USO DE MODELOS HIDRODINÂMICOS EM BIOFILTROS SUBMERSOS AERADOS

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1 USO DE MODELOS HIDRODINÂMICOS EM BIOFILTROS SUBMERSOS AERADOS Tercio Dal Col Sant Ana (1) Engenheiro Civil pela Universidade Federal do Espírito Santo. Ex-aluno de Iniciação Científica (CNPq/UFES). Edmilson Costa Teixeira Engenheiro Civil/UFBA. Msc. em Hidráulica e Saneamento/EESC- USP, Phd. em Eng a de Recursos Hídricos/Universidade de Bradford- Inglaterra. Prof. Adjunto do Programa de Pós-Graduação em Eng a Ambiental/UFES. Endereço (1) : Grupo de Estudos e Ações em Recursos Hídricos (GEARH) DHS-CT-UFES - Caixa Postal Vitória - ES - CEP: Brasil - dal-col@base.com.br RESUMO Biofiltros submersos aerados são reatores bastante utilizados no tratamento de efluentes sanitários, principalmente em regiões densamente povoadas. Devido às características instáveis do biofilme e a complexidade do comportamento hidrodinâmico envolvido, o projeto destes reatores têm sido feito de forma bastante empírica, sem que se saiba, com devida precisão, os níveis de eficiência esperados para condições diversas de operação. O presente artigo apresenta uma aplicação de resultados parciais de uma pesquisa, que utilizou técnica de traçadores para determinar respostas hidrodinâmicas em biofiltros submersos aerados, com diferentes tipos de operação; modelos hidrodinâmicos para escoamentos tipo pistão, mistura completa e disperso foram empregados. Desta forma, o trabalho contribui para o aprofundamento de conhecimentos sobre a relação entre a hidrodinâmica de reatores e a eficiência de tratamento em biofiltros e, com isso, fornece subsídios ao projeto desse tipo de unidade de tratamento de efluentes, de forma mais condizente com a realidade. PALAVRAS-CHAVE: Biofiltros Aerados Submersos, Hidrodinâmica, Modelos Hidrodinâmicos, Técnica de Traçadores, Eficiência de Tratamento. INTRODUÇÃO Biofiltros submersos aerados, ou não, são reatores bastante utilizados no tratamento de efluentes sanitários, principalmente em regiões densamente povoadas, e se baseiam em processos físicos, químicos e biológicos para a oxidação da matéria orgânica. Devido às características instáveis do biofilme e a complexidade do comportamento hidrodinâmico envolvido, o projeto destes reatores têm sido feito de forma bastante ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 728

2 empírica, sem que se saiba, com devida precisão, os níveis de eficiência esperados para condições diversas de operação. O presente artigo apresenta resultados parciais de uma pesquisa que visa o aprofundamento de conhecimentos sobre a relação entre a hidrodinâmica de reatores e a eficiência de tratamento em biofiltros, fornecendo, assim, subsídios ao projeto desse tipo de unidade de tratamento de efluentes, de forma mais condizente com a realidade. MATERIAIS Os experimentos foram realizados em um filtro piloto em PVC, constituído de um leito suporte de esferas de poliestireno de diâmetro d = 3,5 cm. A altura (H 1 ) e porosidade (η) do leito foram respectivamente iguais a 165cm e 4,9%. O diâmetro interno do piloto (D) de 3cm e a área superficial específica (S) igual a,898 cm -1. O circuito hidráulico constituiu-se de reservatório d água, bomba peristáltica, distribuidor (para uniformidade de escoamento na entrada do reator ); medidores de vazão de água e ar afluente; distribuidor de ar, na base do reator; e piloto (Figura 1). Figura 1: Aparato Experimental. O traçador utilizado foi o permanganato de potássio, KMNO 4, injetado instantaneamente na entrada do piloto e coletado por amostragem discreta na sua seção de saída. As concentrações do traçador foram determinadas através de espectofotômetro. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 729

