DESEMPENHO DE REATORES AERÓBIOS DE LEITO FLUIDIZADO OPERANDO COM DIFERENTES CONCENTRAÇÕES DO MEIO SUPORTE E TIPOS DE INJETORES

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1 DESEMPENHO DE REATORES AERÓBIOS DE LEITO FLUIDIZADO OPERANDO COM DIFERENTES CONCENTRAÇÕES DO MEIO SUPORTE E TIPOS DE INJETORES 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 Engenharia Civil (*) 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, 5, Cep: , Ilha Solteira SP/ Brasil. Fone: (xx18) dib@dec.feis.unesp.br RESUMO Neste trabalho apresentam-se os resultados do desempenho de dois reatores aeróbios de leito fluidizado em escala piloto, tratando esgoto doméstico. Os reatores foram confeccionados em PVC e possuem um diâmetro interno de 2 mm, externo de 2 mm e suas alturas são de 6 e 12 metros respectivamente. O trabalho foi realizado em duas etapas. Na primeira os reatores operaram utilizando injetores de pedra de vidro sinterizada e com uma concentração de g/l de areia. Na segunda etapa realizou-se a troca dos injetores e os reatores operaram com concentrações de e g/l. Verificou-se que a troca dos injetores não provocou mudanças significativas nos valores de Kla, entretanto, a substituição dos injetores de pedra de vidro sinterizada pelos injetores de PVC melhorou as condições de fluxo, minimizando problemas como o do pistonamento do leito. Os dados da DBO bruta mostram que os reatores apresentam uma boa eficiência na remoção da DBO bruta e redução da concentração de amônia para os injetores de pedra sinterizada e PVC. Com os injetores de PVC não foi observada melhoria significativa na remoção da DBO quando se aumentou a concentração de g/l para a g/l, provavelmente devido a necessidade de uma vazão de ar maior para manter as partículas em suspensão o que aumentava o atrito entre as partículas que acentuava o efeito de desprendimento da biomassa. Foi observado em ambas concentrações de meio suporte que o efluente final continha uma quantidade de biomassa de difícil sedimentação, o que nos leva a concordar com Nicolella et al, 2 sobre a necessidade de se ter uma unidade para eliminar este material. Palavras-chave: Biofilme; Reator aeróbio; Leito Fluidizado, Air lift, Esgoto Doméstico, Tratamento. INTRODUÇÃO A aplicação e as pesquisas com reatores de leito fluidizado por jatos datam de meados de 198. Conhecidos como reatores BAS (Biofilm air-lift suspension) alguns destes dispositivos foram comercializados com o nome de CIRCOX. 1

