Download - Dimensionamento de Reatores

Transcript
Page 1: Dimensionamento de Reatores

Dimensionamento de sistemas de trabalhos biológicos e físico-químicos.

DEBI - Departamento de Estudos Básicos e Instrumentais

Page 2: Dimensionamento de Reatores

Introdução

Norma Brasileira — NBR 9800/1987, efluente líquido industrial é o despejo líquido proveniente do estabelecimento industrial, compreendendo emanações de processo industrial, águas de refrigeração poluídas, águas pluviais poluídas e esgoto doméstico

Page 3: Dimensionamento de Reatores

Introdução

• As caraterísticas físicas, químicas e biológicas dos efluentes variam:

Tipo de indústria

Período de operação

Matéria-prima utilizada

Reutilização de água

Page 4: Dimensionamento de Reatores

Introdução• Efluente líquido pode ser

Solúvel ou com sólidos em suspensão

Com ou sem coloração

Orgânico ou inorgânico

Com temperatura baixa ou elevada.

Page 5: Dimensionamento de Reatores

• Determinações mais comuns para caracterizar a massa líquida

Físicas (temperatura, cor, turbidez, sólidos etc.)

Químicas (pH, alcalinidade, teor de matéria orgânica,

metais etc.)

Biológicas (bactérias, protozoários, vírus etc.).

INTRODUÇÃO

Page 6: Dimensionamento de Reatores

Introdução

Conhecimento da vazão e da composição

Determinação das cargas de poluição / contaminação

Definir o tipo de tratamento Avaliar o enquadramento na legislação ambiental Estimar a capacidade de autodepuração do corpo

receptor

Page 7: Dimensionamento de Reatores

Alternativas de tratamento

Prevenção à poluição

Qualquer prática que vise a redução e/ou eliminaçãoVolume, concentração ou toxicidade das cargas

poluentes na própria fonte geradora.

Modificações nos equipamentosProcessos ou procedimentosReformulação ou replanejamento de produtosSubstituição de matérias-primas e substâncias

tóxicas

Page 8: Dimensionamento de Reatores

Alternativas de tratamento

• É fundamental que a indústria disponha de sistema para tratamento ou condicionamento desses materiais residuais

Para isso é preciso que sejam respondidas algumas perguntas, como:

a) Qual o volume e composição dos resíduos gerados? b) Esses resíduos podem ser reutilizados na própria indústria?c) Esse material pode ser reciclado e comercializado?d) Quanto custa coletar, transportar e tratar esses resíduos ? e) Existe local adequado para destino final desses resíduos ?

Page 9: Dimensionamento de Reatores

Sistemas de tratamento de efluentes

• Classificados de acordo com princípios

Físicos

Químicos

Biológicos:

Page 10: Dimensionamento de Reatores

• Parâmetros de projetos: são o tempo de retenção celular (θc)

Tempo de retenção celular ou idade do lodo (θc)

VXc

dXV

dt

Onde:X = Concentração de microorganismos (mg/L)V= volume do reator (m3)dX/dt = taxa de geração de microrganismo (mg/Ld)

Page 11: Dimensionamento de Reatores

• Tempo de detenção hidraúlica (TDH)

VTDH

Q Onde :

V= volume útil do reator (m3)Q = vazão do efluente (m3/h)

Page 12: Dimensionamento de Reatores

• Relação alimento/microrganismo: baseia-se na relação entre a materia rogânica do efluente a ser tratado e a quantidade de microorganismos necssários para degrada-la

A Q DBO

M V SSV

Onde:Q : vazão do efluente utilizado na alimentação do reator (L.d-1)DBO: demanda bioquímica do efluente (g L-1) V: volume da unidade aerada do reator (L)SSV: sólidos suspensos voláteis (g L-1)A/M : é expressa em g DBO ou g DQO fornecida por dia por g SSV.

Page 13: Dimensionamento de Reatores

• A relação A/M geralmente assume valores compreendidos entre 0,3 e 0,8 Kg DBO/Kg SSVd e para sistemas de aeração prolongada, 0,08 a 0,15 Kg DBO/Kg SSV dia

Page 14: Dimensionamento de Reatores

Dimensionamento de sistemas de trabalhos físicos e químicos

Tratamento preliminar• Remoção de sólidos grosseiros (pedaços de madeira,

plásticos, folhas, cascas, hastes, ramos, penas, ossos etc.)

• Finalidade da remoção de sólidos grosseirosproteção de bombas, tubulações, transportadores, peças

especiais, aeradores, etc. facilitar escoamento;remoção parcial da carga poluidora melhoria da

eficiência em unidades subseqüentes;aspectos estéticos.

Page 15: Dimensionamento de Reatores

Equipamentos utilizados na separação sólido/líquido– Grades– Peneiras

Grades– Limpeza manual– Limpeza automática

Espaçamento entre barras à função das dimensões do material a ser removido.

