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I MATERIAIS SUPORTE ALTERNATIVOS PARA REATORES ANAERÓBIOS DE LEITO FLUIDIZADO INVERSO

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I-073 - MATERIAIS SUPORTE ALTERNATIVOS PARA REATORES

ANAERÓBIOS DE LEITO FLUIDIZADO INVERSO

Fabiana Tessele(1)

Engenheira Química, Mestranda no Programa de Pós-graduação em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental do Instituo de Pesquisas Hidráulicas-UFRGS.

Luiz Olinto Monteggia

Engenheiro Civil-Mecânico e Mestre em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental pelo IPH-UFRGS. Doutor em Engenharia do Meio Ambiente pela Universidade de New Castle. Prof. Adjunto do IPH-UFRGS.

Gelsa Englert

Engenheira Química e Mestre em Engenharia Metalúrgica e Ciência dos

Materiais-PPGEM-UFRGS. Doutor em Engenharia-Materiais-PPGEM-UFRGS. Engenheira química no DEMET e professora do mestrado profissionalizante da Escola de Engenharia - UFRGS

Endereço(1): Av. Bento Gonçalves, 9500 - Bairro Agronomia Porto Alegre - RS - Caixa Postal 15029 - CEP:

91501-970 - Tel: (51) 316-6660 - Fax: (51) 3316-6565 - e-mail: ftessele@if.ufrgs.br

RESUMO

Dois reatores anaeróbios de leito expandido inverso (35 L cada) foram projetados para o tratamento de um efluente sintético (sacarose) em escala de bancada. Foi avaliada a viabilidade de emprego de dois materiais alternativos como leito suporte destes reatores: polipropileno (PP, OPP petroquímica) e etileno vinil acetato expandido (EVA, Franca S.A.), nas suas granulometrias originais (<0,004 m). Foram realizados ensaios para avaliar parâmetros hidrodinâmicos do sistema e simultânea avaliação do crescimento inicial do biofilme. As características hidrodinâmicas do EVA mostraram-se inadequadas para a operação dos reatores projetados. A granulometria deste material deverá ser reduzida, diminuindo a força de empuxo exercida pelas partículas no leito, promovendo a adequação das características de fluidização. Entretanto, para verificar as condições de crescimento de biofilme, algumas partículas de EVA foram colocadas no reator contendo o leito de PP. Este reator foi operado a 35oC durante 30 dias com uma taxa de expansão do leito de 98%, TDH de 24 h e velocidade superficial de 101 m.h-1. Microfotografias em microscópio eletrônico de varredura (MEV) mostraram que a adesão de microorganismos teve início nas primeiras horas de operação do reator e a formação inicial de biofilme foi observada em uma semana, pela presença de biopolímeros. Os resultados mostraram que o crescimento do biofilme é efetivo em ambos os materiais suporte, mesmo com a velocidade superficial elevada. Porém, em função do elevado cisalhamento na interface sólido/líquido, a adesão de bactérias metanogênicas no biofilme neste período não foi observada. A remoção de DQO foi superior a 30% desde o início da operação do reator, o pH foi mantido em valores próximos da neutralidade e potencial redox manteve-se negativo.

PALAVRAS-CHAVE: Digestão Anaeróbia, Reatores de Leito Fluidizado Inverso, Biofilmes, Materiais Suporte,

Microscopia Eletrônica de Varredura, Tratamento de Efluentes.

INTRODUÇÃO

A digestão anaeróbia tem se mostrado uma técnica apropriada para o tratamento de resíduos orgânicos, sólidos, líquidos ou suspensões. O processo anaeróbio envolve a conversão da matéria orgânica presente nas águas residuárias a metano e dióxido de carbono através de uma série de reações envolvendo um consórcio de microorganismos facultativos e estritamente anaeróbios.

Diversos tipos de configurações de reatores anaeróbios têm sido empregados de forma a otimizar o processo. Exemplos significativos são os reatores com manto de lodo de fluxo ascendente (UASB), filtros de fluxo ascendente e descendente, tambores rotatórios, biodiscos, leitos fluidizados ou expandidos, ascendentes ou descendentes, entre outros. Os sistemas de leito fixo ou sistemas biomassa-suporte aplicados ao tratamento de efluentes líquidos dependem de populações mistas de microorganismos, predominantemente bactérias que são imobilizadas em ou com suportes inertes e formam biofilmes ou agregados de biomassa.

