Trata Aula 11
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Lagoas de Estabilização
Profa. Dra. Gersina N. da Rocha Carmo Junior
LAGOAS FACULTATIVAS
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Lagoas Facultativas
Variante mais simples
Retenção dos esgotos por um período de tempo longo o suficiente para que os processos naturais de estabilização da matéria orgânica se desenvolvam.
Vantagens e Desvantagens
Predominância dos fenômenos naturais
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Lagoas facultativa – Descrição do Lagoas facultativa – Descrição do ProcessoProcesso
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Lagoas facultativa – Descrição do Lagoas facultativa – Descrição do ProcessoProcessoCaracterísticas do efluente de uma lagoa facultativa:
Cor verde devido às algas;
Elevado teor de oxigênio dissolvido;
Sólidos em suspensão, embora praticamente estes não sejam sedimentáveis (as algas praticamente não sedimentam no teste do cone Imhoff).
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Influência da AlgasLagoa de estabilização facultativa
As algas desempenham papel fundamental
Concentração maior do que a de bactérias
líquido na superfície, predominantemente verde
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Lagoas de estabilização de Lins/SP
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Lagoa Facultativa: Dispositivo de Saída
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Presença de algas é medido na forma de clorofila aclorofila a
Concentração de clorofila em lagoas facultativas depende da:
Carga aplicada e da temperatura
Situam-se na faixa de 500 a 2000 mg/l
Influência da Algas
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Lagoas facultativa – Descrição do Lagoas facultativa – Descrição do ProcessoProcesso
Em termos de sólidos em suspensão secos, a concentração é usualmente inferior a 200 mg/L.
Em termos de números elas podem atingir contagens na faixa de 104 a 106.
Algas
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Influência da AlgasGrupo de algas de importância encontradas nas lagoas de estabilização:
•Algas verdes (clorofíceas): conferem a cor esverdeada
Principais gêneros:Chlamydomonas, Euglenas e Chlorellas;
Possuem flagelo: capacidade de locomoção
(otimização da posição em relação à incidência de luz e à temperatura)
Indicam geralmente boas condições
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Cianobáctérias (anteriormente denominadas cianofíceas, ou algas verde-azulada):
apresentam características de bactérias e algas, atualmente classificadas com bactérias.
Não possuem organelas de locomoção como cílios, flagelos, podem se deslocar por deslizamento
Necessidade nutricional reduzida
Influência das Algas
CO2, N2, água, alguns minerais e luz
Típicos de esgoto com baixo pH e pouco nutrientes.
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Algas, Energia luminosa e oxigênio em função da profundidade
Figura 2 - Algas, energia luminosa e oxigênio em uma lagoa facultativa (seção transversal)
Fonte: Sperling, 2002
Pro
fun
did
ad
e
Consumo de oxigênio
Produção de oxigênioAlgasIntensidad
e luminosa
Oxipausa
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Profundidade da zona aeróbia em função da carga de DBO
Dia Noite
Dia Noite
Superfície da lagoa
Fundo da lagoa
Baixa carga de
DBO
Elevada carga de
DBO
Zona aeróbia
Zona anaeróbia
Zona aeróbia
Zona anaeróbia
Fig. Influência da carga aplicada à lagoa e da hora do dia na espessura das camadas aeróbias (Sperling, 2002).
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O pH da lagoa varia ao longo da profundidadeO pH depende da fotossíntese e da respiração, através das seguintes relações:
Fotossíntese:•Consumo de CO2
•O íon bicarbonato(HCO3-) tende a se converter a OH-
•O pH se eleva
Respiração•Produção de CO2
•O íon bicarbonato(HCO3-) tende a se converter a H+
•O pH se reduz.
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O pH da lagoa varia ao longo da profundidade
Durante o dia nas horas de máxima atividade fotossintética.
pH pode atingir valores em torno de 10
Podem ocorrer os seguintes fenômenos:Podem ocorrer os seguintes fenômenos:
Conversão da amônia ionizada(NH4+) a amônia
livre(NH3) a qual é tóxica, mas tende a se liberar para a atmosfera(remoção de nutrientes);
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Contin...Contin...
Precipitação dos fosfatos (remoção de nutrientes);
Conversão do sulfeto(H2S) causador do mau cheiro a bissulfeto(HS-) inodoro.
