II EFEITO DA CONCENTRAÇÃO DE AREIA NA TRANSFERÊNCIA DE OXIGÊNIO EM MODELOS REDUZIDOS DE REATOR AERÓBIO DE LEITO FLUIDIZADO EM TUBOS CONCÊNTRICOS

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1 II EFEITO DA CONCENTRAÇÃO DE AREIA NA TRANSFERÊNCIA DE OXIGÊNIO EM MODELOS REDUZIDOS DE REATOR AERÓBIO DE LEITO FLUIDIZADO EM TUBOS CONCÊNTRICOS. Milton Dall'Aglio Sobrinho (1) 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. Dib Gebara (2) 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. Elbber Antônio da Silva (3) Graduando em Engenharia Civil, pela Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira - UNESP. Aluno de Iniciação Científica junto a área de Hidráulica e Saneamento. Humberto Carlos Ruggeri Júnior (4) Engenheiro Civil, pela Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira - UNESP. Mestrando em Recursos Hidricos pela Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira - UNESP. Endereço (1) : Alameda Bahia, Ilha Solteira - São Paulo Fone (Fax) (018) e- mail: milton@dec.feis.unesp.br RESUMO A determinação da influência da concentração de areia sobre o coeficiente de transferência de oxigênio, Kla, em modelos reduzidos de reatores aeróbios de leito fluidizado em tubos concêntricos, serão abordados neste trabalho. Os ensaios foram realizados em um modelo reduzido com tubo interno em acrílico, de diâmetro de 5cm e altura de 3,08 m e tubo externo em P.V.C com diâmetro de 15 cm e altura de 3,90 m. Estes ensaios foram realizados em método não estacionário recomendado pela ASCE (1990) Os dados obtidos foram trabalhados por meio de regressão não linear, utilizando uma versão do programa recomendado pela ASCE, implementado com macros da planilha Excel. Foram plotados gráficos de coeficiente de transferência de oxigênio em função da vazão de ar, evidenciando sua relação com a vazão de ar injetada e com a concentração de areia, podendo desta forma definir dois regimes de funcionamento. A vazão limite para esta transição mostrou-se situar-se em 300 l/h, para água limpa, chegando a 400 l/h com o aumento da concentração de areia. No primeiro regime o Kla é maior com água limpa, diminuindo com a adição de areia. Já no segundo regime, observa-se que pequenas concentrações induzem a um aumento no Kla. Os resultados permitirão delinear as faixas de variação esperadas do parâmetro em relação ao leito bifásico (apenas água e ar). Com isso será possível caracterizar mais rapidamente os reatores em escala real, visto que os ensaios com meio bifásico são de realização muito mais simples. PALAVRAS-CHAVE: Coeficiente de Transferência de oxigenio (Kla), Leito Fluidizado, Reator Aeróbio, Tratamento de Esgoto INTRODUÇÃO 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. Com a injeção de ar pelo difusor a água do tubo interno expande-se e fica com menor densidade. Essa diferença causa a velocidade ascendente no tubo interno e 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. ABES Trabalhos Técnicos 1

