II DESEMPENHO DE DOIS TIPOS DE INJETORES DE AR NA TRANSFERÊNCIA DE OXIGÊNIO EM REATOR AERÓBIO DE LEITO FLUIDIZADO

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1 II DESEMPENHO DE DOIS TIPOS DE INJETORES DE AR NA TRANSFERÊNCIA DE OXIGÊNIO EM REATOR AERÓBIO DE LEITO FLUIDIZADO Dib Gebara (1) Engenheiro Civil, Mestre em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos-USP. Professor Assistente do Departamento de Engenharia Civil da Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira - UNESP. Milton Dall'Aglio Sobrinho (2) Engenheiro Civil, Mestre e Doutor em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos-USP. Professor Assistente Doutor do Departamento de Engenharia Civil da Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira - UNESP. Humberto Carlos Ruggeri Júnior (3) Engenheiro Civil, pela Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira - UNESP. Mestrando em Recursos Hidricos pela Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira - UNESP. Daniel Henrique Egas Milanez (4) Engenheiro Civil, pela Escola de Engenharia Lins. Mestrando em Recursos Hidricos pela Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira - UNESP. Tibério Navarrete Hernandes (5) Engenheiro Civil, pela Escola de Engenharia Lins. Mestrando em Recursos Hidricos pela Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira - UNESP. Endereço (1) : Alameda Bahia, Ilha Solteira - São Paulo Fone (Fax) (018) dib@dec.feis.unesp.br RESUMO A operação dos reatores experimentais de leito fluidizado, com 6 m e 12 m de altura, iniciou-se com a utilização de injetores de pedra de vidro sinterizado, visando produzir bolhas uniformes e de menor diâmetro possível, que, com o tempo de operação, revelaram-se pouco robustos, sendo substituídos por injetores de PVC perfurado com orifícios de 1mm de diâmetro. A mudança obrigou à caracterização dos novos injetores quanto ao seu comportamento na fluidização e aeração do leito. Portanto, apresentam-se neste trabalho os resultados quantitativos, quanto ao coeficiente de transferência de oxigênio (Kla), dos dois tipos de injetores de ar utilizados no tratamento de esgotos domésticos com reatores aeróbios de leito fluidizado. A profundidade de submergência em cada reator foi mantida a mesma para a nova configuração dos borbulhadores. O coeficiente de transferência de oxigênio, contrariamente ao esperado, não diminuiu com o aumento dos orifícios do injetor, mostrando-se semelhante para as duas configurações. Entretanto, sob o aspecto qualitativo, o borbulhador de PVC resultou em um leito mais homogêneo, com menor tendência ao pistonamento, permitindo utilizar de vazões de ar maiores do que na configuração antiga com pedra porosa. Este comportamento assume grande importância na suspensão das partículas e nas condições hidráulicas para garantir melhor formação do biofilme. PALAVRAS-CHAVE: Coeficiente de Transferência de oxigênio (Kla), Leito Fluidizado, Reator Aeróbio, Borbulhadores. INTRODUÇÃO A utilização de reatores aeróbios com leitos fluidizados por jatos de ar, como o proposto por Heijnen, (1990, 1993), constitue-se numa tecnologia recente, que permite tratar um grande volume de esgoto em reatores compactos e de grande altura, com baixa produção de lodo. Entretanto, não existem referências à aplicação dessa técnica como tratamento único de esgotos sanitários, objetivo do estudo em andamento pelos autores. ABES Trabalhos Técnicos 1

2 Os reatores aeróbios de tubos concêntricos utilizam a injeção de ar no tubo interno para provocar, por meio da diferença de densidades resultante da expansão do leito, um movimento de circulação do fluido, que ascende pelo tubo interno e retorna pelo espaço anular entre os dois tubos. A velocidade ascendente no tubo interno arrasta as partículas de areia, formando um leito fluidizado com grande área superficial para crescimento dos microrganismos, permitindo construir reatores eficientes e compactos, embora necessitando de grande altura. Os biofilmes aderidos a meios suspensos por jatos de ar diferenciam-se dos sistemas aeróbios convencionais por apresentarem uma boa mistura e um contato mais efetivo entre sua fase líquida, sólida e gasosa (Heijnen et al, 1996), área superficial específica relativamente elevada, condição de fluxo turbulento, geometria esférica do biofilme e mudança da área superficial do biofilme durante o seu crescimento. A transferência de oxigênio ao meio líquido é um aspecto importante na remoção da matéria orgânica e do nitrogênio. Para que a