Page 16: Dimensionamento de Reatores

Tipo de grade

Espaçamento(mm)

Espessuras mais usuais (mm)

40 10 e 13

Grosseira 60 10 e 13

80 10 e 13

100 10 e 13

20 8 e 10

Média 30 8 e 10

40 8 e 10

10 6,8 e 10

Fina 15 6,8 e 10

20 6,8 e 10

Abertura ou espaçamento e dimensões entre das barras

Page 17: Dimensionamento de Reatores

Espaçamento entre barras à função das dimensões do material a ser removido;

• Grades finas (3/8” a 3/4”) à partículas de 1-2 cm;• Grades médias (3/4” a 1 1/2”) à partículas de 2-4 cm;• Grades grosseiras (> 1 1/2") à partículas de 4-10 cm

Page 18: Dimensionamento de Reatores

t a = 20 mm a = 25 mm a = 30 mm

6 mm 75% 80% 83,4%

8 mm 73% 76,8% 80,3%

10 mm 67,7% 72,8% 77%

13 mm 60% 66,7% 71,5%

Eficiência do sistema de gradeamento (E)

a = espaçamento entre as barrast = espessura das barras

Page 19: Dimensionamento de Reatores

Inclinação– 45 a 60o com a horizontal à limpeza manual;– 60o com a horizontal à limpeza mecânica.

• O projeto de Norma Brasileira PNB - 570 impõe que para vazões de dimensionamento superiores a 250 L/s as grades deverão possuir dispositivo de remoção mecanizada do material retido.

Page 20: Dimensionamento de Reatores
Page 21: Dimensionamento de Reatores

Dimensionamento• Velocidade de escoamento do líquido• Muito alta arraste de material retido;• Muito baixa acúmulo por sedimentação mau

cheiro– limpeza manual à 0,30 m s-1 < v < 0,60 m s-1

– limpeza mecânica à 0,60 m s-1 < v < 1,0 m s-1

Page 22: Dimensionamento de Reatores

Dimensionamento da área necessária para o canal das barras

• As velocidades recomendadas através das barras são de:

• Máxima: 0,75 m/s;• Mínima: 0,40 m/s.

QAu

v

Onde:Au - área útil (livre entre barras) (m2);Q – vazão de água residuária (m3 s-1);v – velocidade de escoamento (m s-1).

Page 23: Dimensionamento de Reatores

o Portanto ( )

*a t

S Aua

Onde:S – seção do canal (m2);a – espaçamento entre barras (cm);t – espessura das barras (cm)

Escolhendo-se a espessura e o espaçamento entre barras determina-se a eficiência E

AuS

E

Page 24: Dimensionamento de Reatores

• Perda de carga nas grades:– Pode-se utilizar a fórmula de Metcalf & Eddy

2 2

1,43 *2

V vHf g

Onde V = Velocidade através das grades (usual = 0,6 m/s);v = Velocidade a montante de aproximaçãog = 9,8 m/s2;Hf = perda de carga nas barras.

Page 25: Dimensionamento de Reatores

Operação e manejo do sistemaLimpeza contínua da grade

Evitar represamento e arraste de material

Material sólido removido Secagem para facilitar transporte e encaminhamento

para:

IncineraçãoAterro sanitárioAlimentação animalCompostagem Incorporação ao solo

Page 26: Dimensionamento de Reatores

O processo anaeróbio através de reatores de manta

de lodo apresenta inúmeras vantagens em relação

aos processos aeróbios convencionais

Reatores Anaeróbios de Fluxo Ascendente com manta de lodo / UASB

(Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactors)

Page 27: Dimensionamento de Reatores

VantagensSistema compacto, com baixa demanda de área;Baixo custo de implementação e de operação;Baixa produção de lodo;Baixo consumo de energia;Satisfatória eficiência de remoção de DBO/DQO, da ordem de 65-75%;Possibilidade de rápido reinicio;Elevada concentração de lodo excedente;Boa desidratabilidade o lodo.

Reatores Anaeróbios de Fluxo Ascendente com manta de lodo / UASB

(Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactors)

DesvantagensPossibilidade de emanação de maus odores;Baixa capacidade do sistema em tolerar cargas tóxicas;Elevado intervalo de tempo necessário para a partida no reator;Necessidade de uma etapa de pós-tratamento.

Page 28: Dimensionamento de Reatores

Apesar do conhecimento acumulado sobre os reatores UASB em nosso país.

Não há ainda um roteiro claro e sistematizado, acessível ao projetistas, sobre o dimensionamento desses reatores

É importante que os diversos critérios e parâmetros de projetos de reatores UASB sejam expressos de uma forma compreensível e sequencial

Reatores Anaeróbios de Fluxo Ascendente com manta de lodo / UASB

(Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactors)

Page 29: Dimensionamento de Reatores

Princípios do processo• Os princípios mais importantes que governam a

operação de um reator de manta de lodo• As características do fluxo ascendente devem

assegurar o máximo contato entre a biomassa e o substrato;

• Os curto-circuitos devem ser evitados, de forma a garantir tempos suficientes para a degradação da matéria orgânica;

Reatores Anaeróbios de Fluxo Ascendente com manta de lodo / UASB

(Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactors)

Page 30: Dimensionamento de Reatores

• O sistema deve ter um dispositivo bem projetado, capaz de separar de forma adequada o biogás, o líquido e os sólidos, liberando os dois primeiros e permitindo a retenção do último;

• O lodo na região da manta deve ser bem adaptado, com alta atividade metanogênica específica (AME) e excelente sedimentabilidade (granulado, uma vez que este tipo de lodo apresenta características bem melhores que as do lodo floculento)

Reatores Anaeróbios de Fluxo Ascendente com manta de lodo / UASB

(Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactors)

Page 31: Dimensionamento de Reatores

• Configurações típicas• Inicialmente concebidos para o tratamento de

efluentes industriais como estruturas cilíndricas ou prismático-retangulares, onde as áreas dos compartimentos de digestão e de decantação eram iguais, configurando-se, portanto, reatores de paredes verticais.

