carvalhousp uasb

RESPOSTA DINMICA DE REATOR UASB EM

ESCALA PILOTO SUBMETIDO A CARGAS

ORGNICAS E HIDRULICAS CCLICAS: MODELOS MATEMTICOS E RESULTADOS EXPERIMENTAIS

KARINA QUERNE DE CARVALHO

Tese apresentada Escola de Engenharia de So Carlos

da Universidade de So Paulo, como parte dos requisitos

para obteno do ttulo de Doutor em Engenharia Civil

rea: Hidrulica e Saneamento.

ORIENTADOR: Prof. Titular EDUARDO CLETO PIRES

So Carlos

-2006-

Ficha catalogrfica preparada pela Seo de Tratamento da Informao do Servio de Biblioteca EESC/USP

Nenhum vento ser favorvel quele navio que no souber em

qual porto atracar.

(annimo)

Aos meus pais Olivia e Dacymar...

meus grandes exemplos de vida

Aos meus irmos Thales e Caio...

meus dois amores

AGRADECIMENTOS

A Deus pela vida...

Ao Professor Dr. Eduardo Cleto Pires pela orientao desta tese, confiana, incentivo e amizade, sem os quais esse trabalho no teria sido desenvolvido.

Ao Professor Dr. Marcelo Zaiat pelo exemplo de pesquisador e educador, pela solidariedade e importantes sugestes no desenvolvimento dessa pesquisa.

amiga Dra. Andra Paula Buzzini pela amizade, ateno e importantes sugestes no desenvolvimento deste trabalho.

Aos co-orientadores estrangeiros Professores Dr. Jurg Keller e Dr. Zhiguo Yuan pela oportunidade de aprendizado com o grupo do Advanced Wastewater Management Centre da Universidade de Queensland/Brisbane/Austrlia.

Professora Lusa Fernanda Ribeiro Reis pela confiana e pelo espao cedido no Laboratrio de Simulao do Departamento de Hidrulica e Saneamento.

Aos Professores Antonio Carlos Peralta e Roberto Cruz Lessa do Departamento de Engenharia Civil da Universidade Estadual de Maring por me incentivarem a seguir esse caminho.

V Erna e V Maria (in memorian) pelo amor incondicional e pelos sbios ensinamentos.

A Fernando Hermes Passig pelo companheirismo, ensinamentos, ateno, carinho, amor.

Aos amigos capixabas Monique Toledo Salgado e Sergio Ricardo Toledo Salgado pela amizade e companheirismo compartilhados durante o mestrado e doutorado.

s amigas queridas que aqui encontrei: Monique Toledo Salgado, Luciana Silva Peixoto, Andra Paula Buzzini, Lara Steil; Luana Maria Marelli, Svia Gavazza dos Santos, Glauce Pereira, Anna Paola Bubel, Cscia Suassuna, Adelena Maia, Ktia,

Cludia Megda, Cristina Iamamoto, Alessandra e Giselda Bragana Mendes, Larissa Olmo Villela, Liliane Lazzari Albertini, Isabel Sakamoto e Juclia Cabral Mendona com quem tive o prazer de compartilhar momentos de alegria, amizade e afeto.

Aos amigos maringaenses Karina e Pedro Donida, Ana Raquel Santos, Adriana Zafanelli Dias dos Reis, Ricardo Gonalves Dias, Jaqueline Kelly Rabassi, Alexsandra Schwederke e Roslia Honda que mesmo distantes me incentivaram na

busca por essa conquista.

Aos amigos Sergio Ricardo Toledo Salgado, Thiago Jos Momenti, Francisco Glucio Cavalcanti, Leonardo Barra Santana, Leonardo Vieira Soares, Pedro Ivo dos

Santos, Joo Moreira, Andr, Alexandre Kepler, Renato Siman, Sergio Siebra Moreira e Fernando Colombo.

Aos amigos australianos Janani Moha, Glsum Yulmaz, Vel Vadivelu, Monica

Barbu, Leah e Dana Foley, Mec, Bernardino Virdis, You Day, Cristal e Melvin, Penina e Roberto, Stphanie Bohanne, Maithe, Felippo Fiorani e Stefano Freguia.

Aos amigos Jos Antnio Tosta e Klebber Formiga pelas importantssimas explicaes de programao no Matlab.

Aos amigos Anita, Cssia e Cludio Antonio Lima, Ana Clara, Samantha e Rogers Ribeiro, Olga e Francisco Vela, Silvana, Gabriel e Marcelo Zaiat.

Aos colegas do grupo de anaerbios: Professora Dra. Maria Bernardete Varesche, Professora Dra. Elizabeth Moraes, Maria ngela Talarico Adorno, Dra. Elosa Pozzi, Marilu Parsekian, Bruna Soares, Leondia Daniel, Ktia, Iolanda Duarte, Estela

Oprime, Eduardo Cattony, Jos Alberto Leite, Ariovaldo da Silva, Arnaldo Sarti, Julia, Luciana, Gustavo e Andr Campos, Flvia Talarico Saia, Neyson Mendona,

Ana Paula Miqueleto, Daniela , Douglas Silva, Aurlio Picano, Mrcia Damianovic,

Maria Magdalena Ferreira Ribas, Alexandre Colzi, Luis Hamilton, Katt e Lucas Garbossa, Gabriel Souto, Gunther e Adriana Brucha, Mrcia Domingues, Flvio

Bentes Freire, Leonardo Damasceno, Rodrigo Moruzzi, Kelly Rodrigues, pelo apoio e excelente convvio.

Aos funcionrios do Departamento de Hidrulica e Saneamento, S, Pavi, Rose, Bruno, Flvia, Fernanda, Mrcia Campos, Andr Canale Garcia, Srgio Doricci, Roberto Bergamo, Valdecir Arruda, Paulo Fragicomo, Maria Aparecida Peres Vives, Ana Paula Paim, Teresinha e Wagner Lamon pela gentileza e atendimento,

meus sinceros agradecimentos.

Ao Departamento de Hidrulica e Saneamento e a todos os professores por toda a ajuda.

Fundao de Amparo e Pesquisa do Estado de So Paulo pela bolsa de doutorado que proporcionou a realizao deste trabalho.

Capes pela bolsa de estgio de doutorado na Universidade de Queensland na Austrlia.

A todos aqueles que contriburam, direta ou indiretamente, para a realizao deste trabalho.

SUMRIO

LISTA DE FIGURAS ........................................................................................................................... I

LISTA DE TABELAS........................................................................................................................ VI

LISTA DE SMBOLOS E ABREVIATURAS................................................................................. IX

RESUMO ........................................................................................................................................XVII

ABSTRACT.................................................................................................................................. XVIII

1. INTRODUO .................................................................................................................. 1

2. OBJETIVOS....................................................................................................................... 3

3. REVISO DE LITERATURA.......................................................................................... 4

3.1 REATORES UASB (UPFLOW ANAEROBIC SLUDGE BLANKET) ............................................ 4 3.2 COMPORTAMENTO DE REATORES ANAERBIOS SUBMETIDOS A CARGAS DE

CHOQUE ............................................................................................................................. 9 3.2.1 VARIAES NA VAZO E COMPOSIO DOS ESGOTOS AO LONGO DO DIA...10 3.2.2 EFEITOS DAS VARIAES DAS CARGAS ORGNICAS E HIDRULICAS ............11 3.2.3 EFEITO DA DURAO E FREQNCIA DOS DISTRBIOS ..................................16

3.3 MODELOS MATEMTICOS............................................................................................24 3.4 ANAEROBIC DIGESTION MODEL NO 1 ........................................................................30

4. MATERIAL E MTODOS..............................................................................................34 4.1 PARTE EXPERIMENTAL.................................................................................................34

4.1.1 ETAPA I ........................................................................................................................35 4.1.1.1 REATOR UASB EM ESCALA PILOTO (146 L) ........................................................... 35

4.1.2 ETAPA II .......................................................................................................................37 4.1.2.1 REATOR UASB EM ESCALA PILOTO (160 L) ........................................................... 37

4.1.3 SUBSTRATO .................................................................................................................38

4.1.4 INCULO .....................................................................................................................40 4.1.5 OPERAO E MONITORAMENTO DO REATOR UASB ...........................................41

4.1.5.1 OPERAO DO REATOR UASB.................................................................................. 41 4.1.5.2 MONITORAMENTO DO REATOR ............................................................................... 43 4.1.5.3 EXAMES MICROBIOLGICOS.................................................................................... 46 4.1.5.4 ENSAIOS DE ATIVIDADE METANOGNICA............................................................ 47 4.1.5.5 ANLISE DA COMUNIDADE MICROBIANA ............................................................ 48

4.1.6 ENSAIOS HIDRODINMICOS ....................................................................................49 4.2 PARTE TERICA ..............................................................................................................51

4.2.1 MODELO DE DIGESTO ANAERBIA (ADM1) .......................................................52 4.2.1.1 PROCESSOS EXCLUDOS DO MODELO ADM1........................................................ 56

4.2.1.2 MODELOS DE INIBIO.............................................................................................. 56 4.2.1.3 EFEITO DA TEMPERATURA........................................................................................ 59 4.2.1.4 PROCESSOS FSICO-QUMICOS ................................................................................. 59 4.2.1.5 BALANO DE CARGA.................................................................................................. 60 4.2.1.6 EFEITO DO pH................................................................................................................ 63 4.2.1.7 ESTRUTURA DO MODELO .......................................................................................... 63 4.2.1.8 VARIVEIS DE ESTADO DINMICO......................................................................... 64 4.2.1.9 MATRIZ DE EQUAO DE TAXA .............................................................................. 64 4.2.1.10 CLCULO DAS DERIVADAS....................................................................................... 67 4.2.1.11 VARIVEIS DE ESTADO DOS GASES........................................................................ 67 4.2.1.12 EQUILBRIO DO PAR CIDO/BASE ........................................................................... 68 4.2.1.13 TESTES DE CONSISTNCIA ........................................................................................ 68 4.2.1.14 BALANO DE DEMANDA QUMICA DE OXIGNIO (DQO) .................................. 69 4.2.1.15 BALANO DE CARBONO ............................................................................................ 69 4.2.1.16 BALANO DE NITROGNIO ....................................................................................... 70 4.2.1.17 APLICAO ................................................................................................................... 70 4.2.1.18 ESTIMATIVA DE PARMETROS ................................................................................ 70 4.2.1.19 APLICAO DOS DADOS EXPERIMENTAIS NO MODELO ADM1....................... 72 4.2.1.20 PARMETROS DE SIMULAO................................................................................. 72 4.2.1.21 INPUTDATA ................................................................................................................... 73 4.2.1.22 S-FUNCTION ADM13 ................................................................................................. 74

4.3 MODELO MATEMTICO SIMPLIFICADO APRIMORADO (MMS) ...........................74

5. RESULTADOS E DISCUSSO ......................................................................................81

5.1 CARACTERIZAAO DO ESGOTO SANITRIO...........................................................................82 5.2 OPERAO DO REATOR UASB (146 L) ETAPA I; .............................................................87 5.3 OPERAO DO REATOR UASB (160 L) ETAPA II; ............................................................95 5.4 INFLUNCIA DA VARIAO SENOIDAL CCLICA DA VAZO MDIA AFLUENTE EM 40% NO

