II-092- REATORES BIOLÓGICOS DE LEITO FLUIDIZADO INVERSO
APLICADOS AO TRATAMENTO DE EFLUENTES LÍQUIDOS
Fabiana Tessele(1)
Engenheira Química. Mestre em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental pelo IPH-UFRGS. Doutoranda no Programa de Pós Graduação em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental do Instituto de Pesquisas Hidráulicas-UFRGS.
Vanessa Barreto Alves
Engenheira Civil, Mestranda no Programa de Pós Graduação em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental do Instituto de Pesquisas Hidráulicas-UFRGS.
Luiz Olinto Monteggia
Engenheiro Civil-Mecânico. Mestre em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental pelo IPH-UFRGS. Doutor em Engenharia do Meio Ambiente pela Universidade de Newcastle. Prof. Adjunto do IPH-UFRGS.
Endereço(1): Av. Bento Gonçalves 9500 Bairro Agronomia Porto Alegre - RS – CP 15029 CEP: 91501-970 Fone: (51) 316-6660 Fax: (51)316-6565. E-mail: ftessele@iph.ufrgs.br
RESUMO
Este trabalho apresenta um estudo em escala de laboratório sobre a viabilidade de emprego de reatores biológicos de leito fluidizado inverso para o tratamento de efluentes líquidos. Este estudo foi composto de diversas etapas, tendo iniciado pelo reator anaeróbio e seguido pelo reator aeróbio. O enfoque do estudo foi dado aos problemas práticos encontrados na operação destes reatores. Para ambos os reatores, buscou-se um material suporte alternativo, de baixo custo. Para o reator anaeróbio foi dada ênfase na avaliação do desempenho na partida do reator (start-up), pois este é o principal problema enfrentado na prática. Para o reator aeróbio foi realizado um estudo sobre o efeito da vazão de recirculação e, o tamanho da bolha de ar introduzida no fundo do reator pelo sistema de ar difuso, com e sem material suporte. Os métodos convencionais de aeração são: sistema de ar difuso, onde deve-se introduzir ar ou oxigênio no líquido e aeração mecânica, cujo objetivo é causar um grande turbilhonamento, expondo o líquido, na forma de gotículas, ao ar, e ocasionando a entrada do ar atmosférico no meio líquido. Os sistemas de aeração por ar difuso empregam difusor poroso, que produz bolhas finas e médias, usando materiais cerâmicos, plástico ou membranas flexíveis, ou o difusor não poroso, produzindo bolhas grossas. Qualquer melhoria de tecnologia em aeração que reduza a potência requerida e/ou incremente a eficiência de transferência de oxigênio poderá, portanto, reduzir o consumo de energia e o custo total do tratamento (Voss et al., 1999). O consumo de energia elétrica para a aeração normalmente é o fator de maior custo nos sistemas de tratamentos biológicos. Por esta razão é importante que se possa determinar a eficiência de transferência de oxigênio dos aeradores.
PALAVRAS-CHAVE: Leito Fluidizado Inverso, Biofilmes, Transferência de Oxigênio, Reatores Biológicos. INTRODUÇÃO
Os primeiros estudos de fluidização inversa foram publicados por Shimodara et al. (1980) e Fan et al. (1982). A fluidização inversa é um sistema multifásico gás-líquido-sólido ou líquido-sólido. A principal diferença entre a fluidização clássica e a fluidização inversa é a massa específica das partículas sólidas, que é menor do que a da fase líquida (contínua). Assim, o leito é fluidizado no sentido descendente e não ascendente. Uma das aplicações recentes deste tipo de sistema tem sido na área da engenharia de bio-reatores. Os reatores de leito fluidizado com biofilme estão entre os tipos mais promissores e efetivos de reatores de biofilme. Estes reatores oferecem um grande número de vantagens com relação a processos biológicos convencionais tais como sistemas de lodos ativados e filtros biológicos. A principal vantagem é a possibilidade de manutenção de uma concentração de biomassa bastante elevada, o que resulta em um volume de reator reduzido. Nestes reatores, a biomassa encontra-se aderida à superfície de partículas suporte e, portanto, problemas associados à separação sólido/líquido, comuns em sistemas de lodos ativados, são quase eliminados.
