II-381 ESTUDO HIDRODINÂMICO DE UM SISTEMA COMBINADO FILTRO ANAERÓBIO - BIOFILTRO AERADO SUBMERSO

II-381 ESTUDO HIDRODINÂMICO DE UM SISTEMA COMBINADO FILTRO ANAERÓBIO - BIOFILTRO AERADO SUBMERSO Lígia Maria Domingues (1) Tecnóloga em Saneamento pelo Centro Superior de Educação Tecnológica da Universidade Estadual de Campinas (CESET/UNICAMP). Mestre em Saneamento e Ambiente pela Faculdade de Eng. Civil, Arquitetura e Urbanismo da Universidade Estadual de Campinas (FEC/UNICAMP). Edson Aparecido Abdul Nour Professor Doutor da Faculdade de Eng. Civil, Arquitetura e Urbanismo da Universidade Estadual de Campinas (FEC/UNICAMP) na área de Saneamento e Ambiente. Endereço (1) : Av. Orozimbo Maia, 620 ap.103 - Centro - Campinas - SP - CEP: 13010-211- Brasil - Tel: (19) 3234-4315 - e-mail: celestte@mpcnet.com.br RESUMO Neste trabalho realizou-se um estudo hidrodinâmico num sistema combinado de tratamento de esgoto, composto de filtro anaeróbio (FA) seguido de biofiltro aerado submerso (BAS), em escala de laboratório. Para verificar qual combinação de fluxo de escoamento aplicada ao sistema resultaria num modelo hidráulico mais eficiente (matematicamente falando) a operação dos reatores foi testada para duas diferentes configurações: ascendente-ascendente e ascendente-descendente. Os ensaios do tipo estímulo-resposta foram realizados utilizando-se cloreto de sódio como traçador, sendo a variação de sua concentração ao longo do tempo a resposta, determinada indiretamente a partir da condutividade elétrica do efluente. As curvas de distribuição do tempo de residência (DTR) assim geradas foram analisadas pelo ajuste aos seguintes modelos matemáticos uniparamétricos: N reatores de mistura completa em série (N-CSTR), dispersão de pequena intensidade (DPI) e dispersão de grande intensidade em tanque aberto (DGI). O estudo foi complementado ainda com a aplicação dos indicadores de Rebhum & Argaman. Os resultados obtidos no estudo das duas configurações de fluxo aplicadas indicaram que o sistema apresenta um fluxo intermediário entre o fluxo pistonado ideal e a mistura completa, com uma forte tendência ao fluxo pistonado. No entanto, os valores obtidos para a configuração ascendente-ascendente indicaram uma maior tendência ao fluxo pistonado que aqueles obtidos para a configuração ascendente-descendente. Esta última evidência ficou ainda mais reforçada ao se calcular os coeficientes de correlação (R 2 ), uma vez que os valores obtidos para a configuração ascendente/ascendente também indicaram um melhor ajuste a todos os modelos matemáticos aplicados. PALAVRAS-CHAVE: Estudo Hidrodinâmico, Sistema Combinado FA-BAS, Filtro Anaeróbio, Biofiltro Aerado Submerso, Esgoto Sanitário. INTRODUÇÃO Enquanto os estudos de cinética do tratamento biológico de esgotos fornecem informações sobre a velocidade das reações bioquímicas, os estudos hidrodinâmicos indicam as condições de escoamento da fase líquida no interior do reator. A combinação destas informações é essencial para se alcançar a otimização dos sistemas de tratamento e também na concepção de novos sistemas. A realização do estudo hidrodinâmico do fluxo de um reator possibilita a avaliação de vários fatores como o grau de mistura, a verificação do volume efetivo pela indicação da existência de volumes mortos, da existência de caminhos preferenciais e a determinação do tempo de detenção hidráulica real, sendo este último o mais significativo para o conhecimento do modelo cinético. Os sistemas combinados anaeróbio-aeróbio aplicados ao tratamento de esgotos constituem uma tecnologia que vem se consolidando cada vez mais nos últimos anos, principalmente por ter provado ser uma opção viável para a oxidação carbonácea, a nitrificação, a denitrificação e a remoção biológica do fósforo. Estas características permitem a concepção de ETE que, além de mais compactas mais fáceis de operar, são capazes de atender aos padrões legais de lançamento, que se tornam a cada dia mais restritivos. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

