AVALIAÇÃO DA TRANSFERÊNCIA DE OXIGÊNIO EM UM BIORREATOR AERADO SUBMERSO COM ENCHIMENTO

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AERADO SUBMERSO COM ENCHIMENTO

Beatriz Villela Benitez Codas (*)

Graduação em Engenharia Civil pela Universidade Mackenzie, 1995. Mestre em Hidráulica e Saneamento pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, 2002.

Willibaldo Schmidell

Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Pedro Alem

Escola Politécnica da Universidade de São Paulo

(*) - Rua Dr. Renato Paes de Barros 295 – Apto 81 – Bairro Itaim Bibi – São Paulo – SP – CEP: 04530-000 – Brasil – Tel: 55(11) 3167-4354 – e-mail: biacodas@hotmail.com

RESUMO

O presente trabalho buscou avaliar as condições de transferência de oxigênio em água limpa,num biorreator aerado com enchimento submerso. Os testes foram realizados com diferentes tipos de difusores de ar no reator com e sem enchimento: a) difusor de bolhas finas (BF) sem enchimento b) difusor BF com enchimento, c) difusor de bolhas grossas (BG) sem enchimento e d) difusor BG com enchimento. As condições operacionais utilizadas foram: 4 alturas de líquido (2,6 ; 3,2 ; 3,8 e 4,4 m) e 3 vazões de ar (2; 3 e 4 m3_/h)

_.

_{Três paramentos de transferência de oxigênio foram analisados:}

coeficiente de transferência de oxigênio (kLa); capacidade padrão de transferência de oxigênio (SOTR) e eficiência

padrão de transferência de oxigênio (SOTE). Os resultados encontrados demonstram que a situação de BG com enchimento apresentou os melhores resultados de transferência entre as varias configurações testadas. Os resultados obtidos foram na faixa de 8 a 16 % de SOTE com o aumento da altura de líquido e na faixa de 8 a 19 h-1_{de k}

La com o

aumento da vazão de ar. Na ausência de enchimento no reator aerado, a condição de BF apresentou resultados muito superiores ao do BG, em termos de transferência de oxigênio, mas com a presença do enchimento o desempenho do BG teve uma melhora, ao passo que o BF não apresentou significativa melhora no kLa, SOTR e SOTE, em comparação com

a situação sem enchimento.

Palavra-chave: Transferência de oxigênio, Reator Aerado Submerso, Enchimento Plástico, Biorreator. INTRODUÇÃO

Novos estudos vêm sendo desenvolvidos, tendo em vista as necessidades de maior eficiência de transferência de oxigênio, para conseguir maiores remoções de matéria orgânica num menor tempo, utilizando menores áreas e facilitando a operação dos processos.

Esse trabalho tem como objetivo investigar as dependências de diferentes fatores na transferência de oxigênio tais como: altura de líquido, vazão de ar e tamanho de bolha, para a escolha da melhor alternativa de aeração. O estudo foi realizado num reator do tipo aerado submerso, dando ênfase à comparação da transferência de oxigênio, no reator com e sem enchimento. Essa investigação foi efetuada através de testes de transferência de oxigênio em água limpa.

METODOLOGIA

O reator utilizado nos ensaios foi construído em plástico do tipo polipropileno (PP), com uma seção interna de 60 cm x 60 cm, altura de 4,80 m e volume total de 1,728 m3_{, ilustrado na Figura 1.}

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2 m 2 m 0,8 m 0,6 m 0,6 m 0,6 m Planta

Foi utilizado 1,4 m3_{de um enchimento plástico, fabricado em polietileno de alta densidade (PEAD), do tipo não}

estruturado, com área superficial de 140 m2/m3, espaço de vazios de 95% e peso de 50 kg/m3. Este material, apresentado na Figura 2, é constituído de pedaços de tubos corrugados, que propicia a fixação das bactérias e a formação de um biofilme uniforme, além de fornecer uma grande área superficial em um volume relativamente pequeno.

