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UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL
PR-REITORIA DE PESQUISA, INOVAO E DESENVOLVIMENTO TECNOLGICO
COORDENADORIA DE PESQUISA E PS-GRADUAO STRICTO SENSU
PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM MATERIAIS
GERAO DE EPS NO TRATAMENTO DE GUA RESIDURIA DE REFINARIA
DE PETRLEO EM MBR E SUA INFLUNCIA EM MICRO E ULTRAFILTRAO
ANDR ALBERTO LOVATEL
Caxias do Sul
2011
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Dados Internacionais de Catalogao na Publicao (CIP)
Universidade de Caxias do Sul UCS BICE Processamento Tcnico
ndice para catlogo sistemtico:
1. Poluio causada por efluentes de refino de petrleo
504.5:665.66
2. guas residuais Tratamento 628.5
3. Efluentes lquidos industriais 628.4.038
4. Tratamento de resduos 658.567
5. Filtrao por membranas 628.354
6. gua Poluio 628.515
Catalogao na fonte elaborada pela bibliotecria
Ktia Stefani CRB 10/1683
L896g Lovatel, Andr Alberto Gerao de EPS no tratamento de gua
residuria de refinaria
de petrleo em MBR e sua influncia em micro e ultrafiltrao /
Andr Alberto Lovatel, 2011. 128 f. : il. : Il. ; 30 cm.
Dissertao (Mestrado) Universidade de Caxias do Sul, Programa de
Ps-Graduao em Materiais, 2011.
Orientao: Prof. Dr. Mara Zeni Andrade e Prof. Dr. Lademir Luiz
Beal
1. Poluio causada por efluentes de refino de petrleo. 2.
guas residuais Tratamento. 3. Efluentes lquidos industriais. 4.
Tratamento de resduos. 5. Filtrao por membranas. 6. gua Poluio. I.
Ttulo.
CDU : 504.5:665.6
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ANDR ALBERTO LOVATEL
GERAO DE EPS NO TRATAMENTO DE GUA RESIDURIA DE REFINARIA
DE PETRLEO EM MBR E SUA INFLUNCIA EM MICRO E ULTRAFILTRAO
Dissertao apresentada ao Programa de
Mestrado em Materiais da Universidade de
Caxias do Sul visando obteno do grau de
Mestre em Cincia e Engenharia de Materiais.
Orientadora Prof. Dr. Mara Zeni Andrade
Coorientador Prof. Dr. Lademir Luiz Beal
Caxias do Sul
2011
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RESUMO
A gerao de substncias polimricas extracelulares (EPS) em
biorreatores
associados a membranas seletivas (MBR) destinados remoo de
matria orgnica e
nitrogenada presentes em guas residurias de refinaria de
petrleo, bem como eventual
influncia dessas EPS no desempenho hidrulico das membranas,
foram estudadas em
condies operacionais que simularam estados estacionrios e
transientes para as relaes
matria orgnica/biomassa (A/M), carga orgnica volumtrica (COV),
matria
nitrogenada/biomassa (N/M) e carga nitrogenada volumtrica (CNV)
em uma unidade
experimental de tratamento dessas guas que operou durante 2.387
horas e 14 minutos com
mdulos de membranas de fibras ocas submersas em PVDF, duas de
ultrafiltrao (W21 e 28)
e uma de microfiltrao (M0). Nesse perodo, o tempo de deteno
hidrulico foi variado
deliberadamente entre 7,8 e 20,1 horas, ainda que dois picos de
45,7 e 66,4 horas tenham sido
observados em decorrncia da reduo do fluxo de permeado
provocados por distrbios no
premeditados no sistema, durante os quais ficou clara a
importncia dos mecanismos de
retrolavagem, relaxao e aerao das membranas para manuteno do
fluxo de permeado e
da presso transmembrana em patamares estveis, que foram de 17,5
Lm-2
h-1
e entre 5.500 e
9.000 Pa para W21 e W28 e 14,0 Lm-2
h-1
e 17.000 a 20.000 Pa para M0. O desempenho do
MBR na remoo de matria orgnica foi superior a 90% da DQO
enquanto A/M e COV
estiveram acima de 0,01 gDQOgSSV-1
h-1
e 25,0 gDQOm-3
h-1
, simultaneamente. A
oxidao da matria nitrogenada variou entre 60 e 98% sem tendncia
claramente definida. A
concentrao de slidos suspensos totais variou entre 10.000,0 e
4.000,0 gm-3
e em 53% das
anlises essa concentrao foi superior a 7.000,0 gm-3
, com quedas marcantes com COV
inferior a 30,0 gDQOm-3
h-1
. A concentrao de EPS variou entre 4,5 e 250,3 gm-3
para a
frao solvel, entre 4,2 e 36,5 gm-3
para frao fracamente ligada e entre 60,4 e 461,9 gm-3
para frao fortemente ligada. Desses valores se conclui que a
frao fracamente ligada
pouco representativa, no justificando sua extrao em separado da
frao fortemente ligada.
A velocidade de centrifugao adotada na extrao de EPS no promoveu
adequada separao
EPS/lodo. A anlise de protenas e cidos hmicos pelo mtodo de
Lowry et al. (1951)
modificado por Frolund et al (1995), com base nos resultados das
curvas padro
concentrao/absorbncia, pareceu adequada. No foi possvel
estabelecer com clareza
relao de causa e efeito entre desempenho do MBR, EPS e
desempenho hidrulico das
membranas, provavelmente em funo dos distrbios observados
durante a operao.
AdministradorRealce
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ABSTRACT
The production of extracellular polymeric substances (EPS) in
membranes bioreactor
(MBR) for the removal of organic matter and nitrogen compounds
present in wastewater from
oil refinery as well as a possible influence of EPS in the
hydraulic performance of the
membranes was studied under simulated transient and steady
states conditions for organic
matter/biomass (F/M), volumetric organic load (VOL), nitrogen
compounds/biomass (N/M)
and volumetric nitrogen load (VNL) in an experimental unit for
treatment of these waters that
was operated for 2,387 hours and 14 minutes with modules of
submerged hollow fiber
membranes in PVDF, two of ultrafiltration (W21 and 28) and one
of microfiltration (M0).
During this period, hydraulic detention time was deliberately
varied between 7.8 and
20.1 hours, however, two peaks of 45.7 and 66.4 hours were
observed due to the reduction of
permeate flow caused by unpremeditated disturbances in the MBR
during which it became
clear the importance of the mechanisms of backwash, relaxation
and membrane aeration to
maintain the permeate flux and transmembrane pressure at stable
levels that were
17,5 Lm-2h-1 and 5,500 to 9,000 Pa for W21 and W28, 14 Lm-2h-1
and 17,000 to 20,000 Pa
for M0. The performance of the MBR in removing organic matter
was above 90% when F/M
and VOL was higher than 0.01 gCODgVSS-1h-1 and 25.0 gCODm-3h-1,
respectively. The
oxidation of nitrogenous matter varied between 60 and 98%
without clearly defined trend.
The concentration of total suspended solids ranged from 10,000
and 4,000 gm-3 and 53% of
the analysis this concentration was greater than 7,000 gm-3,
marked decreases were observed
when the VOL was less than 30.0 gCODm-3h-1. The concentration of
soluble EPS ranged
from 4.5 to 250.3 gm-3, from 4.2 to 36.5 gm-3 to the loosely
bound EPS and from 60.4 to
461.9 gm-3 to the tightly EPS. Based on these concentrations it
is possible to conclude that
the loosely bound fraction is not very representative, not
justifying it separate extraction from
the tightly bound EPS. The centrifugation speed adopted in the
extraction of EPS did not
provide adequate separation EPS/sludge. The analysis of proteins
and humic acids by the
method of Lowry et al. (1951) modified by Frolund et al. (1995),
based on the results of the
standard curve concentration/absorbance, seemed appropriate. It
was no possible to establish a
clear cause and effect relationship between performance of MBR,
EPS and hydraulic
performance of the membranes, probably due to disturbances
during the operation of the
MBR.
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Identificao das fraes que compem as EPS.
..............................................................................24
Figura 2 Representao esquemtica das relaes entre as diferentes
fraes de EPS e a biomassa. ................25
Figura 3 Topo da bancada, painel eletro eletrnico e unidades da
UETAR. ....................................................35
Figura 4 Tela principal do programa supervisrio da UETAR.
.......................................................................36
Figura 5 Componentes do sistema de operao e controle de fluxo.
...............................................................37
Figura 6 Rotmetros (RT5, RT6) e vlvulas (VC3, VC4, VC5, Var5) do
controle de fluxo de ar comprimido. 40
Figura 7 Imagens dos mdulos de membranas utilizados na UETAR:
mdulo W21 (igual ao W28) (A); detalhe
de membrana danificada com suporte exposto (B) e mdulo M0
submerso em gua limpa (C). .........................41
Figura 8 Mdulo M12 em construo, camada de silicone depositada na
extremidade das membranas (A),
detalhes do sistema de aerao do mdulo (B e C) e sob teste de
estanqueidade (D). .........................................42
Figura 9 Sistema para teste de estanqueidade (A), mdulos com
vazamentos na conexo de suco e entrada de
ar (B), e com membranas rompidas junto base de fixao (C) e na
faixa intermediria (D). ............................44
Figura 10 Exemplos de mdulos de membranas submetidos
retrolavagem durante limpeza qumica (A) e
ensaio de filtrao com gua limpa para determinao da
permeabilidade do mdulo (B).