A alta área interfacial biofilme/líquido, alta velocidade interfacial, elevada concentração de biomassa, alta área superficial disponível para a adesão dos microorganismos, coeficientes de transferência de massa
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incrementados pelo regime de fluxo, ausência de problemas de entupimento, formação de caminhos preferenciais ou aprisionamento do gás, capacidade de controle e otimização da espessura do biofilme são as principais vantagens encontradas nestes reatores. Ainda, em comparação com as demais tecnologias de leito fixo, os reatores de leito fluidizado possuem a maior capacidade de absorver elevadas cargas orgânicas. As principais limitações observadas na prática são o custo do material suporte e, principalmente a cinética lenta de formação do biofilme devida a baixa velocidade de crescimento e reprodução das bactérias, no caso de processos anaeróbios.
A etapa determinante na degradação da matéria orgânica em um reator de biofilmes é a difusão dos compostos (nutrientes, oxigênio, matéria orgânica dissolvida) através do biofilme. Em função do constante movimento das partículas e do aumento de área superficial ocorre um significativo aumento das taxas de transporte de massa. Um aumento na diferença de massa específica entre a fase sólida e o líquido e a diminuição da viscosidade da fase líquida afetam positivamente as taxas de transferência de massa.
O termo fluidização é usualmente associado a sistemas multifásicos nos quais partículas sólidas são fluidizadas por uma corrente de fluido com direção oposta à força da gravidade pois as partículas possuem densidade maior que o fluido. Para este caso, as equações que descrevem a hidrodinâmica do sistema, bem como os parâmetros de desenho dos leitos, estão satisfatoriamente definidos na literatura clássica. Entretanto, para o cálculo destes parâmetros na fluidização inversa as equações são diferentes pois devem ser consideradas as forças de empuxo. Karamanev e Nikolov (1992) realizaram extensivo estudo em torno da hidrodinâmica de sistemas de fluidização inversa, incluindo comparação entre equações propostas por diversos autores. Sua principal conclusão é de que a hidrodinâmica da fluidização inversa difere da convencional porque, nesta última, as partículas mais densas possuem maior massa e, consequentemente, maior inércia.
Uma limitação dos processos de biodegradação de matéria orgânica em reatores de crescimento em leito fixo está associada ao aumento da espessura do biofilme, resultante da reprodução dos microorganismos. Isto prejudica a difusão de substrato até as camadas internas do biofilme. A falta de fontes de energia para os microorganismos nestas camadas provoca o fenômeno de “desadesão”, no qual frações do biofilme desprendem-se e prejudicam a operação do biorreator. A fluidização inversa pode resolver este problema, pois é possível controlar a espessura do biofilme variando a razão de recirculação e, conseqüentemente, o atrito na interface sólido-líquido. O desenvolvimento do biofilme traz modificações no tamanho de partículas e no coeficiente de cisalhamento na interface sólido/líquido. Como resultado, a porosidade do leito, bem como a altura da expansão podem variar.
MATERIAIS E MÉTODOS
Seguindo uma seqüência lógica de tratamento de efluentes contendo matéria orgânica, a primeira etapa desta pesquisa visou o desenvolvimento do sistema anaeróbio. Este sistema encontra-se em operação desde Junho de 2000 e diversos parâmetros ainda encontram-se em fase de teste. O sistema aeróbio foi montado em dezembro de 2000 e encontra-se em fase de otimização da injeção de ar, utilizando-se dispositivos alternativos. Além da configuração do reator aeróbio apresentada neste trabalho, serão avaliados o efeito da altura do reator (pressão sobre o difusor), a influência da temperatura sobre a transferência de oxigênio e, o emprego de outros de materiais suporte.
