ID: 222
APLICAÇÃO DA SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL EM REATOR COMPARTIMENTADO PARA REMOÇÃO SIMULTÂNEA DE MATÉRIA
ORGÂNICA E NITROGÊNIO.
Janaina de Moraes Peres*1, Juliana Cardoso Morais2, Wamberto Raimundo da Silva Junior3, Mario Takayuki Kato4.
1 Engenheira Agrícola e Ambiental pela Universidade Federal do Vale do São Francisco (UNIVASF).
Mestre e Doutoranda em Engenharia Civil (Tecnologia Ambiental) pela Universidade Federal de Pernambuco (UFPE). Tecnóloga na Universidade Federal Rural de Pernambuco (UFRPE).
2 Engenheira Civil pela UFPE. Mestre e doutora em Engenharia Civil (Tecnologia Ambiental) pela
UFPE. Professora do Instituto Federal de Educação e Tecnologia de Pernambuco (IFPE).
3 Engenheiro Civil pela Universidade Federal da Paraíba (UFPB). Mestre e doutor em Engenharia Civil
(Tecnologia Ambiental) pela UFPE. Professor do IFPE.
4 Engenheiro Civil pela Universidade Federal do Paraná (UFPR). Mestre e doutor em Engenharia Civil
(Hidráulica e Saneamento) pela Universidade de São Paulo (USP). Professor Titular da UFPE.
RESUMO
Os investimentos em pesquisas sobre novas tecnologias de tratamento de esgotos, bem como o avanço na matéria computacional, têm levado a grandes descobertas que visam atingir maiores eficiências de tratamento com custos mais baixos. Através do modelo ASM3, proposto pelo International Water Association (IWA), implementado com o software ASIM, realizou-se a simulação computacional com dados reais do afluente bruto e do efluente de um reator compartimentado anaeróbio/anóxico – aeróbio, em escala piloto, instalado na ETE Mangueira, em Recife-PE. Observou-se que o modelo citado necessita de ajustes de calibração para que possa ser validado e aplicado ao sistema em estudo. Com a determinação de um modelo válido para este reator, poderá se obter as melhores condições de operação, o que levará a maiores eficiências e redução dos custos gerais com o processo em escala real.
1 INTRODUÇÃO
Modelos matemáticos são objetos ou conceitos utilizados na análise de sistemas físicos com a finalidade de auxiliar e propiciar melhor conhecimento. Descrevem as relações entre as variáveis físicas de interesse através de relações ou equações matemáticas, são concisos, simples e não permitem ambiguidades ou mais de uma interpretação (PENA, 1983).
Os modelos são extremamente importantes no projeto de novos sistemas, como também, provêm informações sobre um sistema existente ou um protótipo, antes mesmo de ser construído. Além disso, modelagem e simulação são técnicas que permitem analisar o comportamento de sistemas com fortes características não lineares e sob variadas condições experimentais (CELLIER, 1991).
No entanto, modelos que se propõem a ser universais são, inevitavelmente, impraticáveis e antieconômicos. A formulação e síntese de todos os fenômenos que ocorrem em um determinado sistema é uma tarefa impossível. Os modelos obtidos nunca representarão perfeitamente o sistema em estudo. Tendo isto em mente, a modelagem exige a adequação do modelo aos objetivos pretendidos, restringindo-se apenas àqueles fenômenos de real interesse (GUIMARÃES, 1997).
Os principais objetivos da modelagem de um determinado sistema podem ser sintetizados em (CELLIER, 1991):
Aumentar a compreensão sobre o determinado sistema;
Predizer o comportamento do sistema;
Avaliar o projeto de sistemas de controle;
Estimar as variáveis de processo que não são diretamente mensuráveis;
Testar a sensibilidade dos parâmetros do sistema;
Otimizar o comportamento do sistema;
Possibilitar a detecção de falhas;
Possibilitar a exploração de características que, no sistema real resultariam em operações onerosas, como por exemplo, treinamento de operadores;
Verificação de outros tipos de modelo.
