Modelagem e simulação de reatores de leito móvel com biofilme (MBBR) para tratamento de efluentes

1. UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIROPROGRAMA DE ENGENHARIA QUÍMICA / COPPECOQ862 – MÉTODOS NUMÉRICOS PARA SISTEMAS DISTRIBUIDOSPROF. EVARISTO CHALBAUD BISCAIA JR.PROF. ARGIMIRO RESENDE SECCHI Modelagem e simulação de reatores de leito móvel com biofilme (MBBR) para tratamento de efluentes BRUNO LEMOS NOGUEIRA

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

4. MBBR Desvantagens: • Alto custo de consumo de energia; • Necessidade da adequada utilização dos dispositivos de aeração 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.

5. Suportes móveis

6. Transferência de Massa • Desempenha papel chave em processos com biofilme; • Relevância da espessura do biofilme.

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

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

9. Modelo Matemático • Balanço de massa na fase gasosa: • Onde:

10. Modelo Matemático • Balanço de massa na fase líquida:

11. Modelo Matemático • Balanço de massa na fase biofilme: • Onde:

12. Modelo Matemático • Sujeitas as seguintes condições de contorno:

13. Modelo Matemático • Variação da espessura do biofilme:

14. Simulações • Adimensionamento:

15. Simulações • Adimensionamento:

16. Simulações • 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. Simulações • Parâmetros utilizados

18. Simulações • Parâmetros operacionais

19. Simulações • Resultados Experimentais

20. Simulações • 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. Resultados e Discussão • 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. Simulação • Fase líquida (O2)

23. Simulação • Fase líquida (DQO)

24. Simulação • Fase líquida (NH4+)

25. Simulação • Fase biofilme (Espessura)

26. Simulação • Fase biofilme (O2) • Tempo = 1,20horas

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

28. Simulação • Fase biofilme (NH4+) • Tempo = 1,20horas

29. Colocação ortogonal e Diferenças finitas • Desvios Brutos entre os dois métodos para um tempo de 12horas • Fase Líquida

30. Colocação ortogonal e Diferenças finitas • Fase biofilme

31. Resultados Experimentais • Tempo = 30horas

32. Resultados Experimentais

33. Conclusões 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 10-2.

34. Conclusões 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. Referências Bibliográficas [1] RUSTEN, B., EIKEBROKK, B., ULGENES, Y. et al., 2006, “Design and operations of the Kaldnes moving bed biofilm reactors”, AquaculturalEnginnering, v. 34, n. 3, pp. 322-331. [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. 1067-1075. [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. 2981-2993. [4] ØDEGAARD, H., 2006, “Innovations in wastewater treatment: the moving bed biofilm process”, Water Science Technology, v. 53, n. 9, pp. 17-33. [5] ØDEGAARD, H., RUSTEN, B., WESTRUM, T., 1994, “A new moving bed biofilm reactor – applications and results”, Water Science and Technology, v. 29, n. 10-11, pp. 157-165. [6] VEOLIA, MBBR Techonology – Technical Details, 2009. Disponível em: http://www.veoliawaterst.com/mbbr/en/technical_details.htm Acesso em: 22setembro 2011.

36. Referências Bibliográficas [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. 2360-2377. [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. 1311-1323. [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 Kluyveromycesmarxianus cultures on cheese whey as substrate”, J IndMicrobiolBiotechnol, v. 31, pp. 35-40.

37. UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIROPROGRAMA DE ENGENHARIA QUÍMICA / COPPECOQ862 – MÉTODOS NUMÉRICOS PARA SISTEMAS DISTRIBUIDOSPROF. EVARISTO CHALBAUD BISCAIA JR.PROF. ARGIMIRO RESENDE SECCHI Modelagem e simulação de reatores de leito móvel com biofilme (MBBR) para tratamento de efluentes BRUNO LEMOS NOGUEIRA