remoção aconteça uma grande quantidade de oxigênio é requerida. Esta taxa está correlacionada à quantidade de ar introduzida pelos injetores e à eficiência do transporte de oxigênio entre as fases gasosa e líquida. A vazão de ar é um parâmetro importante porque determina os seguintes fatores: mistura mais rápida entre as fases, recirculação das bolhas (aumentando a concentração de oxigênio) e suspensão dos sólidos (VAN BENTUM et al, 1999a, 1999b). Com base no princípio físico envolvido, pode-se postular que a taxa de transferência de oxigênio depende não somente do tipo de borbulhador, que condiciona o tamanho inicial das bolhas, como também das condições hidráulicas resultantes da interação entre o jato de ar e o meio líquido. Desta forma as velocidades de circulação obtidas irão afetar o tempo de contato entre as fases, que pode ocorrer apenas no tubo interno para baixas vazões de ar, atingindo também extensões crescentes do tubo externo à medida que aumentam as vazões de ar. Outra variável interveniente é a expansão do leito que, em conjunto com a velocidade de circulação induzida e a altura total do reator, irá determinar o tipo de fluidização obtido, resultando em homogeneidade e presença de vazios em graus variáveis. Esses fatores somados tornam difícil prever antecipadamente o efeito de mudanças nas condições de injeção do ar, levando à necessidade de determinação experimental. O Departamento de Engenharia Civil da UNESP, Câmpus de Ilha Solteira, vem conduzindo um trabalho de monitoramento de reatores em escala piloto para tratamento de esgotos domésticos ao longo do qual foi necessário, por razões de robustez mecânica, substituir os borbulhadores originais de vidro sinterizado por injetores de PVC perfurado. Essa mudança envolveu a realização de ensaios de funcionamento hidráulico e determinação dos coeficientes de transferência de O2, Kla, em função das vazões de ar, cujos resultados são apresentados neste trabalho. MATERIAIS E MÉTODOS A Figura 1 mostra esquematicamente a instalação experimental construída para a pesquisa e contém uma ilustração simplificada do funcionamento do reator. A injeção de ar comprimido pelo difusor cria a turbulência no tubo interno responsável pelo controle do tamanho do biofilme e produz a recirculação da água pelo espaço anular entre os dois tubos, permitindo o arraste e a suspensão do meio suporte. Como pode ser visto na figura 1, a bancada, além do reator com tubos concêntricos, possui o sistema de alimentação de esgoto e o de ar, constituído por um compressor, válvula reguladora de pressão e medição da vazão por meio de um rotâmetro. Integram ainda a bancada a sonda medidora de oxigênio dissolvido e uma tubulação com bomba auxiliar para recircular o líquido. Essa tubulação retira a água da parte inferior do reator e recalca para a parte superior, sendo utilizada na fase de mistura dos produtos químicos utilizados no ensaio. Os reatores em escala piloto possuem 12m e 6m de altura, e foram construídos com tubos de PVC para esgoto com diâmetro externo de 250mm e interno de 200mm, encimados por uma câmara de sedimentação de diâmetro 0.95m. Foram utilizados borbulhadores de pedras sinterizadas como primeira configuração de injetores de ar, construídos com 4 a 6 pedras de forma cilíndrica com 10mm de diâmetro e 25mm de altura cada uma. Entretanto, devido a dificuldades de operação, principalmente no que diz respeito falta de 2 ABES Trabalhos Técnicos

3 robustez, foram instalados os novos injetores, construídos em PVC. O injetor possui diâmetro de 40 mm e foi perfurado em seis carreiras de 36 furos com abertura de 1 mm e espaçamento de 3 mm entre carreiras. Caixa de Nível Constante Vertedor Decantador Bomba Peristáltica Peneira Tubulação para mistura Difusor B Reservatório Bomba B Bomba Poço de Sucção B Tubulação de Recalque - 12" Bomba da Estação de Recalque Rotâmetro Ar Comprimido Figura 1: Esquema da bancada experimental. Para caracterizar o sistema de injeção de ar foi realizado ensaio não estacionário com água limpa para determinar o Kla, de acordo com os procedimentos recomendados pela ASCE, O ensaio utiliza cloreto de cobalto como catalisador e sulfito de sódio como reagente para anular a quantidade de ar do meio fluido que é em seguida oxigenado até perto do nível de saturação. A água deve ter a qualidade da água potável da rede pública. O sulfito de sódio exigido para desoxigenação da água de um reator situa-se entre 1 e 7,88 mg/l. Contudo, no ensaio realizado baseou-se em testes já