2 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. As condições de escoamento turbulento no tubo interno proporcionam uma boa mistura e um contato estreito entre as fases líquida e sólida, de forma que o aumento do meio suporte em suspensão pode ser considerado como alternativa para otimizar o desempenho dos reatores. Entretanto, não se tem dados suficientes sobre como a grande concentração de areia que pode ser mantida em suspensão interfere no funcionamento hidráulico do leito, alterando parâmetros como a expansão, velocidade de circulação induzida e a capacidade de suspensão e fluidização na partida hidráulica. Em vista desse contexto, está em desenvolvimento na UNESP, câmpus de Ilha Solteira, uma linha de investigação experimental em modelos reduzidos, visando levantar dados para esclarecer e embasar a modelagem matemática do comportamento hidráulico dos reatores aeróbios de tubos concêntricos e leito fluidizado. No presente trabalho, são apresentados dados da transferência de oxigênio em função da vazão de ar injetada e da quantidade de areia no meio fluidizado. Os resultados já obtidos são de grande importância por delinear o comportamento geral esperado e quantificar as variações esperadas com a adição da areia e, desta forma, torna possível que os ensaios de caracterização de reatores em escala real sejam realizados apenas com água e ar, simplificando decisivamente o processo de caracterização. MATERIAIS E MÉTODOS A influência das concentrações de areia sobre a transferência de oxigênio no leito fluidizado foi investigada experimentalmente, em modelos reduzidos. O reator foi construído com tubo interno em acrílico, com diâmetro de 5cm e altura de 3,08m, e tubo externo em PVC com diâmetro de 15cm e altura 3.90m, dotado de janelas de visualização em acrílico. O tubo interno se mantém fixo e centralizado em relação ao tubo externo devido aos espaçadores. A figura 1 a seguir ilustra o esquema dos reatores e da bancada montada. Sonda Medidor de OD Mangueira h sub = altura de submergência Rotâmetro B Bomba Difusor de ar h 0 = altura do borbulhador Figura 1: Esquema do modelo de reator e da bancada experimental. 2 ABES Trabalhos Técnicos

3 Como pode ser visto na figura 1, a bancada, além do reator com tubos concêntricos possui uma pedra porosa que é colada na ponta de um tubo de vidro que serve de conduto de ar. Este ar é enviado pelo compressor e passa pelo rotâmetro. O conjunto pedra porosa - tubo de vidro é concêntrico ao tubo interno. O rotâmetro é utilizado após a válvula reguladora de pressão, para controlar e medir as vazões de ar injetadas no reator. A Sonda Lâmbda para efetuar as leituras de oxigênio dissolvido na água. Em uma tubulação da parte inferior do reator, é ligada uma bomba auxiliar, que recalca a água para a parte superior do mesmo provocando uma recirculação do líquido, utilizada na fase de mistura dos produtos químicos. A bomba é usada no lugar do jato de ar nessa fase para não introduzir oxigênio no sistema antes que haja a mistura completa dos reagentes. A determinação do coeficiente Kla seguiu a metodologia padronizada para emprego com água limpa, recomendada pela ASCE (1990), utilizando cloreto de cobalto como catalisador e sulfito de sódio como reagente que anula a quantidade de ar do meio fluido que é e em seguida reoxigenado 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 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 aplicada no sistema, a altura do reator, a quantidade de sulfito de sódio, se houve a introdução de areia e sua quantidade. 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 utilização da planilha desenvolvida para este trabalho segue os passos descritos a seguir. PASSO 1: SELEÇÃO DOS DADOS Primeiramente deve-se editar os dados obtidos no ensaio, de concentração de oxigênio dissolvido em função do tempo, para selecionar o período do transiente observado que será utilizado na análise. A figura 2 mostra um exemplo desse trabalho de seleção dos dados a partir do conjunto de dados registrados em um ensaio no reator de 12 metros de altura. ABES Trabalhos Técnicos 3