Figura 2: Enchimento plástico

O difusor de bolhas finas utilizadas foi do tipo disco de membrana perfurada de EDPM. Esses difusores costumam trabalhar com uma vazão de ar entre 1,5 e 3,5 m3_{/h. por difusor. O difusor de bolha grossa utilizada foi construído,}

empregando-se tubos de PVC de 12,5 mm de diâmetro interno, com furos de 2,1 mm e 3,1 mm de diâmetro, voltados para baixo (Codas, 2001).

Foi utilizado sulfito de sódio (Na2SO3), industrial, para retirar o oxigênio da água, através de uma reação de oxidação e

cloreto de cobalto hexahidratado PA (CoCl2 - 6 H2O) como catalisador. 2 4 2 2 3 2

2

1

− −

₊

_

_{ →}

_

+

SO

O

SO

Co _Equação₍₁₎

(3)

As amostras foram coletadas em diferentes alturas do reator (1,4m; 2,6m e 3,8m). Em cada altura instalou-se um medidor de OD “on-line” que transmitiam sinais elétricos aos respectivos registradores. Os valores das concentrações de OD foram registrados, durante os ensaios, em intervalos de 15 segundos, tendo um mínimo de 150 registros. A partir desses valores obteve-se a curva de aeração (concentração de OD x tempo) conforme Figura 3.

Figura 3: Curva de aeração

O método de cálculo utilizado neste estudo foi o proposto pela ASCE (1991), que sugere uma regressão não linear na curva experimental para o ajuste da seguinte equação (2):

t kLa

e

Co

C

₌

_*

₋

₍

_*

₋

₎

− * Equação (2)

Neste modelo os valores conhecidos são o par: temperatura (t) e concentração (C), que foram medidos nos ensaios e os demais parâmetros: concentração de saturação (C*), concentração inicial (Co) e coeficiente de transferência de oxigênio (kLa) são calculados. Valores iniciais para estes são adotados e em seguida são feitas as interações necessárias às

condições de teste e, por isso, faz-se necessário corrigir para as condições padrão de temperatura e pressão. Após sua correção a denominação passa a kLa 20oC.

Correções para as condições padrão de temperatura (20o_{C) e Pressão (1atm)}

A Concentração de Saturação de Oxigênio deve ser corrigida por ser muito influenciada pela pressão barométrica e temperatura, segundo a equação (3), (Standard Methods, 1980):

      Ω = τ 1 * * 20 C C o_C Equação (3) Onde:

C* 20oC : concentração de saturação corrigida para 20oC e 1 atm (mg/L)

C* : concentração de saturação calculada no teste segundo a regressão não linear (mg/L) τ : coeficiente da correção de temperatura

Ω : coeficiente da correção da pressão atmosférica

A correção da temperatura para a condição padrão de 20o_{C, se dá segundo a equação (4):}

* 20 * 0_C t t C C = τ Equação (4) Onde:

C*t : concentração de saturação tabelada com a temperatura do teste a 1 atm 100% de umidade (mg/L)

(4)

A correção da pressão atmosférica local para condição padrão (1 atm), se dá através do coeficiente Ω, segundo a equação (5): Ps Pb = Ω Equação (5) Onde:

Pb : Pressão barométrica nas condições do teste (kN/m2)

Ps : Pressão barométrica padrão a 1 atm (kN/m2)

Determinação dos Parâmetros de Transferência de Oxigênio

A Capacidade Padrão de Transferência de Oxigênio (SOTR) representa o potencial de oxigênio que poderá ser transferido para um determinado líquido. Pode ser calculado segundo a equação (6):

SOTR =

k

_L

a

₂₀0_C

V

C

₂₀*0_C Equação (6)

Onde:

SOTR : capacidade padrão de transferência de oxigênio (kg O2/s)

kLa 20oC : coeficiente de transferência de oxigênio a 20oC (s-1)