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A influência das condições ambientaisEm lagoas de estabilização
Radiação solar, temperatura e o vento
Fator Influência
Radiação solar Velocidade de fotossíntese
Temperatura Velocidade de fotossíntese
Taxa de decomposição bacteriana
Solubilidade e transferência de gases
Condições de mistura
Vento Condições de mistura
Reaeração atmosférica
(Sperling, 2002).
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Mistura e estratificação térmicaNa lagoa ocorrerá naturalmente uma mistura da massa líquida pela ação dos ventos e a um diferencial de temperatura.
Benéfica
Para a distribuição das algas e do oxigênio no interior da massa líquidaPara diminuir o efeito de eventuais curto circuitos no escoamento
A lagoa poderá apresentar uma estratificação térmica
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Mistura e estratificação térmica
Estratificação térmica
A camada superior (quente) não se mistura com a camada inferior (fria).
Termoclina
Camada superior
Camada inferior
Vento
Lagoa com estratificação térmica
Sensível diminuição na temperatura acréscimo na densidade e viscosidade
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Mistura e estratificação térmica
Estratificação térmica
As algas não motorasPermanecem na última camada, por sedimentação, apenas consumindo oxigênio.
Algas móveisPermanecem a cerca de 30 a 50cm da superfície formando uma camada espessa que dificulta a penetração de luz solar.
Diminuição do oxigênio nas lagoasConseqüência redução da capacidade de estabilizar a
matéria orgânica
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A estratificação térmica é quebrada pela:
Inversão térmica
Mistura e estratificação térmica
Fenômeno natural que pode se dar pelo resfriamento rápido da camada superior, por exemplo, no início da noite, ou com a entrada de uma frente fria.
Camada única
Vento
Lagoa com mistura-Inversão térmicaAproximando a temperatura das duas camadas ou;
Tornando a densidade da camada superior maior gerando a o revolvimento dessas camadas
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Fatores controláveis
As características do esgoto a ser tratado;
As características do terreno;
As características dos corpos receptores;
A legislação ambiental;
As interferências das comunidades locais.
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Critérios de projetos
Os principais parâmetros de projeto das lagoas facultativas:
Taxa de aplicação superficial;
Profundidade;
Tempo de detenção;
Geometria (relação comprimento/largura)
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Taxa de aplicação superficial
Carga orgânica por unidade de área
Baseia-se na necessidade de se ter uma determinada área de exposição à luz solar na lagoa, para que o processo de fotossíntese ocorra.
Critérios de projetos
ObjetivoObjetivo de se garantir a fotossíntese e, o crescimento de algas, é o de se ter uma produção de oxigênio suficiente para suprir a demanda de oxigênio.
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Taxa de aplicação superficial (Ls)A área requerida para a lagoa é calculada
em função da taxa de aplicação superficial (Ls). A taxa é expressa em termos da carga de DBO.
sL
LA
Onde:
A= área requerida para a lagoa (ha);
L= carga de DBO total (solúvel + particulada) afluente (KgDBO5)/d);
Ls= taxa de aplicação superficial
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Taxa de aplicação superficial (Ls)
A taxa a ser adotada, varia com a temperatura local, latitude, exposição solar, altitude e outros.
Equação proposta por Mara (1997), segundo o autor, possui aplicabilidade global:
25
T0,002 - 1,107 350 T
sL
Temperatura média do ar no mês mais frio.
(Sperling, 2002).
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Taxas de aplicação superficial no Brasil, em função da temperatura média do ar no mês mais frio, tendo por base a equação de Mara(Sperling,2002).
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A área requerida para a lagoa
Não há um valor máximo absoluto de área, a partir do qual o sistema de lagoas facultativas se torna inviável.
No Brasil há um sistema de lagoas ocupando 100 ha.
Argentina e Austrália, há sistema com mais de 300 ha.
Observar: Condições locais, da topografia, da geologia e do custo do terreno.
Recomendação da minuta do Projeto de Norma para Lagoas(1991): A área de uma lagoa facultativa não deve ser maior que 15 ha.
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Profundidade (H)
A profundidade da lagoa H é um compromisso entre o volume requerido V e a área requerida A.
H = V/A
Aspectos relacionados com a profundidade das lagoas
Outros aspectos influem na seleção da profundidade.