.................................45
Figura 11 Procedimentos tpicos da limpeza fsica: desplacamento
parcial da torta acumulada pela ao da
fora peso (A), remoo da torta mediante raspagem manual (B) e
aplicao de jatos dgua (C). .....................46
Figura 12 Ilustrao esquemtica da UETAR com indicao dos pontos
amostrais. ........................................48
Figura 13 Fluxograma simplificado dos procedimentos para extrao
de EPS. ...............................................54
Figura 14 Representao grfica de COV, SST e SSV entre maio e
setembro/2010 na UETAR. .....................60
Figura 15 Representao grfica das relaes J20 f(PTM) com dados dos
ensaios de permeabilidade a gua
limpa a que foi submetido o mdulo M12 dos quais resultaram os
valores de Rm listados na Tabela 13. ...........65
Figura 16 Representao grfica das relaes J20 f(PTM) com dados dos
ensaios de permeabilidade a gua
limpa a que foram submetidos os mdulos W21 e W28 cujo resumo est
na Tabela 13. ....................................65
Figura 17 Dados de J20, PTM e eventos de retrolavagem na operao
do mdulo W21 entre os dias 16 e
21/08/2010. Entre meados dos dias 17 e 20 interrupo da
retrolavagem provocou elevao da PTM. ...............67
Figura 18 Resumo dos dados de operao do mdulo W21 apresentados
na Figura 17. ..................................67
Figura 19 Desempenho de J20 e PTM do mdulo W28 na corrida de
11/05 a 17/07/2010, com operao da
UETAR programada para regime estacionrio, e indicao de perodos
sem aerao das membranas. ...............70
Figura 20 Variaes de Rt do mdulo W28 resultantes do desempenho
ilustrado na Figura 19 com indicao da
Rm, dos eventos de retrolavagem com as PTM atingidas e dos
perodos sem aerao. ......................................70
Figura 21 J20 e PTM do mdulo W28 na corrida de 23/07 a
03/09/2010, com UETAR em regime transiente. 72
Figura 22 Variaes de Rt na corrida de 23/07 a 03/09/2010 do
mdulo W28 resultantes de PTM e J20
ilustrados na Figura 21, indicao da Rm e dos eventos de
retrolavagem com as PTM atingidas........................72
Figura 23 Resumo dos dados de fluxo e presso transmembrana
observados na corrida do mdulo W21 no
perodo entre 17/07 e 29/08/2010, com operao da UETAR em regime
transiente. ..........................................74
Figura 24 Resumo dos valores de Rt resultantes de J20 e PTM
apresentados na Figura 23, eventos de
retrolavagem e indicao da Rm do mdulo W21 para o perodo entre
17/07 a 29/08/2010. ..............................74
Figura 25 Resumo dos valores de J20 e PTM da corrida do mdulo M0
entre 02 e 23/07/2010, com operao
da UETAR prevista para estacionrio at o ponto 329:00 e indicao
de perodos sem aerao das membranas. 76
-
Figura 26 Eventos de retrolavagem, indicao dos intervalos sem
aerao das membranas e da Rm do mdulo
M0, alm do resumo dos valores de Rt resultantes de J20 e PTM
indicados na Figura 25. .................................76
Figura 27 Representao grfica do comportamento de SST, SSV e
Rt/Rm durante operao da UETAR. .....81
Figura 28 Imagens de topo dos segmentos de membrana nova (A) e
de M12 (B) obtidas com MEV em
magnificao de 5000, onde se observa poros com dimetros variando
entre 0,2 m e 0,8m. ........................82
Figura 29 Detalhes das seces transversais da membrana M12 (A),
obtida com MEV em magnificao de
150 com indicao da espessura aparente da camada filtrante e
aumento da porosidade nas subcamadas em
direo ao lmen e da membrana W21 (B) obtida com MEV em magnificao
de 600....................................82
Figura 30 Imagens da seco transversal da membrana W21, com
detalhe para camada filtrante, obtida com
magnificao de 10000 (A), e da microestrutura desse fragmento
obtida com magnificao de 6000 (B).......83
Figura 31 Imagem da seco transversal de fragmento de membrana
M12 obtida com MEV em magnificao
de 350 identificando a estrutura da subcamada (A) e detalhe da
estrutura interna dessa subcamada em imagem
obtida com magnificao de 3500 (B) onde se identificam cavidades
com dimetros entre 1,25 e 2,50 m. .....83
Figura 32 Curvas padro de absorbncia elaboradas com as
concentraes da Tabela 16. ...............................88
Figura 33 Curvas padro de absorbncia elaboradas com as
concentraes da Tabela 19. ...............................88
Figura 34 Curvas padro de BSA com adio de AH e fenol.
.........................................................................90
Figura 35 Concentraes de substncias semelhantes a cidos hmicos,
protenas e carboidratos em P0. ........95
Figura 36 Soma das fraes de EPSs, EPSfr e EPSfo nas amostras do
P2. ......................................................95
Figura 37 Concentraes de cidos hmicos, protenas e carboidratos
nos extratos de EPSs do P2. ................96
Figura 38 Concentraes de cidos hmicos, protenas e carboidratos
nos extratos de EPSfr do P2. ...............96
Figura 39 Concentraes de cidos hmicos, protenas e carboidratos
nos extratos de EPSfo do P2. ...............96
Figura 40 Soma das fraes de EPSs, EPSfr e EPSfo nas amostras do
P4. ......................................................97
Figura 41 Concentraes de cidos hmicos, protenas e carboidratos
nos extratos de EPSs do P4. ................97
Figura 42 Concentraes de cidos hmicos, protenas e carboidratos
nos extratos de EPSfr do P4. ...............98
Figura 43 Concentraes de cidos hmicos, protenas e carboidratos
nos extratos de EPSfo do P4. ...............98
Figura 44 Soma das fraes de EPSs, EPSfr e EPSfo nas amostras do
P5. ......................................................99
Figura 45 Concentraes de cidos hmicos, protenas e carboidratos
nos extratos de EPSs do P5. ................99
Figura 46 Concentraes de cidos hmicos, protenas e carboidratos
nos extratos de EPSfr do P5. ...............99
Figura 47 Concentraes de cidos hmicos, protenas e carboidratos
nos extratos de EPSfo do P5. ............. 100
Figura 48 Concentraes de cidos hmicos, protenas e carboidratos
nos extratos de EPSs no P6. .............. 100
Figura 49 Soma de EPSs, EPSfr e EPSfo nas amostras de P5
sobrepostas pelas variaes de COV. .............. 101
Figura 50 Soma de EPSs, EPSfr e EPSfo nas amostras do P5
sobrepostas pelas variaes de A/M. .............. 101
Figura 51 Soma de EPSs, EPSfr e EPSfo nas amostras do P5
sobrepostas pelas variaes de CNV............... 101
Figura 52 Soma de EPSs. EPSfr e EPSfo nas amostras do P5
sobrepostas pelas variaes de N/M. .............. 102
Figura 53 Soma de EPSs, EPSfr e EPSfo nas amostras do P5
sobrepostas pelas variaes de TDH. .............. 102
Figura 54 Soma de EPSs, EPSfr e EPSfo nas amostras do P5
sobrepostas pelas variaes de HO. ................ 102
Figura 55 Soma de EPSs, EPSfr e EPSfo nas amostras do P5
sobrepostas pelas variaes de SSV. ............... 103
Figura 56 Soma de EPSs, EPSfr e EPSfo nas amostras do P5
sobrepostas pelas variaes de Rt/Rm. ........... 103
-
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Caractersticas dos processos de separao por membrana.
..............................................................15
Tabela 2 Materiais usuais na fabricao de membranas seletivas.
...................................................................16
Tabela 3 Caractersticas genricas da composio das EPS.
...........................................................................24
Tabela 4 Aspectos construtivos dos mdulos utilizados na operao
da UETAR e em ensaios de filtrao. .....42
Tabela 5 Caractersticas da gua residuria disponibilizada pela
REPAR para a operao da UETAR no
perodo entre maio e setembro de 2010.
...........................................................................................................47
Tabela 6 Ensaios analticos relacionados ao objetivo do estudo
realizados em amostras coletadas durante
operao da UETAR.
.......................................................................................................................................48
Tabela 7 Ensaios realizados e frequncia por ponto amostral.
........................................................................48
Tabela 8 Resumo dos parmetros e mtodos analticos para os
extratos de EPS..............................................51
Tabela 9 Resultados analticos de caracterizao da gua residuria e
do permeado, eficincia de remoo de
DQO e oxidao de NOX e concentrao de slidos no MBR.
.........................................................................59
Tabela 10 Resultados analticos para fenol.
...................................................................................................61
Tabela 11 Resultados nas anlises de hidrofobicidade (HO) e
dimetro de floco (dl). .....................................61
Tabela 12 Dados dos ensaios de filtrao com gua limpa realizados
com os mdulos M0, W21 e W28. ........62
Tabela 13 Resumo de ensaios para determinao da permeabilidade
com gua limpa a que foram submetidos
os mdulos W21, W28 e M12.
.........................................................................................................................64
Tabela 14 Corridas de filtrao a que foram submetidos os mdulos
utilizados durante operao da UETAR. 68
Tabela 15 Valores de Rt e da resistncia intrnseca (Rm) e da razo
entre Rt e Rm dos mdulos de membranas
nas datas onde foram efetuadas amostragens para anlises de HO e
EPS.
..........................................................80
Tabela 16 Concentraes (gm-3) do primeiro conjunto de curvas
padro traadas para anlises de cidos
hmicos e protenas em extratos de EPS.
..........................................................................................................85
Tabela 17 Valores de absorbncias para as concentraes padro com
BSA da Tabela 16. .............................85
Tabela 18 Valores de absorbncia para as concentraes padro AH da
Tabela 16. ........................................86
Tabela 19 Concentraes (gm-3) para conjunto consolidado de curvas
padro traadas para anlises de cidos
hmicos e protenas em extratos de EPS.
..........................................................................................................86
Tabela 20 Valores de absorbncia para as concentraes padro com
BSA da Tabela 19. ...............................87
Tabela 21 Valores de absorbncia para as concentraes padro AH da
Tabela 19. ........................................87
Tabela 22 Concentraes de cidos hmicos (ah), protenas (p),
carboidratos (c) e slidos totais volteis (STV)
nos extratos de EPS solvel e correlao (R) desses resultados com
A/M, COV, N/M, CNV, SSV e TDH
listados na Tabela 9, com HO e dl da Tabela 11 e Rt/Rm da Tabela
15.
