UTILIZAÇÃO DE REATORES AERÓBIOS DE LEITO FLUIDIZADO POR JATOS DE AR EM CONJUNTO COM UMA BOMBA AXIAL NA REMOÇÃO DE DQO.

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1 UTILIZAÇÃO DE REATORES AERÓBIOS DE LEITO FLUIDIZADO POR JATOS DE AR EM CONJUNTO COM UMA BOMBA AXIAL NA REMOÇÃO DE DQO. Dib Gebara* Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira Feis/Unesp Departamento de Engenharia Civil Milton Dall Aglio Sobrinho Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira Feis/Unesp Departamento de Engenharia Civil Humberto Carlos Ruggeri Júnior Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira Feis/Unesp Departamento de Matemática (*) Engenheiro Civil, Mestre em Hidráulica e Saneamento, Professor Assistente do Departamento de Engenharia Civil da Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira Feis/Unesp. (*) Alameda Bahia, 550, Cep: , Ilha Solteira SP/ Brasil. Fone: (0xx18) dib@dec.feis.unesp.br RESUMO Neste trabalho serão apresentados os resultados de remoção da DQO, obtidos em uma bancada experimental composta por dois reatores aeróbios, fluidizados por jatos de ar em conjunto com uma bomba axial. O desempenho dos reatores será discutido variando o tempo de detenção hidráulica (TDH) e verificando também o efeito da altura dos reatores sobre as remoções. Os reatores foram confeccionados em PVC e possuem um diâmetro interno de 200 mm, extermo de 250 mm e suas alturas são de 6 e 12 metros respectivamente. Ambos os reatores possuem uma bomba de eixo axial localizada junto aos decantadores. Na primeira fase os reatores operaram com TDH de 8h e nas fases subseqüentes este tempo foi reduzido para 6, 4, 3 e 2 horas. Os reatores apresentaram bons resultados na remoção da DQO. Entretanto durante a fase com DTH de 2 horas os valores de remoções em ambos os reatores sofreram oscilações durante toda fase. O difícil controle da vazão no sistema atual possivelmente forçou a operação com tempos abaixo de 2 horas. Apesar da dificuldade em manter a vazão constante, ambos os reatores apresentaram também remoções satisfatórias com TDH de 2 horas. Os resultados também apontaram que ambos os reatores tiveram um desempenho bastante semelhante, demonstrando que até um certo limite esses dispositivos não sofrem influencia do efeito da altura sobre seu desempenho. Isso favorece o desenvolvimento de reatores ainda mais compactos. Palavras-chave: Biofilme; Reator aeróbio; Leito Fluidizado, Air lift, Esgoto Doméstico, Tratamento.

