I-073 - MATERIAIS SUPORTE ALTERNATIVOS PARA … · biomassa, alta área superficial disponível para a adesão dos microorganismos, coeficientes de transferência de massa incrementados

XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental

ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

I-073 - MATERIAIS SUPORTE ALTERNATIVOS PARA REATORESANAERÓBIOS DE LEITO FLUIDIZADO INVERSO

Fabiana Tessele(1)

Engenheira Química, Mestranda no Programa de Pós-graduação em Recursos Hídricos eSaneamento Ambiental do Instituo de Pesquisas Hidráulicas-UFRGS.Luiz Olinto MonteggiaEngenheiro Civil-Mecânico e Mestre em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental peloIPH-UFRGS. Doutor em Engenharia do Meio Ambiente pela Universidade de New Castle.Prof. Adjunto do IPH-UFRGS.Gelsa EnglertEngenheira Química e Mestre em Engenharia Metalúrgica e Ciência dos Materiais-PPGEM-UFRGS. Doutor em Engenharia-PPGEM-UFRGS. Engenheira química no DEMET e professora domestrado profissionalizante da Escola de Engenharia - UFRGS

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RESUMODois reatores anaeróbios de leito expandido inverso (35 L cada) foram projetados para o tratamento de umefluente sintético (sacarose) em escala de bancada. Foi avaliada a viabilidade de emprego de dois materiaisalternativos como leito suporte destes reatores: polipropileno (PP, OPP petroquímica) e etileno vinil acetatoexpandido (EVA, Franca S.A.), nas suas granulometrias originais (<0,004 m). Foram realizados ensaios paraavaliar parâmetros hidrodinâmicos do sistema e simultânea avaliação do crescimento inicial do biofilme. Ascaracterísticas hidrodinâmicas do EVA mostraram-se inadequadas para a operação dos reatores projetados. Agranulometria deste material deverá ser reduzida, diminuindo a força de empuxo exercida pelas partículas noleito, promovendo a adequação das características de fluidização. Entretanto, para verificar as condições decrescimento de biofilme, algumas partículas de EVA foram colocadas no reator contendo o leito de PP. Estereator foi operado a 35oC durante 30 dias com uma taxa de expansão do leito de 98%, TDH de 24 h evelocidade superficial de 101 m.h-1. Microfotografias em microscópio eletrônico de varredura (MEV)mostraram que a adesão de microorganismos teve início nas primeiras horas de operação do reator e aformação inicial de biofilme foi observada em uma semana, pela presença de biopolímeros. Os resultadosmostraram que o crescimento do biofilme é efetivo em ambos os materiais suporte, mesmo com a velocidadesuperficial elevada. Porém, em função do elevado cisalhamento na interface sólido/líquido, a adesão debactérias metanogênicas no biofilme neste período não foi observada. A remoção de DQO foi superior a 30%desde o início da operação do reator, o pH foi mantido em valores próximos da neutralidade e potencial redoxmanteve-se negativo.

PALAVRAS-CHAVE: Digestão Anaeróbia, Reatores de Leito Fluidizado Inverso, Biofilmes, Materiais Suporte,Microscopia Eletrônica de Varredura, Tratamento de Efluentes.

INTRODUÇÃOA digestão anaeróbia tem se mostrado uma técnica apropriada para o tratamento de resíduos orgânicos,sólidos, líquidos ou suspensões. O processo anaeróbio envolve a conversão da matéria orgânica presente naságuas residuárias a metano e dióxido de carbono através de uma série de reações envolvendo um consórcio demicroorganismos facultativos e estritamente anaeróbios.

Diversos tipos de configurações de reatores anaeróbios têm sido empregados de forma a otimizar o processo.Exemplos significativos são os reatores com manto de lodo de fluxo ascendente (UASB), filtros de fluxoascendente e descendente, tambores rotatórios, biodiscos, leitos fluidizados ou expandidos, ascendentes oudescendentes, entre outros. Os sistemas de leito fixo ou sistemas biomassa-suporte aplicados ao tratamento deefluentes líquidos dependem de populações mistas de microorganismos, predominantemente bactérias que sãoimobilizadas em ou com suportes inertes e formam biofilmes ou agregados de biomassa.

