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Estudo hidrodinâmico de reator UASB
com traçador eosina Y
Lucas Eduardo Ferreira da Silva1;
Ana Carolina Monteiro Landgraf2;
Aruani Letícia da Silva Tomoto3;
Eudes José Arantes4;
Thiago Morais de Castro5;
1 Engenheiro Ambiental graduado pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná; E-mail: lucas.2013@alunos.utfpr.edu.br; 2 Engenheira Ambiental graduada pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná; E-mail:analandgraf@alunos.utfpr.edu.br; 3 Engenheira Ambiental graduada pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná; E-mail: arutomoto@hotmail.com;
4 Professor do Curso de Engenharia Ambiental da Universidade Tecnológica Federal do Paraná; E-mail: eudesarantes@utfpr.edu.br; 5 Professor do Curso de Engenharia Ambiental da Universidade Tecnológica Federal do Paraná; E-mail: engenheirothiagocastro@gmail.com;
RESUMO
O objetivo deste estudo foi analisar o comportamento hidrodinâmico de um reator UASB por meio da técnica de estímulo-resposta com traçador eosina Y, identificando suas anoma-lias e características hidráulicas. Operou-se o reator com tempo de detenção hidráulica de 20 h. Com relação ao ensaio hidrodinâmico, verificou-se vários picos na curva do traçador, que podem ser explicados por caminhos preferenciais e pela presença de zonas mortas no reator, já que houve a presença em 37,52% de zonas mortas do volume do reator. O modelo matemático teórico que melhor se ajustou ao ensaio foi o de tanques de mistura completa em série (N-CSTR), resultando em 4 reatores. O número de Reynolds indicou escoamento laminar (<2000), não ocorreram curtos-circuitos hidráulicos (Ψ≤0,3) e a eficiência hidráuli-ca foi baixa (λ≤0,5), o que também pode ser explihidráuli-cado pela presença de zonas mortas.
Palavras-chave: Anomalias Hidráulicas. Ensaio de estímulo-resposta. Suinocultura.
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Uasb reactor hydrodynamic study with
eosin Y
ABSTRACT
The objective of this study was to analyze the hydrodynamic behavior of a UASB reactor by means of the stimulus-response technique with tracer eosin Y, identifying its anomalies and hydraulic characteristics. The reactor was operated with hydraulic retention time of 20 h. With respect to the hydrodynamic assay, several peaks in the tracer curve were observed, which can be explained by preferential paths and the presence of dead zones in the reactor, since there was a presence in 37,52% of dead zones of the reactor volume. The theoretical mathematical model that best fit the test was the one of complete mixing tanks in series (N-CSTR), resulting in 4 reactors. The Reynolds number indicated laminar flow (<2000), there were no hydraulic short circuits (Ψ≤0,3) and hydraulic efficiency was low (λ≤0,5), which can also be explained by the presence of dead zones.
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1 INTRODUÇÃO
Os sistemas confinados de produção de sui-nocultura juntamente com o uso de água para a limpeza das instalações geram ex-cessivas quantidades de dejetos líquidos, fazendo com que essa atividade seja consi-derada poluidora (FERNANDES; OLIVEIRA, 2006). Uma opção para o tratamento desses efluentes são os reatores biológicos, que re-alizam o tratamento de efluentes por meio de bactérias anaeróbias.
O interesse no tratamento anaeróbio de de-jetos líquidos e sólidos advindos da agro-pecuária e também da agroindústria, tive-ram um aumento considerável nos últimos tempos, já que apresentam vantagens mais significativas do que os processos de trata-mento aeróbio de águas residuárias (MO-RAES; PAULA JÚNIOR, 2004).
A digestão anaeróbia pode ser conceituada como um processo que se realiza por forças da ação de microrganismos anaeróbios, ou seja, sem a presença de ar, em que a maté-ria orgânica é convertida em biogás, predo-minando o metano (CH4) e o dióxido de carbono (CO2) (IMHOFF; IMHOFF, 1986; SPERLING, 1996).