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Lagoas Rasas
Aspectos relacionados com a profundidade das lagoas
•H < 1,0 m: totalmente aeróbias;
•área elevada, para atender o tempo de
detenção;
•penetração total de luz;
•produção maximizada de algas;
•vegetação emergente:abrigo para larvas de
mosquitos;
•São mais afetadas pela variação de
temperatura.
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Aspectos relacionados com a profundidade das lagoas
Lagoas ProfundasLagoas Profundas
•Possibilitam maior tempo de detenção;
•Mais estável;
•Maior volume de armazenamento de lodo;
•Os subprodutos da decomposição anaeróbios são liberados para as camadas superiores, demanda de oxigênio;
•Riscos de mau cheiro são reduzidos;
•Permitem expansão futura para a inclusão de aeradores.
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entre 1,5 a 3,0 m
1,5 a 2,0 m
mais usual
Após a obtenção do valor da área superficial (através da adoção de um valor para a taxa de aplicação superficial) e da adoção da profundidade, obtém-se o volume da lagoa.
V= H x A
Projetos
O conhecimento disponível é ainda limitado. Para otimizar a profundidade da lagoa de forma a obter o maior número de benefícios.
Profundidade (H)
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Tempo de DetençãoTempo de Detenção
Associado ao volume e a vazão de projeto:
Q
Vt
Onde:
t = tempo de detenção (d);
V = volume da lagoa (m3);
Q =Vazão média afluente (m3.d);
Vazão média é a média entre a vazão afluente e a vazão efluente:
2
eflafl
média
QQQ
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Tempo de DetençãoTempo de Detenção
Lagoas facultativas primária, tratando esgoto doméstico.
t= 15 a 45 dias
O tempo de detenção requerido para oxidação da matéria orgânica varia com as condições varia com as condições locais, notadamente a temperaturalocais, notadamente a temperatura.
Menores tempo de detenção- regiões em que a temperatura do líquido é elevada.
Esgotos concentrados - tempo de detenção elevado.
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O tempo de detenção pode ser utilizado de uma das seguintes formas:
Adotar o t como um parâmetro explicito do projeto.
Após ter sido adotado t, calcula-se V:
V= t x Q
Como a área A já foi determinada com base no critério da taxa da aplicação, pode-se calcular H:
H= V/A
![Page 36: Trata Aula 11](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062423/55cf8f52550346703b9b2f98/html5/thumbnails/36.jpg)
Adotar o H como um parâmetro explicito do projeto.
Tendo-se H e A, calcula-se V:
V= A x H
E em decorrência o tempo de detenção t:
t= V/Q
![Page 37: Trata Aula 11](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062423/55cf8f52550346703b9b2f98/html5/thumbnails/37.jpg)
Geometria da lagoa
(relação comprimento/largura)
Importante critério, influência no regime hidráulico da lagoa.
O regime hidráulico de fluxo de pistão é o mais eficiente em termos de remoção de DBO.
Regime mistura completa é mais indicado quando se tem um despejo com grande variedade de carga e à presença de compostos tóxicos.
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Pode ser projetado para se aproximar das condições de fluxo em pistão ou mistura completa.
fluxo em pistão (elevada relação comprimento/largura)
•As partículas entram continuamente no reator;
•Sem misturas longitudinais;
•Concentração próximo a entrada é diferente a concentração de saída.
Geometria da lagoa
(relação comprimento/largura)
![Page 39: Trata Aula 11](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062423/55cf8f52550346703b9b2f98/html5/thumbnails/39.jpg)
Geometria da lagoa(relação comprimento/largura)
Mistura completa
Homogeneização em todo tanque possibilita a imediata dispersão dos poluentes;
A concentração logo se iguala a baixa concentração do efluente;
Menor eficiência na remoção de DBO.
![Page 40: Trata Aula 11](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062423/55cf8f52550346703b9b2f98/html5/thumbnails/40.jpg)
Geometria da lagoa(relação comprimento/largura)
A eficiência do sistema na remoção de poluentes modelados pela reação de primeira ordem (ex: DBO e coliformes) segue a ordem apresentada abaixo:
Lagoas fluxo em pistão
Série de lagoas de mistura completa
Lagoa única de mistura completa
Maior eficiência
Menor eficiência
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Relação comprimento/largura
Elevada, tendem a fluxo pistão
Próximo a 1 lagoa quadrada, regime mistura completa.
