Hidrodinâmica comportamental em Reatores UASB; Uma nova abordagem de arquitetura interna

Resumo

Este artigo cientifico sobre Reator UASB, apresentado possui inovadora arquitetura interna para tratamento de efluentes. Os ensaios hidrodinâmicos e a analise dos parâmetros físico-químico foram realizados com protótipo do reator UASB circular, apresentando inovação interna, em relação aos seus separadores de fase, e tenderá a uma melhor eficiência na remoção de sólidos. Devido aos aproveitamentos de área quanto as aberturas de passagem da câmara de decantação, para que seja obtido menores velocidades de passagem. Foram previstas três aberturas numeradas de 1 a 3 para câmaras de decantação, a baixo analisados. Sendo determinadas as velocidades de fluxo do lado interno das câmaras de decantação ,usou-se um traçador tipo salino, na primeira etapa, além de sondas de condutividade, ambas com distancia conhecida Tendo Velocidade Progressiva Media (VPM), e Velocidade de Entrada na Decantação (VED). Já na etapa II, os ensaios de estímulo-resposta, foram feitos, com a partida do reator e alcançado as curvas de distribuição do tempo de residência (DTR), a partir deste ponto e de a forma obter o que caracteriza-se como um sistema de fluxo disperso. Durante os cem dias iniciais,desta etapa, executou-se analises físico-químicas do reator, com resultados médios de eficiência incluído o tempo de estabilidade.

1. Introdução

Devido a gestão errônea de esgotos sanitários, encontrados no Brasil, e a situação sanitária evidenciada pela Pesquisa Nacional de Saneamento Básico (PNSB, 2000), publicada pelo Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) em 2002. Obteve-se como resultado o seguinte; dos 5.507 municípios brasileiros, apenas 2.875 (52,2%) estavam servidos por algum serviço de esgotamento sanitário e somente 1.112 (20,2%) municípios efetuavam algum tipo de tratamento do esgoto. Esta parcela de esgoto é tratada por estações de tratamento centralizadas, das quais uma parcela e tratamento mais usados são os biológicos aeróbios que acontecem com a presença de oxigênio livre. Porém, a tecnologia usada nestes sistemas é sofisticada e a operação precisa de equipamentos que consomem grande quantidade de energia, além de gerar grande volume de lodo não estabilizado. Ante ao supracitado existe o desafio de repensar o saneamento básico de forma sócio-economicamente viável, pois a engenharia tem a premissa de projetar sistemas de tratamento de esgotos funcionalmente simples, com tecnologia voltada ao ambiente nacional, no qual além da eficiência, uma baixa relação custo/benefício, atendendo a um número maior de comunidades com os recursos financeiros cada vez menor. Ao contraio do início dos anos 80, os sistemas anaeróbios de tratamento de esgotos passaram a ocupar uma posição de destaque, por fatores que não agridem o Ambiente, melhor Sustentabilidade,abrindo portas para Inovação no setor de água, e sendo agradável ao gestor publico devido ao fácil Planejamento .principalmente no Brasil, em função das favoráveis condições ambientais de temperatura (CHERNICHARO, 2007).
A boa cotação dos processos anaeróbios são devidos a unidades de tratamento biológico de esgoto depuram aproximadamente 70% material orgânico nessa unidade, sendo utilizado tecnologia simples e de baixo custo, com reduzido consumo de energia, sem necessidade da adição de produtos químicos, com ínfima produção de lodo estabilizado.
No Brasil, o tratamento anaeróbio difundido em vários estados, é do tipo UASB (do inglês, Upflow Anaerobic Sludge Blanket), reatores anaeróbicos de fluxo ascendente e manta de lodo. O sistema possui inumeras vantagens comparando-o aos processos aeróbios convencionais, notadamente quando aplicado em locais de clima quente, como é o caso de cidades mais ao norte do estado de Minas Gerais, como a Cidade de Montalvania, e demais estados do norte e nordeste do Brasil.