3 METODOLOGIA Foi utilizada metodologia de procedimentos experimentais, visando confiabialidade e reprodutibilidade estatística dos dados, e análise das curvas de passagem de traçador conforme Teixeira e Sant Ana(1998). A faixa de vazão de água potável utilizada na condução dos experimentos foi de 9,5ml/s - 68ml/s. Empregou-se taxa de aeração constante, de 3 Nm 3 de O 2 / kg de DBO, tomandose como base uma carga de DBO do efluente em torno de 21mg/l. Os resultados desses experimentos são mostrados na Figura 2. MODELOS HIDRODINÂMICOS Os modelos hidrodinâmicos usados são descritos a seguir: Modelo para Reator - Fluxo Pistão: O fluxo pistão é aquele no qual cada elemento de fluido deixa o reator na ordem em que entrou, sendo, com isso, uma idealização. A equação para um reator - fluxo pistão em condições estacionárias para uma substância biodegradável (cinética reacional de primeira ordem) é a seguinte: C k T e = C e equação (1) onde: C e = concentração efluente, C = concentração afluente, k = constante reacional, T = tempo de detenção hidráulica. Modelo para Reator - Mistura Completa: Fluxo contínuo do tipo mistura completa é aquele que instantaneamente provoca mistura completa de qualquer quantidade de um dado constituinte entrando no reator, sobre todo o seu volume útil. Da mesma forma que para o fluxo pistão, esse regime de escoamento é uma idealização. A equação para um reator mistura completa, de fluxo contínuo, em condições estacionárias para uma substância biodegradável (cinética reacional de primeira ordem) é a seguinte: = C (1 + k T) equação (2) Ce Modelo para Reator - Fluxo Disperso: Em termos reais, nessa categoria se enquadram todos os reatores. Os dois modelos hidráulicos supra-citados são situações ideais limites. A equação (3), deduzida analiticamente por Wehner e Wilhem(1956), tem sido utilizada, por alguns pesquisadores (Muslu e Saltabas,1992), considerando regimes reais de escoamento, ou seja, fluxos dispersos. Para o emprego dessa equação, torna-se necessária a obtenção do coeficiente de mistura d. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 73

4 c c = 4aexp(1/ 2d) 2 2 (1 + a) exp(a / 2d) (1 a) exp( a / 2d) equação(3) onde: a= (1+4kT d ) 1 2 ; equação (4) d = o número de mistura do reator :d = D equação (5) Hw av D = coeficiente de mistura ; k = constante de remoção de substrato; H = comprimento do caminho percorrido por uma partícula típica no reator; W av = Q/A = velocidade superficial; Q = vazão; A = área da seção transversal do reator; T = tempo teórico de detenção. RESULTADOS Para aplicação dos modelos foi necessária a definição da constante de reação k. O valor de k utilizado para DBO, k = 25 d -1, foi obtido em literatura (Mann et al,1997). O valor de DBO afluente empregado foi igual a 21 mg de DBO/l, típico para efluente de tratamento primário (decantador). A partir da obtenção experimental de correlação entre o coeficiente de mistura (D) e a vazão do efluente no reator (Q), Figura 2, e de valores de Q, foram utilizados os modelos hidrodinâmicos para determinação da eficiência de remoção. Os resultados são mostrados na Tabela 1. Tabela 1: Estimativa de eficiência de remoção de DBO (%) para cada modelo hidrodinâmico utilizado, em função da vazão aplicada no reator. Vazão D d Eficiência de Remoção de DBO (%) (ml/s) (cm 2 /s) Fluxo Pistão Fluxo Disperso Fluxo Mistura Completa 9,8 13,37 1,75 94,63 78,69 74,52 15, 14,39 1,23 85,2 7,14 65,65 38,8 16,95,56 52,27 46,12 42,52 5, 17,71,46 43,63 39,49 36,44 68, 18,67,35 34,39 32,1 29,65 8, 19,2,31 3,11 28,38 26,38 A Tabela 1 e a Figura 3 mostram ser a eficiência de remoção de DBO bastante sensível a alterações no valor de vazão afluente ao reator e, consequentemente, no valor do coeficiente de mistura, indicando haver decréscimo de eficiência com o aumento da vazão. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 731