Neste contexto, destacam-se os reatores UASB
(Upflow Anaerobic Sludge Blanket) no
trata-mento de efluentes com as mesmas carac-terísticas das águas residuárias de suinocul-tura. Estes reatores consistem essencialmente
de uma coluna de digestão anaeróbia dividi-do em leito de lodividi-do, zona de sedimentação e separador de fases (GODINHO, 2015). Os estudos relacionados à hidrodinâmica de
re-atores são importantes para o entendimento de seus comportamentos, pois possibilitam a avaliação do regime de escoamento no inte-rior do reator, permitindo a identificação de anomalias hidráulicas.
O conhecimento do que ocorre no interior de um reator por meio dos ensaios hidrodi-nâmicos, permite a detecção de falhas opera-cionais e de projeto destes sistemas, como as deficiências na distribuição do afluente, que podem formar caminhos preferenciais e zo-nas mortas, por exemplo, interferindo assim na eficiência de tratamento do reator (WER-NER; EDUARDO, 1996; LEVENSPIEL, 2000). Um dos métodos utilizados para a análise do comportamento hidrodinâmico de um reator consiste na técnica de estímulo-res-posta, em que o sistema é perturbado pela entrada de um traçador inerte, como a eo-sina Y, em fluxo co-corrente ao escoamento principal. A informação resultante do tra-çador é utilizada diretamente ou em con-junto com modelos de escoamento para prever o desempenho dos reatores.
Com base no que foi disposto, esse estudo teve como objetivo analisar o comporta-mento hidrodinâmico de um reator UASB por meio da técnica de estímulo-resposta com traçador eosina Y, identificando assim suas anomalias e características hidráulicas.
2 METODOLOGIA
O trabalho foi realizado na Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), Campus Campo Mourão, no anexo do La-boratório de Saneamento.
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O reator anaeróbio UASB é constituído de uma coluna cilíndrica de plexiglass, com vo-lume útil de 21 L e vovo-lume total de 22 L, diâ-metro interno de 0,15 m e altura de 1,22 m. O separador trifásico (gás-sólido-líquido) está acoplado à coluna cilíndrica à uma distância de 0,95 m da base do reator, possui altura to-tal de 0,25 m e diâmetro de 0,14 m (Figura 1). O lodo e o efluente utilizados para o trata-mento no reator foram coletados numa pro-priedade rural no município de Mamborê-PR, utilizando-se de tambores de plástico. Num reservatório de 60 L armazenou-se o efluente, sendo que o recipiente atuou como tanque de equalização. Posteriormente, o efluente foi conduzido para o reator por meio de uma bomba dosadora, marca Provitec® modelo AWG 5000 ABS para o tratamento.
Figura 1: Vista frontal do reator UASB
utili-zado na execução do estudo.
Fonte: Cruz (2013).
A avaliação do comportamento hidrodinâ-mico do reator foi realizada com TDH de 20 h, 1 ensaio de estímulo-resposta do tipo pulso com a utilização do traçador eosina Y, que foi preparado por meio da mistura de 0,20 g do traçador em 10 mL de água. Houve a coleta de 80 amostras, sendo que antes do traçador ser injetado no sistema, co-letou-se uma amostra do efluente do reator (branco), servindo de referência para as aná-lises de absorbância das outras amostras em espectrofotômetro. O traçador foi injetado na entrada do reator com o auxílio de uma serin-ga de 15 mL, em aproximadamente 10 segun-dos. O intervalo das coletas foi de 45 minutos e o ensaio teve duração total de 60h (3 vezes o TDH teórico). No período diurno as coletas foram realizadas manualmente, utilizando-se potes pequenos (100 mL) de plástico para o armazenamento, já no período noturno as coletas foram realizadas por um coletor auto-mático da marca Isco, modelo 6712.
As amostras foram centrifugadas no labora-tório em centrífuga Sislab, modelo Twister 12, por cerca de 5 minutos a 3500 rpm. Esse procedimento foi realizado para evitar a in-terferência de sólidos na leitura das absor-bâncias pelo método colorimétrico.