Os processos de tratamento biológico de águas residuárias são utilizados há pelo menos cem anos. No entanto, há uma necessidade contínua de melhor entendimento sobre esses processos. Os modelos matemáticos oferecem grandes benefícios para esse avanço, fornecendo
conceitos e possibilitando respostas, previsões de desempenho ou comparações de alternativas de tratamento, propiciando o controle e a otimização de tecnologias (CHRISTOFOLETTI, 2004). A utilização da modelagem matemática no tratamento de esgotos tornou-se uma ferramenta com grande aplicação em meados dos anos 90 (GERNAEY et al., 2004).
Dentre os diversos modelos matemáticos desenvolvidos, os mais utilizados e com grande difusão no campo científico e prático são os ASM (Activated Sludge Model) e o ADM (Anaerobic Digestion Model), ambos desenvolvidos pela IWA (International Water Association). O ASM vem sendo utilizado desde o final dos anos 80. Desde então, várias atualizações foram feitas e o modelo foi evoluindo através da incorporação de novos processos e variáveis, chegando-se atualmente ao ASM3 (BATSTONE et al., 2002). Este tem sido muito utilizado na modelagem do tratamento de esgoto devido à sua facilidade de aplicação, calibração e por corrigir carências contidas no modelo ASM1.
Os referidos modelos são conhecidos como modelos caixa branca ou white-box, também denominados de modelos determinísticos. Resultam de um conjunto de equações diferenciais, que são baseados nos princípios da engenharia, significando que as equações do modelo foram desenvolvidas a partir das equações gerais de balanço de massa e outras substâncias conservativas (GERNAEY et al., 2004). A validação de um modelo acontece no momento em que se confirma que suas curvas seguem a mesma tendência do sistema real (ZANOTELLI, 2002).
É evidente que a modelagem e simulação de reatores novos e promissores, tais como o reator compartimentado anaeróbio/anóxico – aeróbio em estudo, trazem imensa contribuição científica para a área de tratamento de efluentes domésticos, uma vez que é capaz de revelar as melhores condições de operação, o que leva a atingir maiores eficiências e, consequentemente, a redução dos custos com o processo.
2 OBJETIVO
O objetivo da pesquisa, ainda em fase experimental, é simular e avaliar o comportamento de um reator compartimentado anaeróbio/anóxico – aeróbio com recirculação da fase líquida em escala piloto, no que diz respeito à remoção de matéria orgânica e compostos nitrogenados em efluente doméstico, através do modelo matemático ASM3 e do software ASIM. Isto dará subsídios para determinar as melhores condições de operação do reator e para explorar características que seriam muito onerosas em escala real.
3 MÉTODOS E MATERIAIS
O reator experimental operado está instalado na Estação de Tratamento de Esgotos da Mangueira - ETE Mangueira. Foi construído em tubo PVC tipo comercial, é vertical e compartimentado, com recirculação da fase líquida, composto por uma primeira zona anaeróbia/anóxica, com volume de 90 litros, para a remoção da matéria orgânica e desnitrificação, utilizando o próprio esgoto bruto como doador de elétrons, e uma segunda zona aeróbia com biofilme em suspensão (MBBR), com volume de 300 litros, para promover a nitrificação (Figura 1). As duas zonas foram separadas por placas de aço inox perfuradas e operaram em série, o que permite aproveitar as melhores características dos dois tipos de processo e aumentar a eficiência final, conforme relatado por Metcalf e Eddy (2003).
Figura 1 - Esquema de funcionamento do reator em estudo (MORAIS, 2015).
A partida do reator se deu sem a presença de inóculo e funcionou pelos primeiros 168 dias (fase 1) com tempo de detenção hidráulico (TDH) de 12 horas sem recirculação, com o intuito de estabilizar o sistema. A partir do dia 169 até o dia 323 (fase 2) foi aplicada razão de recirculação r = 1,5 e manteve-se o TDH de 12 horas.