FOTOGRAFIANÃO

DISPONÍVEL



Os reatores de leito fluidizado com biofilme, nos quais a biomassa é fixa sobre partículas de um leitofluidizado por um líquido em sentido ascendente estão entre os tipos mais promissores e efetivos de reatoresde biofilme. A alta área interfacial biofilme/líquido, alta velocidade interfacial elevada concentração debiomassa, alta área superficial disponível para a adesão dos microorganismos, coeficientes de transferência demassa incrementados pelo regime de fluxo que proporciona baixo gradiente de concentração, ausência deproblemas de entupimento, formação de caminhos preferenciais ou aprisionamento do gás, capacidade decontrole e otimização da espessura do biofilme são as principais vantagens encontradas nestes reatores. Ainda,em comparação com as demais tecnologias de leito fixo, os reatores de leito fluidizado possuem a maiorcapacidade de absorver elevadas cargas orgânicas.

O termo fluidização é usualmente associado a sistemas multifásicos nos quais partículas sólidas sãofluidizadas por uma corrente de fluido com direção oposta à força da gravidade pois as partículas possuemdensidade maior que o fluido. Para este caso, as equações que descrevem a hidrodinâmica do sistema, bemcomo os parâmetros de desenho dos leitos, estão satisfatoriamente definidos na literatura clássica. Entretanto,para o cálculo destes parâmetros na fluidização inversa as equações são diferentes pois devem ser consideradasas forças de empuxo. Karamanev e Nikolov (1992) realizaram extensivo estudo em torno da hidrodinâmica desistemas de fluidização inversa, incluindo comparação entre equações propostas por diversos autores. Suaprincipal conclusão é de que a hidrodinâmica da fluidização inversa difere da convencional porque aspartículas mais densas possuem maior massa e, consequentemente, maior inércia. Entretanto, os mesmosautores verificaram experimentalmente que, para valores baixos de número de Reynolds terminal (Ret<130),estas diferenças tornam-se menos significativas e as equações da fluidização clássica podem ser empregadascomo uma aproximação inicial das características de fluidização inversa.

Apesar de que a aplicação de reatores de leito fluidizado ao tratamento anaeróbio de efluentes líquidos tenhasido estudada por diversos autores em escala de laboratório e piloto, são poucas as aplicações industriaisconhecidas e reportadas. As principais limitações impostas ao emprego destes reatores são as dificuldadesoperacionais em escala real de tratamento (variações de vazão, choques de carga e partida), e, principalmente,o custo do material suporte. Este trabalho apresenta uma avaliação da viabilidade de emprego de materiaisalternativos e de baixo custo para recheio de reatores de leito fluidizado, em escala de bancada.

MATERIAIS E MÉTODOSSeleção e caracterização dos materiaisOs materiais estudados foram selecionados a partir dos seguintes critérios: disponibilidade e baixo custo,distribuição homogênea de tamanho de partículas, rugosidade superficial (que permite maior superfíciedisponível para a adesão de microorganismos e maior energia livre superficial) e massa específica inferior à daágua, para que a fluidização inversa seja possível.

A avaliação comparativa da rugosidade das superfícies foi realizada por microscopia eletrônica de varredura.Amostras do material suporte foram coletadas diariamente, lavadas com solução tampão, fixadas emglutaraldeído e preparadas para microscopia eletrônica de varredura por desidratação em uma série graduadade etanol e acetona. Após coladas nos suporte, as amostras foram metalizadas com ouro. A evolução docrescimento dos microorganismos foi acompanhada no MEV, com uma freqüência de 48 h.

Ensaios de crescimento de biofilme em bateladaCom a finalidade de verificar a estabilidade biológica dos materiais foram realizados ensaios em batelada comamostras de lodo proveniente de reatores anaeróbios, alimentado em sacarose. Foi empregado o meio decultura Post Gade, KH2PO4 (0,5 mg.L-1), NH4Cl (1,0 mg.L-1), CaSO4 (1,0 mg.L-1), MgSO4 7.H2O (2,0 mg.L-1),lactato de sódio (3,5 mg.L-1), extrato de levedura (1000 mg.L-1), tioglicolato de sódio (100 mg.L-1), sulfatoferroso(0,5 mg.L-1). O pH resultante foi 7,5 e a temperatura mantida a 32 oC.