............................................................92
Tabela 23 Concentraes de cidos hmicos (ah), protenas (p),
carboidratos (c) e slidos totais volteis (STV)
nos extratos de EPS fracamente ligado e correlao (R) desses
resultados com A/M, COV, N/M, CNV, SSV e
TDH listados na Tabela 9, com HO e dl listados na Tabela 11 e
Rt/Rm apresentados na Tabela 15. ..................93
Tabela 24 Concentraes de cidos hmicos (ah), protenas (p),
carboidratos (c) e slidos totais volteis (STV)
nos extratos de EPS fortemente ligado e correlao (R) desses
resultados com A/M, COV, N/M, CNV, SSV e
TDH listados na Tabela 9, com HO e dl listados na Tabela 11 e
Rt/Rm apresentados na Tabela 15. ..................94
-
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
a absorbncia
A rea
A/M razo entre a matria orgnica (DQO) afluente e concentrao de
biomassa
nos reatores
ah cidos hmicos na amostra
AH cidos hmicos grau analtico
aR absorbncia relativa
Aw permeabilidade da membrana com gua limpa
BAP produtos associados biomassa
BSA albumina de soro bovino
c carboidratos na amostra
CER resina catinica
CNV carga nitrogenada volumtrica
COV carga orgnica volumtrica
D coeficiente de difusividade mssica
DBO demanda bioqumica de oxignio
d dimetro
DQO demanda qumica de oxignio
EN eficincia de oxidao da matria nitrogenada
EO eficincia de remoo da matria orgnica
EPS substncia polimricas extracelulares
EPSfo substncia polimricas extracelulares fortemente ligadas
biomassa
EPSfr substncias polimricas extracelulares fracamente ligadas
biomassa
EPSs substncias polimricas extracelulares solveis
FC reagente Folin Ciocalteu
g fora centrfuga
HO hidrofobicidade
J fluxo de permeado
J20 fluxo de permeado normalizado 20C
J20e fluxo de permeado normalizado 20C por unidade de presso
LATAM Laboratrio de Tecnologia Ambiental
-
LCMAT I Laboratrio de Caracterizao de Materiais I
MBR associao biorreatores e membranas seletivas
MEV microscopia eletrnica de varredura
MF microfiltrao
N/M razo entre matria nitrogenada oxidvel afluente e concentrao
de
biomassa nos reatores
NH4-N nitrognio amoniacal
NOX matria nitrogenada oxidvel
NTK nitrognio total Kjeldahl
OD oxignio dissolvido
p protenas na amostra
PETROBRAS Petrleo Brasileiro S. A.
P(?) presso
PTM presso transmembrana aplicada
PVC poli (cloreto de vinila)
PVDF poli (fluoreto de vinilideno)
r fator de reteno da torta
Rb resistncia filtrao decorrente de bloqueio dos poros
Rc resistncia da torta filtrao
REPAR Refinaria Presidente Getlio Vargas
Rf resistncia do fouling filtrao
Rg resistncia da camada gel filtrao
Rm resistncia intrnseca da membrana permeao de gua limpa
rpm rotaes por minuto
Rt soma de todas as resistncias filtrao
SF slidos fixos
SMP produtos microbianos solveis
SSF slidos suspensos fixos
SST slidos suspensos totais
SSV slidos suspensos volteis
ST slidos totais
t tempo
T temperatura
TDH tempo de deteno hidrulica
-
TRS tempo de reteno dos slidos
TU turbidez
UAP produtos associados utilizao do substrato
UCS Universidade de Caxias do Sul
UETAR Unidade Experimental de Tratamento de guas Residurias
UF ultrafiltrao
V volume
LISTA DE SMBOLOS
resistncia especfica da torta
espessura da camada limite alm da qual forma-se gradiente de
concentrao
x espessura da membrana
porosidade
comprimento de onda
viscosidade dinmica
massa especfica
fator de transferncia de massa
-
SUMRIO
1 INTRODUO
...............................................................................................................
12
2 REVISO BIBLIOGRFICA
.......................................................................................
14
2.1 MICRO E ULTRAFILTRAO
................................................................................
15
2.2 CARACTERIZAO DAS EPS
................................................................................
23
2.3 BIOFOULING E EPS
..............................................................................................
29
3 MTODOS EXPERIMENTAIS
....................................................................................
32
3.1 UNIDADE EXPERIMENTAL DE TRATAMENTO DE GUAS RESIDURIAS ...
32
3.1.1 Controle de fluxo
..................................................................................................
37
3.2 MEMBRANAS
..........................................................................................................
41
3.2.1 Procedimentos de rotina aplicados aos mdulos de membranas
........................... 43
3.3 GUA RESIDURIA E BIOMASSA
.......................................................................
47
3.4 MTODOS ANALTICOS
........................................................................................
48
3.4.1 Hidrofobicidade
...................................................................................................
50
3.4.2 Ensaios de EPS
....................................................................................................
51
4 RESULTADOS E DISCUSSES
...................................................................................
56
4.1 DESEMPENHO GLOBAL DA UETAR
....................................................................
56
4.2 PERMEABILIDADE DAS MEMBRANAS
...............................................................
62
4.3 HIDRODINMICA DAS MEMBRANAS NA OPERAO DA UETAR
................ 66
4.3.1 Desempenho hidrodinmico das membranas
........................................................ 77
4.4 ANLISE DAS IMAGENS DAS MEMBRANAS AO MEV
..................................... 81
4.5 DISCUSSO DO MTODO ANALTICO ADOTADO PARA DETERMINAO
DE PROTENAS E CIDOS HMICOS.
.......................................................................
84
4.6 RESULTADOS DAS ANLISES DE EPS
................................................................
91
5 CONCLUSES
.............................................................................................................
105
REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS
............................................................................
108
APNDICE A PROTOCOLO DE EXTRAO E ANLISES DE EPS
.................. 113
APNDICE B MTODO ANALTICO: HIDROFOBICIDADE
.............................. 126
-
12
1 INTRODUO
A gerao de substncias polimricas extracelulares (EPS) em
biorreatores
associados a membranas seletivas (MBR) destinados a remoo de
matria orgnica e
nitrogenada presentes em guas residurias de refinaria de
petrleo, bem como eventual
influncia dessas EPS no desempenho hidrulico das membranas foram
estudadas em
condies operacionais que simularam estados estacionrios e
transientes para o tempo de
deteno hidrulica (TDH), que repercutiram nas relaes entre essas
matrias, a
concentrao de biomassa nos biorreatores e o volume de reao.
Aparentemente adotada pela primeira vez por Geesey em 1982
(WINGENDER, et
al., 1999), a expresso substncias polimricas extracelulares
denomina um conjunto de
materiais polimricos biossintetizados em culturas microbianas
compostos por
polissacardeos, protenas, cidos nucleicos (BROWN, et al., 1979),
lipdios, cidos hmicos
e urnicos (FROLUND, et al., 1996), secretados ou liberados aps o
rompimento das
membranas celulares (lise) e que permitem a agregao desses
microrganismos.
Embora inerentes e fundamentais ao metabolismo e estruturao de
biofilmes ou
flocos microbianos, as EPS, associadas a outros compostos
presentes no licor, que o termo
utilizado para identificar a mistura gua residuria - biomassa,
promovem interaes fsicas e
qumicas com a superfcie das membranas seletivas nos MBRs que
resultam em reduo da
capacidade de permeao.
O uso crescente de recursos hdricos como fonte de abastecimento
de gua ou como
receptor de guas residurias de diversos processos antrpicos tem
alterado, principalmente
em termos qualitativos, o ciclo biogeoqumico natural da gua.
Em resposta a isso, cresce o rigor dos rgos reguladores e
fiscalizadores das
condies ambientais, estimulando a sociedade a desenvolver e
aperfeioar operaes e
processos destinados a minimizar a carga de contaminantes
presentes nas guas residurias e,
principalmente, adequ-las aos requisitos mnimos de qualidade
necessrios a seu reuso.
Segundo Santos et al. (2011), entre os anos de 1999 e 2009,
enquanto a taxa de
crescimento anual nas instalaes de MBRs foi de 13%, as pesquisas
publicadas sobre o tema
cresceram 20%, com 31% delas tendo a reduo da capacidade de
permeao como tema
central e na sua maioria as EPS foram o tpico principal, de
forma que apenas pesquisas
relacionadas micropoluentes alavancadas pela legislao cresceram
mais rapidamente.
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-
13
O refino de petrleo um exemplo tpico de atividade antrpica onde,
tais os
volumes envolvidos, os recursos hdricos tm especial importncia.
Segundo informaes no
publicadas disponibilizadas pela Petrleo Brasileiro S/A
(PETROBRAS) em 2010, o
consumo de gua e a gerao de guas residurias tpicos em refinaria
so, respectivamente,
da ordem de 0,78 m3 e 0,30 m
3 por m
3 de leo processado.
Esses valores no contabilizam os volumes abundantes que devem
estar disponveis
para combates a eventuais incndios. J a diferena entre o consumo
de gua e a gerao de
guas residurias em refinarias deve-se s perdas sob forma de
vapor.
Dessalgao do petrleo, destilao, coque, tratamentos custicos de
produtos
caracterizados pela contaminao com sulfetos, mercaptdeos,
cianetos e fenis, bem como a
drenagem de fundo dos tanques de armazenagem de petrleo ou
produtos do refino so as
principais correntes contribuintes das guas residurias em
refinarias.
Nesse contexto, o objetivo desta dissertao em avaliar as
interaes entre condies
operacionais e gerao de EPS em MBR destinado a remoo
microbiolgica de matria
orgnica e nitrogenada presentes em guas residurias de refinaria
de petrleo se justifica
plenamente como produto do conhecimento j existente e, se
possvel, motivador de novos
questionamentos que possam contribuir para melhor compreenso dos
fenmenos envolvidos.
Os objetivos especficos estabelecidos para esse fim foram:
Quantificar e qualificar as diferentes formas de EPS
presentes;
avaliar a gerao das EPS em diferentes relaes entre a carga de
matria orgnica
e nitrogenada afluentes ao MBR, a concentrao de biomassa nos
biorreatores e o
tempo de deteno hidrulica;
avaliar relaes entre o aumento da resistncia filtrao e as
concentraes das
diferentes formas de EPS presentes.
As atividades desenvolvidas para atendimento dos objetivos da
dissertao so
abordadas de forma detalhada, enquanto outras atividades, cuja
importncia reside na
contextualizao e determinao das condies de contorno
experimentais, so mencionadas
de forma resumida.
-
14
2 REVISO BIBLIOGRFICA
Em MBRs, as membranas seletivas propiciam eficincia tal na
separao lquido-
slidos que permitem clarificao do efluente e reteno da biomassa,
composta por
microrganismos que metabolizam os compostos biodegradveis
presentes nas guas
residurias convertendo-os em compostos mais simples, superiores
quelas observadas em
estaes de tratamento de efluentes (ETEs) cuja separao lodo
efluente clarificado se d
mediante sedimentao dos slidos (LIAO, et al., 2004).
Assim, segundo Rosenberger & Kraume (2002), desde que
atendidos os fatores
limitantes ao crescimento microbiano, como disponibilidade de
substrato biodegradvel ou,
em processos aerbios, suprimento de oxignio dissolvido (OD),
possvel obter maior
concentrao de biomassa, reduo do tempo de deteno hidrulica (TDH)
das guas
residurias e por consequncia do volume dos biorreatores.
A constante evoluo da tecnologia de membranas seletivas, que faz
cair os custos de
instalao e operao, aumenta a viabilidade econmica dos MBRs no
tratamento de guas
residurias, produzindo efluentes com qualidade superior aos
obtidos por outros sistemas
convencionais de tratamento de guas residurias, tornando real a
perspectiva de reuso dessas
guas em muitos processos (YIGIT, et al., 2009).