2 INTRODUÇÃO Os reatores aeróbios de leito fluidizado por jatos de ar são uma proposta relativamente recente para o tratamento do esgoto doméstico e industrial. A biomassa cresce naturalmente sobre uma superfície sólida formando um biofilme. O crescimento aderido traz grandes vantagens. Segundo Nicolella et al. (2000), o biofilme aderido promove uma alta velocidade de sedimentação da biomassa, reduzindo as estruturas de separação e clarificação. O meio fluidizado aumenta a área superficial para a transferência de massa, resultando em uma alta capacidade de conversão da matéria orgânica. Entretanto, Nicolella et al., (2000) chama a atenção, que em algumas ocasiões, há necessidade de uma etapa de polimento para remover uma quantidade de biomassa suspensa que tem sua origem nos processos de desprendimento do filme devido aos efeitos hidrodinâmicos. Devido à alta massa específica do conjunto partícula sólida mais biofilme, este irá apresentar uma grande velocidade de sedimentação, sendo, portanto, uma vantagem, porque permite que estes reatores operem com velocidades do meio líquido muito maior do que é habitualmente relatado nos sistemas convencionais (van Benthum et al,2000). Todas as características citadas anteriormente fazem com que estes dispositivos sejam mais compactos e operem com baixos tempos de detenção hidráulica. Estes dispositivos vêm apresentando um bom desempenho na remoção da matéria orgânica com baixo TDH. Alguns autores como Heijnen et al. (1993) vem relatando bom resultados com tempos de detenção da ordem de 2 a 4 horas. Outros autores, entretanto (Furtado et al, 1998), apresentaram resultados satisfatórios apenas com TDH bem maior, da ordem de 8 a 10 horas. A concepção mais usual destes reatores consiste em dois tubos concêntricos conectados na base e no topo constituindo-se assim os reatores de circulação interna ou internal loop. O ar é introduzido na base dos reatores por meio de injetores localizados no tubo interno. O ar movimenta-se em fluxo ascendente pelo tubo interno e dependendo do regime de circulação, as bolhas de ar poderão estar presentes no tubo externo. A diferença na fração volumétrica de ar entre o tubo interno e externo cria duas regiões com densidades diferentes. Segundo Heijnen et al. (1997) esta diferença de densidade entre o tubo interno e externo é a força motriz do escoamento. Nos reatores devido à interação entre as partículas e o meio líquido, há a formação de zonas de intenso cisalhamento que colaboram para o controle da espessura do biofilme, melhorando as condições de difusividade e eliminando o problema de crescimento excessivo do biofilme. MATERIAIS E MÉTODOS A bancada experimental está localizada no município de Ilha Solteira. Composta por dois reatores de 6 e 12 m de altura, confeccionados em PVC, com um diâmetro interno de 200 mm e externo de 250 mm, a bancada é sustentada por uma estrutura de madeira dividida em 3 patamares que permite a instrumentação dos reatores. Cada unidade possui um decantador com 0,95 m de diâmentro onde também está localizada uma bomba axial. A bomba permitiu a redução da vazão necessária para manter o meio fluidizado nos estágios iniciais de formação do biofilme. Desta forma, as vazões iniciais que eram de 5500 NL/h puderam ser reduzidas para 2700 NL/h. A alimentação dos reatores é proveniente da estação elevatória de esgoto. Partindo de uma derivação da linha de recalque da estação, o esgoto passa por um sistema de peneira de grade fina e logo após é recalcado até a caixa de nível constante onde é realizado o controle da vazão de esgoto. A figura 1 mostra um esquema da bancada experimental. Todo sistema de injeção de ar é sustentado por compressores e o controle da vazão de ar é feito através de um rotâmetro instalado entre os injetores e os compressores. Uma válvula reguladora de pressão e um filtro de ar foram locados entre os compressores e o rotâmetro, permitindo que o sistema operasse com uma pressão de saída constante.

3 Os injetores com diâmetro de 40 mm foram confeccionados em PVC. Possuem diâmetro de 40 mm e foram perfurados em 6 carreiras de 36 furos. Cada furo possui um diâmetro aproximado de 1 mm espaçados cerca de 3 mm entre eles. Figura 1: Esquema da Bancada Experimental O material utilizado como meio suporte para o crescimento do filme foi areia fina com um diâmetro médio de 0,27 mm e com massa específica dos sólidos de 2657 kg/m 3. Para a caracterização deste material foram realizadas análises granulométricas conjunta (NBR 7181/84) e a massa específica dos sólidos seguiu a metodologia preconizada pela ABNT(NBR 6508/84).Os reatores operaram durante toda a fase de experimentação com uma vazão de ar de 2700 l/h e com uma concentração de areia de 100 g/l. As amostras contendo o esgoto afluente dos reatores foram coletadas em um ponto a jusante da peneira de grade fina, em três períodos de tempo consecutivos, caracterizando uma amostra composta. Várias campanhas de monitoramento 24 horas foram realizadas para determinar qual seria o período onde o esgoto afluente se encontrava com maior concentração. O mesmo procedimento foi adotado para a coleta das amostras efluentes. Entretanto, as amostras efluentes foram coletadas em um ponto a jusante da saída dos decantadores Inicialmente os reatores começaram a operar com TDH de 8 h, sendo reduzidos gradativamente para 6, 4, 3 e 2 horas. Para a obtenção dos resultados de DQO do esgoto afluente e efluente dos reatores utilizou-se um espectrofotômetro (DR-2000) da HACH. O método utilizado encontra-se na tabela 1.