2 O emprego do biofilme aderido a um meio suporte, como a areia, traz grandes vantagens. Segundo Nicolella et al, 2, 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. A alta massa específica das partículas permite que estes reatores operem com velocidades elevadas do líquido sem o carreamento da biomassa para fora do sistema, resultando em um leito com alta concentração de biomassa e um curto tempo de detenção hidráulica. A aplicação desta tecnologia permitiria tratar esgotos sanitários de forma distribuída, mais próxima aos pontos de geração, viabilizando a implantação de tratamento em situações em que as áreas disponíveis são escassas ou de custo elevado, compensando os maiores custos de operação inerentes a esse tipo de tratamento. Heijnen et al, 1993, apresentou bons resultados na nitrificação, com tempos de detenção baixos, da ordem de 2 a 4 horas. Outros autores, entretanto, Furtado et al, 1998, apresentaram resultados com boa nitrificação apenas com TDH bem maior, da ordem de 8 a 1 horas. Os reatores aeróbios com formação de biofilme em meios em suspensão por air-lift diferenciam-se dos outros sistemas que empregam o biofilme porque apresentam regiões de fluxo turbulento, que promovem o controle da espessura do biofilme, sendo este aspecto apresentado por Nicolella et al, 2, como um problema em reatores como os BFB (Biofilm Fluidized Bed), USB (Upflow sludge blanket) que não apresentam tal característica. Estes reatores são constituídos de duas seções conectadas, podendo constituir uma circulação interna ou externa quando as seções forem concêntricas ou paralelas. A diferença de gás em ambas as seções cria nestas duas regiões uma diferença nas massas específicas, resultando na circulação do meio líquido. No caso da velocidade do líquido ser maior que a velocidade de sedimentação das partículas, estas permanecerão em suspensão, caracterizando-se como meio fluidizado. A qualidade do leito e o controle da espessura do biofilme dependem das condições hidrodinâmicas. Alguns autores como Merchuk et al, 1997, Freitas et al, 2 vem investigando a influência de parâmetros como tipo de injetor e concentração e densidade dos sólidos no comportamento hidráulico destes reatores. Com base ao que foi relatado desenvolve-se um projeto de monitoramento de reatores em escala piloto, visando determinar sua eficiência no tratamento de esgotos domésticos, observando alguns parâmetros como concentração do meio suporte, tempo detenção hidráulica e influência do tipo de injetor utilizado, cujos dados são apresentados neste trabalho. MATERIAIS E MÉTODOS A bancada experimental é constituída por dois reatores em escala piloto, construídos em tubos de PVC com um diâmetro interno de 2 mm e externo de 2 mm, sendo o tubo externo concêntrico ao tubo interno. Este arranjo configura os reatores como sendo de circulação interna (internal loop). Os reatores possuem uma altura de 6 e 12 metros respectivamente. Cada unidade é encimada por um decantador com um diâmetro aproximado de,95 metros.a bancada foi montada na Estação Elevatória de Esgoto da cidade de Ilha Solteira Brasil. O esgoto afluente que chega a estação passa primeiramente por uma peneira de grades grossas. Uma derivação parte da linha de recalque da estação e segue para uma segunda peneira de grades finas e a partir daí é recalcada para um ponto localizado próximo ao topo dos reatores. 2

3 A bancada possui ainda um sistema de injeção de ar que é alimentado através de um compressor. A vazão de ar é regulada através de um rotâmetro e entre o compressor e o rotâmetro foi instalada uma válvula reguladora de pressão para manter constante a pressão de saída. O material utilizado como meio suporte foi areia fina com um diâmetro médio de,27 mm e massa específica igual a 2657 kg/m 3. Na figura 1a é mostrado um esquema da bancada experimental e seus componentes e na figura 1 b pode-se visualizar uma foto da bancada locada na estação. Caixa de Nível Constante Vertedor Decantador Peneira Reservatório Injetor PVC B Bomba Poço de Sucção B Tubulação de Recalque Bomba da Estação de Recalque Figura 1a: Esquema da bancada. Rotâmetro Ar Comprimido Figura 1b: Foto da bancada experimental. A figura 2 a mostra um detalhe do decantador do reator de 12 metros e na figura 2b é mostrado um detalhe da peneira de grades finas. Figura 2a: Detalhe do decantador. Figura 2b: Detalhe da peneira. 3

4 O trabalho foi dividido em duas etapas. Na primeira, os reatores utilizaram injetores de pedra de vidro sinterizada e operaram com um tempo de detenção hidráulica (TDH) de 8 horas. Nesta fase a concentração do meio suporte foi de g/l e a vazão de ar empregada foi de l/h em ambos os reatores. Na segunda etapa optou-se pela troca dos injetores de pedra por cilíndricos confeccionados em PVC com um diâmetro de 4 mm, perfurados em 6 carreiras de 36 furos. Cada furo possui um diâmetro aproximado de 1 mm espaçados cerca de 3 mm entre eles. O TDH foi de 8 horas e as concentrações do meio suporte utilizadas foram de e g/l nos dois reatores. Nesta fase os reatores operaram com uma vazão de ar de l/h. Antes da adoção dos novos injetores foram realizados ensaios de determinação de Kla, conduzidos com vazões de ar de 2, 4 e 6 l/h, com água limpa, sem partículas suporte. A água limpa foi utilizada na comparação por facilidade de execução dos ensaios, uma vez que resultados preliminares demonstraram que os resultados de Kla com adição de areia são semelhantes. Observações visuais qualitativas foram realizadas para verificar o funcionamento hidráulico quanto a suspensão das partículas de areia dos dois tipos de injetor. Os valores de Kla foram determinados a partir dos dados experimentais com o auxílio do programa de ajuste não linear fornecido pela ASCE (199). Para a caracterização do esgoto afluente e efluente foram feitas análises da DBO bruta e filtrada, para ambas as etapas, de acordo com Standart Methods for Examination of Water and Wastwater (APHA, AWWA & WPCF, 1998). O ensaio para a determinação da concentração de amônia no esgoto afluente e efluente seguiu a metodologia 31 da Hach. Antes do início de cada etapa foi realizada uma campanha 24 horas para determinar o horário onde o esgoto afluente se encontrava mais concentrado. Os resultados das campanhas mostraram que este período corresponde das 8 as 1 da manhã, sendo portanto coletado amostras neste período. A coleta das amostras do efluente foram feitas após transcorrido o tempo de detenção adotado em cada etapa. RESULTADOS Como exposto na metodologia, inicialmente os reatores entraram em operação utilizando injetores de pedra de vidro sinterizada. O gráfico da figura 3 apresenta os resultados da DBO bruta para os reatores de 6 e 12 m e para os dois tipos de injetores utilizados. Concentração (mg/l) Afluente Reator 12 m Reator 6 m Pedra sinterizada Afluente Reator 12 m Reator 6 m PVC Figura 3: Valores da DBO bruta para os reatores de 6 e 12 metros e para os dois tipos de injetores. 4