Por outro lado, a reduo da capacidade de permeao das membranas
inerente ao
processo, e que quando definitiva decorre de incrustaes ou
fenmeno denominado fouling
(DREWS, et al., 2006), interfere negativamente no desempenho dos
MBRs como um todo.
O biofouling, termo que segundo Liao et al. (2004) tem sido
empregado de forma
mais ampla do que fouling, pois abrange diversos fenmenos
decorrentes do contato com os
microrganismos, tem representado o Tendo de Aquiles (FLEMMING,
et al., 1997) para a
viabilidade econmica dos MBRs.
Para Rosenberger et al. (2006), em MBRs, contribuem para o
biofouling: as
propriedades e as caractersticas construtivas das membranas e
dos mdulos, as condies
hidrodinmicas, os parmetros e variveis operacionais e as
caractersticas da biomassa.
Segundo Lesjean et al. (2005), grandes molculas orgnicas
presentes no licor e
originadas da atividade microbiana conhecidas como substncias
polimricas extracelulares
(EPS), foram identificadas como maiores responsveis pelo
biofouling observado em
membranas de MBR tratando esgotos domsticos do que a concentrao
de slidos suspensos.
-
15
2.1 MICRO E ULTRAFILTRAO
Conforme a Equao 1, nos processos de separao envolvendo
membranas
resumidos na Tabela 1, fluxo o volume de solvente que permeia
por unidade de rea da
superfcie da membrana transversal a sua espessura em unidade de
tempo (IUPAC , 1996).
Sabendo que a viscosidade do permeado interfere no fluxo e esta
funo da temperatura,
usual que se normalize o fluxo da temperatura de operao para 20C
com a Equao 2.
Tabela 1 Caractersticas dos processos de separao por
membrana.
Processos Fora motriz Dimetro de
poros (nm)
Faixa de
operao (nm) Retentado Permeado
Microfiltrao
(MF)
Diferena de
presso (PTM) 10000 100 80 2000
SST, turbidez,
protozorios, oocistos,
algumas bactrias e vrus
gua, solutos
dissolvidos
Ultrafiltrao
(UF)
Diferena de
presso 100 10 0,005 0,2
Macromolculas, coloides,
maioria das bactrias,
alguns vrus e protenas
gua, molculas de
baixa massa molar,
aucares
Nanofiltrao (NF)
Diferena de presso
10 1 0,001 0,01 Acares, cidos
dissociados, ons divalentes
gua, cidos no
dissociados e ons monovalentes
Osmose inversa
(OI)
Diferena de
presso < 1 0,0001 0,001 Todos os solutos gua
Osmose (Os) Diferena de
potencial qumico < 1 - Todos os solutos gua
Dilise (Da) Diferena de
concentrao < 50 0,005 0,2 Macromolculas
gua, molculas de
baixa massa molar
Eletrodilise
(ED)
Diferena de
potencial eltrico < 2 nm - Solutos no inicos gua, ons
Permeao de
gases (PG)
Diferena de
presso e de
concentrao
Densas - Gs menos permevel Gs permevel
Pervaporao
(PV) Presso de vapor Densas - Lquido menos permevel Lquido
permevel
Fonte: modificado de Cheryan (1998) e Metcalf & Eddy
(2003).
( 1)
( 2)
Onde:
J fluxo permeado em condies operacionais (m3m-2s-1);
V volume de permeado (m3);
t tempo de operao (s),
A rea filtrante (m2);
J20 fluxo permeado normalizado 20C (m3m-2s-1);
T viscosidade dinmica do permeado na temperatura de operao
(Nsm-2
);
20 viscosidade dinmica do permeado 20C (Nsm-2
).
-
16
Alm da classificao quanto fora motriz aplicada, da porosidade e
do tamanho
nominal das partculas e compostos retidos ou permeados descritos
na Tabela 1, as
membranas podem ser classificadas quanto ao material construtivo
(Tabela 2) e quanto ao
mecanismo de filtrao e morfologia.
Tabela 2 Materiais usuais na fabricao de membranas
seletivas.
Materiais Materiais
Acetato de celulose (CA) Alumina
Triacetato de celulose (CTA) Hematita
Celulose regenerada (RC) Cermicas Slica
Nitrato de celulose Titnia
Poliamidas alifticas Zircnia
Poliamidas aromticas (PA) Ao inoxidvel sinterizado
Policarbonatos (PC) Metais Alumnio anodizado
Poli (etileno tereftalato) (PET) Prata
Polipropileno (PP) Poliacrilato e zircnia
Polmeros Poli (tetrafluoretileno) (PTFE) Poliacrilato e ao
inoxidvel
Poli (cloreto de vinila) (PVC) Compsitos Poliamida e
polissulfona
Poli (acrilonitrila) (PAN) Poli (terureia) e polissulfona
Poli (vinil lcool) (PVA) Carbono e zircnia
Polissulfona (PS)
Poli (tersulfona) (PES)
Poliimida (PI)
Poli (benzimidazol) (PBI)
Poli (terimida) (PEI)
Poli (metilmetacrilato) (PMMA)
Poli (fluoreto de vinilideno) (PVDF)
Fonte: adaptado de Cheryan (1998).
Quanto ao mecanismo de filtrao e morfologia, as membranas so
classificadas em
duas categorias: de canais (simtricas) ou de topo (assimtricas)
(CHERYAN, 1998).
As simtricas apresentam as mesmas caractersticas construtivas ao
longo de sua
espessura. Podem ser densas ou formadas por fibras ou partculas
em orientao randmica
cujo arranjo resulta em um conjunto de canais tortuosos (poros)
que se prolonga por toda a
espessura da membrana. Parte do retentado permanece na superfcie
e outra parte pode se
acumular nos poros bloqueando-os, s vezes definitivamente.
Quando os poros apresentam
dimenses uniformes, a membrana denominada isotrpica, do
contrrio, a membrana
denominada anisotrpica (CHERYAN, 1998).
As membranas assimtricas so multicamadas, isto , tm uma camada
seletiva de
topo pouco espessa e mais densa do que as subcamadas as quais
recobre. A seletividade
determinada pela camada de topo, logo no h acmulo de partculas
nas subcamadas, apenas
-
17
os poros da superfcie podem sofrer bloqueio por deposio
(CHERYAN, 1998). Assim,
fluxo no sentido inverso ao da filtrao apresenta boa eficincia
na remoo de deposies,
que ao lado da concentrao de polarizao so os fenmenos
responsveis pela reduo
reversvel do fluxo de permeado ao longo da corrida de filtrao
(YIGIT, et al., 2009).
Em termos estruturais as membranas so classificadas em integrais
ou suportadas. As
integrais so fabricadas em matriz nica enquanto que as
suportadas so compostas por, pelo
menos duas matrizes: uma formada pela membrana seletiva
propriamente dita e outra que lhe
serve de suporte e lhe confere maior resistncia mecnica
(CHERYAN, 1998).
Em MBRs, os processos de separao mais utilizados so microfiltrao
e
ultrafiltrao (ROSENBERGER & KRAUME, 2002), processos esses
cujos mecanismos
operacionais e de separao, segundo Metcalf & Eddy (2003), so
basicamente os mesmos.
Ainda segundo Metcalf & Eddy (2003), a diferena entre MF e
UF o tamanho dos
poros, de forma que, do ponto de vista terico, considerando
iguais as demais caractersticas
operacionais, a escolha por um ou outro processo depende apenas
das dimenses dos slidos
que se pretende reter, de forma a minimizar que esses possam se
acumular no interior dos
poros, bloqueando-os.
Em MF e UF, as configuraes de membranas mais utilizadas so as
tubulares,
espirais, de placas planas e fibras ocas. Quanto direo do fluxo
do licor, as configuraes
se dividem em tangencial (cross-flow), na qual o licor fluiu
paralelamente superfcie da
membrana, e frontal (dead-end), na qual o fluxo perpendicular
ela.
As membranas tubulares e espirais so instaladas em mdulos no
interior de tubos
pressurizados externos aos biorreatores, de forma que o licor
dever ser bombeado pelo lmen
das membranas e pressionado de forma que o solvente permear da
superfcie interna para a
superfcie externa das membranas e o rejeito recircular para o
biorreator.
J as membranas de placas planas e de fibras ocas so instaladas
em mdulos no
interior dos biorreatores de forma que o solvente permear por
suco da superfcie externa
para a superfcie interna das membranas, enquanto que o retentado
permanecer no interior
do reator (CHERYAN, 1998).
Portanto, de forma geral e usual o fluxo de licor tangencial,
com PTM aplicada de
compresso, para as membranas tubulares e espirais, e frontal,
com PTM de suco, para as
placas planas e as fibras ocas. Em ambos os casos o soluto
retentado eleva a concentrao de
slidos no licor, slidos esses que permanecem submetidos
biodegradao.
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-
18
Dessas condies operacionais, resultam vantagens e desvantagens.
Para um mesmo
fluxo permeado, em condies usuais, o valor da PTM de compresso
superior ao de suco
e disso resultam vantagens econmicas, em termos de economia de
energia, em favor das
membranas de placas planas e de fibras ocas ( NL , et al.,
2005).
Ao contrrio das membranas tubulares e espirais, as membranas de
placas planas e
fibras ocas admitem reverso de fluxo, seja ele de lquido (WU, et
al., 2008) ou de ar
comprimido (PLIANKAROM, 1996) para relaxao e remoo de slidos
depositados sobre
os poros, porm tm maior tendncia ao acmulo de slidos em sua
superfcie do que aquelas.
O emprego de ar comprimido uma alternativa tecnolgica que tem
sido utilizada
para minimizar os efeitos das respectivas desvantagens
operacionais das configuraes
tubulares, de placas planas e de fibras ocas (YU, et al.,
2003).
O mecanismo de ao o mesmo, ar comprimido insuflado na superfcie
das
membranas que permanecem em contato com o licor, de forma que
fases lquida e gasosa
fluam intercaladamente junto a essa superfcie, resultando em
fora de cisalhamento que
reduza a taxa de acmulo de slidos e/ou remova parte dos j
acumulados (YU, et al., 2003).
No caso das membranas tubulares o ar comprimido deve ser
injetado juntamente com
o licor (air lift), fluindo ao longo do lmen da membrana (NORIT,
2008).
J para as membranas de placas planas e fibras ocas o ar
comprimido insuflado no
interior do biorreator, sob e o mais prximo possvel das
membranas (HENSHAW, et al.,
1998). Neste caso, o posicionamento vertical das membranas
contribui para a ao das bolhas,
pois ao entrar em contato com a superfcie dessas, h a tendncia
de que assim permaneam
ao longo de sua extenso em direo a superfcie do biorreator.
