(um espaço)
SIMULAÇÃO NUMÉRICA 3D DE UM FILTRO BIOLÓGICO
AERADO SUBMERSO PARA TRATAMENTO DE EFLUENTES
COM RECHEIO DE TAMPAS PET
R. A. ALMEIDA1, R. V. P. REZENDE2 e S. R. LAUTENSCHLAGER1 1
Universidade Estadual de Maringá, Pós-Grauação em Engenharia Urbana, Departamento de Engenharia Civil
2
Universidade Federal de Santa Catarina, Departamento de Engenharia Química E-mail para contato: regiani_al@hotmail.com
RESUMO – No tratamento biológico de esgoto doméstico, os poluentes na água são eliminados com o consumo de O2 por bactérias decompositoras. Para o bom rendimento
do processo, é importante entender como se dá a distribuição do ar no interior do filtro. Neste trabalho empregaram-se dados de um filtro biológico aerado, preenchido com tampas PET operando na Estação de Tratamento de Esgoto (ETE)-Sul em Maringá-PR. O filtro apresenta baixo custo de implantação e operação simplificada. Considerou-se o escoamento bifásico de água e ar, a solução do modelo proposto foi obtida com o software ANSYS CFX e os resultados indicaram que a aeração se dá na parte superior do filtro. Sendo a metade inferior uma zona anóxica. Estes dados permitem uma modificação de projeto de forma a otimizar a distribuição de ar no filtro e aumentar o seu rendimento.
1. INTRODUÇÃO
A água eliminada após o uso doméstico, denominada água de esgoto ou efluente, contém poluentes e microorganismos como bactérias, vírus e protozoários. O processo de tratamento dos esgotos compreende a remoção física, química ou biológica de tais poluentes de maneira a atender aos padrões de saúde e de qualidade ambiental determinados pela legislação. Estudos que permitam a avaliação de formas adequadas e econômicas para o tratamento de águas residuárias fazem-se necessários, visto que a maioria dos processos ocupam grandes áreas, alto consumo de energia e alto custo de implantação e operação (Li Lei and Ni, 2014).
O sistema de tratamento combinado é composto pelos seguintes processos: I) Sistema primário; seguido de II) Reator Anaeróbio de Leito Fluidizado (RALF); seguido de III) Pós-tratamento composto por um filtro biológico Aerado Submerso (FBAS); tem se mostrado eficiente devido à boa capacidade de remover a matéria orgânica remanescente, nutrientes e sólidos suspensos (Aisse and Sobrinho, 2002). Em particular a inserção da etapa de tratamento com um filtro biológico aerado tem mostrado boa eficiência na melhoria da qualidade do efluente final, o qual apresenta baixas
concentrações de microrganismos, matéria orgânica e nutrientes (Belloni, 2011).
A etapa III trata-se do tratamento aeróbio e consiste na utilização de microrganismos aeróbios, que se aderem ao meio poroso do filtro, como bactérias, que na presença de oxigênio oxidam a carga orgânica. A partir das reações aeróbias a glicose é degradada em dióxido de carbono e água, liberando energia. O processo de aeração fornece o oxigênio necessário para a ação adequada dos microrganismos. Caso o oxigênio não seja suficiente para atender aos requisitos da biomassa heterotrófica e nitrificante a taxa de remoção de amônia decresce em função da competição por oxigênio e assim, o processo de tratamento fica comprometido (Gresch et al., 2011, Schiefelbein et al., 2013).
No presente trabalho é proposta a simulação numérica de um Filtro Biológico Aerado Submerso (FBAS) preenchido com tampas PET. A compreensão da dinâmica da distribuição de ar, bem como a transferência de massa de oxigênio no interior do filtro auxilia a melhorar o seu rendimento. As simulações foram feitas empregando o software ANSYS CFX.
2. APARATO EXPERIMENTAL
O filtro foi construído em formato prismático com chapas de material acrílico, com largura total de 1m, altura total de 2m com duas secções transversais para fixar o recheio de tampas PET cortadas ao meio (leito poroso), sendo a primeira com distância de 0,35m da base e a segunda à 1,85m da base. O volume útil é de 583L, o volume após o enchimento com tampas PET é de 480L. O tubo de distribuição de ar tem diâmetro de ½ ” , situa-se ao centro do filtro em forma de U e possui 130 furos com diâmetro de 0.002mm cada. Há uma entrada inferior e duas saídas superiores para água de 50mm de diâmetro. O desenho esquemático está na Figura 1 (a).