Mais comumente aplicado em reatores unitários, o estudo hidrodinâmico em reatores combinados é um tema que ainda permite muitas investigações, podendo trazer contribuições importantes para a concepção de novos sistemas. Por estes motivos tornou-se o objetivo deste trabalho. MATERIAL E MÉTODOS O sistema combinado de tratamento objeto do estudo é composto por um filtro anaeróbio (FA) seguido de um biofiltro aerado submerso (BAS), em escala de laboratório (Figura 1), instalado no Lab. de Saneamento da Fac. de Eng. Civil, Arquitetura e Urbanismo da UNICAMP. Após a realização do estudo hidrodinâmico o sistema operou tratando esgoto sanitário totalizando 1 ano de estudos que embasaram a elaboração de uma dissertação de mestrado. O material empregado para a confecção dos reatores foram 2 barriletes de PVC com volume total de 10 L cada. Após o preenchimento com o meio suporte os reatores apresentaram altura útil de 20 cm e volume útil de 8 L. Nas bases foram adaptados fundos falsos perfurados, para melhor distribuição do afluente. O BAS foi dotado de dispositivo para fornecimento de ar (dois aeradores de aquário conectados a dois difusores porosos) durante todo o tempo de operação. O meio suporte empregado foram anéis de polipropileno perfurados com cm de diâmetro por 1,5 cm de altura. Os afluentes aos reatores foram bombeados por bomba peristáltica calibrada para as vazões correspondentes aos tempos de detenção hidráulica a serem estudados. COLUNA DE SUSTENTAÇÃO BIOFILTRO AERADO SUBMERSO FILTRO ANAERÓBIO CESTOS P/ AMOSTRAGEM ESGOTO BRUTO BOMBA PERISTÁLTICA BOMBA DE AR EFLUENTE TRATADO Figura 1: esquema representativo do sistema combinado FA-BAS Para a realização do estudo hidrodinâmico do sistema foram estabelecidas duas configurações a serem avaliadas, conforme indicado na Tabela 1. Tabela 1 - Configurações adotadas para realização do estudo hidrodinâmico do sistema FA-BAS Característica Estudo 1 Estudo 2 Fluxo dos reatores Ambos ascendentes FA ascendente e BAS descendente TDH 10 h ( 5 h em cada reator ) 8 h ( 4 h em cada reator ) Pela facilidade de execução optou-se pelo teste de avaliação hidrodinâmica pela técnica estímulo-resposta, utilizando-se como traçador químico o cloreto de sódio (NaCl). Como estímulo utilizou-se a injeção do traçador na entrada do sistema sob a forma de um pulso, ou seja, uma massa conhecida de NaCl diluída num pequeno volume de água e injetada rapidamente no afluente do sistema (8 ml de uma solução a 300 g/l, equivalente a 2,4 g de NaCl). A resposta foi obtida pela medição da condutividade ao longo do tempo (a cada 20 min) durante 21 h. A relação linear existente entre a condutividade e a concentração de NaCl permitiu a determinação das concentrações efluentes do traçador a partir da equação obtida em curva-padrão previamente construída. Gerados os dados da concentração de traçador ao longo do tempo foram construídas as curvas DTR (distribuição do tempo de residência). A avaliação do comportamento hidrodinâmico foi feita a partir dos modelos teóricos uniparamétricos de tanques de mistura completa em série (N-CSTR), de dispersão de pequena intensidade (DPI) e de dispersão de ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