Dessa prtica resulta reduo drstica da PTM aplicada, pela ao da
bomba de
recirculao, nas membranas tubulares e fluxo de licor semelhante
ao tangencial nas
membranas de placas planas ou de fibras ocas (LIU, et al.,
2000), o que prolonga os intervalos
entre limpezas fsicas e/ou qumicas das membranas.
Por outro lado, o fluxo de ar no age no interior dos poros.
Tambm no possvel
utiliz-lo em MBRs que envolvem processos anaerbios e, neste
caso, a opo substituir o
ar atmosfrico pelo biogs gerado no processo (HUANG, et al.,
2011).
O desempenho das membranas de MF e UF esperado em MBRs em termos
de fluxo
permeado pode ser estimado considerando-se alguns modelos
matemticos que envolvem
-
19
variveis importantes nos processos de filtrao. Dentre esses
modelos, os mais usuais so o
de fluxo na faixa de presso controlada, das resistncias em srie
e da transferncia de massa.
O modelo da regio de presso controlada descrito pela Equao 3.
Considera a
situao ideal na qual os poros das membranas so de dimetros e
distribuio uniforme, no
h fouling, a concentrao de polarizao desprezvel, o nmero de
Reynolds deve ser
inferior a 2100, a densidade constante, o fluxo independente do
tempo de operao e o
fluido Newtoniano (CHERYAN, 1998).
( 3)
( 4)
Onde:
J fluxo de permeado (Lm-2h-1);
porosidade da superfcie da membrana;
dp dimetro de poro (m);
PTM presso transmembrana (Pa);
x espessura da membrana (m);
viscosidade dinmica da soluo (Nsm-2);
PL presso aplicada do lado do licor (Pa);
PP presso aplicada do lado do permeado (Pa).
As presses das quais resultam a PTM so presses diferenciais,
isto , tem como
referncia a presso atmosfrica local.
No caso das membranas tubulares e espirais a fora motriz de
compresso aplicada
do lado do licor (PL) e a presso do lado do permeado (PP) igual
presso atmosfrica,
portanto na Equao 4 ela nula.
J para as membranas de placas planas e fibras ocas, a fora
motriz de suco
aplicada do lado do permeado (PP), enquanto que do lado do licor
(PL) h uma presso
decorrente da coluna dgua acima das membranas submersas no
biorreator, sendo portanto,
superior presso atmosfrica.
Assim, tanto para compresso quanto para suco o valor da PTM
calculada com a
Equao 4 ser positiva.
Porm, quando as membranas esto sob condies normais de operao, as
premissas
do modelo da regio de presso controlada deixam de ser vlidas
(CHEN, et al., 1997).
-
20
O primeiro fenmeno observado a formao de uma camada limite de
concentrao
(camada gel), para a qual contribuem a espessura da camada
limite de velocidade e a
concentrao de polarizao, que, por sua vez, resulta do fato de
que uma parcela do soluto
retido na permeao mantm-se junto superfcie das membranas (CHEN,
et al., 1997).
Quando um fluido escoa sobre uma superfcie slida, a frico
existente entre o
fluido e essa superfcie produz um gradiente de velocidades em
que esta mnima junto
superfcie. A linha que separa a regio de baixa velocidade
daquela onde essa velocidade
suficiente para escoamento da massa fluida conhecida como camada
limite de velocidade,
cuja espessura inversamente proporcional turbulncia do meio
(CHERYAN, 1998).
Dessa forma, quanto menos espessa for a camada limite de
velocidade, maior ser a
disperso da concentrao de polarizao e menor ser a espessura da
camada gel.
O clculo da Rg a partir da Equao 5 (CHERYAN, 1998) no usual,
dadas as
dificuldades para determinar todos os valores englobados pelo
fator , tais como viscosidade,
velocidade do licor na camada limite, dentre outros.
( 5)
Onde:
Rg resistncia da camada gel permeao (m-1
);
fator de transferncia de massa;
PTM presso transmembrana aplicada (Pa).
Outro fenmeno observado o bloqueio parcial ou total dos poros
decorrente da
deposio de partculas em suspenso sobre e/ou no interior dos
poros (CHEN, et al., 1997).
O terceiro fenmeno decorre dos efeitos de compresso resultantes
da PTM aplicada
sobre a camada gel durante a filtrao, tornando-a mais densa e
compacta, e formando a torta
que constitui uma barreira extra filtrao cuja resistncia pode
ser calculada incorporando a
resistncia especfica da torta conforme as Equaes 6 e 7 (GOMIDE,
1980).
( 6)
( 7)
Onde:
resistncia especfica da torta (m-1);
l porosidade do lodo;
-
21
l massa especfica do lodo (gm-3);
dc dimetro mdio dos poros da torta (c = cake) (m);
Rc resistncia da torta (c = cake) filtrao (m-1);
V volume permeado (m-3
);
r fator de reteno da torta (segundo Boerlage et al. (1998) r
mnimo vale 1
quando no h compresso);
SST concentrao de slidos suspensos totais no licor SST (gm-3
);
A rea filtrante (m2).
O quarto fenmeno observado a formao de incrustaes mais
conhecidas por
fouling. Essas incrustaes promovem alteraes irreversveis nas
propriedades das
membranas e em decorrncia disso, reduo progressiva e definitiva
no fluxo de permeado ao
longo do tempo, tendendo a zero conforme modelo da Equao 8, ou a
um valor constante
mnimo calculado com a Equao 9 (CHERYAN, 1998).
( 8)
( 9)
Onde:
Jt fluxo de permeado no tempo t (Lm-2h-1);
J0 fluxo de permeado inicial (Lm-2h-1);
t tempo decorrido na operao (h);
JSS fluxo de permeado em estado estacionrio (Lm-2h-1);
b e k constantes caractersticas do processo de fouling.
Os fenmenos de concentrao de polarizao ou camada gel, bloqueio
dos poros,
filtrao torta e fouling so incorporados pelo modelo das
resistncias em srie, definido
pelas Equaes 10 a 13 (CHERYAN, 1998).
( 10)
( 11)
( 12)
( 13)
Onde:
J fluxo de permeado em condies operacionais (m3m-2s-1);
-
22
PTM presso transmembrana aplicada (Pa);
viscosidade dinmica da soluo permeada (Nsm-2);
Rt soma de todas as resistncias filtrao (m-1
)
Rm resistncia intrnseca da membrana permeao de gua limpa
(m-1
);
Rg resistncia da camada gel filtrao (m-1
);
Rb resistncia permeao decorrente do bloqueio dos poros (m-1
);
Rc resistncia da torta (c = cake) filtrao (m-1);
Rf resistncia do fouling filtrao (m-1);
Aw permeabilidade da membrana com gua limpa (w = water) (m).
Em determinadas circunstncias o valor de Rt cresce de forma que
elevaes na PTM
no se refletem em recuperao ou elevao proporcional do fluxo
permeado descrito pelo
modelo das resistncias em srie, de forma que esse modelo deixa
de ser vlido a partir do
ponto onde se observa inflexo da tendncia linear de J f(PTM) com
origem no ponto (0,0).
Nessas circunstncias o modelo adotado para prever o fluxo
permeado o da
transferncia de massa, que independente da PTM e considera a
transferncia convectiva
conforme descrito na Equao 14 (CHERYAN, 1998).
( 14)
Onde:
J fluxo de permeado (Lm2h
-1);
D coeficiente de difusividade mssica (m2h
-1);
espessura da camada limite alm da qual forma-se gradiente de
concentrao (m);
CC concentrao de soluto na torta (gL-1
);
CL concentrao de soluto no rejeito da filtrao (gL-1
).
Para que se evite adentrar a faixa de permeao governada pela
transferncia
convectiva, ensaios de curta durao tm sido sugeridos para
determinar o fluxo estacionrio
mximo possvel de ser alcanado a partir de elevaes da PTM e
manuteno da
proporcionalidade do modelo das resistncias em srie. Esse fluxo
conhecido como crtico e
a PTM necessria para sua obteno ser a PTM crtica (BACCHIN, et
al., 2006) .
Segundo Bacchin et al. (2006), valores de J e PTM inferiores aos
crticos so
denominados sustentveis e seriam os recomendveis para prolongar
as corridas de filtrao.
-
23
No entanto, em condies normais de operao e em decorrncia dos
fenmenos
agrupados pelas constantes b e k das Equaes 8 e 9, dentre eles a
concentrao de
polarizao, e que promovem a reduo da capacidade de permeao das
membranas, por
menor que seja o fluxo de permeado estabelecido, observa-se ao
longo do tempo necessidade
de aumento gradual da PTM para sua manuteno (BACCHIN, et al.,
2006). Se o fluxo for
elevado, o gradiente crescente de PTM acelerado ao ponto da PTM
apresentar saltos.
Segundo Chang et al. (1998), Cheryan (1998), Cho & Fane
(2003), Drews et al.
(2006), Rosenberger et al. (2006) e Wang et al. (2009) os
principais fatores envolvidos na
reduo da capacidade de permeao das membranas em MBRs so:
propriedades das membranas: rugosidade, carga inica, porosidade,
morfologia,
hidrofobicidade/hidrofilicidade;
configurao dos mdulos: sentido do fluxo, densidade de
empacotamento,
distribuio da aerao;
caractersticas da gua residuria;
condies hidrodinmicas: fluxo, PTM, velocidade tangencial,
relaxao,
retrolavagem, tenso de cisalhamento na superfcie das
membranas;
condies operacionais: pH, temperatura, TDH, tempo de reteno dos
slidos
(TRS), taxa de aerao e concentrao de OD;
propriedades do lodo: dimetro e estabilidade do floco,
hidrofobicidade,
viscosidade, carga, concentrao de slidos suspensos totais (SST)
e de slidos
suspensos volteis (SSV), EPS.
2.2 CARACTERIZAO DAS EPS
As EPS so adsorvidas do ambiente, secretadas, difundidas pela
membrana ou
liberadas aps a lise celular e permanecem fora ou sobre a
superfcie das clulas exercendo
funes indispensveis s culturas de microrganismos. Promovem a
adeso s superfcies,
agregao das clulas microbianas em flocos, reteno de gua, soro de
compostos
orgnicos e concentrao de exoenzimas envolvidas na digesto exgena
de macromolculas,
conferem estabilidade aos flocos e formam uma barreira de proteo
a substncias nocivas,
como, por exemplo, a biossoro de metais pesados (BROWN, et al.,
1982).