COMPORTAMENTO DO REATOR UASB (160 L) ETAPA III;.............................................102 5.5 INFLUNCIA DA VARIAO SENOIDAL CCLICA DA VAZO MDIA AFLUENTE EM 60% NO

COMPORTAMENTO DO REATOR UASB (160 L) ETAPA IV; ............................................111 5.6 COMPARAO ENTRE AS ETAPAS DE OPERAO ...............................................119 5.7 EXAMES MICROBIOLGICOS.....................................................................................122 5.8 ENSAIOS DE ATIVIDADE METANOGNICA ...........................................................................127 5.9 ENSAIOS DA COMUNIDADE MICROBIANA............................................................................131 5.10 ENSAIOS HIDRODINMICOS ......................................................................................133 5.11 CALIBRAO DO MODELO ADM1 .......................................................................................139 5.12 CALIBRAO E VALIDAO DO MODELO MMS ...............................................................150

6. CONCLUSES E SUGESTES ...................................................................................159

7. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ..........................................................................167

8. APNDICE......................................................................................................................180

8.1 PROCESSOS EXCLUDOS DO MODELO ADM1.........................................................180 8.2 PROCESSOS FSICO-QUMICOS ..................................................................................181 8.3 ROTINA COMPUTACIONAL DO MODELO MMS ......................................................191

i

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. a) Reator UASB e pontos de coleta de amostras. b) Sistema de coleta de gs. c) Medidor de biogs.........................................................................36

Figura 2. Tanques de armazenamento.....................................................................37 Figura 3. Reator UASB com novo separador de fases .............................................38 Figura 4. Lodo anaerbio granular utilizado como inculo ....................................40 Figura 5. Variaes senoidais da vazo mdia afluente com amplitudes de 40% e de

60%..........................................................................................................43 Figura 6. Seqncia de processos da digesto anaerbia de macro molculas

complexas. Fonte: adaptado de Batstone et al. (2002a,b) .........................53 Figura 7. Representao visual em Matlab/Simulink do modelo ADM1 ..................72 Figura 8. Dados de entrada do modelo ADM1........................................................73 Figura 9. Esquema conceitual do reator UASB (a) e das converses do substrato (b)

para desenvolvimento do modelo matemtico (SC a concentrao de substrato solvel e XB a concentrao da biomassa ativa). Fonte: adaptado de Dochain e Vanrolleghem (2001) ..........................................................76

Figura 10. Valores de DQO para os componentes do substrato (500 mg.L-1), sendo: E extrato de carne em pasta; A amido de milho; A+E soluo de amido de milho e extrato de carne; A+E+O+D soluo de amido de milho, extrato de carne, leo e detergente ................................................83

Figura 11. Perfil temporal de degradao mdia de DQO nos tanques de armazenamento ........................................................................................83

Figura 12. Fluxograma da distribuio percentual da concentrao de slidos no afluente do reator UASB...........................................................................85

Figura 13.Caracterizao do substrato (mdia horria) do reator UASB: a) pH, b) alcalinidade a bicarbonato, c) DQO bruta, d) DQO filtrada, e) concentrao de slidos totais, f) concentrao de slidos suspensos totais. *O tempo 0 dos grficos corresponde s 9h..............................................86

Figura 14. Resultados do perfil temporal de 24 h do reator: a) pH, b) alcalinidade a bicarbonato, c) concentrao de cidos volteis, d) DQO bruta, e) DQO filtrada, f) concentrao de slidos suspensos totais, g) concentrao de

ii

slidos suspensos volteis, h) relao SSV/SST (ETAPA I TDH = 8h; Vasc = 0,26 m.h-1). *O tempo 0 dos grficos corresponde s 9h. ..............88

Figura 15. Resultados do perfil de 24 h de amostragem temporal do reator a) pH, b) alcalinidade a bicarbonato, c) concentrao de cidos volteis, d) DQO bruta, e) DQO filtrada, f) concentrao de slidos suspensos totais, g) concentrao de slidos suspensos volteis, h) relao SSV/SST (ETAPA I TDH = 8h; Vasc = 0,26 m.h-1). *O tempo 0 dos grficos corresponde s 9h. ............................................................................................................92

Figura 16. Resultados do perfil de 24 h de amostragem temporal do reator no dia 304 dia a) pH, b) alcalinidade a bicarbonato, c) concentrao de cidos volteis, d) DQO bruta, e) DQO filtrada, f) concentrao de slidos suspensos totais, g) concentrao de slidos suspensos volteis, h) relao SSV/SST. (ETAPA II TDH = 10h; Vasc = 0,23 m.h-1). *O tempo 0 dos grficos corresponde s 9h.......................................................................97

Figura 17. Resultados do perfil de 24 h de amostragem temporal do reator no dia 309 a) pH, b) alcalinidade a bicarbonato, c) concentrao de cidos volteis, d) DQO bruta, e) DQO filtrada, f) concentrao de slidos suspensos totais, g) concentrao de slidos suspensos volteis, h) relao SSV/SST. (ETAPA II TDH = 8h; Vasc = 0,23 m.h-1). *O tempo 0 dos grficos corresponde s 9h.....................................................................100

Figura 18. Resultados do perfil de 24 h de amostragem temporal do reator no dia 320 a) pH, b) alcalinidade a bicarbonato, c) concentrao de cidos volteis, d) DQO bruta, e) DQO filtrada, f) concentrao de SST, g) concentrao de SSV, h) relao SSV/SST, i) carga orgnica, j) relao COe/COa (ETAPA III TDH e Vasc = varivel). *O tempo 0 dos grficos corresponde s 8h. .................................................................................104

Figura 19. Resultados do perfil de 24 h de amostragem temporal do reator do dia 344 a) pH, b) alcalinidade a bicarbonato, c) concentrao de cidos volteis, d) DQO bruta, e) DQO filtrada, f) concentrao de SST, g) concentrao de SSV, h) relao SSV/SST (ETAPA III TDH e Vasc = varivel)*O tempo 0 dos grficos corresponde s 9h..............................108

iii

Figura 20. Resultados do perfil de 24 h de amostragem temporal do reator no dia 349 a) pH, b) alcalinidade a bicarbonato, c) concentrao de cidos volteis, d) DQO bruta, e) DQO filtrada, f) concentrao de slidos suspensos totais, g) concentrao de slidos suspensos volteis, h) relao SSV/SST, i) carga orgnica, j) relao COe/COa (ETAPA IV TDH e Vasc = varivel).*O tempo 0 dos grficos corresponde s 9h. ........................112

Figura 21. Resultados do perfil de 24 h de amostragem temporal do reator do dia 370 a) pH, b) alcalinidade a bicarbonato, c) concentrao de cidos volteis, d) DQO bruta, e) DQO filtrada, f) concentrao de slidos suspensos totais, g) concentrao de slidos suspensos volteis, h) relao SSV/SST (ETAPA IV TDH e Vasc = varivel).*O tempo 0 dos grficos corresponde s 9h. .................................................................................116

Figura 22. Comparao entre os perfis de 24 h de amostragem temporal do reator operado com vazo mdia afluente (Qmd) e submetido a variaes de vazo de 40% (40%*Qmd) e de 60% (60%*Qmd). a) pH, b) alcalinidade a bicarbonato, c) concentrao de cidos volteis, d) DQO afluente, e) concentrao de slidos suspensos, f) produo de gs metano (CH4). *O tempo 0 dos grficos corresponde s 9 h; (a), (e) e (g) correspondem a afluente, efluente e gs. ..........................................................................121

Figura 23. Fotomicrografia das principais morfologias do inculo do reator UASB: a) arquias metanognicas semelhantes a Methanosaeta sp.; b) aglomerado de cocos; c), d), e) e f) bacilos, filamentos e cocos ..............124

Figura 24. Fotomicrografia das principais morfologias encontrados nos grnulos do lodo no 286 dia de operao do reator UASB: a) arquias metanognicas semelhantes a Methanosaeta sp., bacilos, vibrios, cocos; b) bacilos fluorescentes; c) aglomerado de cocos e bacilos; d) bacilos com incrustaes, e) espirilo, vibrios, bacilos; f) arquias metanognicas semelhantes a Metanosarcina sp. ...........................................................125

Figura 25. Fotomicrografia das principais morfologias encontradas nos grnulos do lodo no 342 dia de operao do reator UASB: a) espirilo; b) filamentos; c) bacilos; d) bacilos em cadeia .................................................................126

iv

Figura 26. Fotomicrografia das principais morfologias encontradas nos grnulos do lodo no 372 dia de operao do reator. a) bacilos; b) arquias metanognicas semelhantes a Metanosaeta sp.; c) filamentos, cocos, vibrios, bacilos; d) cocos e bacilos .........................................................127

Figura 27. Pontos de coleta do reator UASB utilizados nos ensaios de AME ........128 Figura 28. Fotomicrografia das morfologias predominantes na populao

microbiana presente em trs alturas (Ualt1, 2 e 3) do reator UASB em trs condies operacionais (Qconstante, Q40% e Q60%): a) bacilos, espirilos e vibrios; b) arquias metanognicas semelhantes ao gnero Methanosarcina sp.; c) bacilos, cocos, arquias metanognicas semelhantes ao gnero Methanosaeta sp.; d) bacilos fluorescentes. Aumento 1500x...................129

Figura 29. Perfil de bandas no DGGE com primers para o domnio Archaea (1100 FGC e 1400 R) das populaes microbianas presentes em trs pontos do reator em trs condies operacionais (Qconstante, Q40% e Q60%). Os pontos 2, 3 e 4 correspondem aos pontos de coleta 1, 2 e 3....................................132

Figura 30. Perfil de bandas no DGGE com primers para o domnio Bacteria (968 FGC e 1392 R) das populaes microbianas presentes em trs pontos do reator UASB em trs condies operacionais (Qconstante, Q40% e Q60%). Os pontos 2, 3 e 4 correspondem aos pontos de coleta 1, 2 e 3.....................132

Figura 31. Curvas de variao da concentrao de eosina Y ao longo do tempo nas amostras do efluente do reator para os ensaios de estmulo-resposta: vazo afluente constante - a) ensaio 1; b) ensaio 2; variao de 40% da vazo afluente - c) ensaio 3; d) ensaio 4; variao de 60% da vazo afluente - e) ensaio 5..................................................................................................134

Figura 32. Curvas de DTR obtidas experimentalmente com uso de eosina Y em diferentes condies operacionais do reator UASB: vazo afluente constante - a) ensaio 1; b) ensaio 2; variao de 40% da vazo afluente - c) ensaio 3; d) ensaio 4; variao de 60% da vazo afluente - e) ensaio 5. dados experimentais; -----pequena disperso; N-CSTR em srie;

grande disperso...........................................................................138

Figura 33. Procedimento de estimativa para identificao de parmetros ............140

v

Figura 34. Valores de a) DQO bruta, b) pH, c) concentrao de cidos volteis, d) alcalinidade a bicarbonato dos resultados observados e calculados (calc 1 - c = 0,4 d; calc 2 - c = 50 d; calc 3 - c = 100 d) para o efluente....148

