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Modelagem e simulação de reatores de leito móvel com biofilme (MBBR) para tratamento de efluentes BRUNO LEMOS NOGUEIRA.

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1 Modelagem e simulação de reatores de leito móvel com biofilme (MBBR) para tratamento de efluentes BRUNO LEMOS NOGUEIRA

2 Importância do tratamento de efluentes: Impacto Ambiental; Legislações ambientais. Processos para tratamento de efluentes. MBBR Congrega as melhores características dos processos de lodos ativados e processos com biofilme

3 Surgiu no final da década de 80 na Noruega; Mais de 400 plantas de grade escala presentes em 22 países.

4 Vantagens: Maior proteção a agentes agressivos e a desidratação; Alta resistência a cargas de choque; Favorecimento da nitrificação; Grande área superficial disponível entre biofilme e substrato; Uso de todo volume útil do reator; Perda de carga pequena; Menor produção de lodo; Não há necessidade de reciclo de lodo; Quantidade de elementos móveis pode ser alterada. Desvantagens: Alto custo de consumo de energia; Necessidade da adequada utilização dos dispositivos de aeração

5 Tipos de Suporte Kaldnes ® K1K2K3 Diâmetro nominal (mm)9,11525 Comprimento nominal (mm)7,21512 Densidade aparente (kg/m³) Área específica superficial (m²/m³) Área específica superficial a 60% de enchimento (m²/m³)

6 Desempenha papel chave em processos com biofilme; Relevância da espessura do biofilme.

7 Relacionado a concentração de oxigênio dissolvido no reator; Recomendação de no mínimo 2mg/L; Vazão de ar elevada: Desprendimento do biofilme.

8 Efluente Aeração Processos e Hipóteses: 1)Modelo constituído de 3 fases: gasosa, líquida e biofilme; 2)Transferência de oxigênio da fase gás para a fase líquida; 3)Transferência de DQO, NH4+ e O2 da fase líquida para o biofilme; 4)Biofilme: bactérias autotróficas e heterotróficas; 5)Reação de degradação ocorre apenas no biofilme; 6)Reações representadas como Monod com limitação de dois substratos; 7)Fase biofilme tratada como geometria plana; 8)Difusão inserida pela Lei de Fick; 9)Crescimento do biofilme depende do metabolismo das bactérias e da taxa de desprendimento. 10)Fase líquida tratada como perfeitamente misturada; 11)Não há compactação do biofilme. Efluente Tratado

9 Balanço de massa na fase gasosa: Onde:

10 Balanço de massa na fase líquida:

11 Balanço de massa na fase biofilme: Onde:

12 Sujeitas as seguintes condições de contorno:

13 Variação da espessura do biofilme:

14 Adimensionamento:

15

16 Uso do método de colocação ortogonal nos balanços de massa no biofilme (n=5); Uso do método de Quadratura numérica de Gauss- Jacobi (n=5) na integral que representa o processo metabólico dos microorganismos.

17 Parâmetros utilizados ParâmetroValorReferência DQO (cm/h)1,257[8] NH4 (cm/h)2,59[8] D f,DQO (cm²/h)0,04167[9] D f,NH4 (cm²/h)0,07083[9] D f,O2 (cm²/h)0,08333[9] µ H (h -1 )0,25[10] Y H (mg DQO/mg DQO)0,682[8] K DQO (mg DQO/cm³)0,01585[8] K O2,H (mg O 2 /cm³)0,0002[9] µ A (h -1 )0,033[10] Y A (mg DQO/mg NH 4 + )0,183[8] K NH4 (mg NH 4 + /cm³)0,00121[8] K O2,A (mg O 2 /cm³)0,0005[9] b s,H (h -1 )0,0025[8] b s,A (h -1 )0,0021[8]

18 Parâmetros operacionais ParâmetroValor V (cm³)5000 Q ef (cm³/h)554,2 Fração de Enchimento (%)60 A (cm²)25000

19 Resultados Experimentais Exp. DQO entrada (mg O 2 /cm³) DQO saída (mg O 2 /cm³) Amônio entrada (mg NH 4 + /cm³) Amônio saída (mg NH 4 + /cm³) 1 4,439E-13,14 E-21,39E-21,6E-3 2 5,328E-14,08 E-21,56E-21,8E-3 3 7,07E-15,7 E-21,72E-22,5E-3 4 6,71E-16,0 E-21,85E-22,9E-3 5 6,50E-15,6 E-21,64E-22,7E-3 6 6,77E-15,1 E-21,69E-23 E-3

20 Comparação com o uso do método de diferenças finitas. Biofilme discretizado em 20 intervalos. Simplificações do modelo: Espessura constante; Valor fixo de oxigênio dissolvido no reator;

21 Simulação do modelo Comparação entre os resultados do modelo usando o método de diferenças finitas e o método de colocação ortogonal. Comparação com resultados experimentais.