FOTOGRAFIA NÃO DISPONÍVEL

(2)

Os reatores de leito fluidizado com biofilme, nos quais a biomassa é fixa sobre partículas de um leito fluidizado por um líquido em sentido ascendente estão entre os tipos mais promissores e efetivos de reatores de biofilme. 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 incrementados pelo regime de fluxo que proporciona baixo gradiente de concentração, 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.

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 as partículas mais densas possuem maior massa e, consequentemente, maior inércia. Entretanto, os mesmos autores verificaram experimentalmente que, para valores baixos de número de Reynolds terminal (Ret<130),

estas diferenças tornam-se menos significativas e as equações da fluidização clássica podem ser empregadas como uma aproximação inicial das características de fluidização inversa.

Apesar de que a aplicação de reatores de leito fluidizado ao tratamento anaeróbio de efluentes líquidos tenha sido estudada por diversos autores em escala de laboratório e piloto, são poucas as aplicações industriais conhecidas e reportadas. As principais limitações impostas ao emprego destes reatores são as dificuldades operacionais em escala real de tratamento (variações de vazão, choques de carga e partida), e, principalmente, o custo do material suporte. Este trabalho apresenta uma avaliação da viabilidade de emprego de materiais alternativos e de baixo custo para recheio de reatores de leito fluidizado, em escala de bancada.

MATERIAIS E MÉTODOS

Seleção e caracterização dos materiais

Os materiais estudados foram selecionados a partir dos seguintes critérios: disponibilidade e baixo custo, distribuição homogênea de tamanho de partículas, rugosidade superficial (que permite maior superfície disponível para a adesão de microorganismos e maior energia livre superficial) e massa específica inferior à da água, para que a fluidização inversa seja possível.

A avaliação comparativa da rugosidade das superfícies foi realizada por microscopia eletrônica de varredura. Amostras do material suporte foram coletadas diariamente, lavadas com solução tampão, fixadas em glutaraldeído e preparadas para microscopia eletrônica de varredura por desidratação em uma série graduada de etanol e acetona. Após coladas nos suporte, as amostras foram metalizadas com ouro. A evolução do crescimento dos microorganismos foi acompanhada no MEV, com uma freqüência de 48 h.

Ensaios de crescimento de biofilme em batelada

Com a finalidade de verificar a estabilidade biológica dos materiais foram realizados ensaios em batelada com amostras de lodo proveniente de reatores anaeróbios, alimentado em sacarose. Foi empregado o meio de cultura Post Gade, KH2PO4 (0,5 mg.L-1), NH4Cl (1,0 mg.L-1), CaSO4 (1,0 mg.L-1), MgSO4 7.H2O (2,0 mg.L-1),

lactato de sódio (3,5 mg.L-1), extrato de levedura (1000 mg.L-1), tioglicolato de sódio (100 mg.L-1), sulfato ferroso(0,5 mg.L-1). O pH resultante foi 7,5 e a temperatura mantida a 32 oC.

(3)

foi de 98% (área superficial = 388 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 descarregado através de uma saída conectada à parede da coluna, conectada a um tubo controlador do nível do líquido.

S a íd a d e g á s B o m b a d e r e c ir c u la ç ã o A q u e c im e n t o 3 5 oC D if u s o r C o n t r o le d e n í v e l S o lu ç ã o S in té tic a B o m b a d o s a d o r a 4 oC E f lu e n t e f in a l

Figura 1: Diagrama esquemático do sistema de leito fluidizado anaeróbio inverso.

Crescimento de biofilme em operação contínua

Dois reatores de leito expandido com 35 L cada foram operados continuamente, na temperatura 35±0,5 oC. O aquecimento foi feito usando uma resistência de 500 W controlada por um termostato digital (Fullgauge MT511R). A expansão do leito foi viabilizada pela recirculação do efluente. Os reatores foram alimentados com uma solução sintética, mantida a 4 oC, contendo sacarose (285,7 ppm), bicarbonato de sódio (285,7 ppm), cloreto de amônio (47,9 ppm), extrato de levedura (14,3 ppm), fosfato trissódico (12,5 ppm), sulfeto de sódio (57,1 ppm) (Silveira, 2000). Todos os componentes foram adequadamente dissolvidos, resultando em uma solução isenta de sólidos em suspensão.

O tempo de detenção hidráulico foi de 24 h e a carga orgânica aplicada foi de 1,0 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 no início da operação. O conteúdo de matéria orgânica foi estimado por análises de DQO, realizadas pelo método titulométrico (Standard Methods, 1991). Foram analisados também o pH, a alcalinidade e o potencial redox afluente e efluente. A Tabela 1 resume as características do efluente sintético:

Tabela 1: Características do efluente sintético.

