Arranjos dos Sistemas de Digestão de Dois Estágios (RA-2+RST-2 ou +RSM-2)

No caso do sistema de dois estágios do segundo estudo (RA-2+RST-2 ou RSM-2), as diferentes condições de operação necessitaram de diferentes arranjos para diluição da vinhaça bruta. Seguindo os parâmetros operacionais descritos na Tabela 4.10, observa-se que as

Q ARS  Q Vin Q Vin

Q ARA Q Vin DQO Vin DQO ERA







DQO ARA DQO ERA





  _{Q Vin}

Q RERA Q ARA Q Vin  Q Vin

Q Vin DQO Vin   Q RERA DQO ERA   Q ARA DQO ARA  Q Vin DQO Vin   Q RERA DQO ERA 

condições de operação 1 e 2 (TCO de 2,7 a 6,7 kg DQO.m-3.dia-1) mantiveram os reatores RST-2 e RSM-2 em operação de um estágio. Nessas condições de operação, o fluxograma de processo foi o apresentado na Figura 4.12, calculando a vazão afluente pela equação 4.33. Nas condições de operação 5 e 6, o efluente acidogênico foi alimentado puro, seguindo o fluxograma de processo apresentado na Figura 4.13, usando a equação 4.36 para o afluente do RA-2 e a equação 4.37 para o afluente do reator de segundo estágio metanogênico. Por outro lado, as condições operacionais 3 e 4 foram diferentes das anteriores, merecendo atenção especial.

A condição operacional 3 do sistema RA-2+RST-2 ou RA-2+RSM-2 foi realizada misturando 50% de vinhaça com 50% de efluente do reator acidogênico (em termos de DQO) e diluindo para a DQO afluente de 6000 mg DQO.L-1. Na escala industrial, esse processo pode ser realizado pela recirculação do efluente do reator acidogênico e do efluente do reator metanogênico de segundo estágio (Figura 4.14).

Figura 4.14 – Fluxograma de processo de dois estágios para condição operacional 3 do sistema RA-2+RST-2 ou RSM-2 em escala industrial

Dessa forma, a vazão de vinhaça (QVin) foi fracionada em vazão de vinhaça para o RA-2 (QVinRA) e em vazão de vinhaça para o RST-2 ou RSM-2 (QVinRS). A QVinRA foi diluída para a DQO afluente pretendida do RA-2 pelo uso da vazão de recirculação do RA-2 (QRERA). A vazão da fração de efluente do RA-2 (QFERA) foi misturada com o QVinRS considerando que 50% da DQO origina-se da QFERA e os outros 50% são da QVinRS, produzindo a vazão de mistura para o segundo estágio (QMS). Entretanto, como a DQO da corrente QMS é maior que a necessária para a alimentação do segundo estágio metanogênico, foi necessária a diluição com a vazão de recirculação do reator de segundo estágio (QRERS). Todas as misturas de

correntes foram projetadas para não ocorrer a alimentação de uma corrente do reator metanogênico termofílico para o reator acidogênico termofílico, pois isso pode inocular arqueias metanogênicas no reator acidogênico.

A determinação das vazões de alimentação do reator acidogênico (QARA) e do reator de segundo estágio metanogênico (QARS) foi feita em duas etapas. A primeira etapa consistiu em selecionar o volume de controle 1, representado na Figura 4.14 pelas linhas tracejadas para determinar QARA. Neste volume de controle foi considerado que não há perdas de volume pelo sistema, o que significa que a vazão de alimentação de vinhaça (QVin) é igual a vazão de mistura para o segundo estágio (QMS) (equação 4.38).

(4.38) sendo QMS a vazão de mistura para o reator de segundo estágio metanogênico (m3_.dia-1_).

A partir disso, o balanço de massa para calcular vazão de vinhaça para o reator de segundo estágio metanogênico (QVinRS) foi realizado sabendo que 50% da DQO alimentada na corrente QMS veio da vinhaça bruta e 50% da corrente de fração do efluente do reator acidogênico (QFERA), sendo portanto iguais. Esse balanço está de acordo com procedimento descrito por Albanez et al. (2016a), Lovato et al. (2019a; 2019b) (equações 4.39 e 4.40):

(4.39)

(4.40) resolvendo para QVinRS:

(4.41) resolvendo para o cálculo de DQOMS:

(4.42) sendo QVinRS a vazão de vinhaça para o reator de segundo estágio metanogênico (m3.dia-1), DQOMS a DQO da corrrente de mistura para o segundo estágio (mg DQO.L-1) e QFERA a vazão da fração do efluente do reator acidogênico (m3.dia-1).