4 Análises Tabela 1: Método de ensaio Métodos Uitilizados Demanda Química de Oxigênio (DQO)* Determinação Colorimétrica (met Hach) RESULTADOS A figura 1 mostra o gráfico de remoção da DQO filtrada, para o reator de 12 m, em termos percentuais durante a fase de operação dos reatores com a bomba axial em funcionamento. Como exposto anteriormente os reatores começaram a operar com TDH = 8, sendo posteriormente reduzidos esses tempos. O final do período de 8 horas coincide com o começo do período de 6 horas e essa metodologia foi seguida para os demais tempos. Entretanto o gráfico apresenta os resultados em função dos dias de operação de cada fase para efeito comparativo entre os tempos. Figura 2: Remoção da DQO filtrada Reator de 12 m Pelo gráfico da figura 1 observam-se melhores resultados de remoção para TDH = 4 horas. Era esperado que as remoções fossem um pouco melhores para TDH=8 horas. Esse comportamento pode ser atribuído ao tempo requerido para adaptação e formação do biofilme. Para os tempos subseqüentes podem-se observar valores mais constantes com baixa dispersão dos dados, indicando que o reator já estava estabilizado. Os resultados com TDH s = 6 e 3 horas apresentaram resultados bastante semelhantes ao que é observado com 4 horas. Com TDH de 2 horas pode-se observar uma certa oscilação nos resultados, mas os resultados foram satisfatórios com este tempo, apresentando em média remoções de 90%, chegando a apresentar remoções da ordem de 95 % em termos da DQO filtrada. A dificuldade em manter constante a vazão de alimentação dos reatores pode ter provocado a operação com tempos menores que 2 horas. O gráfico da figura 3 apresenta os resultados de remoção de DQO filtrada no reator de 6 m.

5 Figura 3: Remoção da DQO filtrada Reator de 6 m O gráfico da figura 3 apresenta um comportamento semelhante ao que foi observado na figura 2. Desta forma observa-se uma oscilação nos valores de remoção para o TDH de 2 h e remoções mais baixas para o TDH de 8 h. Considerando que ambos os reatores utilizam o mesmo sistema de controle de vazão, é razoável esperar o mesmo tipo de interferência nos valores de remoção. O gráfico da figura 4 apresenta os resultados de remoção de DQO bruta no reator de 12 m. Observa-se um comportamento semelhante aos gráficos da figura 2 e 3. Figura 4: Remoção da DQO bruta Reator de 12 m Em termos da DQO bruta observam-se remoções razoáveis no reator de 12 m para os TDH's de 6, 4, 3 h. As remoções em certas ocasiões alcançaram valores de 92 %.

6 Os resultados poderiam ser melhores se não fosse ao fato da existência de lodo de má sedimentação observado nos decantadores. Este lodo acaba sendo carreado para fora dos reatores junto com o efluente o que mostra a necessidade de realizar um polimento. O difícil controle da vazão de alimentação acaba acentuando a variabilidade dos resultados da DQO bruta. Para o reator de 6 m o comportamento foi semelhante em relação a remoção da DQO bruta, como pode ser observado na figura 5. Figura 5: Remoção da DQO bruta Reator de 6 m Pelo que é exposto na figura 5, o reator de 6 m apresentou uma variação dos valores de remoção para todos os TDH's muito maior do que o reator de 12 metros. Entretanto não é razoável afirmar a influencia da altura dos reatores na remoção da DQO, devido a presença do lodo de má sedimentação em ambos os dispositivos. A figura 6 apresenta um gráfico mais simplificado para remoção da DQO filtrada no momento em que amos os reatores operavam com TDH de 8 h. É possível observar que não há diferenças significativas no desempenho entre os reatores.