C* 20o_C_{: concentração de saturação da água a 20}o_{C (kg/m}3₎

V : volume do reator (m3₎

Esse cálculo se refere a um determinado ponto de monitoramento do reator. Para obtermos o valor médio para todo o reator, calculamos as médias do produto kLa pela C* de cada ponto, segundo a equação (7):

n

C

a

k

V

SOTR

n i L Ci Ci o

∑

=

1 * 20 200 Equação (7) Onde:

n : numero de pontos monitorados do reator

Num mesmo ponto de monitoramento, foram realizados 3 ensaios para as mesmas condições, a fim de se ter uma maior confiabilidade no resultado. Alguns cuidados foram tomados para se detectar interferências em algumas medidas. Os valores de kLa calculados não devem variar mais de ±15% do valor médio dos pontos. Se isso ocorrer, tal série de testes

foi descartada.

A eficiência padrão de transferência de oxigênio (SOTE) refere-se à fração de oxigênio no ar injetado no reator que realmente é transferido para o líquido e pode ser calculada pela equação (8):

2

o

W

SOTR

SOTE

=

Equação (8) Onde:

Wo2 : vazão de oxigênio injetada nas condições padrão (kg O2 / s)

SOTR : capacidade padrão de transferência de oxigênio (kg O2 /s)

SOTE : eficiência padrão de transferência de oxigênio (%)

APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS

Os resultados dos ensaios foram divididos em 4 grupos: Bolha Fina sem enchimento (BFSE)

Bolha Fina com enchimento (BFCE) Bolha Grossa sem enchimento (BGSE) Bolha Grossa com enchimento (BGCE)

(5)

Conforme já mencionado, em cada um desses grupos, foram estudadas 4 diferentes alturas de líquido no reator e 3 vazões de ar distintas. Em cada combinação de condições de teste foram calculados 3 parâmetros: o coeficiente de transferência de oxigênio (kLa), a capacidade padrão de transferência de oxigênio (SOTR) e a eficiência padrão de

transferência de oxigênio (SOTE).

Resultados obtidos para os quatro grupos de ensaios na altura de liquido de 3,8 m e diferentes vazões de ar são apresentado no Tabela 1 (Codas, 2001) a seguir:

Tabela 1 : Valores obtidos nos ensaios para altura de líquido H= 3,8m

Bolha Fina Bolha Grossa

Parâmetros Vazão de ar (m3 _/.m3_de

reator.h) S/ enchimento C/ enchimento S/ enchimento C/ enchimento

1,5 4 7 4 9 2,2 11 9 6 13 kLa (h-1) 2,9 14 14 8 22 1,5 0,05 0,09 0,04 0,11 2,2 0,13 0,10 0,07 0,16 SOTR (kgO2/s) _{2,9 0,18 0,17 0,10 0,27} 1,5 8 12 7 15 2,2 12 10 7 15 SOTE (%) 2,9 13 12 7 17

Os resultados obtidos neste estudo para condição de BFSE e BGSE estão de acordo com o esperado, quando comparados a outros pesquisadores e fornecedores de equipamentos, como pode ser verificado na Tabela 2. Pode-se verificar que os aeradores de bolhas finas apresentam eficiência muito superior aos de bolhas grossas por isso são muito mais utilizados em sistemas convencionais de lodos ativados.

As condições com enchimento utilizando os dois tipos de difusores foram comparados ao estudo realizado por HODKINSON e WILLIAMS (1998), os quais também estudaram a interferência do enchimento na aeração para algumas condições similares. Os resultados encontrados pelos dois pesquisadores estão muito próximos aos obtidos neste trabalho, conforme pode ser verificado na Tabela 2. Eles observaram um aumento significativo dos parâmetros de transferência de oxigênio kLa, SOTR e SOTE, com o aumento da altura, e nos difusores de bolhas grossas esse

fenômeno se repetiu com a adição do enchimento, como também ocorreu no presente estudo também. Tabela 2: Valores obtidos para SOTE por outros pesquisadores