Parâmetro Faixa Média

DQO (mg.L-1 O2) 772 a 1407 1125

Alcalinidade (mg.L-1 CaCO3) 131 a 547 303,7

pH 7,8 a 8,5 8,2

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Cálculo dos parâmetros hidrodinâmicos

Os parâmetros hidrodinâmicos foram calculados usando as seguintes relações:

• Notação

d =diâmetro das partículas do leito D= diâmetro interno do leito g = constante da força da gravidade

• Letras gregas

ρp e ρl = massas específicas da partícula e do líquido, respectivamente µ = viscosidade do fluido

A velocidade terminal das partículas para esferas rígidas, é: Ut = D l l p C . 3 d . g ). ( 4 ρ ρ − ρ Equação 1

Onde CD é coeficiente de cisalhamento das partículas, encontrado na curva que relaciona o número de

Reynolds de partícula (Eq. 2) com o coeficiente de atrito (Perry e Chilton, 1973). Esta curva apresenta valores de CD para partículas aproximadamente cilíndricas, assim a Equação 1 pode ser aproximada. O número de

Reynolds de partícula é dado por:

µ ρ = l p dU Re Equação 2

Onde U é a velocidade superficial da fase líquida, dada pela razão entre a vazão da fase contínua (Q) e a área da seção transversal do leito sem recheio (S):

U= S

Q Equação 3

O número de Reynolds terminal é calculado usando a velocidade terminal das partículas (Eq. 1):

µ ρ = t l t dU Re Equação 4

Número de Arquimedes, que representa o balanço das forças gravitacionais e de empuxo do sistema e é empregado no cálculo do fator de atrito, é dado por:

2 l p l 3g( ) d Ar µ ρ ρ − ρ = Equação 5

E o fator de atrito na interface sólido/líquido é pode ser estimado por f = 4 , 1 Re 9 , 13 Ar Equação 6 RESULTADOS

Seleção dos materiais

De acordo com as características desejadas, foram selecionados os seguintes materiais:

(5)

variando entre 1 e 7 mm de diâmetro. Também o fabricante afirma que o material é resistente a ataques microbiológicos. A forma das partículas é irregular, proporcionando maior superfície para a adesão de microorganismos.

Polipropileno: O polipropileno foi selecionado em função de características geométricas tais como uniformidade e distribuição de tamanho de partículas. O polipropileno (OPP petroquímica), possui densidade aparente de 0,91 e densidade “bulk” de 0,5. A forma das partículas é aproximadamente cilíndrica, com distribuição granulométrica uniforme, em torno de 4 mm. O PP é um produto que serve de matéria prima na indústria de plásticos e seu custo fica em torno de R$ 90/tonelada. Em comparação com materiais atualmente empregados como recheio de reatores biológicos, o emprego deste material é viável.

A rugosidade superficial de ambos os materiais é elevada, conforme pode-se constatar na fotografia MEV, preenchendo os requisitos estabelecidos (Figura 2).

(a)

(b)

Figura 2: Microfotografias (Microscópio Eletrônico de Varredura) da superfície dos materiais selecionados para suporte dos reatores. Aumento de 300X. (a) EVA, (b) PP.

(6)

Analisando a Figura acima constata-se que o EVA apresenta uma superfície significativamente mais rugosa e porosa em função do processo de expansão sofrido pelo material na fabricação. O polipropileno apresenta regiões mais rugosas e outras mais lisas.

Cálculo dos parâmetros hidrodinâmicos

Os parâmetros calculados para os materiais selecionados são apresentados na Tabela 2. Pode-se observar que o EVA apresenta valores bastante elevados de velocidade terminal, o que requer uma velocidade elevada da fase líquida para a fluidização, conforme observado na prática. Por outro lado, estes valores elevados indicam a menor resistência à transferência de massa na interface partícula/fase líquida, o que pode ser favorecer o desempenho do reator. Em função das limitações hidrodinâmicas encontradas no reatores projetados, os ensaios foram realizados usando apenas o polipropileno como leito suporte.

Tabela 2: Parâmetros hidrodinâmicos teóricos para o sistema de fluidização inversa usando polipropileno (PP) e Etileno vinil acetato (EVA).