Posteriormente, foram realizadas leituras nas amostras centrifugadas para indicar a concentração do traçador, por meio do mé-todo colorimétrico de leitura de absorbân-cia, em espectrofotômetro HACH UV-VIS, modelo DR5000. O comprimento de onda utilizado foi de 516 nm. Todos os valores de absorbâncias obtidos foram transferidos para uma planilha do programa Microsoft
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Excel®, permitindo a obtenção de gráficos da variação da concentração do traçador pelo tempo e os valores das características e anomalias hidráulicas.
Realizou-se a normalização das curvas experimentais da variação de concentração do tra-çador ao longo do tempo, resultando em curvas de distribuição do tempo de residência hidráulica (Eθ) em função do tempo adimensional (θ). Todos os resultados foram ajusta-dos com base nos modelos teóricos uniparamétricos de dispersão de pequena intensidade (PD) e de grande intensidade (GD) e de tanques de mistura completa em série (N-CSTR) (Tabela 1) (LEVENSPIEL, 2000).
Tabela 1: Modelos teóricos uniparamétricos.
Modelo Parâmetro Equação
Dispersão de pequena
intensidade (PD) σ2θ = 2 (D/μL) Eθ = [1/(2 √(π(D/μL)))]exp[(1-θ)2/4(D⁄μL)]
Dispersão de grande
intensidade (GD) σ
2
θ,ta = 2 (D/μL) + 8 (D/μL)2 Eθ,ta = [1/(2 √(π(D/μL)))]exp[(1-θ)2/4(D⁄μL)]
Tanques de mistura
completa em série (N-CSTR) N = 1/ σ2θ = θ-2h/ σ2 Eθ = (N(N.θ)N-1/(N-1)!)e-Nθ eN-1
Fonte: Adaptado de Levenspiel, 2000.
Em que: σ2θ - variância (adimensional);
D/µ.L - número de dispersão do reator;
Eθ - Função de distribuição do tempo de residência hidráulica; θ - tempo de residência médio (adimensional);
σ2 - variância;
N - número de reatores em série;
As características hidráulicas analisadas no reator UASB foram a eficiência hidráulica e o número de Reynolds, e com relação as anomalias hidráulicas, foram verificadas o volume de zonas mortas e a presença de curtos-circuitos hidráulicos. Para o cálculo da eficiência hidráulica e do número de Reynolds foram utilizadas as metodologias descritas por Pers-son; Somes e Wong (1999) e Roma (2006), respectivamente, e para o cálculo do volume de zonas mortas e presença de curtos-circuitos hidráulicos, utilizou-se as metodologias propostas por Peña, Mara e Avella (2006) e uma adaptação de Thackston, Shields Jr e Schroeder (1987), sendo que as equações estão dispostas na Tabela 2.
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Tabela 2: Equações para determinação da presença de zonas mortas, curtos-circuitos
hi-dráulicos, eficiência hidráulica e número de Reynolds.
Anomalias Equações Significado
Zonas Mortas
β = TDHr/TDHt Va = Vt.β Vd = Vt – Va
β = relação entre o TDH real (h) e o TDH teórico (h); Va = volume ativo do reator (m3);
Vt = volume total do reator (m3);
Vd = volume de zonas mortas (m3).
Curtos-Circuitos Ψ = τk/τr
Ψ = Presença de curtos-circuitos;
τk= tempo em que ocorre pico da concentração (h); τr= TDH real (h).
Eficiência
Hidráulica λ = β(1-(1/N))
λ = eficiência hidráulica;
β = relação entre o TDH real (h) e o TDH teórico (h); N = número de tanques CSTR em série.
Número de
Reynolds Re = (ρ.v.D)/μ
ρ = Massa específica do fluido (kg.m-3);
v = Velocidade média do fluido (m.s-1);
D = Diâmetro para o fluxo no tubo (m); μ = Viscosidade dinâmica do fluido (N.s.m-2).
Fonte: Peña, Mara e Avella (2006); Thackston, Shields Jr e Schroeder. (1987); Persson, Somes e Wong (1999); Roma (2006).