Bolha Fina Bolha Grossa

Pesquisador Altura de líquido

(m)

Vazão de ar (m3_/m3

reator.h) enchimento s/ enchimento c/ enchimento s/ enchimento c/

EPA (1989) 4,6 0,8 a 33 16 a 38 - - - 2,6 3,8 13 - - - 3,2 3,13 16 - 8,54 - 3,8 2,6 19 - - - WILFLEY WEBER (1994) 4,4 2,3 23 - 13 - 0,7 11 6 3.6 10 HODKINSON (1998) 2,7 1,75 7 4.4 3.2 8 0,78 - - 10 - 1,48 29 - 10 - NORTON 4,6 2,13 26 - 11 -

(6)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 1 2 3 4 5 Vazão (m3_/h) kL a ( h -1 )

B o lha Fina sem Enchimento B o lha Fina Co m Enchimento B o lha gro ssa sem enchimento B o lha gro ssa co m enchimento

0 2 4 6 8 10 12 14 16 1 2 3 4 5 Vazão (m3_/h) SO T E ( % )

B o lha Fina sem Enchimento B o lha Fina Co m Enchimento B o lha gro ssa sem enchimento B o lha gro ssa co m enchimento

A seguir são apresentadas as Figuras 3 e 4 com as curvas dos quatro grupos estudados com a variação da vazão de ar para altura de enchimento igual a 3,8 m, nos parâmetro kLa e SOTE. Pode-se verificar na Figura 3 que o aumento da

vazão proporcionou um aumento do kLa para as 4 diferentes condições. Na Figura 4 os difusores de Bolhas Grossas

apresentam uma constância de valores de SOTE para qualquer vazão de ar estudada, já os difusores de Bolhas Finas, apresentaram uma estabilização apenas após a vazão de ar 3 m3_{/h para as diferentes alturas.}

Figura 3: Curva do kLa com o aumento de vazão para as diferentes condições de aeração para altura de líquido h=3,8m

Figura 4: Curva do SOTE ( % ) com o aumento de vazão para as diferentes condições de aeração para altura de líquido h=3,8m

(7)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 2,0 2,6 3,2 3,8 4,4 5,0

Altura do líquido no reator (m)

kL

a (

h

-1 )

Bolha Fina sem Enchimento Bolha Fina Com Enchimento Bolha grossa sem enchimento Bolha grossa com enchimento

As Figuras 5 e 6 apresentam as curvas dos quatro grupos estudados com a variação da altura do líquido para vazão de ar de 3 m3_{/h, nos parâmetro k}

La e SOTE.

Figura 5: Curva do kLa com o aumento da altura para as diferentes condições de aeração para vazão de ar 3 m3/h

Figura 6: Curva do SOTE com o aumento da altura para as diferentes condições de aeração para vazão de ar 3 m3/h

Analisando os dados obtidos das 4 condições, em função do aumento de altura de líquido do reator, Figura 5 e 6, pode-se constatar que os maiores valores de kLa, SOTR e SOTE, são os referentes ao difusor de BGCE, que demonstra uma

tendência ascendente mais acentuada do SOTE e mais suave do kLa na medida que aumenta a altura do líquido.

Nas Figuras de 3a 6 apresentadas, observa-se que a curva do difusor de BGSE em todas as condições, apresentou os menores valores de kLa e SOTE. Os difusores de Bolhas Finas apresentaram curvas muito próximas nas condições com e

sem enchimento. Nas menores alturas o BFSE apresentou valores ligeiramente mais altos que BFCE, mas chegou a valores inferiores na maior altura.