5 A partir do gráfico da figura 3 verifica-se uma redução da DBO bruta de 33 mg/l para 3 mg/l no reator de 12 e de 33 mg/l no reator de 6 m, quando ambos operaram com injetores de pedra. A DBO bruta efluente foi igual a 33 mg/l para o reator de 12 metros e de 2 mg/l para o reator de 6m quando foram empregados os injetores de PVC. As diferenças no desempenho, em relação à remoção da DBO bruta, com a troca dos injetores não foram tão significativas, sendo apenas 1 % maiores com os novos injetores. Entretanto observam-se valores mais estáveis da DBO final com os injetores de PVC. As variações sofridas na DBO final com os injetores de pedra de vidro sinterizadas poderiam estar relacionadas às dificuldades operacionais enfrentadas com esses injetores. Gebara et al (21) observando o comportamento das bolhas no topo dos reatores verificou que a medida que se aumentava a vazão de ar, a heterogeneidade do leito aumentava e havia o aparecimento de grandes cavidades sugerindo a ocorrência do pistonamento. Neste mesmo trabalho Gebara et al (21) observou em modelos reduzidos, confeccionados em acrílico, que os injetores de PVC apresentavam uma maior eficiência no processo de fracionamento e um padrão mais homogêneo em relação ao tamanho das bolhas, não sendo observado posteriormente a ocorrência de pistonamento do leito nos modelos em escala piloto, mesmo com o emprego de vazões de ar mais elevadas do que era aplicado aos injetores de pedra de vidro sinterizada. Do ponto de vista do coeficiente de transferência de oxigênio (kla), não foram observadas grandes diferenças devido a troca. Na figura 4 são mostrados os valores da DBO bruta afluente e efluente para ambos os reatores e para as concentrações de areia igual a e g/l. Concentração (mg/l) Afluente Reator 12 m Reator 6 m g/l Afluente Reator 12 m Reator 6 m g/l Figura 4: Valores da DBO bruta para os reatores de 6 e 12 metros e para as concentrações de e g/l. A partir do gráfico da figura 4 observa-se que as diferenças entre os valores da DBO bruta efluente não foram também significativas quando se aumentou a concentração do meio suporte. Em termos da DBO filtrada observa-se uma redução de 33 mg/l para 4 mg/l no reator de 12 m e de 5 mg/l no reator de 6 m com uma concentração de areia de g/l. Para a concentração de g/l reduziu-se a DBO para 7 mg/l no reator de 12 m e 6 mg/l no reator de 6 m, como pode ser visto no gráfico da figura 5. Pelo comportamento apresentado nas figuras 4 e 5 não se pode afirmar que o aumento da concentração do meio suporte não venha colaborar para com a eficiência dos reatores, já que em ambas concentrações foi observado que o efluente final continha uma quantidade de biomassa de difícil sedimentação que poderia estar prejudicando a qualidade final do efluente. 5