Com isso, a vazão de vinhaça para o reator acidogênico (QVinRA) pode ser determinada pela equação 4.43:

Q FERA  Q MS Q MS Q VinRS 

DQO MS 2 _{DQO Vin}  Q VinRS Q MS



 Q VinRS

Q VinRS Q MS DQO ERA

DQO ERA DQO Vin





  _{Q MS}

Q VinRS DQO V   Q FERA DQO ERA 

Q VinRS DQO Vin  Q MS DQO MS



2



(4.43) sendo QVinRA a vazão de vinhaça para o reator acidogênico (m3.dia-1).

Para terminar a primeira etapa do balanço de massa no volume de controle 1, a vazão de alimentação do reator acidogênico foi determinada pelo balanço de massa desenvolvido nas equações 4.44, 4.45 e 4.46.

(4.44)

(4.45) resolvendo para a vazão afluente do reator acidogênico (QARA):

(4.46) sendo QRERA a vazão de recirculação do efluente do reator acidogênico (m3.dia-1).

Na segunda etapa, foi determinada a vazão afluente do reator de segundo estágio metanogênico (QARS) pelo balanço de massa desenvolvido nas equações 4.47, 4.48 e 4.49.

(4.47)

(4.48) resolvendo para a vazão afluente do segundo estágio (QARS):

(4.49) sendo QRERS a vazão de recirculação do efluente do reator de segundo estágio metanogênico (m3_.dia-1_).

A condição operacional 4 do sistema RA-2+RST-2 ou RA-2+RSM-2 foi realizada com efluente do reator RA-2 puro e diluindo para a DQO afluente de 10.000 mg DQO.L-1. Na escala industrial, esse processo pode ser realizado pela recirculação do efluente do reator metanogênico de segundo estágio (Figura 4.15).

Q ARS Q MS DQO MS DQO ERS







DQO ARS DQO ERS





  _{Q MS}

Q RERS Q ARS Q MS  Q MS

Q MS DQO MS   Q RERS DQO ERS   Q ARS DQO ARS  Q MS DQO MS   Q RERS DQO ERS 

Q ARA Q VinRA DQO Vin DQO ERA







DQO ARA DQO ERA





  Q

Q RERA Q ARA Q Vin  Q VinRA

Q VinRA DQO Vin   Q RERA DQO ERA   Q ARA DQO ARA  Q  _{DQO Vin}  _{Q RERA DQO ERA} 

Q _{DQO Vin Q RERA DQO ERA}   Q VinRA Q VinRS   Q Vin Q VinRA Q VinRS 

Figura 4.15 – Fluxograma de processo de dois estágios para condição operacional 4 do sistema RA-2+RST-2 ou RSM-2 em escala industrial

Nesse caso, a vazão de vinhaça (QVin) foi diluída para a DQO afluente pretendida do RA-2 pelo uso da vazão de recirculação do RA-2 (QRERA). A vazão da fração de efluente do RA-2 (QFERA) foi diluída com a vazão de recirculação do reator de segundo estágio (QRERS). Dessa forma apenas dois balanços são necessários, um para a vazão afluente do reator acidogênico (QARA), desenvolvido anteriormente pelas equações 4.34, 4.35 e 4.36, e outro para a vazão afluente do reator metanogênico de segundo estágio (QARS), desenvolvido nas equações 4.50, 4.51 e 4.52.

(4.50)

(4.51)

resolvendo para a vazão afluente do segundo estágio (QARS):

(4.52) Como descrito previamente, todos estes arranjos de sistemas de reatores foram projetados para não ocorrer a alimentação de uma corrente do reator metanogênico termofílico para o reator acidogênico termofílico. Entretanto, existe a possibilidade de utilizar o efluente do reator de segundo estágio mesofílico (RSM-2) para a diluição da vinhaça bruta e do efluente do reator acidogênico, quando necessário. Esse caso específico de reciclo de segundo estágio é possível porque as condições estritamente termofílicas impedem a contaminação do reator acidogênico por metanogênicos hidrogenotróficos (Xia et al., 2016) (Krishnan et al., 2019), como realizado experimentalmente por O-Thong et al. (2016).