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-
24
Segundo Wingender et al. (1999) as EPS so macromolculas orgnicas
formadas
pela polimerizao de monmeros similares ou idnticos que podem se
agrupar em unidades
repetidas de molculas polimricas como por exemplo
polissacardeos. Essas macromolculas
podem conter substncias no polimricas de baixo peso molecular
que podem alterar
significativamente a estrutura e as propriedades fsico-qumicas
das EPS. A Tabela 3 resume
a composio geral das EPS.
Tabela 3 Caractersticas genricas da composio das EPS.
EPS Precursores principais Ligaes principais Estrutura do
polmero
Monossacardeos
Polissacardeos cidos urnicos Glicosdicas Linear, ramificada
Amino acares
Protenas Amino cidos Peptdicas Linear
cidos nucleicos Nucleotdeos Fosfodister Linear
cidos graxos
Glicerol
Fosfatos
Fosfolipdios Etanolamina ster Cadeia lateral
Serina
Colina
Acares
Fenis ter
Substncias hmicas Acares simples C C Reticular
Amino cidos Peptdicas
Fonte: adaptado de Wingender et al. (1999).
A presena das EPS universal onde h culturas microbianas. Como a
prpria
denominao define, as EPS se localizam fora das clulas, porm
podem estar ligadas a elas,
formando as fraes de EPS fortemente (EPSfo) e fracamente ligadas
(EPSfr), ou difundir no
meio como uma soluo viscosa amorfa, a frao solvel do EPS (EPSs)
(Figura 1).
Figura 1 Identificao das fraes que compem as EPS.
Fonte: adaptado de Wingender et al. (1999).
EPS fracamente
ligado
EPS fortemente
ligado
Clulas Clulas
EPS solvel
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25
Segundo Laspidou & Rittmann (2002), sob o ponto de vista do
metabolismo celular,
a principal diferena entre EPSs, EPSfr e EPSfo que as duas
primeiras so passveis de
serem hidrolisadas por ao enzimtica e servir de substrato
biomassa, enquanto que EPSfo
permanece aderida parcela inerte da biomassa mesmo aps a lise
celular.
Laspidou & Rittmann (2002), os produtos resultantes do
metabolismo microbiano
foram divididos originalmente em quatro classes: EPS, produtos
microbianos solveis (SMP),
produtos associados utilizao do substrato (UAP) e produtos
associados biomassa (BAP).
Porm diversos estudos revelaram que essas classes eram
constitudas pelos mesmos
grupos funcionais orgnicos, diferindo apenas na forma como
estavam relacionados com a
biomassa. Assim Laspidou & Rittmann (2002), concluram que
EPS e SMP eram UAP e
BAP, que EPS permaneciam aderidas s clulas e que, por permanecer
em soluo ao redor
do floco, SMP constituiriam a frao solvel das EPS (Figura
2).
De acordo com Brown et al. (1982) e Laspidou & Rittmann
(2002), a gerao de EPS
em culturas aerbias resulta em consumo de oxignio e matria
orgnica, reduzindo a
disponibilidade desses elementos para a gerao de energia e
produo de novas clulas. A
relao entre taxa de crescimento celular e taxa de produo de EPS
controversa. J a
interferncia de outros fatores, tais como, temperatura, pH e OD
de operao, caractersticas
do substrato e da biomassa, so significativos na taxa de produo
de EPS.
Figura 2 Representao esquemtica das relaes entre as diferentes
fraes de EPS e a biomassa.
Fonte: adaptado de Laspidou & Rittmann (2002).
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26
H diversas mtodos analticos empregadas para extrao e
caracterizao das
fraes de EPS sem que uma normalizao tenha sido estabelecida,
porm alguns cuidados
relativos amostragem so recomendados.
Segundo Wingender et al. (1999) as amostras de biofilmes ou
lodos coletadas
devero ser transportadas ao laboratrio e preservadas em
temperaturas variando entre 0 e 4C
at a extrao, que recomendam no seja em prazo superior a dois
dias. Esses cuidados so
necessrios para que a ao exoenzimtica no promova mudanas
significativas nas
caractersticas do extratos de EPS.
O congelamento das amostras de biomassa no recomendado, pois
dessa prtica
poder resultar lise celular e liberao do contedo intracelular,
principalmente das protenas
periplsmicas. Apesar disso amostras de biofilme coletadas em
sedimentos marinhos tm sido
imediatamente liofilizadas para posterior extrao e anlise de
polissacardeos.
Comte et al. (2006) extraram EPS de amostras de lodos ativados
de oito formas
diferentes: apenas centrifugao e centrifugao aps adio de EDTA,
adio de
formaldedo, adio de glutaraldedo, ultrassom, agitao com resina
catinica, ultrassom
seguido de agitao com resina catinica e aquecimento a 80C.
Dominguez et al. (2010) efetuaram extrao de EPS em amostras de
lodo ativado
utilizando quatro tcnicas todas seguidas de centrifugao: agitao
com resina catinica,
adio de formaldedo e NaOH, adio de formaldedo e NaOH seguido de
ultrassom, e
aquecimento a 70C.
Liu & Fang (2002), por sua vez, obtiveram extratos de EPS em
amostras de lodos
ativados, acidognicos e metanognicos de seis formas diferentes:
centrifugao e
centrifugao aps adio de EDTA, agitao com resina catinica, adio
de formaldedo,
adio de formaldedo e NaOH, adio de formaldedo e ultrassom.
Em todos esses trabalhos foram comparadas as concentraes de EPS
e diferenas
significativas foram observadas, sendo que os maiores valores
foram obtidos nas extraes
quimicamente assistidas. A escolha por um ou outro mtodo depende
basicamente do objetivo
da extrao e da especificidade dos componentes de interesse.
Inmeras tcnicas so utilizadas para caracterizao das EPS. Em
artigo de reviso
sobre EPS em sistemas de tratamento de guas residurias, Sheng et
al. (2010) citam tcnicas
recentes, em sua maioria qualitativas, empregadas por diversos
pesquisadores:
-
27
Cromatografia gasosa (GC);
cromatografia gasosa com espectrometria de massa (GC-MS);
cromatografia lquida de alto desempenho (HPLC);
microscopia eletrnica de varredura (SEM ou MEV);
microscopia eletrnica de transmisso (TEM ou MET);
microscopia de fora atmica (AFM ou MFA);
microscopia laser cofocal de varredura (CLSM);
microbalano de cristal de quartzo (QCM);
espectroscopia de raios X (XPS);
espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier
(FTIR);
espectroscopia por excitao e emisso de fluorescncia
tridimensional (3DEEM);
ressonncia magntica nuclear (NMR);
cromatografia de alto desempenho para excluso por massa
molecular (HPSEC).
Apesar dessas opes, para quantificao dos componentes das EPS as
tcnicas
convencionais, especialmente as colorimtricas, ainda so as mais
utilizadas.
Para determinao dos cidos nucleicos, o mtodo
4,6-diamidino-2-fenilindole
descrito por Frolund et al. (1996) e o mtodo difenilamina
descrito por Liu & Fang (2002) so
os mais utilizados. A importncia da determinao desses compostos
reside no fato de que,
em condies normais, sua presena insignificante, pois constituem
componentes
intracelulares liberados apenas depois da lise celular. Ento, a
quantificao desses cidos
pode indicar ruptura de clulas no processo de extrao de EPS ou
preservao da amostra.
A determinao dos lipdios pode ser efetuada pelos mtodos
gravimtricos ou de
infravermelho descritos no Standard Methods (APHA, 2005) e
colorimtrico da reao sulfo-
fosfo-vanilina conforme proposto por Frings et al. (1972).
A concentrao de cidos urnicos determinada pelo mtodo
m-hidroxidifenil -
cido sulfrico proposto por Blumenkrantz & Asboe-Hansen
(1973).
As concentraes de protenas, cidos hmicos e polissacardeos,
somadas
representam mais de 90% da massa total de EPS observada nas
culturas microbianas.
-
28
Os mtodos mais utilizadas para determinao colorimtrica da
concentrao de
polissacardeos ou carboidratos so a reao de antrone e o mtodo
fenol sulfrico proposto
por Dubois et al. (1956). Segundo Raunkjaer et al. (1994), os
resultados obtidos por esses dois
mtodos so similares, j para Frolund et al. (1996) o coeficiente
de variao das
concentraes obtidas com o mtodo de antrone inferior ao obtido
com o mtodo de Dubois.
Embora Zaia et al. (1998) apontem cinco mtodos normalmente
empregadas para
determinao espectrofotomtrica de protenas em diversas amostras,
biureto, Lowry,
Bradford, BCA e absoro no ultravioleta, para usos em amostras de
guas residurias os
mais utilizados so o mtodo de Bradford (1976) e o de Lowry et
al. (1951).
Raunkjaer et al. (1994) apontam como alternativa a determinao da
concentrao de
protenas a partir da anlise de Nitrognio Total Kjeldahl (NTK),
considerando que 16,5 % da
massa das protenas correspondem a nitrognio, porm em guas
residurias em que h
presena de outros compostos orgnicos nitrogenados, essa
alternativa deixa de ser vlida.
O mtodo de Bradford (1976) apresenta boa sensibilidade, menos
suscetvel a
interferentes do que o mtodo de Lowry et al. (1951), porm
segundo diversos pesquisadores,
dentre eles Raunkjaer et al. (1994), Frolund et al. (1996) e o
prprio Bradford (1976), a
cromatognese da reao varia significativamente de acordo com as
protenas presentes,
assim, para determinar o padro de comparao, recomendvel que se
conhea a
composio das protenas da amostra, o que de fato pouco usual em
guas residurias.
Desde que respeitados os interferentes para a cromatognese da
reao de Folin do
mtodo de Lowry et al. (1951), listados no longo estudo publicado
por Peterson (1979), esse
mtodo, considerando as modificaes propostas por Hartree (1972),
Frolund et al. (1995) e
Pomory (2008), mostra-se o mais adequado para anlises de
protenas em processos
envolvendo tratamento de guas residurias, pois segundo Sheng et
al. (2010), um dos
poucos mtodos que, a partir da proposta de Frolund et al.
(1995), permite determinar a
concentrao de cidos hmicos.
A reao de Folin em pH bsico, na presena de substncias redutoras
que
transferem eltrons para os complexos hexavalentes dos cidos
fosfomolibdnico e
fosfotungstnico que compe o reagente Folin Ciocalteu (FC),
produz compostos reduzidos
pela perda de um, dois ou trs tomos de oxignio do tungstato ou
molibdato que resultam em
cromatognese azul caracterstica, cuja intensidade pode ser
detectada com espectrofotmetro,
em comprimentos de onda () que variam entre 405 nm e 750 nm, e
correlacionada com a
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29
concentrao das substncias redutoras, dentre elas, protenas, cido
hmicos e compostos
fenlicos (PETERSON, 1979).