3. MODELO MATEMÁTICO E CONDIÇÕES DE CONTORNO
Para descrever o processo FBAS foi proposto o modelo matemático baseado na equação de Navier-Stokes ponderada pela média de Reynols (RANS) com o modelo k-ε de turbulência e o modelo bifásico Não-Homogêneo. Foram consideradas as equações (1)-(3), mais as equações para k e ε para descrever a turbulência. Equação da continuidade
U
0 t (1)(a) (b)
Figura 1 – Geometria do FBAS e malha empregada. (a) Dimensões do filtro com 0,35cm de largura. (b) Malha sobre metade do domínio computacional com detalhe dos elementos tetraédricos no tubo de
distribuição de ar. Equação de balanço de quantidade de movimento
U
U U
r T Ut
g M (2)
onde, para um fluido Newtoniano e incompressível, tem-se: T pI 2D, sendo p a pressão, o tensor taxa de deformação dado por: D
U UT
e I é o tensor identidade, M é a força interfacial por unidade de volume (ou densidade de força interfacial) e é a taxa de transferência de massa por unidade de volume (Rezende, 2008). Para o oxigênio dissolvido (OD) durante o processo de filtragem foi criada a variável concentração de oxigênio para a qual foi resolvida, para cada fase, ( e , OD na água e no ar respectivamente) a equação de transporte adicional:
Equação de transporte para a concentração de oxigênio
, t t U D r t Sh (3) Tampas PET Entrada de ar Entrada de água Tubo: distibuição de ar Saídaem (1)-(3), r é a fração volumétrica da fase (água); r é a densidade efetiva da fase ; ρ é a densidade da fase ; e U=(u1,u2,u3) é o vetor velocidade para a fase . Equações
análogas a (1)-(3) foram resolvidas para a fase β (ar). D 2, 0e [5 m2/ ]s é a difusividade cinemática para , te Sht são a viscosidade turbulenta e o número de Shmidt turbulento. Em
(3), é o termo fonte total devido à transferência de massa interfacial, é definido em termo do coeficiente de transferência de massa kL, kL
OG OL
(ANSYS, 2013), sendoOG aconcentração mássica de oxigênio na fase gasosa e OL a concentração mássica de oxigênio na fase líquida: 2 L slip L B D U k d , (4)
onde dB é o diâmetro médio das bolhas; DL é o coeficiente de difusão do oxigênio na fase líquida
e Uslip é a velocidade de escorregamento entre as fases e pode ser estimada avaliando o termo |vL
-vG|.
3.1 Condições de Contorno e Malha
Considerou-se como condições de contorno na entrada de ar, a velocidade de 0,7 m/s e a fração mássica de 0,21kg/m3 de oxigênio e na entrada de água a velocidae de 3,57e-5m/s, dados de (Belloni, 2011). Para a saída foi considerada a condição de pressão à 0 atm, visto que foi considerada uma pressão de referência de 1 atm sobre o domínio computacional. Na tampa superior do filtro foi empregada a condição de degaseificação, a qual possibilita somente a saída de bolhas de ar. O posicionamento das entradas e saídas constam na Figura 1 (b). No filtro foi usado o valor 0,76 para a porosidade e 0,00855 m² para a permeabilidade (valores calculados a partir de dados das tampas PET). A malha empregada possui aproximadamente 722 mil elementos tetraédricos e foi gerada pelo software ICEM-CFD. Para reduzir o tempo computacional foi considerada somente a metade da geometria (simetria geométrica), como na Figura 1 (b).
O sistema de equações descrito foi resolvido pelo método dos volumes finitos baseado em elementos (Maliska, 2004), em regime transiente, isotérmico e turbulento. Foi considerado passo de tempo t=0,001s e para obter 20s de simulação foram necessários 22,3 dias em quatro processadores de 2,26 GHz e 16GB de memória RAM.
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Figura 2 mostra contornos do campo da fração volumétrica de ar em um plano passando pelo centro do filtro em seis instantes distintos da simulação.
Figura 2- Contornos da fração volumétrica de ar por um plano de corte central.
t =4,5[s] t =2[s]
t =1[s]
Pode-se observar o desenvolvimento do padrão de aeração, ar entrando pelo tubo central e saíndo no interior do filtro como grandes gotas pelos furos de aeração e depois sendo levados para cima pelo fluxo de água que vem de baixo. Em todo o plano há um mínimo de 0,25% de ar distribuído uniformemente.