Parâmetro EVA PP Rep 112 112 CD 1,2 1,2 Ut (m.h-1) 0,18 0,063 Ret 731 257 Ar 4830 565 f 0,028 0,014

O leito de polipropileno foi expandido usando inicialmente água da rede a 35 oC. A variação do grau de expansão do leito em função da velocidade superficial da fase contínua é apresentada na Figura 4. A expansão varia de forma aproximadamente quadrática com o aumento da velocidade do fluido e ocorre de forma homogênea ao longo do comprimento do leito. Desde graus de expansão bastante pequenos observa-se o movimento independente das partículas, em torno de seu eixo, com baixa freqüência de colisões, o que favorece a redução do cisalhamento na interface, facilitando a adesão de microorganismos.

0% 50% 100% 150% 200% 250% 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 Velocidade superficial, cm.s-1 % Expansão

Figura 3: Características da expansão do leito de PP em função da velocidade da fase líquida.

Desempenho do reator durante a partida

O reator respondeu rapidamente à introdução do lodo e início da alimentação do efluente. O pH apresentou uma pequena queda no primeiro dia de operação, comprovando a produção de ácidos orgânicos voláteis nesta fase. O potencial redox apresentou-se bastante variável, estando sempre em valores negativos. A Figura 4

(7)

6 6,4 6,8 7,2 7,6 1 4 5 8 12 14 19 21 23 27 29 Tempo, dias pH -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 Potencial Redox, mV

Figura 4: Valores de pH e potencial redox na saída do reator.

A remoção de matéria orgânica foi observada também desde o início da operação. Os valores de entrada e saída, expressos em valores de DQO, são apresentados na Figura 5.

0 300 600 900 1200 1500 1800 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Tempo, dias DQO, mg.L -1 O 2 Entrada Saída

Figura 5: Remoção de matéria orgânica, expressa em DQO, obtida nos primeiros 30 dias de operação.

Simultaneamente, foram realizadas as fotografias por microscopia eletrônica de varredura. A final dos 30 dias de operação, foi possível observar a formação de um biofilme bastante significativo em ambos os materiais (Figura 6). O EVA, por apresentar maior superfície específica e maios número de cavidades, mostrou-se mais adequado para a adesão inicial dos microorganismos.

Em etapas mais avançadas da formação do biofilme, comparando o tamanho das bactérias e a magnitude da rugosidade, percebe-se que a rugosidade está relacionada apenas com a área superficial, não interferindo no mecanismo de adesão de maneira significativa. Acredita-se que após a formação do biofilme inicial a rugosidade da superfície afete de maneira pouco significativa a estabilidade e intensidade da força adesão dos microorganismos sobre a superfície. Esta hipótese é confirmada pelo fato de que, após os 30 dias de operação, ambos os materiais foram colonizados de maneira uniforme, sendo observados diversos gêneros de bactérias recobertas por seus polímeros extracelulares.

(8)

(a)

(b)

Figura 6. Superfície do EVA (a) e do polipropileno (b) após 30 dias de operação do reator. Aumento 3000X, microscopia eletrônica de varredura. Observa-se a adesão de diversas bactérias e a formação dos biopolímeros, responsáveis pelo fenômeno.

CONCLUSÕES

• reator anaeróbio de leito fluidizado inverso mostrou-se uma alternativa potencialmente viável para o tratamento de efluentes de carga orgânica elevada e baixo teor de sólidos suspensos;

• emprego das partículas de polipropileno na forma comercial como recheio destes reatores é viável e mostrou-se promissor;

• emprego do EVA como recheio deve ser estudado com maior detalhe, principalmente no que diz respeito à suas características hidrodinâmicas de fluidização e necessidade de redução de tamanho das partículas;

(9)

• diminuindo a velocidade tem-se como conseqüência também a redução da taxa de expansão do leito, o que promove um melhor aproveitamento do volume útil do reator;

• 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;

• a microscopia eletrônica de varredura é uma ferramenta bastante útil na análise da formação do biofilme, fundamental para a partida de reatores de crescimento em leito fixo.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem aos alunos bolsistas Rodrigo Gomes, Cristiane Ferreira e Glaura L. da Silveira pelo indispensável apoio técnico, discussão dos resultados e análises. Ao DEMET-PPGEM-UFRGS pelo apoio nas análises de microscopia eletrônica de varredura. À CAPES e ao CNPq pelo suporte financeiro na forma de bolsas de estudo. À empresa TRATEF S.A. pelo apoio na montagem dos reatores e ao Eng. André Bello, OPP Petroquímica, pelo fornecimento das amostras de polipropileno.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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