realizados anteriormente e alguns testes citados na bibliografia. A quantidade de sulfito de sódio adicionada era de 100 gramas. A introdução desta substância era efetuada pela parte superior do reator, e esperava-se em torno de 10 minutos. Esse tempo só foi possível devido a introdução do catalisador cloreto de cobalto, que acelera o processo da reação. O catalisador de cloreto de cobalto é normalmente adicionado uma vez por cada teste de água. A solução de cloreto de cobalto é adicionada ao reator para obter uma concentração entre 0,1 a 0,5 mg/l. Pode levar até 30 minutos para ocorrer a mistura completa do cloreto de cobalto na água do reator. No decorrer do ensaio era introduzida em seguida a Sonda Lambda ( medidor de O 2 portátil marca HANNA Instruments - HI 9141 ) que mede a quantidade de oxigênio dissolvido na água, e com isso pode-se saber quando o oxigênio da água havia sido consumido. Assim que a sonda Lambda marcasse oxigênio nulo por um determinado tempo, os compressores eram ligados e com uma válvula regulava-se as vazões em valores pré determinados. De 5 em 5 segundos eram anotadas as leituras de OD. Anotava-se ainda a vazão de ar ABES Trabalhos Técnicos 3

4 aplicada no sistema, a altura do reator, a quantidade de sulfito de sódio, se houve a introdução de areia e sua quantidade. A comparação experimental entre o desempenho dos dois tipos de injetores foi realizada apenas com água limpa, sem adição de areia. Esse procedimento foi adotado para facilitar a execução dos ensaios, com base em que resultados preliminares demonstraram que os resultados de Kla com adição de areia não diferem significativamente para as concentrações de areia utilizadas no monitoramento, da ordem de 50g/l. A profundidade de submergência foi mantida a mesma com os dois tipos de injetor, para manter sob controle os efeitos desse parâmetro na dinâmica do escoamento, que poderiam ter reflexos sobre o valor do Kla. Os valores de Kla foram determinados a partir dos dados experimentais com o auxílio do programa de ajuste não linear fornecido pela ASCE (op.cit.). que, a partir de uma estimativa inicial fornecida pelo usuário, determina com base nos resíduos mínimos a melhor estimativa dos três parâmetros envolvidos, a saber, concentrações inicial e final de oxigênio e Kla. O programa foi implementado em sua versão original em FORTRAN77 e, posteriormente, na linguagem EXCEL-BASIC, para uso mais iterativo com o usuário, utilizando planilhas EXCEL como interface de entrada e apresentação de dados. A figura 2 apresenta, a título de ilustração, um aspecto da tela do programa mostrando os dados de entrada e saída e o gráfico utilizado para facilitar a estimativa inicial dos parâmetros. Observam-se no gráfico as leituras de oxigênio em função do tempo (marcadores azuis), a estimativa inicial dos valores (curva verde) e a curva ajustada pelo programa desenvolvido (curva vermelha), evidenciando seu aspecto interativo com o usuário. Figura 2: Exemplo do uso do programa utilizado para cálculo do Kla. RESULTADOS A observação das bolhas na seção superior mostra, para um leito com fluidização uniforme, um padrão médio constante ao longo do tempo. À medida que cresce a vazão de ar, observam-se ciclos de aparecimento de bolhas grandes, indicando o aumento da heterogeneidade do leito por colapso e aglutinação de bolhas, intercalados com o funcionamento normal. Com o acréscimo da vazão de ar os padrões de bolhas grandes começam a predominar, chegando às grandes cavidades de ar expulsas do leito acompanhadas de grandes variações do nível da água na área de liberação de bolhas, indicando a ocorrência de pistonamento Com relação ao comportamento do leito, verificou-se que os injetores de PVC proporcionaram um funcionamento mais uniforme, não sendo observadas variações nos tamanhos de bolhas na seção superior tão grandes como os verificados com os borbulhadores de vidro sinterizado. Após o término do trabalho, quando foi reiniciado o monitoramento no tratamento de esgotos, verificou-se ainda que os injetores de PVC foram 4 ABES Trabalhos Técnicos