22 Fase líquida (O 2 )

23 Fase líquida (DQO)

24 Fase líquida (NH 4 + )

25 Fase biofilme (Espessura)

26 Fase biofilme (O 2 ) Tempo = 1,20horas

27 Fase biofilme (DQO) Tempo = 1,20horas

28 Fase biofilme (NH 4 + ) Tempo = 1,20horas

29 Desvios Brutos entre os dois métodos para um tempo de 12horas Variável Desvio Bruto entre os métodos uDQO1,31E-02 uNH42,11E-02 Fase Líquida

30 Fase biofilme

31 Experimento DQO entradaDQO saídaAmônio entradaAmônio saída (mg O 2 /cm³) (mg NH 4 + /cm³) 1 4,439E-1 3,14 E-2 1,39E-2 1,6E-3 2 5,328E-1 4,08 E-2 1,56E-2 1,8E-3 3 7,07E-1 5,7 E-2 1,72E-2 2,5E-3 4 6,71E-1 6,0 E-2 1,85E-2 2,9E-3 5 6,50E-1 5,6 E-2 1,64E-2 2,7E-3 6 6,77E-1 5,1 E-2 1,69E-2 3 E-3 Experimento DQO saídaAmônio saída (mg O 2 /cm³)(mg NH 4 + /cm³) 1 1,903 E-25,23 E-4 2 2,444 E-28,4 E-4 3 7,544 E-22,96E-3 4 6,009 E-23,26 E-3 5 4,648 E-22,04 E-3 6 5,88 E-22,54 E-3 Tempo = 30horas

32 Experimento DQO saída Experimental DQO saída Predito Desvio (mg O 2 /cm³) 1 3,14 E-21,903 E-2 1,237E-2 2 4,08 E-22,444 E-2 1,636E-2 3 5,7 E-27,544 E-2 -1,844E-2 4 6,0 E-26,009 E-2 9E-5 5 5,6 E-24,648 E-2 9,52E-3 6 5,1 E-25,88 E-2-7,8E-3 Experimento Amônio saída Experimental Amônio saída Predito Desvio (mg NH 4 + /cm³) 1 1,6E-35,23 E-41,077E-3 2 1,8E-38,4 E-49,6E-4 3 2,5E-32,96E-3-0,4,6E-4 4 2,9E-33,26 E-3-3,6E-4 5 2,7E-32,04 E-36,6E E-32,54 E-34,6E-4

33 Um modelo matemático para descrever os processos que ocorrem em um reator de leito móvel com biofilme foi proposto. Na resolução do modelo foi utilizado o método de colocação ortogonal para a resolução dos balanços no biofilme e o método de quadratura de Gauss-Jacobi para o cálculo da integral que descreve o crescimento dos microorganismos. Realizando a comparação entre os resultados utilizando o método de colocação ortogonal e o método de diferenças finitas, obteve-se um desvio na ordem de

34 Verificaram-se também os resultados do modelo com dados experimentais, observando que, apesar de apresentarem valores bastante próximos ainda existe um desvio que pode ser decorrente a outras variáveis que não estão presentes no modelo, como por exemplo, o pH ou a presença de compostos inibidores. E, assim, aprimoramentos no modelo ainda são necessários.

35 [1] RUSTEN, B., EIKEBROKK, B., ULGENES, Y. et al., 2006, Design and operations of the Kaldnes moving bed biofilm reactors, Aquacultural Enginnering, v. 34, n. 3, pp [2] JAHREN, S.J., RINTALA, J.A., ØDEGAARD, H., 2002, Aerobic moving bed biofilm reactor treating thermomechanical pulping whitewater under thermophilic conditions, Water Research, v. 36, pp [3] SALVETTI, R., AZZELLINO, A., CANZIANI, R. et al., 2006, Effects of temperature on tertiary nitrification in moving-bed biofilm reactors, Water Research, v. 40, n. 15, pp [4] ØDEGAARD, H., 2006, Innovations in wastewater treatment: the moving bed biofilm process, Water Science Technology, v. 53, n. 9, pp [5] ØDEGAARD, H., RUSTEN, B., WESTRUM, T., 1994, A new moving bed biofilm reactor – applications and results, Water Science and Technology, v. 29, n , pp [6] VEOLIA, MBBR Techonology – Technical Details, Disponível em: Acesso em: 22setembro 2011.

36 [7] METCALF & EDDY, 1991, Wastewater Engineering – Treatment, Disposal and Reuse. 3rd edition, McGraw-Hill, USA. [8] LIN, Y.H., 2008, Kinetics of nitrogen and carbon removal in a moving-fixed bed biofilm reactor, Applied Mathematical Modelling, v.32, pp [9] PEREZ, J., PICIOREANU, C., LOOSDRECHT, M. V., 2005,Modeling biofilm and floc diffusion processes based on analytical solution of reaction-diffusion equations, Water Research, v. 39, pp [10] HENZE, M., GUJER, W., MINO, T., LOOSDRECHT, MCM., 2000, Activated sludge models ASM1, ASM2, ASM2d, e ASM3, Scientific an technical report No. 9,IWA Publishing, London, UK. [11] DIAS, I.N., 2011, MBBR acoplado a filtro lento de areia e a osmose inversa para tratamento de efluente da indústria de petróleo visando reuso. Dissertação de M.Sc., COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil [12] LONGHI, L. G.S.; LUVIZETTO, D. J.;FERREIRA, L. S. F. ;RECH, R. ;AYUB, M. A. Z.; SECCHI, A. R.,2004. A growth kinetic model of Kluyveromyces marxianus cultures on cheese whey as substrate, J Ind Microbiol Biotechnol, v. 31, pp

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