O reator não se encontrava em estado de equilíbrio dinâmico aparente (EEDA) quando da realização dos ensaios, pois visava-se comparar a hidrodinâmica com futuros ensaios operando o reator em EEDA.
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1 Comportamento hidrodinâmico do reator UASB
Com base nos resultados obtidos no ensaio de estímulo-resposta do tipo pulso, traçou--se a curva de variação da concentração de Eosina Y ao longo do tempo, para o TDH de 20 h, conforme Figura 2.
Figura 2: Variação da concentração de
Eosi-na Y em função do tempo no TDH de 20 h.
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A partir da Figura 2, foi possível verificar a presença de vários picos ao longo da cur-va, sendo o maior deles no tempo de 18,75 h, em que a concentração de eosina Y é de aproximadamente 0,42 mg/L. Essa grande presença de picos na curva de concentração pode ter ocorrido pela existência de cami-nhos preferenciais no interior do reator, o que é validado pelo fato do maior pico ter ocorrido antes do TDH real (31,75 h). Além disso, problemas encontrados na manuten-ção da vazão também podem ter exercido influência nestes picos.
Após a realização do ajuste dos dados expe-rimentais aos modelos teóricos uniparamé-tricos, foi possível obter o número de dis-persão para os modelos de grande disdis-persão (GP) e pequena dispersão (PD) e o número de reatores em série (N-CSTR) (Tabela 3).
Tabela 3: Parâmetros obtidos
experimentalmente. TDHt (h) Ensaio TDHr (h) N-CSTR (N) Pequena Dispersão (D/μL) Grande Dispersão (D/μL) 20 1 31,74 4 0,114 0,331 Fonte: Autor.
Ao se analisar a Tabela 3, verificou-se um atraso de aproximadamente 58% no TDH real (TDHr) em relação ao TDH teórico (TDHt) de 20 h. A presença de zonas mor-tas pode justificar esse atraso, pois indica regiões com baixa troca de massa e peque-na quantidade de movimento, causando retardo na liberação do traçador.
Nota-se pelo ensaio hidrodinâmico que o modelo teórico de N-CSTR em série
resul-tou em 4 reatores, apresentando números de dispersão de pequena e grande inten-sidade iguais a 0,114 e 0,331; respectiva-mente. Esses valores indicam uma grande dispersão ao longo do reator, pois D/µL se encontra acima do limite (D/µL<0,01) (LE-VENSPIEL, 2000).
Na Figura 3 estão representadas as curvas de distribuição do tempo de residência (DTR), obtidas por meio do ajuste dos dados expe-rimentais aos modelos de tanques de mis-tura completa em série (N-CSTR), pequena dispersão (PD) e grande dispersão (GD).
Figura 3: Curva de distribuição do tempo
de residência (DTR) obtida no ensaio.
Fonte: Autor.
Na Tabela 4 são apresentados os resultados do coeficiente de correlação (r2).
Tabela 4: Coeficientes de correlação
obti-dos por meio do ajuste obti-dos daobti-dos experi-mentais aos modelos teóricos.
Coeficiente de Correlação (r2) TDHt (h) N-CSTR (N) Pequena dispersão (D/μL) Grande dispersão (D/μL) 20 0,755 0,663 0,721
A partir da Tabela 4, é possível observar que os melhores valores obtidos em relação ao coeficiente de correlação foram para os mo-delos de tanques de mistura completa em
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série (N-CSTR) e grande dispersão (GD), ficando acima de 70%, sendo que o modelo teóri-co que melhor se ajustou ao ensaio foi de N-CSTR, teóri-com teóri-correlação de 0,755, o que indica tendência do reator ao regime de mistura completa.
3.2 Características e anomalias hidráulicas.
Os resultados obtidos para as características e anomalias hidráulicas estão dispostos na Tabela 5.
Tabela 5: Valores obtidos para zonas mortas, curtos-circuitos hidráulicos, eficiência
hi-dráulica e número de Reynolds.