Figura 35. Resultados da variao de DQO efluente ao longo do tempo observados e calculados nos perfis de 24 h de amostragem temporal do reator: ETAPAS I e II (TDH e Vasc = constante) a) perfil 1; b) perfil 2; c) perfil 3 ..........153

Figura 36. Resultados da variao de DQO efluente ao longo do tempo observados e calculados nos perfis de 24 h de amostragem temporal do reator: ETAPAS I e II (TDH e Vasc = constante) a) perfil 4; ETAPA III (TDH, Vasc varivel, 40%Q) b) perfil 6; ETAPA IV c) perfil 8 ..................................154

Figura 37. Resultados da variao de DQO efluente ao longo do tempo observados e calculados nos perfis de 24 h de amostragem temporal do reator: a) perfil 1 (TDH = 6 h; Vasc = 0,78 m.h-1); b) perfil 2 (TDH = 6 h, Vasc = 1,71 m.h-1, qr = 50%Q)..................................................................................157

vi

LISTA DE TABELAS

Tabela 1. Algumas vantagens e desvantagens dos processos anaerbios (reator UASB) em relao aos processos aerbios convencionais ..........................5

Tabela 2. Aplicaes de reatores UASB no tratamento de esgotos sanitrios ............6 Tabela 3. Composio do esgoto sinttico para DQO mdia igual a 300mg.L-1 ......39 Tabela 4. Etapas de operao do reator UASB .......................................................41 Tabela 5. Parmetros analisados, seus respectivos mtodos e metodologia utilizada45 Tabela 6. Parmetros analisados e suas freqncias (partida do reator) ................45 Tabela 7. Caractersticas dos ensaios de estmulo-resposta realizados no reator

UASB .......................................................................................................50

Tabela 8. Modelos hidrodinmicos uniparamtricos de disperso (LEVENSPIEL, 1999)........................................................................................................51

Tabela 9. Formas de inibio..................................................................................57 Tabela 10. Coeficientes de equilbrio do par cido/base (pKa) ................................60 Tabela 11. Coeficientes bioqumicos (i,j) e equaes cinticas (j) para os

compostos solveis (i=1-12; j=1-19)........................................................65 Tabela 12. Coeficientes bioqumicos (i,j) e equaes cinticas (j) para os

compostos particulados (i=13-24; j=1-19)...............................................66 Tabela 13. Equaes de balano de massa dos compartimentos 1 a 4 .....................77 Tabela 14. Simbologia empregada, valores numricos dos parmetros do modelo e

unidades...................................................................................................78 Tabela 15. Equaes de balano de massa dos compartimentos 1 a 4 .....................79 Tabela 16. Simbologia empregada, valores numricos dos parmetros do modelo e

unidades...................................................................................................80 Tabela 17. Caractersticas do esgoto sanitrio e do substrato afluente ao reator

UASB (monitoramento) ............................................................................84 Tabela 18. Composio tpica do esgoto sanitrio ..................................................85 Tabela 19. Resumo das caractersticas do substrato do reator UASB (perfis

temporais de amostragem - 1 a 8) ............................................................87

vii

Tabela 20. Resumo dos resultados obtidos no perfil de 24 h do 181 dia de operao (ETAPA I TDH = 8h; Vasc = 0,26 m.h-1)...............................................91

Tabela 21. Resumo dos resultados obtidos no perfil de 24 h do 189 dia de operao (ETAPA I TDH = 8h; Vasc = 0,26 m.h-1)...............................................95

Tabela 22. Resumo dos resultados obtidos no perfil de 24 h do 304 dia de operao (ETAPA II TDH = 10h; Vasc = 0,23 m.h-1) ...........................................99

Tabela 23. Resumo dos resultados obtidos no perfil de 24 h do 309 dia de operao (ETAPA II TDH = 10h; Vasc = 0,23 m.h-1) .........................................102

Tabela 24. Resumo dos resultados obtidos no perfil de 24 h do 320 dia de operao (ETAPA III TDH e Vasc = varivel) ....................................................107




Tabela 28. Resumo dos resultados obtidos nos perfis de 24 h dos dias 304, 344 e 370 de operao (ETAPAS I, II e III) ....................................................120

Tabela 29. Atividade metanognica aparente (AMA), atividade metanognica especfica (AME) e atividade no controle DV (em mmolCH4.g-1SV.d-1) encontradas para as populaes microbianas presentes em trs pontos do reator UASB operado em diferentes condies operacionais (Qconstante, Q40% e Q60%) ...................................................................................................130

Tabela 30. Eficincias alcanadas pelo reator UASB tratando substrato nas trs condies operacionais: vazo mdia afluente constante (Qconstante), variao senoidal da vazo mdia afluente em 40% (Q40%) e em 60% (Q60%).....................................................................................................131

Tabela 31. Parmetros obtidos com o ajuste dos dados experimentais para reator UASB .....................................................................................................136

Tabela 32. Coeficientes de correlao obtidos com o ajuste dos resultados experimentais pelos modelos tericos.....................................................137

Tabela 33. Parmetros estequiomtricos (calculados e sugeridos)........................141

viii

Tabela 34. Estimativa dos contedos de carbono e de nitrognio presentes na composio do substrato ........................................................................142

Tabela 35. Valores de parmetros sugeridos por Batstone et al. (2002a, b) ..........143 Tabela 36. Valores e unidades das variveis de estado do substrato (afluente) e do

efluente (vetor de inicializao)..............................................................144 Tabela 37. Condies operacionais aplicadas nas simulaes do ADM1, resultados

observados (experimentalmente) e calculados nas simulaes................145 Tabela 38. Equaes da variao de DQO ao longo do tempo, coeficientes de

correlao e valores otimizados de k1.....................................................151 Tabela 39. Resumo do conjunto de valores de DQO efluente (observado e calculado)

ao longo do tempo nos perfis 1, 2, 3, 4, 6 e 8 ..........................................156 Tabela 40. Equaes da variao de DQO ao longo do tempo, coeficientes de

correlao e valores otimizados de k1 para dados de Passig (2005) .......156 Tabela 41. Resumo do conjunto de valores de DQO efluente observado e calculado)

ao longo do tempo nos perfis 1 e 2 .........................................................158 Tabela 42. Rotina do arquivo reator.m do modelo MMS .......................................192 Tabela 43. Rotina do arquivo reator16.m do modelo MMS ...................................193

ix

LISTA DE SMBOLOS E ABREVIATURAS Ac- on acetato ADM1 Anaerobic Digestion Model no 1 AGV cidos graxos volteis, [M].[L]-3 AME Atividade metanognica especfica ASM1 Anaerobic Sludge Model 1 Bu- on butirato C(t) Curvas experimentais de concentrao Ca2+ on clcio CaCO3 Carbonato de clcio, [M].[L

-3]

Cl- on de cloro CO2 Gs carbnico CH4 Gs metano C_su Contedo de carbono presente nos monossacardeos, [mol C].[L-3] C_aa Contedo de carbono presente nos aminocidos, [mol C].[L-3] C_fa Contedo de carbono presente nos cidos graxos, [mol C].[L-3] C_va Contedo de carbono presente no valerato, [mol C].[L-3] C_bu Contedo de carbono presente no butirato, [mol C].[L-3] C_pro Contedo de carbono presente no propionato, [mol C].[L-3] C_ac Contedo de carbono presente no acetato, [mol C].[L-3] C_ch4 Contedo de carbono presente no metano, [mol C].[L-3] C_sI Contedo de carbono presente nos inertes solveis, [mol C].[L-3] C_xc Contedo de carbono presente nos compostos particulados, [mol C].[L-3] C_ch Contedo de carbono presente nos carboidratos, [mol C].[L-3] C_pr Contedo de carbono presente nas pretenas, [mol C].[L-3] C_li Contedo de carbono presente nos lipdeos, [mol C].[L-3] C_bac Contedo de carbono presente nos microrganismos, [mol C].[L-3] C_xI Contedo de carbono presente nos inertes particulados, [mol C].[L-3] DBO Demanda Bioqumica de Oxignio, [M].[L-3] DGGE Denaturing gel eletrophoresis gradient DQO Demanda Qumica de Oxignio, [M].[L-3] DNA cido dezoxiribonuclico DNAr 16S cido dezoxiribonuclico E Curvas de distribuio do tempo de deteno hidrulica

x

EDO Equaes diferenciais ordinrias

EESC Escola de Engenharia de So Carlos f_sI_xc parcela de material inerte solvel nos compostos f_xI_xc parcela de material inerte particulado nos compostos f_bu_su parcela de butirato proveniente dos monossacardeos f_li_xc parcela de lipdeos nos compostos f_h2_su parcela de hidrognio proveniente dos monossacardeos

f_pr_xc parcela de protenas nos compostos f_ch_xc parcela de carboidratos nos compostos f_fa_li parcela de cidos graxos proveniente dos lipdeos f_h2_aa parcela de hidrognio proveniente dos aminocidos f_va_aa parcela de valerato proveniente dos aminocidos f_pro_aa parcela de propionato proveniente dos aminocidos f_ac_aa parcela de acetato proveniente dos aminocidos f_pro_su parcela de propionato proveniente dos monossacardeos f_ac_su parcela de acetato proveniente dos monossacardeos f_bu_aa parcela de butirato proveniente dos aminocidos GD Modelo terico uniparamtrico de grande intensidade HAc cido Actico, [M].[L-3] HBu cido Butrico, [M].[L-3] HCO3- Bicarbonato HPr cido Propinico, [M].[L-3] HVa cido Valrico, [M].[L-3] H2 Gs hidrognio H2S Gs sulfdrico HS cido sulfrico IQWA International Quality Water Association IWA International Water Association

K Matriz pseudo-estacionria K_a_va coeficiente de equilbrio cido/base, [mol].[L-3] K_a_bu coeficiente de equilbrio cido/base, [mol].[L-3] K_a_pro coeficiente de equilbrio cido/base, [mol].[L-3] K_a_ac coeficiente de equilbrio cido/base, [mol].[L-3] K_a_co2 coeficiente de equilbrio cido/base, [mol].[L-3] K_a_IN coeficiente de equilbrio cido/base, [mol].[L-3]

xi

k_dis Constante cintica de 1a ordem para processo de desintegrao do composto particulado, [T-1]

k_hyd_ch Constante cintica de 1a ordem para processo de hidrlise de carboidratos, [T-1] k_hyd_pr Constante cintica de 1a ordem para processo de hidrlise de protenas, [T-1] k_hyd_li Constante cintica de 1a ordem para processo de hidrlise de lipdeos, [T-1] k0 Constante cintica de ordem zero, [M3].[L-1].[T-1] k1 Constante cintica aparente de primeira ordem, [T-1] KI Constante de inibio kd Coeficiente de decaimento, [T-1]

k_dec_Xsu Constante cintica de 1a ordem para processo de decaimento celular (monossacardeos), [T-1]

k_dec_Xaa Constante cintica de 1a ordem para processo de decaimento celular (aminocidos), [T-1]

k_dec_Xfa Constante cintica de 1a ordem para processo de decaimento celular (cidos graxos), [T-1]

k_dec_Xc4

Constante cintica de 1a ordem para processo de decaimento celular (degradadores de monossacardeos), [T-1]

k_dec_Xpro

Constante cintica de 1a ordem para processo de decaimento celular (propionato), [T-1]

k_dec_Xac

Constante cintica de 1a ordem para processo de decaimento celular (acetato), [T-1]

k_dec_Xh2

Constante cintica de 1a ordem para processo de decaimento celular (gs hidrognio), [T-1]