Q ARS Q FERA DQO ERA DQO ERS







DQO ARS DQO ERS





  _{Q FERA}

Q FERA DQO ERA  Q RERS DQO ERS   Q ARS DQO ARS  Q FERA DQO ERA  Q RERS DQO ERS 

A partir desta estratégia, três arranjos foram possíveis para as condições operacionais 3, 4, 5 e 6 testadas no sistema de dois estágios RA-2+RSM-2 (Tabela 4.10). A condição operacional 3 do sistema RA-2+RSM-2 foi realizada misturando 50% de vinhaça com 50% de efluente do reator acidogênico (em termos de DQO) e diluindo para a DQO afluente de 6000 mg DQO.L-1. Na escala industrial, esse processo pode ser realizado pela recirculação do efluente do reator metanogênico de segundo estágio mesofílico para ajustar a DQO afluente do RA-2 e a DQO afluente do RSM-2 (Figura 4.16).

Figura 4.16 – Fluxograma de processo para condição operacional 3 do sistema RA-2+RSM-2 em escala industrial

Nesse arranjo, a vazão de vinhaça (QVin) foi fracionada em vazão de vinhaça alimentada ao RA-2 (QVinRA) e em vazão de vinhaça alimentada ao RSM-2 (QVinRS). A QVinRA foi diluída para a DQO afluente pretendida do RA-2 pelo uso da vazão de diluição do RSM-2 (QDERS). A vazão de efluente do RA-2 (QERA) foi misturada com o QVinRS considerando que 50% da DQO origina-se da QERA e os outros 50% são da QVinRS, produzindo a vazão de mistura para o segundo estágio (QMS). A corrente QMS foi diluída com a vazão de recirculação do reator de segundo estágio (QRERS).

A partir disso, o balanço de massa para calcular a vazão afluente do reator acidogênico (QARA) foi realizado a utilizando duas considerações. A primeira consideração foi que a vazão efluente do reator acidogênico (QERA) era igual a sua vazão afluente (QARA) (equação 4.53). A segunda consideração foi a determinação da condição de operação que 50% da DQO alimentada na corrente QMS veio da vinhaça bruta e 50% da corrente de efluente do reator acidogênico (QERA), sendo portanto iguais (equação 4.54). Dessa forma, o balanço de foi desenvolvido nas equações 4.55 a 4.59, usando também a equação 4.43:

(4.53) Q ERA Q ARA  Q ARA

(4.54) isolando QVinRS:

(4.55) realizando o balanço de massa no reator acidogênico:

(4.56)

(4.57) resolvendo para a vazão de vinhaça para o reator acidogênico (QVinRA):

(4.58) Associando as equações 4.55 e 4.58 na equação 4.43 e resolvendo para a vazão afluente do reator acidogênico (QARA):

(4.59) sendo QDERS a vazão de diluição vinda do efluente do reator RSM-2 (m3.dia-1).

Após determinado o valor de QARA, as equações 4.55 e 4.58 são usadas para determinar QVinRS e QVinRA, respectivamente. Com esses valores foram utilizadas as equações 4.54 e 4.60 para calcular a vazão de mistura para o segundo estágio (QMS) e a DQO desta corrente:

(4.60) resolvendo a equação 4.54 para a DQO de mistura para o RSM-2 (DQOMS):

(4.61) A partir disso, a vazão afluente do reator de segundo estágio metanogênico (QARS) foi calculada pelo balanço de massa previamente desenvolvido nas equações 4.47, 4.48 e 4.49.

DQO MS 2 Q VinRS DQO Vin



Q MS



 Q VinRS

Q MS  Q ERA  Q VinRS Q VinRS

Q ARA Q Vin

DQO ARA DQO ERS





DQO Vin DQO ERS 





 DQO ERA DQO Vin













 DQO ERS

Q VinRA Q ARA DQO ARA DQO ERS







DQO Vin DQO ERS 







 DQO ERS

Q VinRS Q ARA DQO ERA DQO Vin



 DQO ERA

Q VinRA DQO Vin   Q DERS DQO ERS   Q ARA DQO ARA  Q VinRA DQO Vin   Q DERS DQO ERS 

Q VinRA DQO Vin   Q DERS DQO ERS  Q DERS Q ARA Q VinRA  Q VinRA Q VinRS DQO V  Q ERA DQO ERA 

Q VinRS DQO Vin  Q MS DQO MS



2

Na condição operacional 4 do sistema RA-2+RSM-2, foi realizada diluição do efluente do reator RA-2 puro para a DQO afluente do RSM-2 de 10.000 mg DQO.L-1. Na escala industrial, esse processo pode ser realizado pela recirculação do efluente do reator metanogênico de segundo estágio mesofílico na vinhaça alimentada (Figura 4.17).