grande intensidade (DGI), todos segundo Levenspiel (1974), em combinação com os indicadores propostos por Rebhum & Argaman (1965). A avaliação do ajuste dos dados experimentais aos modelos N-CSTR, DPI e DGI foi feita mediante a determinação do coeficiente de correlação (R 2 ) segundo Billo (1997). A descrição e o significado prático dos parâmetros e indicadores matemáticos utilizados no estudo hidrodinâmico do sistema FA-BAS estão apresentados na Tabela 2. Tabela 2: Descrição e significado prático dos parâmetros e indicadores matemáticos utilizados no estudo hidrodinâmico do sistema FA-BAS. Indicadores de Rebhum & Argaman: Tp tempo decorrido para o aparecimento do pico na curva T10 tempo que representa 10% da área sob a curva (a partir da origem) T90 tempo que representa 90% da área sob a curva (a partir da origem) Θ tempo médio de detenção hidráulica Tp/TDH indica a extensão do comportamento pistonado. Quanto mais próximo de 1, mais o fluxo se aproxima do pistonado Θ/TDH valores menores que indicam a presença de áreas mortas T90/T10 conhecido como índice de dispersão de Morril, mede a dispersão da curva. Valores próximos a 1 indicam fluxo pistonado e valores primos de 21,9 indicam mistura completa. Recomenda-se que reatores projetados para fluxo pistonado tenham índice menor que 2. Modelo de tanques de mistura completa em série (N-CSTR) N número equivalente de tanques de mistura completa em série N = 50 indica fluxo pistonado ideal N entre 5 e 50 indica tendência ao fluxo pistonado N < 5 indica fluxo pistonado deficiente Modelo de dispersão de pequena intensidade (DPI) (D/μL) número de dispersão para pequena intensidade Modelo de dispersão de grande intensidade (DGI) (D/μL) G número de dispersão para grande intensidade (D/μL)ou (D/μL) G 1 dispersão baixa 1<(D/μL)ou (D/μL) G 0,1 dispersão moderada (D/μL)ou (D/μL) G > 0,1 dispersão alta Coeficiente de correlação : R 2 coeficiente de correlação entre os dados experimentais e o modelo matemático avaliado R 2 = 1 há perfeita correlação entre os valores experimentais e o modelo ajustado R 2 = 0 não há correlação entre os valores experimentais e o modelo ajustado RESULTADOS E DISCUSSÕES As curvas DTR experimentais construídas a partir dos valores de concentração do traçador ao longo do tempo estão apresentadas nas Figuras 2 e 3. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

6 Concentração (mg NaCl / L) 5 4 3 2 1 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 tempo (min) Figura 2:- Curva DTR ( concentração de NaCl em função do tempo ) obtida no estudo 1. 6 Concentração (mg NaCl / L) 5 4 3 2 1 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 tempo (min) Figura 3: Curva DTR ( concentração de NaCl em função do tempo ) obtida no estudo 2. Pela comparação das curvas DTR observa-se que a configuração aplicada no estudo 1 ofereceu uma resposta mais satisfatória que a do estudo 2. O comportamento da curva do estudo 2 após o Θ = 2,0 (960 minutos), quando ocorrem 2 pequenos picos na concentração do traçador indica retenção e recirculação de uma quantidade deste no interior do reator. Comparando-se os picos das curvas DTR temos outro fator indicativo da melhor resposta do estudo 1. Enquanto na primeira curva o pico foi prontamente seguido do início da diminuição na concentração do traçador, a segunda curva mostra a formação de um platô, onde a concentração efluente do traçador mantevese constante por 1,7 h. Este comportamento indica recirculação do traçador no interior do reator, não ideal para um sistema configurado para operar com fluxo pistonado. Na Figura 4 estão apresentadas as curvas dos modelos N-CSTR, DPI e DGI, em combinação com as curvas DTR correspondentes a cada estudo. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