Montalvânia está localizada no extremo norte de Minas Gerais. Distante 775 Km de Belo Horizonte; 346 Km de Montes Claros; 748 Km de Brasília; 1.210 Km do Rio de Janeiro e 15 Km do estado da Bahia.
Fonte: http://www.montalvania.com.br/
Neste passo será destrinchado os entendimentos dos aspectos hidrodinâmicos dos reatores utilizados, afim de entendermos a otimização da geometria dos reatores biológicos.Observa-se que ainda não existe uma configuração interna mais eficiente de reatores UASB. Atualmente, nos projetos de reatores circulares em operação, são comuns o uso da configuração clássica com câmara de gás no centro do reator e o uso de separadores de três fases (trifásicos) , para determinar a câmara de decantação. Os reatores de maiores diâmetros, em relação ao ângulo de inclinação do separador trifásico do topo, que interfere no volume útil da câmara de decantação; perda de volume útil da câmara digestora, devido ao defletor de biogás; apresenta pequena abertura de passagem para o decantador e excessiva área de contato na câmara de gás, aumentando assim risco de corrosão. Existem ainda detalhes, como os de corrosão, a serem resolvidos, No caso dos reatores de maiores diâmetros, em relação ao ângulo de inclinação do separador trifásico do topo, os mesmos ainda interferem no volume útil da câmara de decantação; havendo perda de volume útil da câmara biodigestora, devido ao defletor de biogás; apresentar pequena abertura de passagem para o decantador e grande área de contato na câmara de gás. Devido as limitações supracitadas e do custo de manutenção preditiva dos reatores UASB convencionais, foi projetada uma nova arquitetura interna de reatores UASB, que apresenta, principalmente, na evolução da forma, quantidade e posicionamento dos separadores de três fases que encaminham os gases gerados na câmara de digestão para a câmara de gás. Esta inovação permite o encaminhamento dos gases para a lateral do reator e determinam a localização da câmara de decantação no centro.
Possibilitando inclusive, uma redução na área de contato da câmara de gás, que estava passível de corrosão. A inovação buscou entre outras a vantagem da redução das velocidades de entrada na câmara de decantação, viabilizando o retorno do sólido em suspensão para a câmara de digestão, aumentando seu tempo retido. Com este vigor foi projetado, construído e implantado o reator UASB com a arquitetura proposta. Testes hidrodinâmicos, foram feitos e acompanhados através de análises de DQO e SST ,na partida do reator. Este artigo descreve as etapas desenvolvidas,coleta e análise de dados e conclusões.

2. Desenvolvimento

2.1. Protótipo do reator UASB

Foi executado um protótipo com separador trifásico, conforme projeto com cinco metros e meio de altura e um metro e noventa de diâmetro a ele foi dado tratamento anticorrosivo e pinturas especiais. Com a entrada pela base de afluente, por meio de uma malha de diâmetro nominal de 60 milímetros. Sua saída do reator se deu por meio de uma calha coletora centrada ao reator . e interna a câmara de decantação . Relevante á sua característica interna, tem-se no primeiro separador, cônico a saída de biogás, Conduzido por meio de tubulação direcionada para câmara de captação lateral. Os três demais Separadores possuem forma de tronco de cone invertidos que defletem os gases lateralmente ao reator (ver Figura 1.2 da Introdução). Da seguinte forma :

ELEMENTOS DADOS
Volume do Reator 15.000 L
Separadores trifásicos cônicos 4 unidades
Separadores trifásicos tronco de cone invertido 3 unidades
Câmara de digestão altura de 3,0 m
Câmara de decantação altura de 2,2 m
Borda livre superior altura de 0,30 m
Abertura para a decantação 4 unidades.
Dimensionamento básico do protótipo de reator UASB

Está apresentado na Figura 4.1, a unidade de pesquisa que foi utilizada para realização dos ensaios. Já na Figura 4.2 são apresentados desenhos com os dimensionais do reator.

Esquema da unidade de pesquisa
Reservatório de entrada,
Bomba submersa,
Medidor de vazão,
Registros de entrada,
Malha de distribuição do efluente
Compressor de ar,
Difusor de distribuição de ar

Resumo dos parâmetros hidráulicos do protótipo
Critério/ parâmetros Q méd Q máx Q Pico
Vazões de projeto (L/s) 0,50 0,75 0,90
Carga hidráulica volumétrica (m3/m3 x d) 2,8 4,3 5,1
T. detenção hidráulica (h) 8,4 5,6 4,7
Velocidade superficial do fluxo (m/h) 0,63 0,95 1,14
T. de detenção hidráulica no decantador (h) 1,42 0,94 0,79
T. =tempo

2.2. Etapas de estudo
O estudo visou a investigação do comportamento hidrodinâmico da base de raciocínio do reator UASB e concomitante, acompanhamento da eficiência de remoção de matéria orgânica e sólidos. Conforme citado, houveram duas etapas detalhadas abaixo.
2.2.1. Primeira etapa
Testes foram executados hidrodinâmicamente para determinação das velocidades internas da câmara de decantação, com o uso de traçador salino e sondas de condutividade. Os testes foram realizados com água filtrada, havendo ajuste intermitente da vazão em 0,5 l/s e TDH de 8,3 h. Houve simulação de entrada de biogás, com a introdução de ar por difusor localizado na base do reator.

2.2.2. Segunda etapa

No intuído de acelerar os trabalhos com o sistema, o reator foi carregado com aproximadamente 50 % de seu volume com lodo anaeróbio granular proveniente do reator UASB de uma ETE, que existe nas proximidades. O protótipo passou a receber a carga de esgoto doméstico efluente do tratamento preambular, mantendo-se a vazão o mais próximo de 0,5 L/s. Esta fase foi realizada a monitoria de parâmetros de DQO e sólidos suspensos totais. Em paralelo, foram feitos ensaios hidrodinâmicos de estímulo-resposta com traçador salino.

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