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Aplicação do modelo de tanques em série na caracterização hidrodinâmica de reator anaeróbio de leito fluidificado

Resumo: Este trabalho teve como objetivo estudar a hidrodinâmica de um Reator Anaeróbio de Leito Fluidizado, em escala de bancada, no que diz respeito à formação de caminhos preferenciais (ou curtos circuitos) e de zonas mortas, de maneira a comprovar que parte do material efluente que adentra um reator não permanece em tratamento no tempo suficiente estipulado no dimensionamento do sistema. O estudo se baseou no comportamento do traçador cloreto de sódio; em regime pulso pelo modelo de tanques em série, sem e com biomassa. Os resultados em triplicata para o regime pulso sem biomassa indicaram uma tendência de aproximação a um escoamento pistonado, com valores calculados altos de reatores em série, de 44,64; 76,37 e 141,80; enquanto que para o regime pulso com biomassa, igualmente em triplicata, houve uma tendência do escoamento se aproximar de uma mistura completa, com valores calculados baixos de reatores em série, de 15,75; 7,25 e 6,57. Ambos os regimes ensaiados, no entanto, apresentaram respostas gráficas que apontam para patologias no escoamento, tornando o uso do Cloreto de Sódio inadequado para o estudo do comportamento hidrodinâmico.

Introdução: Dentre os processos biológicos de tratamento de esgoto, Wagner (2013) destaca que o processo anaeróbio constitui o tratamento onde os micro-organismos que se alimentam da matéria orgânica não necessitam da presença de oxigênio para sua sobrevivência, uma vez que morrem na presença dele, não necessitando, portanto, de maquinários que provoquem a aeração do sistema.
Dentre os reatores anaeróbios, destacam-se o UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), o qual permite o tratamento do produto afluente através de fluxo ascendente, sendo característica a separação trifásica (sólida composta pelo lodo, líquida composta pelo efluente tratado e gás composto pelo metano), tempo de detenção de 6 a 10 horas e baixa produção de lodo; e o RALF (Reator Anaeróbio de Leito Fluidizado), uma variação do reator UASB testada e aperfeiçoada no Paraná, a qual tem como uma das características o formato tronco-cônico, no entanto de comportamento semelhante ao UASB, no que diz respeito à separação trifásica e ao fluxo ascendente (JORDÃO & PESSÔA, 2011; CHERNICHARO, 1997).
Para se caracterizar um reator de mistura, segundo Levenspiel (2000), necessita-se explicitar algumas características essenciais: forma geométrica do reator, da quantidade de energia introduzida por unidade de volume, do tamanho ou escala de unidade, etc. Quanto ao padrão de misturas, encontram-se dois modelos: o fluxo em pistão e o fluxo em mistura completa.
No tipo de reator de fluxo em pistão ideal, todas as partículas entram no reator e saem segundo uma ordem, ou seja, não ocorre antecipação de qualquer partícula no interior do reator, tal como não há distribuição nem dispersão, portanto, não há mistura. Sendo assim, estas partículas passam pelo mesmo tempo de tratamento (tempo teórico de detenção hidráulica). No reator de mistura completa ideal, entretanto, ocorre dispersão total dos elementos que adentram o reator, em caráter instantâneo. Sendo ideal, toda concentração medida deverá ser a mesma para qualquer ponto ou região do reator, tal como a concentração do efluente (ARCEIVALA, 1981 apud LEVENSPIEL, 2000, p.52).
Na prática, os dois modelos ideais de mistura completa e de fluxo em pistão não ocorrem, estando a situação real enquadrada entre estes dois extremos, não os atingindo, no entanto. Uma razão para tal fato pode advir dos seguintes aspectos (TCHOBANOGLOUS e SCHROEDER, 1985 apud LEVENSPIEL, 2000 p. 66): Dispersão, onde há transporte longitudinal de partículas em razão de turbulências e difusão molecular; Volumes Mortos, onde há estratificação de parte das partículas, devido, por exemplo, a diferença de densidade, não exatamente a questões físicas do sistema, sendo o resultado uma diminuição no tempo de residência efetivo (tempo de detenção hidráulica); Volumes mortos, onde há locais do sistema que não contribuem para a passagem do fluxo, permanecendo “inativas”, resultando em fator semelhante ao que ocorre nos curtos-circuitos. Geralmente encontrados em cantos de tanques, lado interno de curvas e abaixo de vertedores.
A hidrodinâmica, segundo Foresti (2003), auxilia no entendimento e na caracterização das zonas mortas, ou volumes mortos, como citado em Jordão e Pessoa (2011), como também curtos-circuitos.
O tempo de detenção hidráulica (TDH) é um fator de grande importância para o estudo da eficiência dos reatores, devendo, portanto, ser considerado no dimensionamento destas unidades de tratamento. Trata-se do período médio de permanência das moléculas no interior de um reator de tratamento de esgoto, considerando os parâmetros de vazão constante (do afluente e do efluente) e de volume da unidade. Sendo assim, e unindo-se às definições de curtos-circuitos e zonas mortas, caracteriza-se também a denominada distribuição dos tempos de residência (DTR), colocada como a parcela do material efluente que permanece na unidade para cada tempo de detenção. Para o estudo da hidrodinâmica, é considerada a utilização de traçadores como uma técnica experimental na análise dos fenômenos hidrodinâmicos. No entanto, o comportamento hidrodinâmico depende também de outros aspectos; como a geometria, dos equipamentos de entrada e saída do efluente, das características do fluido, etc. A função dos traçadores é de diferenciar as várias porções do efluente e medir as concentrações correspondentes (FORESTI, 2003).
Brito e Melo (1997 apud QUERNE DE CARVALHO, 2008, p. 227) realizaram um ensaio de comportamento hidrodinâmico com um reator UASB em escala de laboratório, utilizando uma imobilização utilizada em UASB em escala real, granular e anaeróbia, usada para o tratamento de uma indústria de farinha de trigo. Foi realizado ensaio estímulo-resposta em pulso, aplicando-se 2 ml de cloreto de lítio, em concentração de 5 g.l-1.
Os autores encontraram, resumidamente, variações no gradiente de concentração de substrato ao longo da altura do reator, como também a formação de cauda, o que indica, segundo os próprios autores, estagnação em algumas zonas do reator.

Autores: Henrique Azevedo Silveira; Maria Magdalena Ribas Döll e Marcos Rogério Széliga.

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