Foram coletados e analisados o esgoto doméstico bruto afluente bem como o efluente do reator, pela pesquisadora Juliana Morais (MORAIS, 2015). Tal pesquisa foi parte integrante da Rede Nacional de Tratamento de Esgotos Descentralizado (RenTED).
Os parâmetros físico-químicos analisados, segundo metodologia do Standard Methods (APHA, 2005), foram: temperatura, pH, oxigênio dissolvido (OD), DQO total, DQO filtrada, alcalinidade total e bicarbonato, sólidos, NTK, nitrogênio amoniacal, nitrito e nitrato.
Para a simulação e modelagem, utilizou-se o modelo ASM3 (GUJER, et. al, 1999), pois foi o que mais se adequou às condições físico-químicas de operação. O modelo ASM3 utiliza 13 variáveis e para a simulação no software ASIM, é necessário que sejam inseridos os valores de todas elas.
Desta forma, os valores de cinco das variáveis essenciais foram obtidos através das análises diretas; os valores das outras oito variáveis a serem utilizadas no modelo, foram extraídas de cálculos e dados da literatura e equações do balanço de massa, conforme discriminadas na Tabela 1.
Tabela 1: Método de obtenção das variáveis utilizadas no modelo ASM3.
Para a determinação dos valores de cada fração da DQO, da biomassa e do produto de armazenamento celular utilizou-se como referência os trabalhos de Jordão e Pessoa (2005), onde determinaram-se as porcentagens de cada fração da DQO de um efluente doméstico, bem como as frações de biomassa e produto de armazenamento. A Tabela 2 especifica os valores de referência das frações supracitadas.
Sigla Descrição Obtenção
SO2 Concentração de oxigênio dissolvido no
reator
Análise direta.
SI Material orgânico solúvel inerte Valor da literatura
XI Material orgânico particulado inerte Valor da literatura
SS Substrato prontamente biodegradável Valor da literatura
XS Substrato lentamente biodegradável Valor da literatura
XB,H Biomassa heterotrófica Valor da literatura
XB,A Biomassa autotrófica – organismos
nitrificantes
Valor da literatura
XSTO Produto de armazenamento celular interno
de organismos heterotróficos.
Valor da literatura
SNO Nitrogênio na forma de nitrito e nitrato Análise direta.
SNH4 Nitrogênio na forma NH4+ e NH3 Análise direta.
SN2 Nitrogênio gasoso Balanço de massa.
XSST Sólidos Suspensos Totais Análise direta.
Tabela 2: Valores de referência das frações da DQO total para o modelo ASM3 (JORDÃO; PESSOA, 2005).
Fração SI SS XI XS XB,H XB,A XSTO Total
0 88% 0 10% 1% 0,4% 0,6% 100%
Para a obtenção dos valores para Nitrogênio gasoso (SN2), foi realizado o balanço de
massa dos compostos nitrogenados presentes no afluente.
Os dados coletados e adquiridos foram utilizados para a simulação do sistema no software ASIM, com a utilização do modelo matemático ASM3. A partir dos resultados, realizou-se o teste estatístico de aderência qui-quadrado para certificar se o modelo pode ser validado para o sistema em questão ou se necessita de ajustes de calibração.
4 RESULTADOS
A fase 1 significou a partida do reator, que aconteceu sem a presença de inóculo. Sendo assim, foi uma fase necessária para que o sistema alcançasse a estabilidade, logo, por ser um período de adaptação da biomassa, as reações ocorridas no interior do reator são diferentes de quando o mesmo está estável, não representando a realidade do sistema. A simulação da fase 1 corroborou com tal afirmação.
Já com a simulação computacional realizada com os dados obtidos na fase 2 de funcionamento do reator, foram gerados gráficos do comportamento esperado do efluente para cada parâmetro do modelo. Os resultados da simulação foram então comparados com os dados reais de análise do efluente.