K_S_IN Constante de meia saturao, [M].[L-3] Ks Constante de saturao de substrato, [M].[L-3]

k_m_su Velocidade mxima especfica de consumo de monossacardeos, [M].[L-3].[M-1].[T-1]

K_S_su Constante de meia saturao, [M].[L-3]

k_m_aa Velocidade mxima especfica de consumo de aminocidos, [M].[L-3].[M-1].[T-1]

K_S_aa Constante de meia saturao, [M].[L-3]

k_m_fa Velocidade mxima especfica de consumo de cidos graxos de cadeia longa,

[M].[L-3].[M-1].[T-1] K_S_fa Constante de meia saturao, [M].[L-3] K_Ih2_fa Concentrao de cidos graxos que inibem a produo de hidrognio, [M].[L-3]

xii

k_m_c4 Velocidade mxima especfica de consumo de valerato e butirato, [M].[L-3].[M-1].[T-1]

K_S_c4 Constante de meia saturao, [M].[L-3] K_Ih2_c4 Concentrao de cidos graxos que inibem a produo de hidrognio, [M].[L-3] k_m_pro Velocidade mxima especfica de consumo de propionato, [M].[L-3].[M-1].[T-1] K_S_pro Constante de meia saturao, [M].[L-3] K_Ih2_pro Concentrao de cidos graxos que inibem a produo de hidrognio, [M].[L-3] k_m_ac Velocidade mxima especfica de consumo de acetato, [M].[L-3].[M-1].[T-1] K_S_ac Constante de meia saturao, [M].[L-3] K_I_nh3 Concentrao de cidos graxos que inibem a produo de hidrognio, [M].[L-3]

k_m_h2 Velocidade mxima especfica de consumo de hidrognio, [M].[L-3].[M-1].[T-1]

K_S_h2 Constante de meia saturao, [M].[L-3] K_H_co2 coeficiente da Lei de Henry, [mol].[L-3].[bar-1] K_H_ch4 coeficiente da Lei de Henry, [mol].[L-3].[bar-1] K_H_h2 coeficiente da Lei de Henry, [mol].[L-3].[bar-1] kLa coeficiente de transferncia gs-lquido, [T-1] LPB Laboratrio de Processos Biolgicos LTR Laboratrio de Tratamento de Resduos MMS Modelo Matemtico Simplificado Mg2+ on magnsio

tM

Massa de substrato gerada/consumida por unidade de volume, [M].[L-3] N-CSTR Modelo terico uniparamtrico de tanques em srie Na+ on de sdio N_I concentrao de N no material inerte nos sistemas em batelada de lodo N_xc concentrao de N nos compostos e material inerte N_aa concentrao de N nos aminocidos e em parte das protenas N_bac concentrao de N na biomassa no sistema de lodo em batelada NaOH Hidrxido de sdio NH3 Amnia

N-NH4+ Nitrognio amoniacal, [M].[L-3] N-NTK Nitrognio total, [M].[L-3] PABR Reator anaerbio compartimentado PD Modelo terico uniparamtrico de pequena disperso PCP Pentaclorofenol, [M].[T-1]

xiii

PCR Polymerase Chain Reaction pH_UL_aa Limite superior da inibio por pH no consumo de aminocidos pH_LL_aa Limite inferior da inibio por pH no consumo de aminocidos pH_UL_ac Limite superior da inibio por pH no consumo de acetato pH_LL_ac Limite inferior da inibio por pH no consumo de acetato pH_UL_h2 Limite superior da inibio por pH no consumo de hidrognio pH_LL_h2 Limite inferior da inibio por pH no consumo de hidrognio P_gas_h2 presso parcial de gs hidrognio, [bar] P_gas_ch4 presso parcial de gs metano, [bar] P_gas_co2 presso parcial de gs carbnico, [bar] pH Potencial hidrogeninico Pr- on propionato P_atm presso atmosfrica, [bar] p_gas_h2o presso de vapor de gua, [bar] Q, q Vazo mdia afluente, [M3].[T-1]

Q

Vazo mdia afluente, [M3].[T-1]

inQ

Vazo afluente, [M3].[T-1]

outQ

Vazo efluente, [M3].[T-1] R2 Coeficiente de correlao (adimensional) ( )ra

Termo cintico dependente do tipo de modelo cintico empregado

R constante da Lei dos Gases, [bar].[L3].[mol-1].[T-1] RAFF Reator anaerbio de filme fixo RAHLF Reator anaerbio horizontal de leito fixo RC Reator de controle SDT Slidos dissolvidos totais, [M].[L-3] SDV Slidos dissolvidos volteis, [M].[L-3] SDF Slidos dissolvidos fixos, [M].[L-3] SS Slidos suspensos, [M]. [L-3] SSF Slidos suspensos fixos, [M].[L-3] SST Slidos suspensos totais, [M].[L-3] SSV Slidos suspensos volteis, [M].[L-3] ST Slidos totais, [M].[L-3] STV Slidos totais volteis, [M].[L-3]

xiv

STF Slidos totais fixos, [M].[L-3] Ssu Concentrao de monossacardeos na forma solvel, [M].[L-3] Saa Concentrao de aminocidos na forma solvel, [M].[L-3] Sfa Concentrao de cidos graxos na forma solvel, [M].[L-3] Sva Concentrao de cido valrico na forma solvel, [M].[L-3] Sbu Concentrao de cido butrico na forma solvel, [M].[L-3] Spro Concentrao de cido propinico na forma solvel, [M].[L-3] Sac Concentrao de cido actico na forma solvel, [M].[L-3] Sh2 Concentrao de gs hidrognio na forma lquida, [M].[L-3] SCH4 Concentrao de gs metano na forma lquida, [M].[L-3] SIC Concentrao de carbono inorgnico, [mol].[L-3] SIN Concentrao de nitrognio inorgnico, [mol].[L-3] SI Concentrao de inertes, [M].[L-3] t

Tempo, [T] T Temperatura, [C] Top temperature de operao, [K] T Perodo de ajuste de alimentao, [T-1] TCO Taxa de carregamento orgnica, [M].[L-3].[T-1] TDH / h Tempo de deteno hidrulica, [T-1] c Tempo de reteno celular, [T] TIC Trocador inico composto Teflon Fibra de politetrafluoretano

2

Varincia

UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket v

ou V volume do reator, [L3] Va- on valerato

V

Velocidade do escoamento atravs da superfcie de controle [M].[L-1]

V_liq volume do reator, [L-1] V_gas volume do gs, [L-1] Y Coeficiente de converso de biomassa (adimensional) Y_aa produo de biomassa a partir de aminocidos, [M].[M-1] Y_fa produo de biomassa a partir de cidos graxos de cadeia longa, [M].[M-1] Y_su produo de biomassa a partir de monossacardeos, [M].[M-1] Y_c4 produo de biomassa a partir de valerato e butirato, [M].[M-1]

xv

Y_pro produo de biomassa a partir de propionato, [M].[M-1] Y_ac produo de biomassa a partir de acetato, [M].[M-1] Y_h2 produo de biomassa a partir de hidrognio, [M].[M-1]

Freqncia da variao da vazo, [T-1]

in

Massa especfica do afluente, [M].[L-3]

out

Massa especfica do efluente, [M].[L-3]

Tempo adimensional

Fator de reteno de biomassa Comprimento de onda, [n].[L] Metade da amplitude decimal relativa da variao da vazo, (adimensional)

+CS

Concentrao equivalente total de ctions, [mol].[L-3]

AS

Concentrao equivalente total de nions, [mol].[L-3]

+4NH

S

Concentrao de on amnio, [mol N].[L-3]

+HS

Concentrao de on hidrognio, [mol H+].[L-3]

3HCOS

Concentrao de on carbonato, [mol C].[L-3]

AcS

Concentrao de on acetato, [M].[L-3]

PrS

Concentrao de on propionato, [M].[L-3]

BuS

Concentrao de on butirato, [M].[L-3]

VaS

Concentrao de on valerato, [M].[L-3]

OHS

Concentrao de on hidrxido, [M].[L-3]

2COS

concentrao de gs carbnico, [M].[L-3]

3NHS

concentrao de amnia, [mol N].[L-3]

faS

concentrao de cidos graxos volteis, [M].[L-3]

ICS

concentrao de carbono inorgnico, [mol].[L-3]

INS

concentrao de nitrognio inorgnico, [mol].[L-3] Xc concentrao de material particulado, [M].[L-3] Xch concentrao de carboidratos na forma particulada, [M].[L-3] Xpr concentrao de protenas na forma particulada, [M].[L-3] Xli concentrao de lipdeos na forma particulada, [M].[L-3]

xvi

Xsu concentrao de decompositores de monossacardeos, [M].[L-3] Xaa concentrao de decompositores de aminocidos, [M].[L-3] Xfa concentrao de decompositores de cidos graxos de cadeia longa, [M].[L-3] Xc4 concentrao de decompositores de valerato e butirato, [M].[L-3] Xpro concentrao de decompositores de propionato, [M].[L-3] Xac concentrao de decompositores de acetato, [M].[L-3] Xh2 concentrao de decompositores de hidrognio, [M].[L-3] Xi concentrao de inertes na forma particulada, [M].[L-3]

xvii

RESUMO

CARVALHO, K. Q. (2006). Resposta dinmica de reator UASB em escala piloto submetido a cargas orgnicas e hidrulicas cclicas: modelos matemticos e resultados experimentais. Tese (Doutorado) Escola de Engenharia de So Carlos, Universidade de So Paulo, So Carlos, 2006.