Reatores e equipamentosDois reatores de leito fluidizado inverso foram operados em paralelo a 35 oC. Cada reator possuía diâmetrointerno D = 0,15 m e altura de 2,0 m (Figura 1). Os dados de carga orgânica apresentados são relativos aos 35L destes reatores. Cada reator foi recheado com 4700 g de material suporte (PP) e a taxa de expansão do leito



foi de 98% (área superficial = 388 m2.m-3). Bombas dosadoras (Watson Marlow, Mod. 101U) foramempregadas para a alimentação e bombas centrífugas (0,5 CV) para a recirculação da fase líquida conectadas aum inversor de freqüência, usado para a variação da rotação das bombas. O efluente descarregado através deuma saída conectada à parede da coluna, conectada a um tubo controlador do nível do líquido.

��

S a íd a de gá s

B om ba derec irculação

A q uec im en to3 5 oC

D ifuso r

C o n troled e n ível

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S o lução Sin té tica

B om ba d osado ra

4 oC

E flu en tef ina l

Figura 1: Diagrama esquemático do sistema de leito fluidizado anaeróbio inverso.

Crescimento de biofilme em operação contínua

Dois reatores de leito expandido com 35 L cada foram operados continuamente, na temperatura 35±0,5 oC. Oaquecimento foi feito usando uma resistência de 500 W controlada por um termostato digital (FullgaugeMT511R). A expansão do leito foi viabilizada pela recirculação do efluente. Os reatores foram alimentadoscom uma solução sintética, mantida a 4 oC, contendo sacarose (285,7 ppm), bicarbonato de sódio (285,7 ppm),cloreto de amônio (47,9 ppm), extrato de levedura (14,3 ppm), fosfato trissódico (12,5 ppm), sulfeto de sódio(57,1 ppm) (Silveira, 2000). Todos os componentes foram adequadamente dissolvidos, resultando em umasolução isenta de sólidos em suspensão.

O tempo de detenção hidráulico foi de 24 h e a carga orgânica aplicada foi de 1,0 kg de DQO.m-3.d-1. O lodocontendo microorganismos, provenientes de um reator UASB em escala de bancada, alimentados com umasolução sintética similar, foi adicionado ao reator na concentração de 10%v/v no início da operação. Oconteúdo de matéria orgânica foi estimado por análises de DQO, realizadas pelo método titulométrico(Standard Methods, 1991). Foram analisados também o pH, a alcalinidade e o potencial redox afluente eefluente. A Tabela 1 resume as características do efluente sintético:

Tabela 1: Características do efluente sintético.Parâmetro Faixa MédiaDQO (mg.L-1 O2) 772 a 1407 1125Alcalinidade (mg.L-1 CaCO3) 131 a 547 303,7pH 7,8 a 8,5 8,2Potencial redox (mV) –35 a –60 –52



Cálculo dos parâmetros hidrodinâmicosOs parâmetros hidrodinâmicos foram calculados usando as seguintes relações:

• Notaçãod =diâmetro das partículas do leitoD= diâmetro interno do leitog = constante da força da gravidade• Letras gregasρp e ρl = massas específicas da partícula e do líquido, respectivamenteµ = viscosidade do fluido

A velocidade terminal das partículas para esferas rígidas, é:

Ut = Dl

lp

C.3

d.g).(4ρ

ρ−ρ Equação 1

Onde CD é coeficiente de cisalhamento das partículas, encontrado na curva que relaciona o número deReynolds de partícula (Eq. 2) com o coeficiente de atrito (Perry e Chilton, 1973). Esta curva apresenta valoresde CD para partículas aproximadamente cilíndricas, assim a Equação 1 pode ser aproximada. O número deReynolds de partícula é dado por:

µρ

= lp

dURe

Equação 2

Onde U é a velocidade superficial da fase líquida, dada pela razão entre a vazão da fase contínua (Q) e a áreada seção transversal do leito sem recheio (S):

U=SQ Equação 3

O número de Reynolds terminal é calculado usando a velocidade terminal das partículas (Eq. 1):