5 Figura 2: Comportamento do coeficiente de dispersão em função da vazão aplicada no reator. Com portam ento de D em função da vazão Figura 3: Eficiência de Remoção de DBO estimada conforme os modelos utilizados. Eficiência dos Modelos em função da vazão Coef. de Dispersão D (cm 2 /s) 2, 18, 16, 14, 12, 1, 8, 6, 4, 2,, Vazão Q (ml/s) Pontos experimentais Regressão y = 9,299x,1722 R 2 =,9884 Eficiência de remoção de DBO (%) Vazão (ml/s) Fluxo Pistão Fluxo parcialmente disperso Mistura completa Para uma melhor comparação entre os modelos, foram calculados os erros relativos (Erro Relativo, equação (5)) em função do modelo para fluxo disperso. Efic (Pistao, MC) Efic disperso Erro Relativo = 1 equação (5) Efic onde: disperso Efic (Pistão,MC) = eficiência de remoção de DBO sob regime de escoamento pistão ou mistura completa; Effic disperso = eficiência de remoção de DBO sob regime de escoamento disperso. A Figura 4 apresenta o comportamento do Erro Relativo em função da vazão, em relação aos modelos hidrodinâmicos Fluxo Pistão e Fluxo Mistura Completa (ou simplesmente Mistura Completa). Pode-se verificar na Figura 4 que, no geral, menores valores de Erro Relativo referem-se ao modelo Mistura Completa, variando entre 5 e 1%. A variação no valor do erro em relação ao modelo Fluxo Pistão foi entre 5% e 25%, uma faixa bem mais larga que para a outra condição de escoamento. Observa-se ainda comportamentos inversos para os regimes de escoamento pistão e mistura completa, no que se refere à variação no valor do Erro Relativo com o aumento da vazão, ou seja, decrescente no primeiro caso e crescente no segundo; porém com tendência à convergência nos valores do erro com o aumento da vazão. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 732

6 Figura 4: Erro relativos entre os valores de eficiência de remoção de DBO, obtidos pelos Modelos Fluxo Pistão e Mistura Completa - em relação ao Modelo Fluxo Disperso, em função da vazão aplicada no reator. Erros relativos ao Modelo parcialmente Disperso 25 Erro relativo (%) Fluxo Pistão Mistura Com pleta Vazão (m l/s) CONCLUSÕES Com base em experimentação com traçadores e utilização de modelos analíticos relacionando eficiência de remoção de DBO e dinâmica do escoamento em reatores ideais e reais, o presente trabalho alerta para os significativos erros que podem estar associados aos valores de eficiência de tratamento estimada pelo emprego de modelo de maior facilidade de aplicação, como os de Fluxo Pistão e Fluxo Mistura Completa, porém não condizentes com os regimes de escoamento observado na prática em filtros biológicos submersos, aerados. A grande sensibilidade da eficiência de remoção de DBO em relação a alterações no valor de vazão afluente ao reator e, consequentemente, no valor do coeficiente de mistura, verificada analiticamente, reafirma a importância da hidrodinâmica para a otimização de processos de tratamento de efluente sanitários, realizados em diversos tipos de reatores; em particular, em filtros biológicos. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. MANN, A.T. and STEPHENSON, T., Modelling biological aerated filters for wastewater treatment, Wat. Res., Vol 31, No 1, , MUSLU, Y., and SALTABAS, L., A study of biological filtration using flow-through techniques. J. Chem. Tech. Biotechnol. 54(1992) WEHNER, J. & WILHEM, R., Boundary conditions of flow reactors. Chem. Eng. Sci., 6 (2) (1956/57) TEIXEIRA, E. C. e SANT ANA, T. D.. Respostas Hidrodinâmicas de Biofiltros Submersos Aerados e Não Aerado. XXVI CONGRESSO INTERAMERICANO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL Anais Eletrônicos. Lima Peru, o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 733