Figura 4.17 – Fluxograma de processo para condição operacional 4 do sistema RA-2+RSM-2 em escala industrial

Para este arranjo, a vazão de vinhaça (QVin) foi diluída para a DQO afluente pretendida do RA-2 pelo uso da vazão diluição do RSM-2 (QDERS). A vazão de efluente do RA-2 (QERA) foi diluída com a vazão de recirculação do reator de segundo estágio (QRERS). Dessa forma apenas dois balanços são necessários, um para a vazão afluente do reator acidogênico (QARA), desenvolvido pelas equações 4.62, 4.63 e 4.64, e outro para a vazão afluente do reator metanogênico de segundo estágio (QARS), desenvolvido nas equações 4.65, 4.66 e 4.67 em conjunto com a equação 4.53.

(4.62)

(4.63) resolvendo para a vazão afluente do reator acidogênico (QARA):

(4.64) Para a vazão afluente do reator metanogênico de segundo estágio (QARS) temos:

(4.65) Q RERS Q ARS Q ERA  Q ARS 

Q ARA Q Vin DQO Vin DQO ERS







DQO ARA DQO ERS





  _{Q Vin}

Q Vin DQO Vin   Q DERS DQO ERS   Q ARA DQO ARA  Q Vin DQO Vin   Q DERS DQO ERS 

(4.66) resolvendo para a vazão afluente do reator acidogênico (QARS):

(4.67) As condições operacionais 5 e 6 do sistema RA-2+RSM-2 necessitou apenas da diluição da vazão de vinhaça (QVin) pela corrente de diluição do reator RSM-2 (Figura 4.18). Apenas um balanço de massa foi necessário para encontrar a vazão afluente do reator acidogênico (QARA), desenvolvido previamente nas equações 4.62, 4.63 e 4.64.

Figura 4.18 – Fluxograma de processo do sistema RA-2+RSM-2 para as condições operacionais 5 e 6 em escala industrial

Por maior praticidade na comparação entre os dimensionamentos de escala industrial estimados, os arranjos utilizados em cada sistema de reatores foram identificados para os sistemas com mais de um arranjo conforme o reator metanogênico utilizado, a corrente usada para diluição da vinhaça e o valor numérico da TCO aplicada no reator metanogênico. Na tabela 4.13 são apresentados os significados das siglas de cada arranjo.

Q ARS Q ERA DQO ERA DQO ERS







DQO ARS DQO ERS





  _{Q ERA}

Q RERS DQO ERS   Q ERA DQO ERA   Q ARS DQO ARS  Q RERS DQO ERS   Q ERA DQO ERA 

Tabela 4.13 – Identificação dos arranjos industriais propostos para cada sistema Estudo 1

Sigla Descrição

AT1 Arranjo industrial proposto para o RT-1 AST1 Arranjo industrial proposto para o sistema RA-1+RST-1

Estudo 2

Sigla Descrição

AT2M5 Arranjo do RT-2 em 5 kg DQO.m-3_.dia-1

AT2M20 Arranjo do RT-2 com vinhaça concentrada

AST2A8 Arranjo do RA-2+RST-2 com RST-2 em 8 kg DQO.m-3_.dia-1

AST2A13 Arranjo do RA-2+RST-2 com RST-2 em 13,3 kg DQO.m-3_.dia-1

AST2A18 Arranjo do RA-2+RST-2 com RST-2 em 18 kg DQO.m-3_.dia-1

AST2A24 Arranjo do RA-2+RST-2 com vinhaça concentrada

ASM2A8 Arranjo do RA-2+RSM-2 recirculação RA-2 com RSM-2 em 8 kg DQO.m-3_.dia-1

ASM2A13 Arranjo do RA-2+RSM-2 recirculação RA-2 com RSM-2 em 13,3 kg DQO.m-3_.dia-1

ASM2A18 Arranjo do RA-2+RSM-2 recirculação RA-2 com RSM-2 em 18 kg DQO.m-3_.dia-1

ASM2A24 Arranjo do RA-2+RSM-2 recirculação RA-2 com vinhaça concentrada ASM2M8 Arranjo do RA-2+RSM-2 recirculação RSM-2 em 8 kg DQO.m-3_.dia-1

ASM2M13 Arranjo do RA-2+RSM-2 recirculação RSM-2 em 13,3 kg DQO.m-3_.dia-1

ASM2M18 Arranjo do RA-2+RSM-2 recirculação RSM-2 em 18 kg DQO.m-3_.dia-1

ASM2M24 Arranjo do RA-2+RSM-2 recirculação RSM-2 com vinhaça concentrada

No documento Aproveitamento energético da vinhaça de cana-de-açúcar pela biodigestão em dois estágios em reatores anaeróbios de leito fluidizado: mesofílico e termofílico (páginas 134-143)