µρ

= ltt

dURe

Equação 4

Número de Arquimedes, que representa o balanço das forças gravitacionais e de empuxo do sistema e éempregado no cálculo do fator de atrito, é dado por:

2lpl

3 )(gdAr

µ

ρρ−ρ=

Equação 5

E o fator de atrito na interface sólido/líquido é pode ser estimado por

f = 4,1Re9,13Ar Equação 6

RESULTADOSSeleção dos materiaisDe acordo com as características desejadas, foram selecionados os seguintes materiais:

Etileno vinil acetato (EVA): O EVA atualmente é um resíduo da indústria de calçados. Somente no Vale dosSinos (RS), são produzidas em torno de 400 mil toneladas mensais deste resíduo, que não possui aplicação eatualmente é disposto em aterros sanitários ou em lixões. De acordo com as especificações do fabricante(FRANCA S.A.) o EVA possui uma densidade aparente de 0,23 e granulometria relativamente uniforme,



variando entre 1 e 7 mm de diâmetro. Também o fabricante afirma que o material é resistente a ataquesmicrobiológicos. A forma das partículas é irregular, proporcionando maior superfície para a adesão demicroorganismos.

Polipropileno: O polipropileno foi selecionado em função de características geométricas tais comouniformidade e distribuição de tamanho de partículas. O polipropileno (OPP petroquímica), possui densidadeaparente de 0,91 e densidade “bulk” de 0,5. A forma das partículas é aproximadamente cilíndrica, comdistribuição granulométrica uniforme, em torno de 4 mm. O PP é um produto que serve de matéria prima naindústria de plásticos e seu custo fica em torno de R$ 90/tonelada. Em comparação com materiais atualmenteempregados como recheio de reatores biológicos, o emprego deste material é viável.

A rugosidade superficial de ambos os materiais é elevada, conforme pode-se constatar na fotografia MEV,preenchendo os requisitos estabelecidos (Figura 2).

(a)

(b)Figura 2: Microfotografias (Microscópio Eletrônico de Varredura) da superfície dos materiaisselecionados para suporte dos reatores. Aumento de 300X. (a) EVA, (b) PP.



Analisando a Figura acima constata-se que o EVA apresenta uma superfície significativamente mais rugosa eporosa em função do processo de expansão sofrido pelo material na fabricação. O polipropileno apresentaregiões mais rugosas e outras mais lisas.

Cálculo dos parâmetros hidrodinâmicosOs parâmetros calculados para os materiais selecionados são apresentados na Tabela 2. Pode-se observar que oEVA apresenta valores bastante elevados de velocidade terminal, o que requer uma velocidade elevada da faselíquida para a fluidização, conforme observado na prática. Por outro lado, estes valores elevados indicam amenor resistência à transferência de massa na interface partícula/fase líquida, o que pode ser favorecer odesempenho do reator. Em função das limitações hidrodinâmicas encontradas no reatores projetados, osensaios foram realizados usando apenas o polipropileno como leito suporte.

Tabela 2: Parâmetros hidrodinâmicos teóricos para o sistema de fluidização inversa usandopolipropileno (PP) e Etileno vinil acetato (EVA).Parâmetro EVA PPRep 112 112CD 1,2 1,2Ut (m.h-1) 0,18 0,063Ret 731 257Ar 4830 565 f 0,028 0,014

O leito de polipropileno foi expandido usando inicialmente água da rede a 35 oC. A variação do grau deexpansão do leito em função da velocidade superficial da fase contínua é apresentada na Figura 4. A expansãovaria de forma aproximadamente quadrática com o aumento da velocidade do fluido e ocorre de formahomogênea ao longo do comprimento do leito. Desde graus de expansão bastante pequenos observa-se omovimento independente das partículas, em torno de seu eixo, com baixa freqüência de colisões, o quefavorece a redução do cisalhamento na interface, facilitando a adesão de microorganismos.

0%

50%

100%

150%

200%

250%

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Velocidade superficial, cm.s-1

% E

xpan

são

Figura 3: Características da expansão do leito de PP em função da velocidade da fase líquida.