4 Figura 2: Exemplos da etapa de análise da seqüência de dados e seleção dos pontos para o ajuste com dados brutos de dois ensaios. Deve-se, como regra geral, descartar os pontos de concentração nula e os aumentos localizados que antecedem o período de aumento monotônico da concentração, para evitar problemas de convergência nas iterações. É conveniente também evitar a inclusão de um grande número de pontos no patamar final da curva, que podem conduzir a uma média não realista dos erros de ajuste. Essa tarefa é efetuada numa planilha que já contém um gráfico de OD em função tempo, que serve para uma primeira análise dos dados obtidos. O nome desta planilha, usualmente Dados Brutos, deve ser informado na planilha de cálculos, que pode ser qualquer das planilhas do arquivo. Deve-se anotar também qual o intervalo de linhas em que estão contidos os valores a serem utilizados e a coluna inicial do campo. Após escolhida a faixa a ser usada os dados são enviados para a planilha de cálculos, usualmente denominada Plan1, para a segunda etapa do processo. PASSO 2: DETERMINAÇÃO DAS ESTIMATIVAS INICIAIS Nesta fase é utilizada como base uma planilha que já contém um gráfico padrão incorporado, bem como as equações para montar um campo com os valores da concentração ao longo do tempo, calculada com as estimativas iniciais dos parâmetros ajustados. Normalmente é usada a planilha Plan1. Na planilha base deve-se indicar o número das linhas e coluna inicial da faixa de dados determinada no passo 1 e o nome da planilha com os dados brutos. Em seguida executa-se a macro Inicializa, que busca na planilha Dados Brutos os dados que o usuário acredita proporcionarem um bom ajuste. (Obs.: Para que seja executado qualquer macro, nada em nenhuma das planilhas deve estar selecionado). Com os dados selecionados importados pela Inicializa aparecendo no gráfico como guia, deve-se editar valores para Co, Cs e Kla que mais aproximam a curva Ajuste Inicial da curva Ensaio. Para definir a concentração inicial (Co) pode-se escolher a última concentração nula da seqüência crescente de OD ou escolher uma concentração quase nula, pois essa redefinição não afeta o modelo Um exemplo dessa etapa do trabalho é apresentado na figura 3. A figura traz em vermelho os valores que devem ser fornecidos pelo usuário e em azul os dados importados da planilha que contém dados brutos originais. Junto à planilha observa-se o gráfico utilizado para auxiliar a tarefa de fornecer uma estimativa inicial, com as leituras experimentais (marcadores azuis) e a curva estimada em verde. 4 ABES Trabalhos Técnicos

5 Figura 3: Exemplo da fase 2 de tratamento dos dados, com a estimativa inicial dos parâmetros de ajuste por meio visual. PASSO 3: DETERMINAÇÃO DOS PARÂMETROS DE AJUSTE Encontrados os valores que aproximam as curva ajuste e ensaio, executa-se a macro Ajusta, que por sua vez executa as rotinas Calcula, com o núcleo do algoritmo apresentado pela ASCE e a rotina Apresenta, que coloca os dados do melhor ajuste na planilha base. A figura 4 apresenta o resultado dessa fase, com as informações fornecidas pelo programa destacadas em vermelho. O gráfico da planilha já inclui também a seqüência de dados ajustada. Figura 4: Exemplo da tela após a execução da fase final do programa, com os valores calculados em vermelho. A melhor aproximação para o Kla será apresentada na célula D10, sendo fornecido também, na célula I7, o desvio padrão da estimativa do Kla, que permite calcular as faixas de variação possíveis associadas ao erro esperado. O valor da soma dos resíduos do ajuste, célula I9, serve como um controle quantitativo da qualidade do ajuste obtido. ABES Trabalhos Técnicos 5

6 Para apresentação do resultado, o gráfico mostrado na figura 4 é copiado para uma planilha cuja folha contém os padrões de apresentação do relatório, sendo eliminada ainda a seqüência do ajuste inicial. Foram realizados 19 ensaios de determinação da taxa de oxigênio dissolvido, utilizando uma altura de submergência (hsub) igual a 2,88 m, ou altura da pedra porosa (ho) igual a 21,5 cm. A concentração de oxigênio dissolvido foi medida no interior do tubo interno. Para o meio bifásico, os ensaios foram realizados para vazões de 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800 e 900 l/h de ar. Os ensaios em meio trifásico foram realizados com concentrações de areia iguais a 25g/l e 50g/l. As vazões de ar utilizadas foram 300, 400, 500, 700, 900 e 1100 l/h para a primeira concentração (25g/l) e 400, 600, 800, 1000 e 1200 l/h para a segunda (50 g/l). RESULTADOS A Figura 5 apresenta os resultados finais obtidos até o momento, do coeficiente de transferência de oxigênio em função da vazão de ar, evidenciando sua relação com a vazão de ar injetada e com a concentração de areia Kla ( 1/s ) Água limpa 25 g / l 50 g / l Vazão de Ar ( l/h ) Figura 5: Variação do Kla com a quantidade de areia no leito. Observa-se na figura 5, em primeiro lugar, que nas vazões de ar mais altas aumentou a margem de erro relativa na determinação do Kla. As causas desse efeito não foram claramente identificadas. Uma possibilidade a ser investigada está ligada à formação de bolhas grandes, que poderiam obstruir, com maior probabilidade a membrana da sonda de oxigênio dissolvido, prejudicando as leituras. Outra causa pode estar associada ao tempo de resposta da sonda às variações de oxigênio. Esse efeito tenderia a diminuir os valores lidos em transientes rápidos, com maiores conseqüências nos ensaios em que a vazão de ar fosse maior, devido à variação mais brusca do oxigênio dissolvido. As margens de erro mostradas no gráfico referem-se a um intervalo de confiança de 95%, mostrando que, com essa significância, observam-se três curvas distintas, revelando uma influência significativa da concentração do meio suporte. Outro comportamento interessante que se nota no gráfico está ligado a uma mudança de declividade da curva, que se nota nas vazões mais baixas. Esse efeito foi inicialmente atribuído a falhas nos ensaios, sendo que alguns foram repetidos várias vezes. 6 ABES Trabalhos Técnicos

