Aplicação de modelagem matemática como ferramenta no gerenciamento de Estações de Tratamento de Esgotos por Lodos Ativados - Estudo de caso da ETE Parque Novo Mundo

Aplicação de modelagem matemática como ferramenta no gerenciamento de Estações de Tratamento de Esgotos por Lodos Ativados - Estudo de caso da ETE Parque Novo Mundo

RESUMO

Modelos matemáticos são utilizados para prever respostas de sistemas biológicos sujeitos a perturbações diversas, assim como alterações significativas das condições de afluência ou deterioração da qualidade do efluente. Por outro lado, a modelagem e a simulação permitem a adoção de estratégias de controle, com o objetivo de otimizar e adequar o funcionamento de uma ETE em uma dada condição, procurando-se  garantir um melhor desempenho dos processos biológicos.

Depois de apresentar as equações que regem o fenômeno, a metodologia baseada estritamente na DQO (Demanda Química de Oxigênio) será aplicada a uma ETE (Estação de Tratamento de Esgoto) por lodos ativados, simulando-se alguns cenários e discutindo-se os resultados. Recorreu-se a ETE Parque Novo Mundo.

Palavras chave: Modelos Matemáticos, Demanda Química de Oxigênio, Taxa de Consumo de Oxigênio.

ABSTRACT

The use of mathematical modeling in the management of Wastewater Treatment Plants operating under the activated sludge process. The case study of Parque Novo Mundo’s WWTP.

Mathematical modeling can be used to predict responses to biological systems subjected to various disturbances, as well as significant changes in the conditions of affluence or deterioration of the quality of the effluent. On the other hand, the simulation and modeling allow for the adoption of control strategies in order to optimize and adapt the functioning of a Wastewater Treatment Plant (WWTP) in a given condition, to ensure a better performance of the biological processes.  

After presenting the equations governing the phenomenon, the methodology based strictly on COD (chemical oxygen demand) will be applied to a WWTP for activated sludge, simulating a few scenarios and discussing the results. The WWTP chosen was Parque Novo Mundo.

Key words: mathematical models, chemical oxygen demand, oxygen consumption rate

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INTRODUÇÃO

Um pouco de história

Giordano (2.010) afirma que ao longo dos últimos 30 anos, diversos modelos cinéticos foram criados para tentar descrever o comportamento do processo de degradação pelos microrganismos do lodo ativado. Em 1920, pela primeira vez foi aventada a remoção da matéria orgânica pelos microrganismos.  A teoria da adsorção foi dominante nas décadas seguintes, sendo superada apenas em 1942 pela teoria da adsorção metabólica, onde, além da adsorção, ocorreria também o metabolismo microbiano. Entretanto, essa teoria não teve consenso científico, até que em 1955, pesquisadores começaram a considerar a composição do esgoto e suas relações nas reações físico-químicas e biológicas.

 Em 1982, a International Association on Water Pollution Research and Control (IAWPRC), formou um grupo para analisar a modelagem Matemática para projeto e operação em Processos de Lodo Ativados. Esse grupo baseou-se no que existia de mais avançado na época liderado pelo professor Dr G.v.R. Marais da Universidade do Cabo, na África do Sul.

Em 1983, a Associação Internacional de Qualidade da Água (IAWQ) formou um grupo de trabalho com o objetivo de promover a aplicação de modelos práticos para projeto e operação dos sistemas biológicos no tratamento de efluentes, O resultado final foi apresentado em 1987, e o modelo apresentado ficou sendo conhecido como Activated Sludge Model no1, ou simplesmente ASM1.

Alem Sobrinho (2.012), faz um breve histórico de como a tecnologia se difundiu pelo mundo a partir da década de 1960, com as primeiras ETEs construídas para a remoção de nitrogênio, até o presente, passando pelas mais diversas opções, tais como sistemas mistos (com UASB), Bardenpho Modificado, etc.

Segundo Bye  et al. (2.012) “A modelagem matemática dos processos de Lodos Ativados de uma Estação de Tratamento de Esgotos é uma ferramenta poderosa que pode ajudar os tomadores de decisão a maximizar a capacidade operacional existente dessa  planta,  de modo a se obter o máximo benefício em novas ou futuras ampliações. Isso, sem dúvida,  ajuda no desenvolvimento de programas de investimentos de capital de forma a acomodar o crescimento futuro”.

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O balanço de Massa

Independentemente do tipo de processos e equipamentos, qualquer experimento estará sujeito, por mais complexo que seja tal experimento, às mesmas leis da física e da química, principalmente às que concernem à conservação de massa, energia e momentum.

De maneira simplificada, a lei da conservação de massa afirma que massa não pode ser criada nem destruída. Segundo Fernandes et al. (2.006), podem ocorrer reações químicas, que transformam  reagentes em produtos, mas a massa total (reagentes e produtos) não será alterada. Matematicamente pode-se escrever que:

[pic 1]0     ou     [pic 2]          [0]

Helou (2.000) define modelo matemático como sendo uma simplificação de um sistema ou fragmento da natureza, realizado através de equações, sendo que a proximidade entre a representação e o sistema está diretamente ligada à precisão dos resultados. Assim, o usuário de um modelo pode pôr à prova diversas hipóteses, simulando situações existentes ou novas condições de operação. Um modelo pode ser usado para projetar um novo sistema ou até mesmo para prever um futuro comportamento.

Segundo Vicente (2.006), a simulação avalia as respostas de um sistema submetido a eventos em condições e restrições em uma operação em tempo real, já a simulação difere da otimização por não apresentar uma natureza otimizante, mas sim descritiva. A procura de uma solução ótima não é objetivo direto da simulação, uma vez que ela é extraída a partir de um grupo de possíveis resultados e variáveis de decisão.

O objetivo de uma simulação visa basicamente conhecer mais profundamente as condições operacionais de uma planta existente, e dessa forma oferecer opções de melhorias ao processo. As simulações podem ser caracterizadas por duas formas distintas, a saber: a simulação física e a matemática.