Através das diferentes maneiras de abordagem do fenômeno de transferência, pode-se verificar que o enchimento proporciona uma série de condições que auxiliam neste processo. Uma dessas condições é, sem dúvida, a criação de uma maior turbulência, pois são acrescentados vários obstáculos no caminho das bolhas e, assim, diminui a resistência à transferência de oxigênio, proporcionando um aumento na velocidade de transferência. Outro efeito benéfico é a redução do tamanho das bolhas, que ao encontrarem tantos obstáculos se chocam e se dividem em bolhas menores com maior área superficial por unidade de volume, aumentando a interface para a troca gasosa. Pode-se ainda dizer que o enchimento aumenta o tempo de detenção da bolha no interior do reator, aumentando principalmente a eficiência de transferência de oxigênio (SOTE).

0 2 4 6 8 10 12 14 16 2 2,6 3,2 3,8 4,4 5

Altura do líquido no reator (m)

SO

TE

(

%

)

Bolha Fina sem Enchimento Bolha Fina Com Enchimento Bolha grossa sem enchimento Bolha grossa com enchimento

(8)

CONCLUSÕES

O coeficiente de transferência de oxigênio kLa, aumenta principalmente em função do aumento da vazão de ar injetada

no reator e apresenta um comportamento estável com o aumento da altura de líquido no reator.

A eficiência de transferência de oxigênio (SOTE) é principalmente influenciada pelo aumento da altura de líquido no reator e apresenta um comportamento constante quando há o aumento da vazão de ar.

Os ensaios com aeradores de bolhas finas com e sem enchimento apresentaram valores próximos um dos outros, em termos de kLa e SOTE, indicando que o enchimento pouco interferiu na transferência de oxigênio para este difusor.

Os ensaios com aeradores de bolhas grossas sem enchimento apresentaram os piores valores de SOTE, como já era esperado segundo outros pesquisadores, variando de 4 a 8% com o aumento da altura de líquido. Os valores do kLa

foram os mais baixos, ficando na faixa de 3 a 8 h -1_{com o aumento da vazão de ar.}

Os melhores resultados de transferência foram obtidos com os aeradores de bolhas grossas na condição de reator com enchimento, chegando a SOTE de 8 a 16% com o aumento da altura de líquido e kLa entre 8 a 19 h -1 com o aumento da

vazão de ar.

Os resultados mostram claramente que a adição do enchimento melhorou significativamente a transferência de oxigênio quando o aerador de bolhas grossas era utilizado. O enchimento interfere no caminho da bolhas, melhorando as condições de transferência pela introdução de obstáculos, causando maior agitação do sistema, assim como pelo rompimento de bolhas, resultando em uma maior área superficial por unidade de volume e adicionalmente pelo aumento do tempo de detenção destas dentro do reator.

Pode-se concluir que para um reator aerado sem enchimento, o difusor de bolhas finas é muito superior em termos de transferência de oxigênio do que um difusor de bolhas grossas. Porém, quando o enchimento é colocado no reator, o difusor de bolhas grossas melhora significativamente a transferência de oxigênio, enquanto que o difusor de bolhas finas mantém a mesma faixa de valores do kLa, SOTR e SOTE.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Standard Methods for the Examination for water and Wastewater (APHA) (1980), American Public Health Association 15a

edição,Washington, pp 4-98 a 4-105

American Society Civil Engineering, (1991) A Standard for the Measurement of Oxygen Transfer in Clean Water, New York, NY, 37 p

Codas, B. V. B.; (2001) Avaliação da Transferência de Oxigênio. São Paulo, 128 p. Dissertação (mestrado) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo.

Environment Protection Agency (1989), Design Manual - Fine Pore Aeration Systems, EPA, Cincinnati OH, 305p

Hodkinson, B.J., Williams, J.B, (1998.) Effects of Plastic Support Media on the Diffusion of Air in a Submerged Aerated Filter, J.CIWEM, pp 188-190.

NORTON Company, “Dome Diffuser Aeration System Catalogy”.

Water Polution Control Federation, (1977) Manual of Pratice no 8 - Aeration pp 1-560.

WILFLEY WEBER (1994), “Evaluation of the Oxygen Transfer Capabilities”, Diffused Aeration System Design Guide”. Denver, Colorado.