4.1 DQO Total
A DQO Total é uma medida extremamente importante, uma vez que é o parâmetro utilizado para representar a matéria orgânica no sistema. Os dados simulados e reais para a variável DQO Total na Fase 2 de operação do reator estão apresentados na Figura 2.
Figura 2: DQO Total simulada e medida na Fase 2 do Reator.
Analisando-se o gráfico da DQO Total, pode-se observar que os valores medidos estão abaixo da curva simulada, porém, apresentam comportamento parecido.
Ao aplicar o teste de aderência - qui quadrado, rejeitou-se a hipótese de que a simulação proposta pelo modelo seja adequada à situação real, para este parâmetro, revelando a necessidade de calibração do modelo. Pelo comportamento apresentado na Figura 2, é notório que a matéria orgânica afluente é oxidada mais rapidamente do que o proposto pelo ASM3. Acredita-se que isso ocorre pela temperatura tropical em que o reator compartimentado em estudo funciona, que torna a atividade de microrganismos mais intensa e aumenta a velocidade de oxidação da matéria orgânica, o que, consequentemente, diminui a DQO.
O modelo foi proposto para atuar sem restrições de 8 - 23ºC (o reator em questão operou com temperatura média de 29,3 ºC) e mesmo com correções de coeficientes de temperatura realizadas pelo próprio simulador, não foi possível modelar as condições verdadeiras do local.
Presume-se que ao calibrar a taxa de crescimento de organismos heterotróficos (µH) o modelo se adeque à situação real para o parâmetro DQO Total. Caso isto não aconteça, através do entendimento dos processos envolvidos e de maneira lógica com um processo iterativo, devem ser realizadas alterações em outros parâmetros para que o modelo torne-se adequado para esta variável.
4.2 Sólidos Suspensos Totais (SST)
Os dados simulados e reais para a variável SST na Fase 2 do reator 1 estão apresentados na Figura 3.
Figura 3: Variável SST simulada e medida na Fase 2 do reator.
Analisando-se o gráfico para SST, pode-se observar que os valores medidos estão abaixo da curva simulada, o que indica que o reator obteve um desempenho melhor do que o esperado pelo modelo no decaimento da concentração de sólidos. Isto pode ter acontecido, devido a uma alta retenção de sólidos no interior do reator, fundamentada pela falta de inoculação inicial.
No entanto, a discrepância entre os pontos medidos e a curva simulada, corroborada pelo teste de aderência – qui quadrado, revela que o modelo não representou fielmente, para este parâmetro, o que acontece nesta fase.
4.3 Variáveis Nitrogenadas
Os dados simulados e reais para as variáveis Nitrogênio em forma de NH4+ e NH3
(SNH4) e Nitrogênio em forma de NO3- e NO2- (SNOX) na Fase 2 de operação do reator estão
Figura 4: Variável SNH4 simulada e medida na Fase 2. Figura 5: Variável SNOX simulada e medida na Fase 2.
Analisando-se o gráfico de SNH4 (Figura 4), pode-se observar que a maioria dos pontos
medidos estão abaixo da curva simulada, o que indica que o reator obteve um desempenho melhor do que o esperado pelo modelo no decaimento da concentração de amônio. No entanto, não se observa um padrão nos valores medidos, uma vez que também há vários pontos bem próximos e até acima da curva simulada.
A figura 5 mostra que era esperada considerável constância nas concentrações de Nitrogênio em forma de Nitrato e Nitrito (SNOX), porém, os resultados reais não mostram isso. Percebe-se grande variação entre as concentrações medidas, que além de não estarem próximas às concentrações esperadas pela simulação, não seguem uma tendência de comportamento.
Aplicando-se o teste de aderência - qui quadrado, rejeitou-se a hipótese de que a simulação proposta pelo modelo seja adequada à situação real para as variáveis nitrogenadas, o que expõe a necessidade de calibração do modelo.