REATOR ANAERÓBIO
O reator anaeróbio de leito fluidizado inverso, com diâmetro interno de 0,15 m e altura de 2,0 m foi operado continuamente a 35 oC. O reator foi recheado com 4700 g de polipropileno (PP) e a taxa de expansão do leito foi de 20% (área superficial = 1655 m2.m-3). Bombas dosadoras (Watson Marlow, Mod. 101U) foram empregadas para a alimentação e bombas centrífugas (0,5 CV) para a recirculação da fase líquida conectadas a um inversor de freqüência, usado para a variação da rotação das bombas. O efluente foi descarregado através de uma saída conectada à parede da coluna, conectada a um tubo controlador do nível do líquido. A temperatura de 35± 0,5 oC foi mantida usando uma resistência de 500 W controlada por um termostato digital (Fullgauge MT 511R). A expansão do leito foi viabilizada pela recirculação do efluente. Os reatores foram alimentados com uma solução sintética, mantida a 4 oC, contendo sacarose, bicarbonato de sódio, cloreto de amônio, extrato de levedura, fosfato trissódico e sulfeto de sódio. O tempo de detenção hidráulico foi de 24 h e a carga orgânica aplicada foi, em média, de 4 kg de DQO.m-3.d-1. O lodo contendo microorganismos, provenientes de um reator UASB em escala de bancada, alimentados com uma solução sintética similar, foi
adicionado ao reator na concentração de 10%v/v desde início da operação, periodicamente a cada 48 h. O conteúdo de matéria orgânica foi estimado por valores de DQO. Foram analisados também pH, alcalinidade, potencial redox , ácidos orgânicos voláteis e composição do biogás.
REATOR AERÓBIO
O reator aeróbio de leito fluidizado inverso, com diâmetro interno de 0,15 m e de 3,0 m foi construído e operado em ensaios em batelada de transferência de oxigênio. O reator foi recheado com 25 % da sua altura total, apresentando taxas de expansão do leito, devido a vazão de recirculação, que variaram de 0 a 35 %. Para avaliar os sistemas de aeração propostos, foram realizados testes de aeração em água limpa (água de torneira), visando a determinação do coeficiente de transferência de oxigênio (KLa). As vazões de recirculação do líquido
no reator variaram entre 0 e 32 L/min, para estes ajustes utilizou-se uma bomba centrífuga (0,5 CV) e inversor de frequência. Para o controle da temperatura da massa líquida em 20±1 oC foi utilizado uma resistência para aquecimento e, banho refrigerado da tubulação de recirculação, controlados por um termostato digital. O sistema de aeração empregado foi por ar difuso, com um difusor de membrana flexivel de bolhas finas, com pequenas aberturas, que ao receber ar infla-se permitindo a sua passagem e, outro de bolhas grossas onde o ar passa através de aberturas na parte inferior do difusor. A vazão de ar foi de 10 L/min, alimentada por um compressor, seguido de válvulas redutoras de pressão, manômetros e rotâmetro. Os ensaios consistiram na desoxigenação de toda a massa líquida contida no reator, com a adição de sulfito de sódio (Na2SO3) e
catalisador cloreto de cobalto, e medição da variação da concentração de oxigênio de zero mg/L até próximo a saturação, usando um oxímetro digital (Yellow Spring, Mod. YSI 52). Montaram-se as curvas de aeração e o coeficiente de transferência de oxigênio (KLa) foi determinado usando a equação 1, proveniente da
simplificação da lei de Fick da difusão de massa. = dt dC KLa.(CS -C) (01) onde, = dt dC
taxa de transferência de oxigênio (g/m3.h) C = concentração em um tempo t qualquer (g/m3) KLa = coeficiente global de transferência de oxigênio (h-1)
CS = concentração de saturação de oxigênio (g/m3)
Nas condições padrão (água limpa), a taxa de transferência de oxigênio (TTO2 padrão) pode ser expressa pela
equação 2, adaptada de Ramalho (1983).
TTO2padrão = KLa. Cs(20oC ) .