Poucos estudos so reportados na literatura sobre o comportamento dinmico do reator UASB submetido a variaes cclicas dirias, de cargas orgnicas e hidrulicas, em perodos curtos de durao - iguais ou menores que 24h, com os quais verifica-se queda na eficincia do reator, causada pela provvel flotao dos grnulos, problemas com gerao de odor e alta concentrao de slidos suspensos no efluente. Para melhor compreender a resposta dinmica desses reatores submetidos a essas variaes, foi desenvolvido o modelo MMS baseado no modelo hidrodinmico de mistura completa em reatores em srie, modelo cintico de 1 ordem para consumo de substrato e para crescimento da biomassa e equacionamentos empricos reportados na literatura. Esse modelo indicou a capacidade do reator de amortecer as variaes impostas e a influncia da cintica na eficincia de remoo da matria orgnica. Para calibrar e validar o MMS, foi avaliado o desempenho de um reator UASB (160 L) no tratamento de esgoto sanitrio municipal da cidade de So Carlos. Durante o perodo de operao, o reator foi submetido a variaes senoidais cclicas, de cargas orgnica e hidrulica, em valores inferiores e superiores a 40% e 60% da vazo afluente de 16,0 L.h-1. A produo mdia de gs metano e a eficincia mdia de remoo de DQO alcanadas pelo reator foram de aproximadamente: 1,83 L.h-1 e 61% para vazo afluente de 16 L.h-1, TDH de 10 h e velocidade ascensional de 0,23 m.h-1; 2,24 L.h-1 e 48% para variao cclica de 40% e 2,97 L.h-1 e 40% para variao cclica de 60%. O MMS indicou faixa de valores para a DQO efluente com diferena em relao aos resultados observados experimentalmente - de 37% para vazo afluente constante de 16 L.h-1 e 59% e 56% para variaes senoidais cclicas de 40% e 60% da vazo afluente, respectivamente devido limitao do modelo em considerar o arraste de slidos no efluente que ocorreu ao longo de toda a operao do reator e mais acentuadamente quando foram aplicadas variaes da vazo afluente. O modelo ADM1 proposto por Batstone et al. (2002a,b) apresentou menor similaridade com os resultados observados experimentalmente por no contemplar a variao horria e diria de alguns parmetros de entrada, mas apenas a mdia aritmtica dos valores.

Palavras Chave: comportamento dinmico, variao cclica da vazo, carga orgnica, carga hidrulica, modelao matemtica, UASB.

xviii

ABSTRACT

CARVALHO, K. Q. (2006). Dynamic response of a UASB reactor submitted to organic and hydraulic cyclical loads: mathematical models and experimental results. Ph.D. Thesis Escola de Engenharia de So Carlos Universidade de So Paulo, So Carlos, 2006.

There are no extensive reports on the dynamic behaviour of UASB reactor submitted to cyclical daily variations of organic and hydraulic loads of short periods of time - equal to or shorter than 24 hours - that can damage the reactor efficiency due to probable granule flotation, odor generation and high concentration of suspended solids in the effluent. Aiming to understand the dynamic response of these reactors when submitted to these variations, it was developed the MMS model based on the N-continuous flow stirred tank reactors (CSTR) in series model, first order kinetics model for substrate consumption and biomass growth and empirical equations reported in the literature. The model indicated the reactor capacity on dampening the imposed flow rate variations and the influence of the kinetics in the organic matter removal efficiency. It was evaluated the response of a UASB in bench scale (160 L) treating sanitary sewage of So Carlos city in order to calibrate and validate the MMS. During the operation, the reactor was submitted to cyclical sinusoidal variations of organic and hydraulic loads in lesser and higher values of 40% and 60% of the influent flow rate of 16 L.h-1. The reactor achieved mean methane production and mean COD removal efficiency of: 1,83 L.h-1 and 61% to influent flow rate of 16 L.h-1, HRT of 10 h and upflow velocity of 0,23 m.h-1; 2,24 L.h-1 and 48% to sinusoidal variation of 40%; 2,97 L.h-1 and 40% to sinusoidal variation of 60%. The MMS model results indicated a range of effluent COD values with a difference of 37% to influent flow rate of 16 L.h-1, 59% and 56% to sinusoidal variations of 40% and 60%, respectively, in comparison with the experimental observed data. This probably occurred due to the model limitation in considering and predicting the solids washout in the effluent that was verified during all the operation, and also more significant when the sinusoidal variations were applied. The ADM1 reported by Batstone et al. (2002a,b) presented lesser similarity with the experimental observed results due to the fact that it does not consider hourly and daily variations of some input parameters, but only the arithmetical mean of the values.

Keywords: dynamic behavior, cyclical flow rate variation, organic load, hydraulic load, mathematical modeling, UASB.

Introduo 1

1. INTRODUO

De acordo com o Instituto Brasileiro de Geografia e Estatstica (2002), o Brasil possui mais de 300 reatores anaerbios operados em escala real tratando esgoto sanitrio, principalmente no estado do Paran. Em alguns casos, o tratamento anaerbio de esgotos domsticos corresponde ao pr-tratamento biolgico, seguido

de algum polimento posterior para que os padres de lanamento estabelecidos pela legislao ambiental vigente sejam alcanados. Apesar desse nmero de reatores em operao, a literatura escassa de informaes referentes ao comportamento de reatores UASB submetidos a variaes cclicas dirias de cargas orgnicas e hidrulicas comuns em pequenas instalaes de tratamento.

Essas variaes podem causar queda na eficincia do reator e

conseqentemente lanamento de efluentes com concentraes de poluentes superiores aos limites estabelecidos pela legislao ambiental vigente (PIRES et al., 2001). Com a aplicao das variaes, a eficincia de remoo do reator pode ser afetada pela flotao dos grnulos, problemas com gerao de odor e elevada concentrao de slidos suspensos no efluente.

Alguns estudos realizados com reator UASB mostraram sua capacidade em

amortecer cargas hidrulicas e orgnicas s quais foi submetido aps certo perodo de tempo (PAULA JR., 1992; OLIVA, 1997; BATISTA, 2000; AISSE et al., 2000; FLORENCIO et al., 2001; FRANCO et al., 2002a; FRANCO et al., 2002b; LEITO, 2004). Por outro lado, outros estudos indicaram que o comportamento hidrodinmico do reator permaneceu desconhecido (BATISTA, 2000). Portanto conveniente avaliar eventuais flutuaes de comportamento resultantes de variaes de cargas hidrulica e orgnica no projeto de reatores UASB.

Para melhor compreender os eventuais amortecimentos e atrasos nas

respostas desses reatores quando submetidos a essas variaes, Carvalho e Pires

Introduo 2

(2002) desenvolveram um modelo matemtico simplificado (MMS) baseado no modelo hidrodinmico de mistura completa em reatores em srie, modelo cintico de primeira ordem para consumo de substrato e para crescimento da biomassa e

equacionamentos empricos reportados por Paula Jr. (1992) e Batista (2000). Esse modelo, que correspondeu a um aprimoramento do modelo desenvolvido por Carvalho (2002), indicou a capacidade do reator de amortecer as variaes impostas e a influncia da cintica na eficincia de remoo da matria orgnica.

Devido necessidade de validar o modelo matemtico simplificado (MMS), foi avaliado o desempenho de um reator UASB em escala piloto, com capacidade de 160 L, no tratamento de esgoto sanitrio municipal da cidade de So Carlos. O reator UASB foi instalado no Laboratrio de Tratamento de Resduos (LTR) da Universidade de So Paulo (rea I) em So Carlos (EESC/USP).

Durante o perodo de operao, o reator UASB foi submetido a variaes cclicas dirias de cargas orgnica e hidrulica em valores inferiores e superiores a

40% e 60%. Os resultados experimentais obtidos com a operao desse reator foram aplicados como dados de entrada para validao do modelo MMS e para calibrao do modelo ADM1 (Anaerobic Digestion Model no 1) proposto por Batstone et al. (2002a,b).

Objetivos 3

2. OBJETIVOS

O principal objetivo deste trabalho foi validar o modelo matemtico simplificado (MMS) desenvolvido por Carvalho e Pires (2002). Esse modelo considerado simplificado quando comparado a outros modelos de digesto anaerbia reportados na literatura, como por exemplo Bolle et al. (1986) e Batstone et al. (2002a,b), por contemplar apenas os processos de converso do substrato em biomassa ativa e a remoo da matria orgnica.

Os principais objetivos especficos corresponderam a: avaliao do comportamento do reator UASB, em escala piloto, no

tratamento de esgoto sanitrio, quando submetido a variaes cclicas dirias de cargas hidrulicas e orgnicas;

estudo do regime hidrodinmico do fluido no reator UASB devido

influncia da variao de vazo;

aplicao dos resultados obtidos durante a operao do reator UASB como dados de entrada para calibrao do modelo ADM1 e validao

do modelo MMS;

comparao dos resultados da validao do modelo MMS com aqueles obtidos com a calibrao do modelo ADM1.

Reviso de Literatura 4

3. REVISO DE LITERATURA

Esse captulo aborda inicialmente o comportamento dinmico de reatores UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) submetidos a variaes de cargas de origem orgnica e hidrulica, devido a variaes na vazo e na composio dos esgotos ao longo do dia. Na seqncia so ainda abordados os efeitos da durao e

freqncia dos distrbios aplicados. Para finalizar, so ainda abordadas algumas aplicaes de modelos

matemticos de processos de digesto anaerbia e do modelo ADM1 (Anaerobic Digestion Model no 1).

3.1 REATORES UASB (UPFLOW ANAEROBIC SLUDGE BLANKET)

O reator UASB foi inicialmente proposto para tratamento de efluentes

industriais de elevada concentrao em temperaturas mesoflicas (LETTINGA et al., 1980). Devido ao sucesso no tratamento desses efluentes, passou a ser aplicado no tratamento de esgotos domsticos no incio da dcada de 80 em diversos pases como Colmbia, Brasil, Mxico, Cuba, dentre outros.

Os processos anaerbios (com nfase no reator UASB) apresentam algumas vantagens e desvantagens em relao aos processos aerbios convencionais (Tabela 1). Deve-se ressaltar, entretanto que as desvantagens citadas dependem principalmente das caractersticas da gua residuria e das condies operacionais do

processo, podendo muitas vezes ser minimizadas.


Tabela 1. Algumas vantagens e desvantagens dos processos anaerbios (reator UASB) em relao aos processos aerbios convencionais

Fonte: adaptado de Foresti (2002); Seghezzo (2004)

O comportamento dos reatores UASB no tratamento de esgotos sanitrios tem sido amplamente avaliado em instalaes de bancada, piloto e real (PAULA JR., 1992; OLIVA, 1997; PASSIG et al., 2000; LEITO, 2004).

A Tabela 2 apresenta algumas aplicaes de reatores UASB no tratamento de esgotos sanitrios em diferentes escalas.

Os resultados reportados indicaram comportamento satisfatrio desses

reatores quando aplicados no tratamento de esgotos sanitrios em regies com temperatura superior a 20C, alcanando eficincias de remoo de DQO (Demanda Qumica de Oxignio) varivel na faixa de 65% a 80% para taxas de carregamento orgnicas inferiores a 3 kgDQO.m-3.d-1 e TDH (Tempo de deteno hidrulica) variando de 6 h a 10 h (PASSIG et al., 2000; FLORENCIO et al., 2001; TORRES e FORESTI, 2001; LEITO, 2004, LEITO et al., 2005).

vantagens Desvantagens

simplicidade de construo e operao gerao de maus odores flexibilidade de instalao

baixa demanda de rea longo intervalo de tempo necessrio

para partida (sem inculo) baixos custos de energia eltrica

baixa produo de lodo necessidade de ps-tratamento para

atender a legislao vigente

boa desidratabilidade do lodo reso do lodo em novos reatores baixa remoo de nutrientes e patgenos

eficincia de remoo da matria orgnica (65% a 75% - DQO)


Tabela 2. Aplicaes de reatores UASB no tratamento de esgotos sanitrios

V T DQO TDH Eficincia de

remoo Referncias DQO SST

(m3) C (mg.L-1) (h) (%) (%) 0,12 18-20 248-581 12 72 - Lettinga et al. (1983)

0,12 12-20 190-1180 7-8 30-75 -

de Man et al. (1988)1 apud Leito (2004)

0,12 19-28 627 4 74 72 Barbosa e Sant' Anna Jr. (1989)

18 >20 639 8 71-83 71-85 Oliva (1997) 2,8 18-20 297-855 12 55-75 75 Passig et al. (2000)

0,145 21 - 6 71 62 Torres (2000) 810 30 563 9,7 67 61 Florncio (2001) 0,12 25 816 6 57 - Leito (2004)* 0,501 23 214 6 65-70 - Seghezzo (2004)* 18,8 23 522 6 56 - Passig (2005)

*Os autores operaram reatores UASB com configuraes diferentes daquela representada pela Figura 1 (UASB convencional) V: volume do reator; T: temperatura de operao; TDH: tempo de deteno hidrulica.