a) DTR - estudo 1 R 2 = 0,948 Modelo N-CSTR d) DTR - estudo 2 R 2 = 82 Modelo N-CSTR 0,5 1,5 2,0 0,5 1,5 2,0 b) DTR - estudo 1 R 2 = 66 Modelo DPI e) DTR - estudo 2 R 2 = 98 Modelo DPI 0,5 1,5 2,0 0,5 1,5 2,0 c) DTR - estudo 1 Modelo DGI f ) DTR - estudo 2 Modelo DGI R 2 = 64 R 2 = 95 0,5 1,5 2,0 0,5 1,5 2,0 Figura 4: Representação gráfica das curvas DTR normalizadas combinadas com as curvas dos modelos teóricos N-CSTR, DPI e DGI ajustadas para os estudos 1 ( a, b, c ) e estudo 2 ( d, e, f ), com os respectivos coeficientes de correlação ( R 2 ). Na Tabela 3 estão agrupados os valores dos parâmetros obtidos no estudo hidrodinâmico do sistema a partir da aplicação dos modelos matemáticos e utilizados para a sua avaliação final e conclusiva. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

Tabela 3: Valores obtidos no estudo hidrodinâmico do sistema FA-BAS modelo matemático uniparamétrico configuração do curva DTR adimensional sistema FA/BAS N-CSTR DPI DGI Tp/TDH T90/T10 Θ H /TDH N R 2 (D/μL) R 2 (D/μL) G R 2 asc/asc 10 h (estudo 1) 0 2,25 4 10 0,948 50 66 43 64 asc/desc 8 h (estudo 2) 8 2,46 1,51 8 82 60 98 50 95 O parâmetro Tp/TDH = 1 é o resultado ideal, e este foi obtido no estudo 1. Para o parâmetro T90/T10 o ideal é < 2,0 e o resultado do estudo 1 ficou mais próximo deste valor. Para o parâmetro Θ H /TDH o ideal é para o fluxo pistonado ideal e o recomendado é < 2,0. Embora ambos valores atendam à recomendação o valor obtido no estudo 1 ficou mais próximo do ideal. Segundo o modelo N-CSTR, quanto maior o valor de N, mais próximo do fluxo pistonado encontra-se o reator. Para fluxo pistonado ideal N deveria ser igual a 50, enquanto valores abaixo de 5 indicariam fluxo pistonado deficiente. 0s valores obtidos nos estudos 1 e 2 se enquadram na faixa intermediária (N entre 5 e 50), indicando tendência ao fluxo pistonado. Porém, o valor de N e de R 2 obtidos no estudo 1 foram maiores, indicando que a configuração nele aplicada adequou-se melhor ao modelo teórico. Os valores de (D/μL) e (D/μL) G obtidos para os modelos DPI e DGI indicaram ocorrência de dispersão moderada em ambas configurações (valores entre 1 e 0,1). No entanto, os menores valores de (D/μL) e (D/μL) G e os valores mais elevados de R 2 obtidos no estudo 1 indicaram que esta configuração apresentou melhor desempenho e aproximou-se mais dos modelos teóricos. CONCLUSÕES A avaliação das curvas DTR, dos parâmetros obtidos pelos modelos N-CSTR, DPI, DGI, dos indicadores propostos por Rebhum & Argaman e dos coeficientes de correlação indicaram coerência entre si., com todos indicando que a resposta obtida no estudo 1 foi mais satisfatória que aquela obtida no estudo 2. Verificou-se assim pelo estudo hidrodinâmico do sistema combinado FA-BAS que, embora ambas configurações estudadas tenham indicado uma forte tendência ao fluxo pistonado e uma dispersão moderada, matematicamente esta tendência foi maior quando aplicou-se a combinação de fluxo ascendente-ascendente. Esta configuração foi então adotada para operação do sistema durante as fases posteriores da pesquisa REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. NOUR, E.A.A.; CORAUCCI Fº;B.; FIGUEIREDO, R.F.; STEFANUTTI, R.; CAMARGO, S.A.R. (2000) Estudo hidrodinâmico de um filtro anaeróbio utilizando bambu com meio suporte. In Tratamento de esgotos sanitários por disposição controlada no solo - José Roberto Campos (coordenador) São Paulo PROSAB 348p. 2. LEVENSPIEL, O (1974), Engenharia das reações químicas. Ed.Edgar Blucher Ltda, São Paulo 3. REBHUM, M.; ARGAMAN, Y. (1965). Evaluation of hidraulic efficiency of sedimentation basis, ASCE Journal of Sanitary Engineering, v 91, n.5, p37-45. 4. BILLO, E.J.(1997). Excel for chemists: a comprehensive guide. Wiley-VHC Inc., USA 454p. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6