Para isso, a calibração será iniciada pela velocidade de crescimento autotrófico (µA) que representa o parâmetro cinético mais sensível para as modificações necessárias das variáveis nitrogenadas no modelo.
5 DISCUSSÃO
Na literatura são escassos os trabalhos que tratem da modelagem de reatores compartimentados com fases anaeróbia-aeróbia-anóxica, tendo em vista que as pesquisas com reatores nesta configuração são recentes e, portanto, modelos ajustados para estas estruturas são ainda mais difíceis de serem encontrados.
Koch et al. (2000) calibraram o modelo ASM3 com experimentos em batelada e reatores de lodos ativados em escala real. Os autores observaram que apenas a velocidade de crescimento autotrófico (μA) necessitou de calibração, variando entre 0,9 e 2 d-1. No entanto, a
planta do reator compartimentado desta pesquisa apresenta ainda uma seção anaeróbia/anóxica, que pode fazer com que seja necessário alterar outros parâmetros para ajustar o modelo ASM3 e validá-lo para reatores com estas características. Diversos autores relatam que o modelo ASM3, dentre todos da série ASM, é o de mais fácil calibração, independentemente do tipo de reator que esteja sendo modelado, uma vez que no ASM3 os parâmetros alterados influenciam em menos componentes simultaneamente.
Jatomea et al. (2015) criaram um modelo para um reator de coluna anaeróbia-aeróbia-anóxica integrada em escala laboratorial para remoção de compostos de carbono e nitrogênio do efluente do campus universitário, com características de esgoto doméstico. A coluna anaeróbia consistia em um reator UASB, a parte aeróbia constituía-se de um reator de biofilme aerodinâmico (MABR) e, finalmente, a parte anóxica, em um reator de biofilme desnitrificante (DNB). Os coeficientes estequiométricos não puderam ser comparados com os do modelo utilizado nesta pesquisa uma vez que mesmo com a mesma sequência de processos, as características internas dos reatores não eram equivalentes.
Para a calibração do reator compartimentado desta pesquisa serão alterados um a um os parâmetros mais significativos, através do entendimento dos processos envolvidos e de maneira lógica para que o modelo torne-se adequado e possa ser usado para cada uma das variáveis envolvidas.
5 CONCLUSÕES
Esta pesquisa desenvolveu a simulação computacional das fases 1 e 2 de operação do reator compartimentado anaeróbio/anóxico-aeróbio para remoção de matéria orgânica e nitrogênio, instalados na ETE Mangueira.
Com os resultados obtidos na Fase 1 concluiu-se que não eram representativos do sistema, uma vez que o reator partiu sem inóculo e, por isso, a atividade dos microrganismos ainda estavam em adaptação.
Pela análise dos gráficos gerados com a simulação da Fase 2 do reator notou-se que o modelo ASM3 deverá ser calibrado para que seja validado à situação ambiental em que os reatores operaram. Acredita-se que o modelo não mostrou aderência com os dados reais
coletados devido à temperatura de operação do reator, superior à faixa ideal para o modelo ASM3.
Com as calibrações necessárias, que caracterizam a próxima fase da pesquisa, espera-se encontrar a modelagem que simule os valores mais próximos aos dados reais ao longo de todo o ciclo, tornando o modelo válido para o sistema em questão, o que permitirá a exploração de características que seriam muito onerosas em escala real.
REFERÊNCIAS
APHA - AMERICAN PUBLIC HEALTH ASSOCIATION. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 21 ed., Washington – DC, 2005.
BATSTONE, D. J.; KELLER, J.; ANGELIDAKI, I.; KALYUZHNYI, S.; PAVLOSTATHIS, S.G.; ROZZI, A.; SANDERS, W.; SIEGRIST, H.; VAVILIN, V. Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1). London: IWA Publishing, p.77, 2002.
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