Na literatura no existem relatos de falncia do processo devido ao desbalanceamento entre o consumo e a produo de cidos volteis em reatores

anaerbios tratando esgotos domsticos (FORESTI, 2002). Para esse tipo de esgoto, com baixas concentraes, a produo de cidos graxos volteis no significativa e assim suas concentraes so na maioria das vezes inferiores aos limites de inibio, permitindo que a metanognese ocorra.

As sobrecargas hidrulicas ou projeto e operao inadequados dos reatores tm sido comumente relacionados instabilidade dos reatores anaerbios tratando

esgotos domsticos. A instabilidade do processo pode ser evitada por exemplo, se valores adequados de TDH forem adotados.

1 de Man, A.W.A.; van der Last, A.R.M.; Lettinga, G. (1988). The use of EGSB and UASB

anaerobic systems or low strength soluble and complex wastewaters at temperatures ranging from 8 to 30C. IN: Proceedings of the 5th International Symposium on Anaerobic Digestion, Hall, E.R.; and Hobson, P.N., eds., Bologna, Italy, 197-208.


Mesmo com as vantagens reconhecidas da aplicao do processo anaerbio,

dvidas sobre a estabilidade do reator e a variabilidade da qualidade do efluente ainda existem.

Em relao estabilidade operacional do reator existe uma srie de artigos que reportam os resultados do tratamento anaerbio de esgoto domstico (SEGHEZZO et al., 2002; HALALSHEH, 2002; LEW et al., 2004 e LEITO, 2004). Contudo cada artigo se refere a uma faixa restrita de condies operacionais, o que dificulta a comparao de diferentes investigaes. Alm disso, os dados disponveis so limitados para reatores UASB tratando esgoto em condies extremas, como por exemplo, com baixas concentraes de matria orgnica no

afluente ou baixos tempos de deteno hidrulica. Dentro desse contexto, h escassez de estudos na literatura sobre variaes

cclicas dirias de cargas orgnicas e hidrulicas de curtos perodos de durao (iguais ou menores do que 24 h). Essas variaes, tpicas de esgotos domsticos, podem causar flotao dos grnulos do reator, problemas com gerao de odor e elevada concentrao de slidos suspensos no efluente. Esses efeitos, por sua vez, podem promover queda na eficincia de remoo de alguns parmetros de controle de reatores em estaes de tratamento e conseqentemente lanamento de efluentes

com concentraes de poluentes superiores aos limites estabelecidos pela legislao ambiental vigente (PIRES et al., 2001).

Embora acarretando em maiores custos com instalao, operao ou ambos, alguns autores (MITRA et al., 1998 e BEHLING et al., 1997) estudaram mecanismos para amortecimento das variaes de cargas hidrulicas e orgnicas.

Mitra et al. (1998) desenvolveram estudo com uso de trocadores inicos compostos (TIC) para melhorar a eficincia de 3 reatores anaerbios (de mesmo volume) submetidos a cargas de choque orgnicas (em termos de DBO). O on polimrico utilizado, com textura e morfologia compatveis ao meio biolgico de elevada concentrao de slidos, composto em massa por 80% de micro partculas esfricas fixadas em 20% de fibra de politetrafluoretano (Teflon). Esse on capaz de liberar lentamente os ons de hidrognio capturados, estabilizando o pH e

restabelecendo as condies de estabilidade dos reatores, sem necessidade de regenerao ou de cuidados especiais por parte dos operadores dos sistemas.


Os autores submeteram trs reatores tipo mistura completa a cargas de choque

de DBO cinco vezes maiores que a carga normal aplicada. Os reatores foram mantidos temperatura aproximada de 350,1C e alimentados com 50mL de uma mistura de glicose com concentrao de 10000 mg.L-1 e alcalinidade de 1800 mg.L-1.

O primeiro reator (1) no continha TIC, enquanto os demais reatores (2) e (3) continham 77cm2 e 155cm2, respectivamente. Paralelamente, um reator de controle (RC) que no estava submetido s cargas de choque de DBO foi operado para verificar e comparar produo de metano, pH, concentrao de carbono orgnico total e alcalinidade com os demais reatores. O reator (RC) no demonstrou instabilidade operacional apresentada pelos demais reatores. Os reatores (1), (2) e (3) apresentaram diminuio dos valores de pH, sendo que o reator (3) demonstrou lenta recuperao de seu estado estacionrio aps certo tempo de operao. Os autores

observaram ainda repentino aumento da produo de metano com aumento da concentrao do substrato nos reatores, inibio da atividade metanognica no reator

(1) e aumento dessa atividade no reator (3). Behling et al. (1997) avaliaram o comportamento de um reator UASB em

escala piloto com volume de 55 L, alimentado com esgoto municipal domstico ao longo de 200 dias. O reator, inoculado com lodo pr-granulado de cervejaria local, foi operado com tempo de deteno hidrulica de 7,6 h e vazo de alimentao constante de 7,2 L.h-1.

Como o esgoto era bombeado para o reator, notou-se variao da taxa de carregamento orgnica entre 0,5 a 3,9 kgDQO.m-3.d-1, a qual se estabilizou aps o 18 dia de operao com introduo de um tanque de equalizao, responsvel pelo recebimento e encaminhamento do esgoto afluente ao reator. Assim, a taxa de

carregamento passou a ser constante e igual a 1,21 kgDQO.m-3.d-1. Os autores observaram a capacidade do tanque de equalizao em amortecer as variaes, por

meio de determinao dos parmetros DQO, slidos suspensos, alcalinidade, produo de metano e cidos volteis. A introduo do tanque de equalizao promoveu aumento da produo de biogs e decrscimo gradativo na DQO efluente, as quais alcanaram condies de equilbrio a 28 L.d-1 e 56 mg.d-1, respectivamente.


3.2 COMPORTAMENTO DE REATORES ANAERBIOS SUBMETIDOS A CARGAS DE CHOQUE

Diversos pesquisadores estudaram os efeitos das variaes operacionais e ambientais no comportamento de sistemas anaerbios visando aprimorar o

conhecimento sobre a estabilidade e a confiabilidade desses sistemas no tratamento de guas residurias.

O comportamento dinmico dos reatores anaerbios submetidos a essas variaes depende diretamente do tipo, da magnitude, da durao e da freqncia das variaes impostas.

Variaes de um ou mais parmetros tais como vazo afluente, tipo e concentrao de esgoto, tempo de reteno celular, disponibilidade de nutrientes,

temperatura e pH so comuns em estaes de tratamento de esgotos. Alguns desses parmetros podem ser previstos e/ou controlados, auxiliando no projeto dos reatores.

Os sistemas de tratamento de esgotos podem ser expostos a diversas variaes, tais como: variaes na composio dos esgotos ao longo do dia devido natureza cclica das atividades humanas (METCALF e EDDY, 1991; HANAI, 1997; OLIVA, 1997); variaes de vazo ao longo do ano devido presena de populao flutuante em perodos de frias em reas tursticas; sobrecargas hidrulicas e orgnicas resultantes de procedimentos operacionais adotados nas estaes de

tratamento de esgotos (BORJA e BANKS, 1995; OLIVA, 1997; BRITO E MELO, 1999).

Os reatores anaerbios podem apresentar como resposta s variaes impostas: queda na eficincia de remoo de alguns parmetros de controle, acmulo de cidos volteis, queda no pH e consumo de alcalinidade, alterao na composio e produo de biogs e arraste de lodo.


3.2.1 VARIAES NA VAZO E COMPOSIO DOS ESGOTOS AO

LONGO DO DIA

O esgoto domstico geralmente apresenta variaes em sua composio devido influncia de fatores como nmero de habitantes, usos e costumes da

populao, clima, topografia, contribuies comerciais e industriais e contribuies clandestinas de guas pluviais.

Hanai (1997) e Oliva (1997) verificaram contribuies simultneas de guas residurias e de guas pluviais (clandestinas) nas cidades de Araraquara e de So Carlos, respectivamente, que causaram choques hidrulicos tanto no sistema coletor

como nas unidades de tratamento de esgotos, prejudicando os processos biolgicos devido ao aumento da DQO afluente, principalmente em dias chuvosos. Os mesmos autores observaram que as contribuies de esgoto industrial promoveram variao dos parmetros DQO, pH e temperatura, sendo que Hanai (1997) verificou picos de mximo iguais a 3076 mg.L-1, 11 e 35C, respectivamente.

Orhon et al. (1997) notaram concentraes elevadas de detergentes (160 mg.L-1 a 760 mg.L-1) e de cloro (1000 mg.L-1) em reas que recebiam contribuies industriais de um complexo de curtumes na cidade de Istambul (Turquia).

Em relao aos usos e costumes da populao, Oliva (1997) constatou variaes nas concentraes do esgoto domstico (em termos de DQO) de 117% ao longo das horas do dia e de 103% ao longo dos dias da semana.

Campos e von Sperling (1996) ao realizarem estudos de caracterizao de guas residurias da cidade de Belo Horizonte/MG observaram variaes de vazo mais elevadas do que quelas usadas para o projeto de estaes de tratamento, maior durao das variaes em reas de classe mais alta e variaes na composio das guas residurias em funo da hora do dia e do dia da semana, dependendo do

salrio familiar, padro de vida e tipo de ocupao do solo. Orhon et al. (1997) verificaram concentrao mdia de matria orgnica de

aproximadamente 1000 mgDQO.L-1 em rea residencial menos favorecida da regio metropolitana de Istambul, que sofre com falta de abastecimento de gua.


3.2.2 EFEITOS DAS VARIAES DAS CARGAS ORGNICAS E HIDRULICAS

Um delicado balano existe entre os processos primrios (hidrlise e acidognese) e a converso de produtos cidos em metano e dixido de carbono pelas bactrias acetognicas e arquias metanognicas na digesto anaerbia.