Desempenho do reator durante a partidaO reator respondeu rapidamente à introdução do lodo e início da alimentação do efluente. O pH apresentouuma pequena queda no primeiro dia de operação, comprovando a produção de ácidos orgânicos voláteis nestafase. O potencial redox apresentou-se bastante variável, estando sempre em valores negativos. A Figura 4mostra o comportamento destas duas variáveis durante os 30 dias de operação.



6

6,4

6,8

7,2

7,6

1 4 5 8 12 14 19 21 23 27 29

Tempo, dias

pH

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

Pote

ncia

l Red

ox, m

V

Figura 4: Valores de pH e potencial redox na saída do reator.

A remoção de matéria orgânica foi observada também desde o início da operação. Os valores de entrada esaída, expressos em valores de DQO, são apresentados na Figura 5.

0

300

600

900

1200

1500

1800

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

Tempo, dias

DQ

O, m

g.L-1

O2

Entrada Saída

Figura 5: Remoção de matéria orgânica, expressa em DQO, obtida nos primeiros 30 dias de operação.

Simultaneamente, foram realizadas as fotografias por microscopia eletrônica de varredura. A final dos 30 diasde operação, foi possível observar a formação de um biofilme bastante significativo em ambos os materiais(Figura 6). O EVA, por apresentar maior superfície específica e maios número de cavidades, mostrou-se maisadequado para a adesão inicial dos microorganismos.

Em etapas mais avançadas da formação do biofilme, comparando o tamanho das bactérias e a magnitude darugosidade, percebe-se que a rugosidade está relacionada apenas com a área superficial, não interferindo nomecanismo de adesão de maneira significativa. Acredita-se que após a formação do biofilme inicial arugosidade da superfície afete de maneira pouco significativa a estabilidade e intensidade da força adesão dosmicroorganismos sobre a superfície. Esta hipótese é confirmada pelo fato de que, após os 30 dias de operação,ambos os materiais foram colonizados de maneira uniforme, sendo observados diversos gêneros de bactériasrecobertas por seus polímeros extracelulares.



(a)

(b)Figura 6. Superfície do EVA (a) e do polipropileno (b) após 30 dias de operação do reator. Aumento3000X, microscopia eletrônica de varredura. Observa-se a adesão de diversas bactérias e a formaçãodos biopolímeros, responsáveis pelo fenômeno.

CONCLUSÕES

• reator anaeróbio de leito fluidizado inverso mostrou-se uma alternativa potencialmente viável para otratamento de efluentes de carga orgânica elevada e baixo teor de sólidos suspensos;

• emprego das partículas de polipropileno na forma comercial como recheio destes reatores é viável emostrou-se promissor;

• emprego do EVA como recheio deve ser estudado com maior detalhe, principalmente no que diz respeitoà suas características hidrodinâmicas de fluidização e necessidade de redução de tamanho das partículas;

• a velocidade da fase líquida deve ser reduzida no período de partida destes reatores para reduzir ocisalhamento na interface sólido/líquido, permitindo a adesão de microorganismos com menor atividademetabólica;



• diminuindo a velocidade tem-se como conseqüência também a redução da taxa de expansão do leito, oque promove um melhor aproveitamento do volume útil do reator;

• controle da taxa de expansão do leito pode ser uma das principais ferramentas no controle da espessura dobiofilme, de maneira a otimizar a transferência de massa na interface biofilme/fase líquida e evitarproblemas com entupimentos;

• a microscopia eletrônica de varredura é uma ferramenta bastante útil na análise da formação do biofilme,fundamental para a partida de reatores de crescimento em leito fixo.

AGRADECIMENTOSOs autores agradecem aos alunos bolsistas Rodrigo Gomes, Cristiane Ferreira e Glaura L. da Silveira peloindispensável apoio técnico, discussão dos resultados e análises. Ao DEMET-PPGEM-UFRGS pelo apoio nasanálises de microscopia eletrônica de varredura. À CAPES e ao CNPq pelo suporte financeiro na forma debolsas de estudo. À empresa TRATEF S.A. pelo apoio na montagem dos reatores e ao Eng. André Bello, OPPPetroquímica, pelo fornecimento das amostras de polipropileno.

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