6 Concentração (mg/l) Afluente Reator 12 m Reator de 6 m g/l Afluente Reator 12 m Reator de 6 m g/l Figura 5: Valores da DBO filtrada para os reatores de 6 e 12 metros e para as concentrações de e g/l. O gráfico da figura 6 apresenta os valores de remoção em termos percentuais da amônia em ambos os reatores e injetores. Verifica-se uma redução de 6 mg/l para 3,35 mg/l no reator de 12 m e para 11, mg/l no reator de 6m com os injetores de pedra de vidro sinterizada. Em termos percentuais as remoções foram em média de 95 % no reator de 12 m e 82 % no reator de 6 m. Os injetores de PVC apresentaram resultados melhores, ficando as remoções em média de 98 % em ambos os reatores. O efluente dos reatores apresentou uma concentração média de,15 mg/l de amônia. Remoção (%) Reator 12 m Reator 6 m Pedra sinterizada Reator 12 m Reator de 6 m PVC Figura 6: Remoção de Amônia para os reatores de 6 e 12 metros e para os dois tipos de injetores. Na figura 7 são mostrados os valores de remoção da amônia para os reatores de 6 e 12 m e para as concentrações de e g/l. Verifica-se que ambos os reatores apresentaram bons resultados, apresentando uma remoção média de 98 % e uma concentração final média de,2 mg/l. Não é observado diferença nas remoções para as duas concentrações de meio suporte. 6

7 Remoção (%) Reator 12 m Reator 6 m g/l Reator 12 m Reator 6 m g/l Figura 7: Remoção de Amônia para os reatores de 6 e 12 metros e para as concentrações de e g/l. CONCLUSÕES Os dados da DBO final mostram que os reatores apresentam uma boa eficiência na remoção da DBO bruta e bons resultados na redução da concentração de amônia para os injetores de pedra sinterizada e PVC. Utilizando somente os injetores de PVC não foi observada melhoria significativa na remoção da DBO no aumento da concentração de g/l para a g/l, provavelmente devido a necessidade de uma vazão de ar maior para manter as partículas em suspensão. Foi observado em ambas concentrações de meio suporte que o efluente final continha uma quantidade de biomassa de difícil sedimentação, o que nos leva a concordar com Nicolella et al, 2 sobre a necessidade de se ter uma unidade para eliminar este material. Para evitar a construção desta unidade está se propondo a instalação de uma bomba axial nos reatores para ajudar na suspensão do meio suporte e com isso reduzir a vazão de ar. Espera-se que a redução nas vazões de ar diminuam a turbulência do leito e minimize os efeitos de desprendimento da biomassa do biofilme aderido, melhorando a qualidade final do efluente. 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. ASCE. Standard Measurement of oxygen transfer in clean water. ANSI/ASCE 2-9, 66p, 199. GEBARA, D; DALL AGLIO SOBRINHO, M.; RUGGERI JR., H.C.; MILANEZ, D.H.E.; HERNANDES, T.N. Desempenho de dois tipos de injetores de ar na transferência de oxigênio em reator aeróbio de leito fluidizado. In: Congresso brasileiro de engenharia sanitária e ambiental, 21, João Pessoa, 21. Anais CD-ROM - Rio de Janeiro: ABES, 21. II-154, 6p. FREITAS, C.; FIALOVÁ, M.; ZAHRANDNIK, J.; TEIXEIRA, J. A. Hydrodynamics of a three-phase external-loop airlift bioreactor. Chemical Engineering Science, v.55, p , 2. 7

8 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. et al. Development and Scale-Up of an Aerobic Biofilm Air-Lift Suspension Reactor. J. Water Sci. Tech.: v. 27, p , MERCHUK, J.C.; CONTRERAS, A.; GARCIA, F.; MOLINA, E. Studies of mixing in a concentric tube airlift bioreactor with different spargers. Chemical Engineering Science, v.53, p , NICOLELLA, C.; VAN LOOSDRECHT, M.C.M; HEIJNEN, J.J. Wastewater treatment with particulate biofilm reactors. Journal of Biotechnology, v.8, p. 1-33, 2a. 8