvel para os parmetros de clculo;
eficincia esperada no reator para remoo de DQO e concentrao
esperada no efluente final; velocidade ascensional do esgoto para
as vazes mdia e de pico; volumes, reas e dimenses finais do reator,
dos mdulos e do decantador; parmetros de verificao do compartimento
de decantao (TDH, taxa de aplicao superficial e velocidades nas
aberturas); produes tericas de metano, de biogs e de lodo;
velocidades nos tubos de distribuio do afluente; lay-out de
disposio das clulas de distribuio em cada mdulo do reator; seo
transversal esquemtica do reator, com indicao das principais
dimenses; relatrio do clculo executado com todas as informaes
utilizadas em arquivo extenso .txt, possvel de ser editado no
programa Word.
Na utilizao mais simplificada do programa, neste caso utilizando
todos os parmetros fornecidos pelo programa, basta o usurio entrar
com a populao contribuinte ao sistema de tratamento. As Figuras a
seguir mostram as pginas do programa.Figura 1: Pginas do software:
Iniciar e Bem-vindo.
As duas pginas iniciais tratam apenas da apresentao do software,
fornecendo informaes gerais acerca do desenvolvimento do
programa.Figura 2: Pginas do software: Identificao e Vazes 1.
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Na pgina Identificao pode-se identificar o projeto no qual se
est trabalhando. Esta identificao facultativa. Na pgina Vazes 1 se
entra com as vazes de contribuio domstica para pr dimensionamento
do reator UASB retangular. Existe a opo de se fornecer a populao
para que o programa calcule estas vazes, ou de se entrar
diretamente com seus valores.
Figura 3: Pginas do software: Vazes 2 e TDH.
Na pgina Vazes 2 entra-se com as vazes de bombeamento, no caso
de existncia de elevatria, e com as vazes industriais, se houver
incluso de efluentes industriais. Na janela TDH o programa mostra
os clculos dos provveis tempos de deteno hidrulica e verifica as
velocidades.Figura 4: Pginas do software: Digestor e
Decantador.
Na pgina Digestor o programa mostra os clculos das reas dos
compartimentos de distribuio, alm das dimenses finais do reator. Na
janela Decantador o programa verifica as velocidades e taxas de
aplicao. So sugeridos valores limites e como dados de sada so
mostrados valores como: largura da abertura, rea de decantao,
inclinao do defletor etc.
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Figura 5: Pginas de desenho do software.
Figura 6: Pginas do software: Biogs/Tubos de Distribuio e
Relatrio.
Na primeira janela da Figura 6 so fornecidos dados
caracterizando a produo de biogs e de lodo no sistema de
tratamento, alm da verificao dos tubos de distribuio de esgotos no
reator. A pgina Relatrio a parte final do programa, quando se tem a
oportunidade de obter um relatrio detalhado do dimensionamento do
reator. Tem-se as opes de imprimir este relatrio ou de grav-lo para
posterior utilizao.
CONCLUSO O software desenvolvido mostrou-se uma ferramenta
bastante adequada no sentido de permitir o pr-dimensionamento de
reatores tipo UASB de configurao retangular, garantindo a
observncia dos principais critrios e parmetros que devem nortear o
projeto desse tipo de reator. Ainda que o software no possibilite o
pr-dimensionamento de todas as configuraes, como desejado
inicialmente, entende-se que um grande avano foi conseguido em
relao aos reatores retangulares. Para as outras configuraes, como a
circular-reta e a circular-trapezoidal, prev-se o desenvolvimento
de uma nova verso do programa. A partir do levantamento
bibliogrfico, verificou-se relativa dificuldade em se obter
informaes bibliogrficas consistentes tanto em nvel de projeto
quanto de operao de reatores UASB. Percebeu-se tambm, ser difcil
obter fontes que fornecessem todos os dados necessrios para uma
anlise criteriosa das informaes e principalmente ausncia de uma
proposta de dimensionamento completa. Constatou-se ainda, que
apenas um20 Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitria e
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nmero reduzido de reatores UASB (projetados ou implantados)
apresentam algum tipo de relatrio publicado, o que explica a
dificuldade na obteno de dados. Presume-se que a comunidade
tcnico-cientfica se sente inibida em divulgar dados de projeto
devido falta de parametrizao da tecnologia UASB. Isso vem, mais uma
vez, justificar a importncia desta pesquisa, que contribuindo para
a padronizao dos parmetros, incentivar a divulgao de resultados e a
conseqente disseminao da tecnologia. importante salientar que esta
constatao s foi percebida pela comunidade acadmica da instituio na
qual este trabalho foi desenvolvido aps diversas visitas e
encontros realizados. O sistema de Ajuda do programa, extensamente
explicativo, se torna um de seus principais argumentos para a
divulgao da tecnologia. No somente contempla as informaes
necessrias ao programa, como a tecnologia dos reatores UASB. O
software encontra-se atualmente em fase de avaliao por parte de
diversos especialistas que integram o Programa de Pesquisa em
Saneamento Bsico PROSAB, devendo ser futuramente disponibilizado
aos tcnicos envolvidos com o anteprojeto de reatores tipo UASB. Em
suma, acredita-se que o software UASBWare alcanou os objetivos
almejados, constituindo-se, ento, em uma poderosa ferramenta de
clculo para os projetistas sanitaristas. AGRADECIMENTOS Os autores
agradecem aos integrantes da rede do Tema 2 do PROSAB, que
contribuiram com a sistematizao dos critrios e parmetros de projeto
de reatores UASB, e FINEP, ao CNPq e CAPES pelo financiamento da
pesquisa.
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