1000
V
(02)
onde,
TTO2padrão = taxa de transferência de oxigênio padrão (KgO2/h)
CS(20oC) = concentração de saturação de oxigênio na água limpa (g/m3)
V= volume do líquido no reator (m3)
RESULTADOS
Conforme anteriormente mencionado, os resultados referentes ao sistema anaeróbio encontram-se em uma fase mais avançada do que os obtidos com os reatores aeróbios. A seguir, estes resultados são analisados separadamente.
REATOR ANAERÓBIO
O reator, em operação há 4 meses, respondeu rapidamente à introdução do lodo e início da alimentação do efluente. A remoção de matéria orgânica foi observada desde o início da operação (Figura 1), chegando a
superar 90% (Figura 2). A tendência desta curva, principalmente a estabilidade dos valores de DQO de saída, indica que ainda não foi atingida a carga orgânica máxima do sistema. Adicionalmente deve-se levar em conta que dos 2,0 m de coluna apenas 0,48 m foram preenchidos com o material suporte. A carga orgânica foi calculada considerando a coluna inteira (35L), contabilizando o efeito da biomassa em suspensão na remoção da matéria orgânica. 0 1000 2000 3000 4000 0 20 40 60 80 100 120 140 Tempo, dia DQO, mg.L -1 Afluente Efluente
Figura 1. DQO afluente e efluente ao longo da operação do reator. 0% 20% 40% 60% 80% 100% 0 1 2 3 4 5 6 LV, kg DQO.m-3.d-1 % Remoção de DQO
Figura 2. Remoção de matéria orgânica em função do aumento da carga orgânica aplicada.
O pH do reator estabilizou-se rapidamente, após uma queda inicial para valores em torno de 5,5. Este decréscimo observado nas primeiras horas de operação foi devido à produção de ácidos orgânicos voláteis sem seu consumo subseqüente pelas bactérias metanogênicas. Ficou demonstrado que a alcalinidade presente no sistema garantiu a estabilidade do pH na faixa neutra até o final da operação. A Figura 3 mostra os valores de pH medidos ao longo da operação dos reatores. No mesmo gráfico, encontra-se a variância calculada para estes valores e pode-se observar o acentuado decréscimo após 40 dias de operação, aproximadamente.
A variação do potencial redox foi acompanhada com o objetivo de confirmar a existência de condições redutoras no reator. Os resultados mostrados na Figura 4 indicam a queda gradual do potencial redox até valores abaixo de -300 mV. Esta figura comprova a estabilização dos reatores (estado estacionário), coincidente com a estabilização do pH (Figura 3) e da remoção de matéria orgânica, em torno de 65 dias de operação, para ambos os reatores. Este período coincide com a identificação da produção significativa de biogás, sendo caracterizado o final do período de partida (start-up).
0 2 4 6 8 10 1 26 60 90 124 Tempo, dia pH 0,0 0,3 0,5 0,8 1,0 Variância pH Variância
Figura 3. Variação do pH ao longo da operação do reator. -400 -300 -200 -100 0 0 20 40 60 80 100 120 140 Tempo, dia E 0 , mV
Figura 4. Variação do potencial redox ao longo da operação do reator.
A concentração de ácidos orgânicos voláteis foi medida periodicamente. Ocorreu predominância de ácido acético (>80%) conforme mostrado na Figura 5, em concentrações superiores a 300 mg.L-1 durante a operação dos reatores, garantindo o desenvolvimento das bactérias anaeróbias. A produção de biogás iniciou a partir do 65º dia de operação do reator mas as medições por cromatografia gasosa foram realizadas a partir do dia 77. A composição média do biogás é mostrada na Figura 6.
Acético 83% Propiônico 15% Outros 2%
Figura 5. Proporção de ácido acético em relação aos demais ácidos orgânicos.
0 25 50 75 100 Biogás, %massa 77 92 107 112 Tempo, dia
Nitrogênio Gás Carbônico Metano
Figura 6. Composição do biogás (em massa) durante a operação.