7 Figura 6: Remoção da DQO filtrada Reator de 12 e 6 m TDH = 8h Verifica-se pelo gráfico da figura 7 que não houve diferença no desempenho entre os reatores quando o tempo foi reduzido de 8 para 6 horas Figura 7: Remoção da DQO filtrada Reator de 12 e 6 m TDH = 6h O mesmo comportamento também pode ser observado para os demais tempos. As figuras 8 e 9 mostram uma comparação entre os dois reatores na remoção da DQO filtrada.

8 Figura 8: Remoção da DQO filtrada Reator de 12 e 6 m TDH = 4h Figura 9: Remoção da DQO filtrada Reator de 12 e 6 m TDH = 3h Pelo que foi apresentado pelos gráficos comparativos, verifica-se que o desempenho nos reatores aeróbios de leito fluidizado não sofreram influência da mudança de altura. Este resultado é importante pelo fato de possibilitar a confecção de reatores mais baixos e mais compactos sem afetar o desempenho na remoção da matéria orgânica. A figura 10 mostra ainda uma comparação na performance dos reatores no momento em que ambos operavam com DTH de 2 h

9 a 9: Remoção da DQO filtrada Reator de 12 e 6 m TDH = 3h Figur Para o TDH de 2 horas as diferenças também não foram significativas. Observam-se também remoções de 95 % da DQO filtrada em ambos os reatores. CONCLUSÕES Os reatores apresentaram bons resultados de remoção da DQO para os tempos de 8, 6, 4, 3 horas. Apesar da variabilidade dos resultados observada para TDH = 2 h, os resultados são promissores e corroboram com observações feitas por Heijnen et al., (1993) para baixos TDH s. Em uma nova etapa com a instalação de bombas peristálticas para o controle mais efetivo da vazão os resultados poderão ser mais conclusivos para este TDH. Está em fase de implantação, uma câmara de flotação junto aos decantadores, onde resultados preliminares realizados em laboratório com o efluente dos reatores apontaram a viabilidade de utilização desta câmara. Agradecimentos. À FAPESP, FUNDUNESP pelo apoio financeiro e PREFEITURA MUNICIPAL DE ILHA SOLTEIRA por apoiar cedendo o local para a realização do experimento. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APHA, AWWA & WPCF. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater APHA, Washington, DC, USA: APHA, V.1. il. FURTADO, A.A.L.; ALBUQUERQUE, R.T.; LEITE, S.G.F. & PEÇANHA, R.P. Effect of Hydraulic Retention Time on Nitrification in an Airlift Biological Reactor. Bras. J. of Chem. Eng.: v.15(3), HEIJNEN, J.J.; HOLS, J.; VAN DER LANS, R.G.J.M.; VAN LEEUWEN, H.L.J.M.; MULDER, A.; WELTEVREDE, R. A simple hydrodynamic model for the liquid circulation velocity in a full-scale two-and three-phase internal airlift reactor operating in the gas recirculation regime. Chemical Engineering Science, v.52, p , HEIJNEN, J. et al. Development and Scale-Up of an Aerobic Biofilm Air-Lift Suspension Reactor. J. Water Sci. Tech.: v. 27, p , NICOLELLA, C.; VAN LOOSDRECHT, M.C.M; HEIJNEN, J.J. Wastewater treatment with particulate biofilm reactors. Journal of Biotechnology, v.80, p. 1-33, VAN BENTHUM, W.A.J. et al. The Biofilm Airlift Suspension Extension Reactor. Part II: Three-phase Hydrodynamics. Chem. Eng. Science, v. 55, p , 2000.