Relação comprimento/largura (L/B) = 2 a 4
Geometria da lagoa(relação comprimento/largura)
Lagoas facultativas
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LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃOLAGOAS DE ESTABILIZAÇÃOLAGOAS FACULTATIVASLAGOAS FACULTATIVAS
Efluente de cor verde com elevado teor de O.D. e sólidos em Efluente de cor verde com elevado teor de O.D. e sólidos em suspensão não sedimentáveis (algas)suspensão não sedimentáveis (algas) Efluente de cor verde com elevado teor de O.D. e sólidos em Efluente de cor verde com elevado teor de O.D. e sólidos em suspensão não sedimentáveis (algas)suspensão não sedimentáveis (algas)
![Page 43: Trata Aula 11](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062423/55cf8f52550346703b9b2f98/html5/thumbnails/43.jpg)
Estimativa da concentração efluente de DBO
Fórmulas para o cálculo da concentração efluente S (DBOsolúvel)
Regime hidráulico
Esquema Fórmula da concentração de DBO solúvel efluente (S)
Fluxo de pistão S= S0 .e-kt
Mistura completa (1 celula)
Mistura completa (celulas iguais em série)
K.t1
S 0
S
n
SS
)n
tK 1(
0
![Page 44: Trata Aula 11](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062423/55cf8f52550346703b9b2f98/html5/thumbnails/44.jpg)
Estimativa da concentração efluente de DBO
Fórmulas para o cálculo da concentração efluente (DBOsolúvel)
Onde:
S0 = Concentração de DBO total afluente (mg/L);
S= Concentração de DBOsolúvel afluente (mg/L);
K=Coeficiente de remoção de DBO (d-1)
t= tempo de detenção total (d)
n = número de lagoas em série (-)
![Page 45: Trata Aula 11](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062423/55cf8f52550346703b9b2f98/html5/thumbnails/45.jpg)
Estimativa da concentração efluente de DBO
DBO total efluente = DBOsolúvel + DBOparticulada
1 mg SS/L = 0,3 a 0,4 mgDBO5/L
Sólidos em suspensão
1 mg SS/L = 1,0 a 1,5 mgDQO/L
DBOparticulada= 0,3 a 0,4mgDBO/L1mgSS/L
![Page 46: Trata Aula 11](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062423/55cf8f52550346703b9b2f98/html5/thumbnails/46.jpg)
Eficiência de remoção de DBO
100S
S -
0
0 xS
E
A maior parte dos coeficientes de remoção de DBO disponível na literatura são para mistura completa.
Faixa de valores para o dimensionamento do valor do coeficiente de remoção de DBO (K):
Lagoa K(20°C)Lagoas primárias (recebendo esgoto bruto)
0,30 a 0,40d-1
Lagoas secundárias (recebendo esgoto efluente de uma lagoa ou reator)
0,25 a 0,32d-1
![Page 47: Trata Aula 11](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062423/55cf8f52550346703b9b2f98/html5/thumbnails/47.jpg)
Estimativa da concentração efluente de DBO
Para diferentes temperaturas de K pode ser corrigido através da seguinte equação:
KT= K20.θ(T-20)
Diferentes valores de θ propostos na literatura:
Para K = 0,35d-1, tem-se θ= 1,085
Para K = 0,30d-1, tem-se θ= 1,05
![Page 48: Trata Aula 11](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062423/55cf8f52550346703b9b2f98/html5/thumbnails/48.jpg)
Lagoa FacultativaLagoa Facultativa
![Page 49: Trata Aula 11](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062423/55cf8f52550346703b9b2f98/html5/thumbnails/49.jpg)
Lagoas FacultativaLagoas Facultativa
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Lagoas FacultativaLagoas Facultativa
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Acúmulo de lodo Resultado dos sólidos em suspensão do esgoto bruto, incluindo:
areia, mais microrganismos (bactérias e algas)
sedimentado
Fração orgânica é estabilizada anaeróbicamente, convertida em água e gases.
O volume acumulado é inferior ao volume sedimentado.
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Acúmulo de lodo
A taxa de acúmulo do lodo em lagoas facultativas é da ordem de 0,03 a 0,08 m3/hab.ano
Elevação média da camada de lodo em torno de 1 a 3 cm/ano.