REATOR AERÓBIO
O reator aeróbio de leito fluidizado inverso encontra-se em fase de operação. Os resultados esperados são a definição da combinação mais adequada entre o material suporte e sistema de aeração, após realizada a análise estatística dos resultados, expressos pelos valores de KLa obtidos experimentalmente em conjunto com os
custos de cada sistema. Em geral quanto menor o tamanho da bolha de ar, maior a área superficial disponível para a transferência de gases, ou seja, maior a eficiência de oxigenação. Por esta razão, procurou-se estudar a influência do tipo de aeração, na transferência de oxigênio em um reator empacotado.
Os resultados apresentados neste trabalho, para aeração de bolhas finas e grossas, referem-se a configuração do reator: 3m (altura), 0 a 32 L/min (vazões de recirculação), 10 L/min (vazão de ar) e, 25 % do reator empacotado com o material suporte polipropileno (PP). A aeração com bolhas finas (diâmetro inferior a 3 mm), apresentou uma distribuição uniforme das bolhas dentro do reator, com e sem material suporte. A aeração com bolhas grossas (diâmetro superior a 6 mm), mostrou uma distribuição não-homogênea das bolhas na ausência do material suporte e, um grande turbilhonamento do leito, quando o reator foi empacotado. A expansão do leito, devido a introdução de ar no reator, deu-se em aproximadamente 100% para o caso de bolhas finas, enquanto que para bolhas grossas o leito não expandiu-se uniformemente, ficando bem mais concentrado na metade superior do reator. As tabelas 1 e 2 apresentam, respectivamente, as características da transferência de oxigênio para aeração por bolhas finas e grossas, com e sem leito suporte, para uma mesma vazão de ar (10 L/min).
Tabela 1: Características da transferência de oxigênio aeração com bolhas finas. Vazão de Recirculação (L/min)
Características Q
1=0 Q2=7 Q3=20 Q4=32
Material Suporte Sem Com Sem Com Sem Com Sem Com
KLa20oC (h-1) 117,40 78,12 99,18 87,71 113,35 81,46 128,00 92,50
TTO2padrão (KgO2/h) 12,37 8,17 10,51 9,19 12,06 8,55 13,79 9,77
Tabela 2: Características da transferência de oxigênio aeração com bolhas grossas. Vazão de Recirculação (L/min)
Características Q
1=0 Q2=7 Q3=20 Q4=32
Material Suporte Sem Com Sem Com Sem Com Sem Com
KLa20oC (h-1) 41,28 33,83 41,68 33,74 48,96 37,62 53,14 39,79
TTO2padrão (KgO2/h) 4,33 3,61 4,37 3,60 5,14 3,97 5,61 4,22
O coeficiente de transferência de oxigênio kLa, conforme mostrado na figura 7, sofreu um acréscimo, a medida
prejudicou a transferência de oxigênio. Maiores valores de kLa, foram obtidos para a aeração de bolhas finas, e
sem material suporte no reator, indicando um efeito adverso causado pelo material de enchimento, para o valor de vazão de ar testada nesta etapa do estudo.
30 50 70 90 110 130 0 10 20 30 40
Vazão recirculação (L/min)
kLa (h-1)
Com Mat. Sup. B. Grossa Sem Mat. Sup. B. Grossa
Com Mat. Sup. B. Fina Sem Mat. Sup. B. Fina
Figura 7. Comportamento do kLa em função da vazão de recirculação para aeração com bolhas finas e
grossas.
CONCLUSÕES
• O reator anaeróbio de leito fluidizado inverso mostrou-se uma alternativa potencialmente viável para o tratamento de efluentes em escala de laboratório;
• A operação dos reatores é relativamente simples e pode ser totalmente automatizada;
• O emprego das partículas de polipropileno na forma comercial como recheio destes reatores é viável e mostrou-se promissor;
• O controle da taxa de expansão do leito pode ser uma das principais ferramentas no controle da espessura do biofilme, de maneira a otimizar a transferência de massa na interface biofilme/fase líquida e evitar problemas com entupimentos.
• Com a aeração de bolhas finas pode-se obter coeficientes de transferência de oxigênio maiores, que para a aeração de bolhas grossas, acarretando assim uma maior eficiência de transferência de oxigênio para o reator de leito fluidizado inverso.
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