De acordo com diversas pesquisas, variaes na vazo e na concentrao do afluente podem afetar a eficincia de reatores UASB. O efeito das variaes em

cargas hidrulicas e orgnicas depende do tempo de deteno hidrulica, do tempo de reteno celular, da intensidade e durao das variaes, das propriedades do lodo e

do projeto de reatores, principalmente da configurao dos separadores de fases. O acmulo de cidos volteis (AGV) pode ser uma das respostas do reator

quando submetido a variaes nas taxas de carregamento hidrulica e orgnica. A presso parcial de hidrognio representa importante papel no controle das propores

de vrios produtos intermedirios das reaes anaerbias. Em condies de sobrecargas ou de variaes, pode haver desequilbrio na razo entre microrganismos

que produzem e que consomem AGV, acarretando produo de quantidades significativas de dixido de carbono e de hidrognio no biogs. Devido as menores taxas de crescimento dos microrganismos metanognicos, em relao aos acetognicos, estes no conseguem consumir rapidamente o gs hidrognio

produzido pelos microrganismos hidrogenotrficos, que pode acarretar acmulo de propionato, butirato e lactato. Outro tipo de efeito durante situaes de estresse a

mudana na composio e na taxa de produo do biogs (CHUA et al., 1997). Borja e Banks (1995) avaliaram o efeito de cargas de choque hidrulicas e

orgnicas na eficincia de um reator anaerbio de leito fluidificado. O reator, operado com TDH de 8 h, foi alimentado com gua residuria de indstria de sorvete com TCO de 15,6 kgDQO.m-3.d-1. A vazo afluente foi aumentada em 100% e 150% por perodos de seis e doze horas, acarretando em queda do pH de 7,1 para 6,6 e da alcalinidade do sistema, com aumento da concentrao de AGV e de DQO no efluente durante a aplicao do choque. A produo de biogs aumentou, porm com

decrscimo do contedo de metano devido inibio da metanognese e diminuio da solubilidade do CO2 em baixos valores de pH. Para as cargas de choque


orgnicas, os autores aumentaram a DQO afluente em 100% e 150% por perodos de seis e doze horas que causaram efeitos similares queles verificados com variaes de cargas hidrulicas. O pH do sistema permaneceu estvel devido a maior

capacidade de tamponamento da gua residuria de maior concentrao. O choque orgnico mais severo aplicado ao sistema (150% da DQO afluente) por doze horas, causou aumento da DQO efluente em 180%, porm o sistema apresentou capacidade de recuperao aps 6 h a 11 h do trmino do choque.

Chua et al. (1997) avaliaram a resposta de um reator anaerbio de filme fixo (RAFF) alimentado com gua residuria sinttica, simulando gua residuria de laticnio com 3000 mgDQO.L-1 e submetido a cargas de choque hidrulicas. O reator, composto por coluna de vidro recheada com esferas cermicas, com volume de 3 L, foi mantido temperatura de aproximadamente 30C. Aps o estado de equilbrio

dinmico aparente ter sido alcanado com tempo de deteno hidrulica de 5 d, o reator foi submetido a sobrecargas hidrulicas com reduo do TDH para 1,25 d, 1,0 d e 0,5 d, com TCO constante e DQO reduzida metade do valor inicial.

Os autores concluram que, para sobrecargas hidrulicas de at 5 vezes (TDH de 1 d), houve reduo na eficincia de remoo de DQO de 98% para 88% e acmulo dos cidos etanico (24 mg.L-1) e propinico (70 mg.L-1). Com sobrecarga hidrulica 10 vezes superior (TDH de 0,5 d), a eficincia de remoo de DQO diminuiu para 70%, ocorrendo acidificao (pH de 5,5) do reator com elevadas concentraes dos cidos etanico (250 mg.L-1) e propinico (312 mg.L-1) e reduo na produo de biogs de 0,5 L.d-1 para 0,25 L.d-1. Ao longo de toda a operao do reator, a concentrao de slidos suspensos volteis no efluente manteve-se na faixa de 40 mg.L-1 a 70 mg.L-1. A recuperao e a estabilidade do sistema foram possveis

aps 3 dias do restabelecimento das condies iniciais (TDH de 5 d) de operao e atribudas ao emprego de biofilme imobilizado.

Oliva (1997) operou reator UASB prottipo (18m3) tratando esgoto sanitrio proveniente da rede coletora da cidade de So Carlos SP com o objetivo de avaliar os efeitos de sobrecargas hidrulicas no tratamento de esgotos sanitrios e a continuidade dos possveis efeitos dessas sobrecargas por meio de simulao de

variao de vazo. Aps ter alcanado o estado de equilbrio dinmico aparente, o reator foi operado com TDH de 8 h, vazo mdia afluente de 2,25 m3.h-1, taxa de


aplicao volumtrica mdia de 2,7 kgDQO.m-3 e taxa de carregamento orgnica mdia de 48 kgDQO.d-1. Nessas condies operacionais, o reator apresentou eficincias mdias de remoo de 71% a 83% para DQO bruta e 80% a 91% para DQO filtrada.

A autora realizou ensaios de resposta dinmica com aplicao de sobrecarga hidrulica de cinqenta por cento (3,4 m3.h-1) em relao vazo normal de operao (2,25 m3.h-1), verificando que esse pulso de vazo no causou resposta significativa e imediata no desempenho do processo. A autora observou ainda que, logo aps a aplicao do pulso no ocorreram picos sistemticos de vazo pela manh; porm picos superiores de DQO afluente no perodo da tarde em relao aos verificados no perodo da manh. As eficincias mdias obtidas para remoo de DQO variaram de 76% a 86% s 9 h, de 74% a 80% s 12 h, de 62% a 75% s 17 h e de 61% a 75% s 20 h.

Tambm foram realizados ensaios de resposta dinmica com aplicao de

sobrecargas hidrulicas de cem por cento (4,5 m3.h-1), que provocou aumento de DQO afluente inicial durante os primeiros 15 minutos aps sua aplicao, acarretando em arraste de slidos no efluente do reator. Esse aumento continuou at que o pulso fosse finalizado. A confiabilidade do sistema de tratamento foi destacada

por meio das eficincias mdias obtidas para remoo de DQO variando de 68% a 83% s 9 h e de 61% a 76% s 13 h, que indicaram sua capacidade de amortecimento s sobrecargas impostas.

Castillo et al. (1997) estudaram o comportamento de um reator UASB submetido a variaes de TDH de 1,5 h, 3 h, 6 h e 7,5 h no vero (~20C) e no inverno (~13C). O reator em escala piloto (volume de 750 L) foi alimentado com esgoto domstico com DQO afluente de 600 mg.L-1.

Os autores observaram que as eficincias de remoo de DQO total, DQO solvel e DQO em suspenso aumentaram com o aumento do TDH para ambas as estaes do ano. Alm disso foi possvel verificar que, quando o reator foi operado no inverno, as eficincias de remoo de matria orgnica (DQO total) foram inferiores de 5% a 15% quelas observadas para o perodo de vero. Aps cada variao de TCO (devido aos aumentos do TDH), o reator demonstrou perodo de instabilidade antes de alcanar o estado de equilbrio dinmico aparente.


Kalyuzhnyi et al. (1996) investigaram o desempenho de um reator UASB em escala de laboratrio (2,7 L), alimentado com substrato sinttico base de glicose e mantido temperatura de 35C. O reator foi continuamente alimentado com taxa de carregamento orgnico (TCO) variando de 3,4 gDQO.L-1.d-1 a 44,9 gDQO.L-1.d-1, tempo de deteno hidrulica (TDH) variando de 4,0 h a 22,5 h e DQO afluente variando de 3,21 g.L-1 a 7,5 g.L-1. Quando o reator alcanou eficincia de 98% na remoo da DQO afluente (estado quase estacionrio), a TCO foi lentamente aumentada de 3,4 gDQO.L-1.d-1 para 44,9 gDQO.L-1.d-1 com acrscimo da vazo ou da DQO afluente. O estudo mostrou que o estado quase estacionrio pode ser alcanado dentro de uma ampla faixa de mudanas de TCO. Aparecimento de bolhas

de gs na zona da manta de lodo, flotao parcial do lodo, destruio dos grnulos, acumulao de AGV e eficincia de remoo de DQO de aproximadamente 65% foram observados quando sobrecargas foram impostas ao reator. O reator alcanou eficincia de remoo de DQO de 96% quando foi aplicado TDH variando de 12 h a 15 h e TCO igual a 21 gDQO.L-1.d-1. Para TCO igual a 44,9 gDQO.L-1.d-1 foi necessrio aplicar TDH de 30 h para que o reator alcanasse eficincia de remoo de DQO igual a 97%.

De acordo com os autores, a biomassa rapidamente se adaptou aos aumentos

sucessivos da TCO, o que promoveu elevada eficincia da converso do substrato. Com aumento lento da TCO, houve aumento da concentrao de biomassa na faixa

de 28 gSSV.L-1 a 38 gSSV.L-1 no volume total do reator e na faixa de 60 gSSV.L-1 a 70 gSSV.L-1 na zona de manto de lodo. Quando foi aplicada TCO de 44,9 gDQO.L-1.d-1 e TDH de 4 h, o reator apresentou eficincia de remoo de DQO de 97% e taxa de produo de metano de 14,7 L.L-1.d-1.

Pires et al. (2001), analisando o trabalho realizado por Batista (2000), avaliaram o comportamento dinmico de um reator UASB (10,5 L), em escala de laboratrio, submetido a variaes cclicas dirias de cargas orgnicas e hidrulicas de esgoto sinttico simulando esgoto real. O reator foi inoculado com lodo anaerbio proveniente de reator UASB em escala real tratando esgoto domstico e mantido temperatura de aproximadamente 301C. Para avaliar a eficincia de remoo de

DQO durante intervalos de tempo de 24 h e 48 h e verificar a influncia da variao


da vazo afluente, o reator foi submetido variao senoidal cclica diria de valores

inferiores e superiores a 30%, 45% e 60% da vazo mdia afluente de 1,31 L.h-1. O reator alcanou o estado de equilbrio dinmico aparente aps 12 h da

aplicao das variaes senoidais cclicas de 30% e 45% que resultaram em eficincias de remoo da DQO afluente de 500 mg.L-1 iguais a 82% e 84%, respectivamente. O tempo de resposta (estabilizao) do reator variao de 60% foi alcanado aps 20 h de sua aplicao com aproximadamente 79% de remoo da DQO afluente. Como os autores verificaram que a estabilidade do reator em relao eficincia de remoo de DQO no foi influenciada pela aplicao da variao horria da vazo afluente, foi necessrio aumentar a concentrao da matria

orgnica para 1000 mgDQO.L-1 e a variao da vazo mdia afluente para 60%. Com aplicao dessas condies operacionais, o reator apresentou menor eficincia na

remoo de DQO bruta (65%) e resposta similar s variaes de vazo. Os autores concluram ainda que, as sobrecargas hidrulicas promoveram

diminuio da eficincia de remoo de DQO e prejudicaram a remoo dos slidos suspensos e dissolvidos. Posteriormente notou-se que os efeitos da tenso superficial na sada do reator, que interferem no regime do escoamento, podem ter sido influenciados pela diminuta escala do reator.