O ocupação do volume da lagoa é baixo
O lodo acumulará por diversos anos sem necessidade de remoção.
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Vinculação entre a cor da lagoa e a característica de funcionamento
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Lagoa Jardim Paulistano II
Sistemas De Lagoas Anaeróbias Seguidas
Por Lagoas Facultativas
(Sistema Australiano)
Lagoa Restinga
Sistemas De Lagoas Anaeróbias Seguidas
Por Lagoas Facultativas (Sistema Australiano)
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Exemplo de DimensionamentoExemplo: Dimensionar uma lagoa facultativa para os seguintes dados:População: 20.000 hab.Vazão afluente: 3.000 m3/dTemperatura: T=23°C (líquido no mês mais frio); DBOafluente: S0 =350mg/LAdmitir uma concentração 80mg/L de SS efluente. L0 = 1050kg/d (exercício da lagoa anaeróbia)
Solução:
a) Carga de afluente à lagoa facultativa:A carga efluente da lagoa anaeróbia é a carga
afluente à lagoa facultativa. Com a eficiência de remoção de 60% na lagoa anaeróbia, a carga afluente à lagoa facultativa será:
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100
100 0
xLEL
a) Carga de afluente à lagoa facultativa:
100
105060100
xL
L = 420 KgDBO/d
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Exemplo de Dimensionamento
b) Adoção da taxa de aplicação superficial de 220 kgDBO/ha.d
c) Cálculo da área requerida
219.000m ha 1,9 ./220
kg/d 420 dhakg
A
sL
LA
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d) Adoção de um valor para a profundidade : H = 1,80 m (adotado)
Exemplo de Dimensionamento
V= A x H
f) E em decorrência o tempo de detenção t:
t= V/Q
e) Calcular o volume resultante
V= 19.000 x 1,80 = 34.200 m3
T = 34.200/3000 = 11,4 d
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g) Adoção de um valor para o coeficiente de remoção de DBO (k)
Regime de mistura completa, 20°C
K = 0,27 d-1 (adotado)
θ = 1,05
Correção para a temperatura de 23°C
KT = k20 x θ(T-20)
K23 = 0,27 x 1,05(23-20)
K23 = 0,31d-1
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h) Estimativa da DBO solúvel efluente
Utilizando-se o modelo de mistura completa (admitindo-se uma célula não predominantemente longitudinal).
K.t1
S 0
S
0,32.11,41
350
S
S = 75,30 mg/L
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i) Estimativa da DBO particulada efluente
DBOparticulada= 0,3 a 0,4mgDBO/L
1mgSS/L
DBOparticulada= 0,35mgDBO/L x 80mgSS/L
1mgSS/L
DBOparticulada = 28mgDBO/L
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j) Estimativa da concentração efluente de DBO
DBO total efluente = DBOsolúvel + DBOparticulada
DBO total efluente = 75,30 + 28
DBO total efluente = 103,3mg/L
l) Eficiência de remoção de DBO
100S
S -
0
0 xS
E 100350
103,3 - 350xE
E = 70,5%
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m) Dimensões das lagoas
Exemplo de Dimensionamento
Adotar uma lagoas e uma relação comprimento/largura(L/B) igual a 2,5 em cada lagoa.A área da lagoa facultativa = 19.000m2
A = L x B = (2,5B)B = 2,5B2
19.000 = 2,5B2 = 87 m
L = 2,5xB = 2,5x89 = 218mResposta:
Comprimento L = 218m
Largura B = 87m
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m) Dimensões das lagoas
Exemplo de Dimensionamento
Adotar duas lagoas em paralelo e uma relação comprimento/largura(L/B) igual a 2,5 em cada lagoa.A área de cada lagoa facultativa = 19.000m2/2 = 9.500 m2
A = L x B = (2,5B)B = 2,5B2
9.500 = 2,5B2 = 62 m
L = 2,5xB = 2,5x62 = 155m
Resposta duas lagoas de:
Comprimento L = 155m
Largura B = 62m
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Exemplo de Dimensionamento
Exercício 1: Dimensionar uma lagoa facultativa para uma população contribuinte de 20.000 hab, com uma contribuição unitária de 176 L/hab.d e DBO de 200 mg/L. A temperatura média no mês mais frio é de 20°CAdmitir uma concentração 80mg/L de SS efluente. Verifique também a eficiência da lagoa.