A cromatognese das protenas se d na reao FC com os aminocidos
que s
compe, principalmente tirosina, triptofano, cistena e histidina.
Quando a reao FC ocorre
na presena de cobre, este forma quelatos com os peptdeos da
cadeia principal das protenas
o que facilita a transferncia de eltrons para a mistura cida,
intensifica a cromatognese e
incrementa a sensibilidade do mtodo para diversas formas de
protenas (PETERSON, 1979).
A partir dessa condio, Frolund et al. (1995) relataram que a
reao FC com
albumina de soro bovino (BSA) na ausncia de sulfato de cobre
gera 20% da cor produzida na
presena desse sal, porm essa reduo no foi observada com padro de
cidos hmicos
(AH). Propuseram ento o conjunto de Equaes 15 a 18 para clculo
das concentraes de
protenas e cidos hmicos.
ac/CuSO4 = ap + aah ( 15)
as/CuSO4 = (0,2 ap) + aah ( 16)
ap = 1,25 (ac/CuSO4 as/CuSO4) ( 17)
aah = as/CuSO4 (0,2 ap) ( 18)
Onde:
ac/CuSO4 absorbncia resultante da cromatognese da reao FC na
presena de sulfato
de cobre;
as/CuSO4 absorbncia resultante da cromatognese da reao de Folin
na amostra sem
a presena de sulfato de cobre;
ap absorbncia resultante da cromatognese das protenas;
aah absorbncia resultante da cromatognese dos cidos hmicos.
2.3 BIOFOULING E EPS
Apesar dos termos incrustaes ou fouling terem sido empregados
originalmente
para agrupar fenmenos que promovem a reduo irreversvel da
permeabilidade das
membranas, segundo Liao et al. (2004) o termo biofouling tem
aplicao mais abrangente
relacionada queda de fluxo de permeado ou elevao da PTM, em
decorrncia da adsoro
-
30
de EPS solveis ou suspensas superfcie das membranas, bloqueio de
poros por partculas
coloidais, adeso e deposio de lodo sobre a superfcie das
membranas formando a torta.
Diversos estudos tm sido conduzidos na tentativa de apontar
relao entre a
concentrao de EPS, ou de seus componentes isoladamente, e o
biofouling.
Yuan et al. (2002) efetuaram ensaios de filtrao em membranas de
MF nos quais
foram variadas as concentraes de cidos hmicos em solues aquosas,
TMP e velocidade
de agitao das solues. Observaram que o declnio do fluxo de
permeado esteve associado
deposio de agregados de cidos hmicos sobre a superfcie das
membranas.
Evenblij et al. (2004) compararam concentraes de protenas e
carboidratos em
sobrenadante de MBR separado do lodo por papel filtro e no
permeado das membranas desse
MBR (dp 30 nm) e observaram que as concentraes desses compostos
no permeado foram,
respectivamente, 15 e 40% inferiores aos observados no
sobrenadante filtrado em papel.
Membranas de UF, configurao fibras ocas, construdas de poli
(etersulfona)
aditivada, foram submetidas a ensaios de filtrao com soluo
aquosa contendo 100 mgL-1
de cidos hmicos por Qin et al. (2005) nos quais foram retidos de
85 a 97 % dos AH.
Rosenberger et al. (2006) operaram dois MBRs de 2,0 m3 cada, com
membranas
submersas, um com desnitrificao pr-anxica e outro ps-anxica,
durante dois anos,
tratando esgoto domstico e adotando parmetros operacionais
idnticos em termos de SST,
TRS, A/M, ou razo entre DQO afluente e concentrao de biomassa
nos reatores, e fluxo
permeado. Observaram que a taxa de aumento da resistncia filtrao
foi maior no MBR
com desnitrificao pr-anxica, que esteve associada a maior
concentrao de frao no
sedimentvel do lodo formada por materiais solveis e coloidais,
aos quais denominaram
frao polissacardea, que por sua vez sofreu influncia inversa da
temperatura.
Em MBR com membranas MF de placas planas submersas fabricadas em
poli
(tersulfona) tratando esgoto domstico por mais de um ano, Wang
et al. (2009) identificaram
a presena de protenas, carboidratos e substncias semelhantes a
cidos hmicos e flvicos.
Observaram correlao positiva entre a concentrao de EPS ligado e
o biofouling, que a
agitao intensa do meio promoveu fora de cisalhamento que
resultou no aumento da
concentrao de EPS solvel e que a temperatura teve efeito inverso
concentrao de EPS.
Wu & Lee (2011) avaliaram os efeitos de diversas relaes A/M
na produo de EPS
solvel e nas caractersticas da biomassa em MBR alimentado com
soluo sinttica e
verificaram que em longos perodos de dieta restrita, com A/M =
0,05 d-1
, as EPS foram
-
31
consumidos como substrato doador de eltrons para a respirao
endgena, a concentrao de
cidos hmicos no EPS solvel atingiu valores prximos a 65,0
mgL-1
e nessa situao se
observou rpido incremento na resistncia total filtrao.
Huang et al. (2011) conduziram experimento em trs reatores
anaerbios de bancada
com membranas submersas de MF alimentados com soluo sinttica em
diferentes TRSs e
TDHs. Observaram que a reduo do TDH promovia aumento na gerao de
SMP (EPSs) e
aceleraram o biofouling. Para TDH entre oito e dez horas e TRS
infinito houve aumento da
concentrao de SST e SMP e na velocidade de sedimentao do lodo.
Com longos TRS,
baixas concentraes de EPS reduziram a capacidade de floculao e o
tamanho dos flocos,
agravando o biofouling.
-
32
3 MTODOS EXPERIMENTAIS
As atividades experimentais executadas tiveram por base a operao
de uma unidade
experimental para tratamento de guas residurias, (UETAR) em
escala de bancada para
avaliao do desempenho de MBR na descontaminao de gua residuria
de refinaria de
petrleo no perodo compreendido entre 11 de maio e 03 de setembro
de 2010, doravante
denominado operao da UETAR, sob dois regimes de operao em termos
de TDH:
7. Estacionrio: entre 11 de maio e 18 de julho o objetivo foi
observar o
desempenho global do sistema submetido TDH de 1810% horas.
Variaes
proeminentes decorreram de distrbios no premeditados.
8. Transiente: entre 19 de julho de 03 de setembro o objetivo
foi observar o
desempenho do sistema submetido a variaes programadas no TDH e
obter
parmetros que descrevessem a cintica microbiolgica de lodos
ativados
alimentado com gua residuria de caractersticas especficas.
As variaes de TDH repercutiram em diferentes valores de:
COV, ou carga orgnica volumtrica, que a razo entre matria
orgnica
afluente, em termos de demanda qumica de oxignio (DQO), e volume
de reao;
A/M, ou razo entre a DQO afluente e a concentrao de biomassa nos
reatores;
CNV, ou carga nitrogenada volumtrica, definida como a razo entre
a matria
nitrogenada oxidvel (NOX) afluente, em termos de nitrognio total
Kjeldahl
(NTK) ou nitrognio amoniacal (NH4-N), e o volume de reao; e,
N/M, ou razo entre NOX afluente e a concentrao de biomassa nos
reatores.
3.1 UNIDADE EXPERIMENTAL DE TRATAMENTO DE GUAS RESIDURIAS
A UETAR alocada no Laboratrio de Tecnologia Ambiental (LATAM) na
sala 101,
Bloco V do Campus Central da Universidade de Caxias do Sul
(UCS), foi concebida,
instalada e aprimorada em ao conjunta dos pesquisadores do LATAM
e dos tcnicos da
Trendtech Tecnologia Biomdica Ltda., com recursos provenientes
de convnio tcnico-
cientfico firmado entre a UCS e a PETROBRAS.
-
33
Apesar de o perodo de operao objeto do estudo dessa dissertao
ter se encerrado,
a descrio da UETAR se dar em tempo presente, visto que as
condies de operao
descritas permanecem vlidas.
A UETAR conta com cinco reatores em srie, dois pr-anxicos (R1 e
R2), dois
aerados (R3 e R4) e um tanque de membranas (R5) onde podem ser
instalados, em paralelo,
at dois conjuntos de mdulos de membranas configurao fibras ocas
submersas (Figura 3).
Os aspectos principais considerados no dimensionamento das
unidades foram:
1. Limitaes logsticas relativas disponibilizao da gua residuria
a ser tratada
determinaram que a UETAR operasse com vazes inferiores a 2,0
Lh-1
;
2. configurao de projeto do MBR da estao de tratamento de guas
residurias
da Refinaria Presidente Getlio Vargas (REPAR);
3. eficincia desejada para remoo da carga orgnica e nitrogenada
presente na
gua residuria alcanada nos reatores R1, R2, R3 e R4, cujos
volumes teis
poderiam ser variados entre o mnimo necessrio a acomodao dos
sensores e
atuadores e o mximo de 2,0 L para os dois primeiros e 4,0 L para
os demais;
4. volume til de R5 necessrio apenas para acomodar os mdulos de
membranas e
os sensores nele instalados, que durante a operao da UETAR foi
3,0 L.
Mediante ao de uma bomba peristltica (B0), a gua residuria aflui
ao sistema a
partir de R1 onde misturada ao lodo formando o licor que circula
para R2, R3, R4 e R5.
H duas recirculaes internas de licor, uma de R4 para R1 e outra
de R5 para R3,
que resultam da ao de bombas peristlticas, B3 e B4, assim
estabelecidas para que o licor
saturado de OD em R5 no recircule para R1 impedindo ambiente
anxico neste reator.
Em todos os reatores so monitorados: concentrao de oxignio
dissolvido (OD),
potencial hidrogeninico (pH), potencial de oxirreduo (ORP),
condutividade e temperatura.
R1, R2, R3 e R4 contam com aquecedores (Aq), para controle da
temperatura, e
vlvulas solenides (Vac e Val), pilotadas pneumaticamente,
instaladas nas redes de
suprimento de solues cida ou alcalina, para controle do pH, na
faixa de processo desejada.
O potencial redox e a condutividade em todos os reatores, o OD
em R1, R2 e R5, a
temperatura e o pH em R5 no so controlados, porm os valores
dessas variveis so
disponibilizados permitindo monitoramento para identificar
anomalias no sistema.