Leito (2004) avaliou o comportamento de 11 reatores UASB, em escala piloto com volume de 120 L (cada unidade), baseado na eficincia de remoo de DQO, variabilidade da qualidade do efluente e estabilidade operacional e do pH. Aps os reatores terem alcanado o estado estacionrio, o experimento foi realizado com 3 conjuntos de reatores, sendo: conjunto 1 formado por 5 reatores operados com TDH de 6 h e alimentados com diferentes concentraes de esgoto domstico pr-peneirado (9210 mg.L-1, 19515 mg.L-1, 29819 mg.L-1, 55536 mg.L-1 e 81645 mg.L-1, em termos de DQO); conjunto 2 composto por 4 reatores alimentados com mesma DQO afluente (~ 800 mg.L-1), porm operados com diferentes TDH (6 h, 4 h, 2 h, 1 h); conjunto 3 formado por 4 reatores operados com mesma TCO (~3,30,2 kgDQO.m-3.d-1) e TDH iguais aos aplicados no conjunto 2.

O autor observou decrscimo na eficincia de remoo de matria orgnica

nos reatores alimentados com DQO inferior a 300 mg.L-1. Para os reatores alimentados com DQO superior a 300 mg.L-1, mximas eficincias foram alcanadas


tanto para remoo de DQO bruta (59%) quanto para DQO sedimentada (77%). Mesmo alimentado com baixa concentrao (9210 mg.L-1), o reator foi capaz de remover aproximadamente 66% de DQO sedimentada devido elevada eficincia de remoo de SS (97%). Contudo, as baixas concentraes do substrato causaram variaes na eficincia do reator com eventuais arrastes de slidos no efluente, na variabilidade da DQO sedimentada no efluente e na eficincia de remoo de DQO.

As eficincias de remoo de DQO e de SS aumentaram com o aumento do TDH de 1 h para 6 h. Porm os menores TDH causaram arraste de lodo no efluente, diminuindo a eficincia de remoo de SS de 93% (TDH de 6 h) para 60% (TDH de 1 h). Alm disso, os menores tempos de contato e de reteno celular acarretaram em hidrlise incompleta do substrato. Os resultados tambm mostraram que a eficincia de remoo de DQO (sedimentada) tornou-se constante e igual a 77% para valores de TDH superiores a 4 h. Os experimentos mostraram que para TDH de 6 h, os reatores UASB mantiveram aproximadamente a mesma eficincia de remoo de DQO independentemente da concentrao do substrato. De acordo com o autor, a estabilidade do pH no foi caracterstica do sistema anaerbio aplicado, mas das caractersticas da gua residuria. Algumas evidncias de instabilidade do pH foram notadas apenas em condies operacionais extremas, tais como TDH de 2 h e/ou

concentrao do substrato menor do que 200 mg.L-1.

3.2.3 EFEITO DA DURAO E FREQNCIA DOS DISTRBIOS

Distrbios tanto na forma de pulso quanto em degrau podem ocorrer devido a variaes na concentrao do poluente nas guas residurias (HAMODA e AL-SHAREKH, 1999; CABRAL, 2000; FRANCO et al., 2000a), na vazo (NACHAIYASIT e STUCKEY, 1997a,b; SKIADAS e LYBERATOS, 1998; FRANCO et al., 2000b), na temperatura, na capacidade de tamponamento, no pH, dentre outros fatores.

Em alguns casos, as variaes na qualidade e na quantidade de esgotos domsticos podem ser amortecidas sem prejuzos operao dos sistemas de tratamento. Em outros momentos, as flutuaes ocorrem na forma de choques e os sistemas passam a necessitar de amortecimento para absorver essas mudanas


instantneas, caso contrrio apresentaro reduo na qualidade de seu efluente ou

mesmo colapso em casos extremos.

Vrios pesquisadores estudaram o comportamento dinmico de diversas

configuraes de reatores anaerbios submetidos a distrbios na carga orgnica e hidrulica tanto na forma de pulso quanto em degrau (NACHAIYASIT e STUCKEY, 1997a,b; SKIADAS e LYBERATOS, 1998; EL-FARHAN e SHIEH, 1999; HAMODA e AL-SHAREKH, 1999).

Nachaiyasit e Stuckey (1997a) verificaram que o reator anaerbio compartimentado submetido a cargas de choque orgnicas em degrau apresentou capacidade de tamponamento e de recuperao das condies iniciais aps certo

perodo de tempo. A estrutura compartimentada do reator no permitiu exposio da biomassa a baixos valores de pH, e foi verificada predominncia de microrganismos

produtores de acetato e butirato. Ao estudarem o comportamento do mesmo reator submetido a cargas de

choque hidrulicas transientes (tipo pulso) e em degrau, Nachaiyasit e Stuckey (1997b) observaram que o reator apresentou queda na eficincia de remoo de DQO devido ao arraste de biomassa e surgimento de caminhos preferenciais no leito de lodo. Porm, os autores ressaltaram que o reator apresentou estabilidade operacional

e pode ser submetido a cargas de carregamento elevadas. Skiadas e Lyberatos (1998) avaliaram a influncia das variaes do perodo

de ajuste de alimentao de um reator anaerbio compartimentado (PABR). O reator (15 L) foi alimentado inicialmente com TCO de 0,2 gDQO.L-1.d-1 (glicose), mantido temperatura de 35C e perodo de ajuste de alimentao de 1 d. Aps essa etapa, o comportamento do reator foi avaliado para trs perodos de ajuste de alimentao iguais a 1 d, 1,5 d e 2 d, TCO de 4,55 gDQO.L-1.d-1 e TDH de 4 d.

Os autores observaram que o reator demonstrou capacidade de adaptao s

sobrecargas impostas, pois apresentou estabilidade em relao eficincia de remoo de DQO dissolvida (98% a 94%) e taxa de produo de biogs (de 2,9 L.L-1.d-1 para 2,4 L.L-1.d-1).

El-Farhan e Shieh (1999) submeteram um reator anaerbio com leito fluidizado a sobrecargas orgnicas de pulsos simples (16 h, 25 h e 60 h) e mltiplos (aumento triplo no pulso e durao igual a trs vezes os tempos de deteno


hidrulica de 6 h e 12 h). O reator foi alimentado com 6 g.L-1.d-1 de glicose e mantido temperatura de aproximadamente 35C. Apesar de ter sido verificado acmulo dos cidos actico (100 mg.L-1) e propinico (60 mg.L-1) no efluente, o reator apresentou eficincia de remoo do carbono orgnico total superior a 90% na aplicao do pulso simples de 60 h.

Quando foram aplicados pulsos mltiplos de durao total de 30 h e 60h, o reator apresentou capacidade de remover a carga orgnica total em mais de 89%, porm com concentraes dos cidos actico (pico de 375 mg.L-1) e propinico (pico de 270 mg.L-1) no efluente. Os autores notaram que as condies de estabilidade inicial foram alcanadas aps 140 h da aplicao dos pulsos mltiplos. O reator

amorteceu o efeito de arraste de biomassa devido utilizao de partculas do meio suporte poroso na reteno da biomassa e aplicao de elevada taxa de recirculao

no reator.

Cabral (2000) avaliou o desempenho e a estabilidade de um reator anaerbio horizontal de leito fixo submetido a aumento progressivo da concentrao de matria orgnica afluente (2000 mgDQO.L-1, 3000 mgDQO.L-1, 4000 mgDQO.L-1 e 5000 mgDQO.L-1) e a cargas de choque orgnicas (trs vezes superior s concentraes afluentes). A autora verificou que no houve significativa variao das concentraes de DQO e de cidos volteis no efluente do reator; o reator absorveu as cargas de choque aplicadas estabilizando-se aps 15 h do incio de sua aplicao; a eficincia de remoo de DQO do reator aumentou, mesmo com aplicao de concentrao mxima do afluente.

Ribeiro et al. (2001) testaram cargas de choque orgnicas (aumento de cinco vezes a DQO afluente de 4 g.L-1) e hidrulicas (1/5 do tempo de deteno hidrulica de 16 h) em filtro anaerbio de escoamento ascendente alimentado com substrato a base de cido olico. O filtro anaerbio de 15 L foi inoculado com lodo de digestor anaerbio municipal e mantido temperatura de 351C. Com a aplicao das cargas orgnicas, os autores verificaram queda da eficincia de remoo de DQO de 22% e aumento da concentrao de SSV para aproximadamente 7200 mg.L-1 no efluente. A minimizao dos efeitos dos choques foi possvel com o aumento da velocidade

ascendente de 0,12 m.h-1 para 0,21 m.h-1. Para choques hidrulicos, os autores observaram reduo de 43% na eficincia de remoo de DQO quando a velocidade


ascendente aumentou de 0,12 m.h-1 para 0,41 m.h-1 e diminuio da concentrao de

SSV para 1860 mg.L-1 no efluente. Os autores obtiveram menor produo de biogs (4 L.d-1) na aplicao de choques hidrulicos do que quela observada para os choques orgnicos (7,7 L d-1), possivelmente devido reduo da concentrao de substrato que poderia ser mineralizado.

Stamatelatou et al. (2003a) operaram um reator anaerbio compartimentado (PABR) de volume igual a 15 L, mantido a temperatura de 35C, com TDH de 4 d e perodo de ajuste de alimentao de 2 d. Em trs etapas distintas de operao, os autores submeteram o reator a aumentos sucessivos da carga orgnica afluente de glicose de 12,5 gDQO.L-1 para 25 gDQO.L-1, 50 gDQO.L-1 e 75 gDQO.L-1 durante 20 d, 15 d e 7 d, respectivamente. Esses aumentos foram mantidos at que o reator alcanasse o estado de equilbrio dinmico aparente em cada etapa.

Os autores verificaram que o reator apresentou queda na eficincia de

remoo de DQO de 28% quando a concentrao de matria orgnica foi aumentada de 12,5 gDQO.L-1 para 75 gDQO.L-1. A capacidade de tamponamento do reator nessa etapa foi insuficiente na concentrao de 75 gDQO.L-1, pois os autores verificaram concentraes dos cidos actico e propinico de aproximadamente 2000 mg.L-1 e dos cidos butrico e valrico de aproximadamente 4000 mg.L-1 no efluente, que acarretou no decrscimo do pH para 4,0 e conseqente

desbalanceamento entre as etapas do processo. Dentro desse contexto alguns autores avaliaram o comportamento de reatores

UASB submetidos a variaes de cargas de choque orgnicas e hidrulicas (PAULA JR, 1992; GAVALA et al., 1999; PALENZUELA-ROLLON et al., 2001; FRANCO et al., 2002a; FRANCO et al., 2002b; SANCHEZ et al., 2005).

Para avaliar o desempenho de reatores anaerbios submetidos a aumentos progressivos na DQO e concentrao de sulfeto, Paula Jr. (1992) operou dois reatores UASB (10,5 L cada), inoculados com lodo anaerbio digerido proveniente de uma estao de tratamento de guas residurias. Os reatores foram alimentados

com substrato sinttico com concentrao inicial de matria orgnica de 2000 mgDQO.L-1 base de gua, glicose, mistura de micronutrientes, acetato de amnia, metanol e sulfato de nquel e operados com t

carvalhousp uasb

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