7 Entretanto, com a repetição do padrão, observado em todas as concentrações de meio suporte, o comportamento pode ser considerado uma tendência, derivada da hidrodinâmica do modelo. Conclui-se que deve ocorrer uma mudança no regime de funcionamento, e a vazão limite para essa transição ocorrer situa-se ao redor de 300 litros por hora, para água limpa, chegando a 400 l/h com o aumento da concentração de areia. No primeiro regime de funcionamento, o coeficiente de transferência é maior para água limpa, diminuindo com a concentração de areia. Já no segundo regime de funcionamento, observa-se que pequenas concentrações de meio suporte induzem um aumento no coeficiente de transferência. Com a adição de mais areia, o efeito positivo é anulado, e ocorre uma diminuição do Kla, conforme se observa para a curva de 50g/l. CONCLUSÕES Observou-se, no decorrer dos ensaios, que podem ocorrer diferentes regimes de funcionamento hidráulico do reator, que dependem da vazão de ar e do nível da água em relação ao topo do tubo interno. Essas diferenças de funcionamento são notadas pela forma como as bolhas de ar se comportam. Pode ser estabelecido um regime inicial, quando as vazões de ar são baixas e o nível da água é suficientemente menor que o topo do tubo interno. Nessa condição não se observa a presença de bolhas de ar recirculando no tubo externo. Nessa condição, todo o ar injetado escapa para a superfície antes da água retornar pelo tubo externo. Com o aumento da vazão de ar, a situação muda gradativamente, com um acúmulo de bolhas aprisionadas na parte superior do tubo externo, chegando a uma situação em que bolhas de ar recirculam juntamente com a água. Esse comportamento qualitativo foi confirmado pelo comportamento observado das curvas dos coeficientes de transferência em função da vazão, que apresentam dois regimes, delimitados por vazões de ar entre 200 e 300 litros por hora. Observou-se ainda que a adição de meio suporte aumenta a vazão de transição entre os dois regimes. No segundo regime hidráulico, a adição de areia inicialmente aumenta o Kla, para posteriormente diminuí-lo com o aumento da concentração. No primeiro regime de funcionamento o Kla diminui com a adição de qualquer quantidade de areia. O trabalho levantou pontos interessantes sobre a hidrodinâmica dos reatores, que podem ser melhor desenvolvidos em trabalhos posteriores, como a definição mais rigorosa dos limites dos regimes de funcionamento e das concentrações a partir das quais diminue o Kla. Uma sugestão geral para melhorar a qualidade dos dados, entretanto, consiste em levar em conta as características dinâmicas da resposta da sonda para corrigir as leituras de oxigênio dissolvido. Resta por determinar ainda as relações quantitativas sobre o efeito da altura dos reatores na taxa de transferência de oxigênio. Essa generalização, entretanto, é dificultada pela existência de diferentes regimes hidráulicos de funcionamento do reator, os quais dependem de relações geométricas que condicionam a velocidade de circulação induzida e em última análise o próprio regime de funcionamento, de forma que o assunto requer ainda um maior levantamento experimental de dados. 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., ABES Trabalhos Técnicos 7

8 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 gás recirculation regime. Chemical Engineering Science, v.52, 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