Em relação ao OD na água foram extraídos ao longo da altura do filtro, em intervalos regulares de 0,25m, valores da concentraçao de oxigenio dissolvido na água por oito linhas horizontais, Linha 1 à Linha 6 do gráfico da Figura 3 (a) e Linha 7 e 8 do gráfico da Figura 3 (b), no centro do filtro. A primeira linha, Linha 1 passa à 0,25m do fundo e a última no topo à 2m do fundo. Foi considerada uma concentração de oxigênio de 0,21 kg/m³ na entrada de ar. Observa-se uma quantidade baixa de oxigênio na parte inferior do filtro, quantidades significantes (> 0,05% de OD na água) somente são observadas à partir de 1m de altura (Linha 4) , ou seja, com esta concentração inicial de oxigênio e a presença de microorganismos nitrificadores a nitrificação poderá ocorrer na parte inferior do filto.
(a)
(b)
Figura 3- Concentração de oxigênio por linhas centrais do FBAS por: (a) Linha 1 até Linha 6; (b) Linha 7 e 8.
Na Figura 4 é possível ver o padrão espacial tridimensional da distribuição do OD na água a partir de um volume rendering, que são vários planos de corte com certa transparência (92.0%) passando pelo interior do filtro. Aos 20s de simulação, o oxigênio que sai da parte superior do tubo de aeração (dos furos iniciais) vai se difundindo em direçao ao fundo apesar da resistência oferecida pelo fluxo ascendente de água criando uma limitação de OD na porção da água que se encontra no fundo do filtro.
Figura 4: Distribuição tridimensional do OD na água em t =20s.
5. CONCLUSÕES
Um modelo matemático tridimensional para compreender a distribuição de ar e OD na água em um FBAS foi proposto. Tanto os campos transientes de fração volumétrica de ar como o campo de OD na água mostraram a tendência de maior dificuldade de chegada até a parte inferior do filtro, o que dificulta a ação dos microorganismos aderidos ao leito poroso do filtro prejudicando a qualidade do efluente final.
A partir dos resultados, além de aumentar a concentração inicial de oxigênio, outra possível solução para melhorar a distribuição da concentração de OD na água é a inserção de um segundo tubo
de aeração em forma de U de mesmo diâmetro e distribuição de furos que o tubo da entrada superior, mas fixo no fundo e próximo à parede lateral do filtro.
6. REFERÊNCIAS
AISSE, M. M. & SOBRINHO, P. A. 2002. Avaliação do Sistema Reator UASB e Filtro Biológico Aerado Submerso para o Tratamento de Esgoto Sanitário. In: BÁSICO-PROSAB, P. D. P. E. S. (ed.) Coletânea de Trabalhos Técnicos
http://www.finep.gov.br/prosab/livros/coletanea2.
ANSYS, C. 2013. Ansys Cfx Modeling Guide.
BELLONI, D. F. 2011. Desempenho de um Filtro Biológico Aerado Submerso Utilizado como
Meio Suporte Tampas de Garrafas Pet. Mestre Dissertação de Mestrado, Universidae
Estadual de Maringá.
GRESCH, M.; ARMBRUSTER, M.; BRAUN, D. & GUJER, W. 2011. Effects of aeration patterns on the flow field in wastewater aeration tanks. Water Research, 45, 810-818. LI LEI & NI, J. 2014. Three-dimensional three phase model for simulation of hydrodinamics,
oxygen mas transfer, carbon oxidation, nitrificationn and denitrification in a oxidation ditch. Water Research, 14.
MALISKA, C. R. 2004. Transferência de Calor e Mecânica Dos Fluidos Computacional, Editora LTC.
REZENDE, R. V. P. 2008. Modelagem Matemática e Desenvolvimento de Metodologia
Computacional para a Solução Numérica do Escoamento Bifásico de Ar e Ferro-Guza em Canal de Corrida de Auto-Forno. Mestre Universidade Federal de Santa Catarina.
SCHIEFELBEIN, S.; FRO¨HLICH, A.; JOHN, G. T.; BEUTLER, F.; WITTMANN, C. & BECKER, J. 2013. Oxygen supply in disposable shake-flasks: prediction of oxygen transfer rate, oxygen saturation and maximum cell concentration during aerobic growth.