5 mais eficientes na suspensão das partículas sólidas Também no caso do início de funcionamento, após interrupção do fornecimento de ar, a suspensão das partículas ocorreu com vazões de ar menores. Para explicar esse comportamento, em grande medida inesperado dos injetores de PVC, foi realizada uma visualização direta do funcionamento dos dois tipos de injetores em tubos de acrílico. Verificou-se que o injetor de PVC descarrega o ar em jatos contínuos que se fracionam posteriormente em bolhas. Quanto maior a vazão de ar, maior a energia cinética dos jatos e mais eficiente o processo de fracionamento em grande número de bolhas de tamanho relativamente homogêneo. O borbulhador de pedra porosa apresenta um comportamento inverso, passando de uma distribuição de bolhas inicialmente homogêneas de menor tamanho, para um padrão heterogêneo, intercalando grandes bolhas de ar à medida que crescem as vazões. Os ensaios de determinação de Kla foram conduzidos com vazões de ar de 2000, 4000 e 6000 l/h, com água limpa, sem partículas suporte. Os resultados dos ensaios de Kla nos reatores de 6 m e 12 m com os dos tipos de borbulhadores, são apresentados na figura m - pedra sinterizada 12 m - PVC perfurado 6 m - pedra sinterizada 6 m - PVC perfurado Kla Vazão de ar ( l/h ) Figura 3: Taxa de Transferência de Oxigênio (Kla), reatores de 6 m e 12 m Observa-se na figura 3 que os resultados quantitativos da taxa de transferência, do ponto de vista prático, podem ser considerados iguais. Esse resultado permitiu substituir os borbulhadores de pedra porosa utilizados no monitoramento dos reatores por injetores de PVC perfurado, sem prejuízo do desempenho. Considerando os resultados com mais detalhe, verifica-se que no reator de 12m, a eficiência do injetor de PVC é maior para as maiores vazões de ar, corroborando as observações visuais relativas ao tamanho das bolhas. Nas vazões baixas, as velocidades de injeção resultantes não foram elevadas o suficiente para diferenciar o comportamento dos dois modelos. Nas maiores vazões a área de poros do borbulhador revelouse insuficiente, provocando uma maior heterogeneidade que se refletiu no menor coeficiente de transferência. O reator de 6m não refletiu com clareza esse comportamento devido à menor altura, que não proporciona o tempo necessário para que as bolhas com velocidades de ascensão diferentes evoluam totalmente para formar as cavidades do leito heterogêneo. CONCLUSÕES Sob o aspecto da transferência de oxigênio, os borbulhadores de PVC perfurado e de pedra sinterizada apresentaram praticamente a mesma taxa de tranferência, como pode ser observado na figura 3. ABES Trabalhos Técnicos 5

6 A nova configuração de borbulhadores mostrou no aspecto qualitativo: (1) A possibilidade de utilizar vazões de ar menores para manter as partículas em suspensão sem que haja a ocorrência do pistonamento; (2) maior simplicidade construtiva; (3) maior resistência às variações de pressão e choques mecânicos que causaram seguidas quebras dos borbulhadores de vidro sinterizado; (4) distribuição mais uniforme das bolhas na seção transversal e ao longo de sua extensão e um padrão de bolhas de mesmo tamanho com escoamento mais uniforme no leito, conforme recomendado por Levenspiel (1991), conseguindo-se, em conseqüência, atingir maiores vazões de ar antes da ocorrência de pistonamento. Adicionalmente informa-se que o injetor de PVC mostrou-se mais eficiente na suspensão das partículas sólidas Também no caso do início de funcionamento, após interrupção do fornecimento de ar, a suspensão das partículas ocorreu com vazões de ar menores. AGRADECIMENTOS Este trabalho contou com o apoio financeiro da FAPESP (Proc. 97/ ) e da FUNDUNESP (Proc. 129/96), bem como da Prefeitura Municipal de Ilha Solteira SP, que cedeu o local para a instalação dos reatores. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ASCE. Standard Measurement of oxygen transfer in clean water. ANSI/ASCE 2-90, 66p, LEVENSPIEL, O. e KUNII, D. Fluidization Engineering. Ed. Butterworth-Heinemann, Stoneham, MA, 2nd. Ed., HEIJNEN, J. et al. Large-scale Anaerobic/Aerobic Treatment of Complex Industrial Wastewater Using Immobilized Biomass in Fluidized Bed and Air-Lift Suspension Reactors. J. Chem. Eng. Technology: v.13, p , HEIJNEN, J. et al. Development and Scale-Up of an Aerobic Biofilm Air-Lift Suspension Reactor. J. Water Sci. Tech.: v. 27, p , 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 gás recirculation regime. Chemical Engineering Science, v.52, p , VAN BENTHUM, W.A.J., VAN DEN HOOGEN, J.H.A., VAN DER LANS, R.G.J.M., VAN LOOSDRECHT, M.C.M., HEIJNEN, J.J. The biofilm airlift suspension extension reactor. Part I: Design and two-phase hydro dynamics. Chemical Engineering Science, p , VAN BENTHUM, W.A.J., VAN DER LANS, R.G.J.M., VAN LOOSDRECHT, M.C.M., HEIJNEN, J.J. Bubble recirculation regimes in na internal-loop airlift reactor. Chemical Engineering Science, p , ABES Trabalhos Técnicos