Parâmetros Valores obtidos
β
= relação entre o TDH real (h) e o TDH teórico (h)
0,62
Va
= volume ativo do reator (m
3)
13,12
Vt =
volume total do reator (m
3)
21
Vd =
volume de zonas mortas (m
3)
7,88
Vd =
volume de zonas mortas (%)
37,52
Ψ =
presença de curtos-circuitos
0,95
τk =
tempo em que ocorre pico da concentração (h)
18,75
τr =
TDH real (h)
19,84
Re =
número de Reynolds
2,5
λ =
eficiência
hidráulica
0,47
O comportamento analisado para o núme-ro de Reynolds, que foi de 2,5 (Tabela 5), indica escoamento laminar no interior do reator, considerando que esse valor foi in-ferior a 2000 (STREETER; WYLIE, 1982). Se-gundo Young e Young (1988), que analisa-ram o comportamento hidráulico de filtro anaeróbio tubular de fluxo ascendente para números de Reynolds menores do que 25, o volume total de zonas mortas aumenta à medida que o número de Reynolds au-menta. Estes autores obtiveram volumes de zonas mortas que variaram de 50% a 75%. A porcentagem de zonas mortas encontra-da para o presente estudo foi de 37,52%, o que pode ter influenciado no lento decai-mento da concentração do traçador ao
lon-go do tempo verificado na Figura 2. Cruz (2013) obteve valores médios de 41% para o volume de zonas mortas em reator UASB operando com representação de lodo, uti-lizando também o traçador eosina Y. Esse valor obtido por Cruz (2013) é muito pró-ximo ao encontrado neste estudo.
Singh e Viraraghavan (2003) observaram o efeito da temperatura em relação ao com-portamento hidrodinâmico de reatores UASB tratando esgotos domésticos e per-ceberam que a temperatura exerce papel fundamental na redução de zonas mortas. De acordo com o estudo realizado por tais autores, para as menores temperaturas de operação, os valores de zonas mortas foram maiores, sendo de 21% do volume do
rea-155
tor numa temperatura de 6oC, já para 32oC,
o volume de espaços mortos foi de 10%. Observando a Tabela 5 pode-se salientar que não houve a presença de curtos-circui-tos hidráulicos no reator, pois essa anoma-lia ocorre quando Ψ é menor ou igual a 0,3 (SARATHAI; KOOTTATEP; MOREL, 2010), o que é satisfatório para o sistema, uma vez que a ocorrência de curtos-circuitos pode causar atraso ou adiantamento do traça-dor no efluente do reator, devido a movi-mentos desordenados do líquido na forma de redemoinhos (RODRIGUES, 2015). A eficiência hidráulica é classificada em boa para λ>0,75; satisfatória para 0,5<λ≤0,75; e baixa para λ≤0,5 (PERSSON; SOMES; WONG, 1999). Com base nessa classificação, pode-se verificar na Tabela 5, que a eficiência do re-ator estudado foi baixa, o que pode ser ex-plicado devido a presença de zonas mortas, pois essas regiões estagnadas podem interfe-rir na distribuição uniforme do traçador ao longo do reator (RODRIGUES, 2015).
4 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Tendo em vista o que foi exposto, pode-se concluir que não foi possível o total enten-dimento do comportamento hidrodinâmi-co do reator, pois a presença de vários pihidrodinâmi-cos ao longo da curva de concentração do tra-çador, é um indicativo de caminhos prefe-renciais no interior do reator, o que interfere negativamente na compreensão do compor-tamento do fluido, fazendo-se necessário a realização de mais ensaios a título de com-paração. Outro fator que pode ter influen-ciado nos valores insatisfatórios obtidos,
é o fato de que o reator não se encontrava em estado de equilíbrio dinâmico aparente (EEDA) quando da realização do ensaio. Foi possível concluir também que a presen-ça de zonas mortas pode ter exercido in-fluência sobre a baixa eficiência hidráulica encontrada, pois estas zonas interferem na distribuição uniforme do traçador ao longo do reator, e podem ter causado o atraso do TDH real em relação ao TDH teórico, já que indicam regiões com baixa troca de massa e pequena quantidade de movimento, cau-sando retardo na liberação do traçador.
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