-
34
A mistura completa do licor nos reatores, fundamental para o
contato, circulao e
recirculao, promovida por agitadores (A1 a A4) formados por
motores eltricos com eixos
das hlices de material isolante eltrico, de forma que o campo
eltrico gerado nesses motores
no seja conduzido ao lquido dos reatores R1, R2, R3 e R4 e no
gere rudos leitura dos
sensores neles instalados. J em R5, essa mistura se d mediante
turbulncia gerada por fluxo
de ar comprimido a partir de um difusor (pedra de aerao)
instalado no fundo desse reator.
Alm da mistura do licor em R5, o ar comprimido necessrio na
UETAR para
suprimento de OD em R3 e R4, acionamento das vlvulas solenides
que permitem fluxo das
solues cida e alcalina para controle do pH nos reatores e aerao
das membranas para
reduo da formao de torta. Esse ar provm da rede de distribuio
central para o Bloco V.
O monitoramento e controle operacional da UETAR so executados
por um sistema
eletrnico informatizado formado por quatro mdulos eletrnicos
(Figura 3), comandados
individualmente por microcontroladores que se comunicam com um
programa supervisrio
(Figura 4), instalado em uma CPU externa que gerencia a operao e
possibilita aquisio das
informaes dela resultantes para um banco de dados sob forma de
arquivos txt. Esse
comando individual permite manter o controle sobre o processo,
mesmo que a comunicao
com o supervisrio seja interrompida, apesar da descontinuidade
na aquisio dos dados.
A linguagem de programao, tanto do supervisrio quanto dos
microcontroladores
a C, porm, enquanto o supervisrio foi construdo em compilador
Visual Basic, o
programa dos microcontroladores foi construdo em compilador
IAR.
O sistema informatizado permite controle da UETAR em malha
aberta ou em malha
fechada, exceto para agitao e recirculao cujo controle
exclusivamente em malha aberta
e temperatura para o qual o controle exclusivamente em malha
fechada.
Em malha aberta a intensidade da ao do atuador estabelecida pelo
operador e
permanece constante at nova interveno deste. J em malha fechada,
o operador define o
resultado, ou valor alvo (set point), desejado para determinada
ao e o sistema promove as
intervenes necessrias sobre os atuadores para obteno desse
resultado.
Os mdulos de controle, os sensores e os atuadores se comunicam
mediante sinais
em corrente eltrica ou por diferena de potencial, j mdulos e
programa supervisrio
comunicam-se mediante linguagem binria convertida em valores
parametrizados genricos.
Os valores parametrizados obtidos, quando os sensores so
submetidos a estmulos,
ou informados, para que resultem em ao dos atuadores, devem ser
correlacionados com as
-
35
grandezas fsicas de interesse, tais como vazo e pH, para que
sejam gerados parmetros de
calibrao que, informados ao sistema, permitem a converso dos
valores parametrizados em
grandezas conhecidas, o que fundamental para a interao do
operador com o sistema.
Figura 3 Topo da bancada, painel eletro eletrnico e unidades da
UETAR.
B3
B0
B4
Rr Rac Ral Rsp
Ah5
Vac1 e
Val1
ORP3
Aq1
R1 R2 R3 R4
A1 A2 A3 A4
Continer
gua
residuria
Cond5
F6
F5
Nalto
Nmdio
Nbaixo
Boia
R5
Ar4
R5 tanque de membranas Nalto sensor de nvel alto Nmdio sensor de
nvel mdio Nbaixo sensor de nvel baixo Boia boia do controle de nvel
F5 e F6 mdulos de membranas Cond5 sensor de condutividade (uS) B0
bomba de alimentao B3 bomba de recirculao de R4 para R1
B4 bomba de recirculao de R5 para R3
Painel eletro eletrnico da UETAR
OD4 pH5
TT4
pH4
Ah5 acumulador hidrulico 5 Vac1 vlvulas solenides para soluo
cida Val1 vlvulas solenides para soluo alcalina Rr reservatrio de
soluo retrolavagem Rac reservatrio de soluo cida Ral reservatrio de
soluo alcalina Rsp reservatrio de coleta para transbordamentos de
Ah5 e Ah6 A1 a A4 agitadores ORP3 sensores de potencial de
oxirreduo (mV) R1 a R4 reatores Aq1 aquecedor TT4 sensor de
temperatura (C) pH4 e pH5 sensores de potencial hidrogeninico (pH)
OD4 sensores de oxignio dissolvido (mg/L) Ar4 aerador
Fonte: o autor
-
36
Figura 4 Tela principal do programa supervisrio da UETAR.
Fonte: o autor.
Caso o suprimento de energia eltrica proveniente da rede de
abastecimento seja
interrompido, um no break manter a UETAR em funcionamento por at
trs horas.
A1
a A
4
agit
ado
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4
Ah
5 e
Ah
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3.1.1 Controle de fluxo
O controle de fluxo e de ao sobre as membranas tem relevncia tal
para a
compreenso do desempenho da UETAR que recebe abordagem especfica
neste subcaptulo.
A separao efluente clarificado lodo na UETAR se d por permeao em
dois
mdulos de membranas, F5 e F6, instalados em R5 com fora motriz
de suco promovida
pela ao das bombas peristlticas B5 e B6, uma para cada mdulo,
ilustradas na Figura 5.
Para a retrolavagem a bomba Bretro, tambm peristltica, age sobre
os dois mdulos.
O direcionamento para F5 ou F6 se d pelas aes de duas vlvulas
solenides normalmente
fechadas (NF), V5 e V6, que abrem intercaladamente na frequncia
e pelo perodo
programados para os eventos de retrolavagem.
As sadas de permeado de F5 e F6 esto conectadas em srie,
respectivamente com
as extremidades de descarga de V5 e V6, com os sensores de
presso diferencial PT5 e PT6 e
com as extremidades de suco de B5 e B6.
Figura 5 Componentes do sistema de operao e controle de
fluxo.
Fonte: o autor.
A alimentao do sistema se d mediante ao de B0. Essa ao pode
ocorrer tanto
em malha aberta quanto em malha fechada. Em malha fechada a
potncia aplicada bomba
aquela necessria para produzir vazo igual de permeado menos de
retrolavagem. Durante
a operao da UETAR a B0 somente operou em malha aberta quando foi
necessrio
restabelecer o nvel dos reatores depois de efetuadas coletas de
amostras.
B6
Bretro
V5
V6
B5 e B6 bombas de suco de permeado; Bretro bomba retrolavagem;
V5 e V6 vlvulas de retrolavagem; PT5 e PT6 sensores de presso; FT5
e FT6 sensores de vazo de permeado;
Vah5 e Vah6 vlvulas manuais dos acumuladores hidrulicos; Ah5 e
Ah6 acumuladores hidrulicos.
FT5 FT6
Vah5
Vah6
PT6 PT5
Tubos de descarga
B5 e B6
Ah5 e Ah6
Tubos de PVC
Ah5 e Ah6
Tubos extravasores
e para visualizao
de nvel
B5
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Os sensores de nvel instalados no R5 (Figura 3) completam o
controle de fluxo.
Quando atingido o nvel baixo, a ao de B5 e B6 interrompida
impedindo suco com as
membranas imersas. J em nvel alto, o sistema interrompe a ao de
B0 e diminui o tempo
das retrolavagens, impedindo que transbordamentos ocorram em
funo do supervit de
entradas em relao s sadas que ocasionou esses eventos.
As funes alteradas em decorrncia de eventos de nvel baixo ou
alto so
restabelecidas quando o sensor de nvel mdio acionado
imediatamente aps esses eventos.
No incio da operao da UETAR, a estratgia de controle quando
atingido o nvel
mximo interrompia s retrolavagens, porm foi alterada para a
reduo do perodo dessa
ao, de forma que houvesse relaxao sem injeo de lquido no
sistema.
O peristaltismo das bombas de suco B5 e B6 produz oscilaes de
vazo e presso.
As presses de suco e de retrolavagem so baixas, no mximo 500
mbar, e suas
oscilaes so suportveis pelo sistema, porm, em decorrncia da
sensibilidade e da faixa de
ao de FT5 e FT6, as oscilaes de vazo seriam sentidas por esses
sensores o que limitaria a
eficincia do controle dessa varivel.
Para contornar essa limitao, foram instalados acumuladores
hidrulicos Ah5 e Ah6
(Figura 5), constitudos por tubo de PVC em posio vertical, tubo
de polietileno (PE)
semitransparente, comunicante e em paralelo ao de PVC, que
permite visualizao da altura
da coluna dgua nesses tubos e evita transbordamentos, pois age
como extravasor para
reservatrio pulmo, e vlvula de agulha para rede de ar comprimido
de ajuste manual (Vah).
O permeado succionado por B5 e B6 bombeado para os acumuladores
hidrulicos,
Ah5 e Ah6, e desses flui por ao da energia potencial
gravitacional para os sensores de
vazo, FT5 e FT6, respectivamente, desacoplando as extremidades
de descarga dos tubos de
sada de B5 e B6 dos sensores FT5 e FT6.
A operao desejvel para os sistemas de membranas a obteno da vazo
de
permeado de interesse menor PTM e pelo maior tempo possveis, de
forma que o principal
parmetro de controle em malha fechada seja sempre a vazo.
As aes do sistema sobre os mdulos de membranas, suas funes
principais e
derivadas, para suco ou retrolavagem, podem ser executadas em
malha aberta ou fechada.
Quando em malha aberta, B5 e/ou B6 operam com potncia fixa
independente da
vazo. Essa ao poder elevar a PTM alm do necessrio e contribuir
para compactao da
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torta, aumentando a resistncia filtrao e, em casos extremos,
fazer a PTM ultrapassar o
valor mximo de segurana, que para suco limitada em 455 mbar por
PT5 e 409 mbar por
PT6, situao essa que far o sistema interromper a ao destas
bombas.
A operao com B5 e B6 em malha aberta somente recomendada, e foi
executada
no perodo de operao da UETAR entre maio e setembro de 2010, em
curtos intervalos de
tempo ou em circunstncias especiais e sempre com acompanhamento
do operador.
Dentre essas circunstncias especiais esto observar
comportamentos especficos do
sistema e, principalmente, promover ao estvel de suco da(s)
bomba(s) quando no h
lquido no(s) acumulador(es) hidrulico(s) (Ah5 e/ou Ah6) ou
quando o volume existente
pequeno e resulta em vazo(es) lida(s) pelo(s) sensor(es) (FT5 e
FT6) inferior(es) ao(s)
parmetro(s) de controle para operao em malha fechada.
Quando as vazes lidas so muito inferiores as dos parmet