Reatores Anaeróbios de Fluxo Ascendente com manta de lodo / UASB

(Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactors)

Page 32: Dimensionamento de Reatores

Esquemas mais freqüentes de formas de reatores UASB

Page 33: Dimensionamento de Reatores

• Quanto à forma do reator em planta, estes podem ser circulares ou retangulares

• Reatores de seção circular são mais econômicos do ponto de vista estrutural, usualmente utilizado para o atendimento de pequenas populações

Reatores Anaeróbios de Fluxo Ascendente com manta de lodo / UASB

(Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactors)

Page 34: Dimensionamento de Reatores

Efluente

Defletores

CH4 ; CO2

Leito do lodo

Efluente

Separador de 3 fases

Gás Partículas de lodo

Page 35: Dimensionamento de Reatores

Critérios e parâmetros de projetoUm dos aspectos mais importantes do

processo através de reatores de manta de lodoHabilidade em desenvolver e manter um lodo

de elevada atividade e de excelentes características de sedimentação

Reatores Anaeróbios de Fluxo Ascendente com manta de lodo / UASB

(Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactors)

Page 36: Dimensionamento de Reatores

Para que isto ocorra alguns parâmetros devem ser observados:

Carga orgânica volumétrica

QxSCOV

V

Onde:COV = carga orgânica volumétrica (kgDQO/m3.d);Q = vazão (m3/d);S = concentração de substrato afluente (kgDQO/m3);V = volume total do reator (m3).

Reatores Anaeróbios de Fluxo Ascendente com manta de lodo / UASB

(Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactors)

Page 37: Dimensionamento de Reatores

Carga hidráulica volumétrica e tempo de detenção hidráulica

A carga volumétrica equivale ao inverso do tempo de detenção hidráulica no reator.

Pode ser entendida como a quantidade (volume) de esgotos aplicados diariamente ao reator, por unidade do mesmo

Reatores Anaeróbios de Fluxo Ascendente com manta de lodo / UASB

(Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactors)

Page 38: Dimensionamento de Reatores

VTDH

Q

QCHV

V

Onde:TDH = tempo de detenção hidráulica (d);CHV = carga hidráulica volumétrica (m3/m3.d);V = volume total do reator (m3);Q = vazão (m3/d).

Reatores Anaeróbios de Fluxo Ascendente com manta de lodo / UASB

(Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactors)

Page 39: Dimensionamento de Reatores

• Carga biológica (carga de lodo)• A carga biológica ou carga de lodo refere-se à

quantidade (massa) de matéria orgânica aplicada diariamente ao reator, por unidade de biomassa presente no mesmo

Q SCB

M

Onde:CB = carga biológica ou carga de lodo (kgDQO/kgSVT.d);Q = vazão (m3/d);S = concentração de substrato afluente (jgDQO/m3);M = massa de microrganismos presentes no reator (kgSVT/m3).

Page 40: Dimensionamento de Reatores

Altura do reatorEstá em função:

do tipo de lodo das cargas orgânicas das velocidades superficiais impostas ao sistema

Para o caso de tratamento de esgotos domésticos, com lodo tipo floculento, as alturas úteis ficam entre 4,0 e 5,0m assim distribuídas:

Page 41: Dimensionamento de Reatores

Material do reatorA degradação anaeróbia de determinados compostos

pode levar à formação de subprodutos altamente agressivos, aliados às próprias características dos esgotos

Os materiais utilizados na construção de reatores anaeróbios devem resistir a corrosão.

concreto e o aço têm sido os materiais mais empregados, sendo normalmente feita uma

proteção interna à base de epóxi

Page 42: Dimensionamento de Reatores

Eficiência de reatores UASBA estimativa da eficiência do sistema é feita através

de relações empíricas, obtidas a partir de resultados experimentais de reatores em operação.

Puderam-se expressar as eficiências através da quantidade de DQO e DBO removidas

Page 43: Dimensionamento de Reatores

• Custos de reatores UASB• Os custos de construções de reatores UASB têm sido

bastante variados (10 a 40 dólares per capita), com valores médios usuais se situando na faixa de US$20/hab a US$30/hab, excluído o valor de aquisição do terreno.

• Os custos relacionados a manutenção e operação de reatores UASB, os valores têm variado bastante (cinqüenta centavos a dois dólares per capita por ano)

Page 44: Dimensionamento de Reatores

035100 1 0,68DQOE TDH

0,50100 1 0,70DBOE TDH

Onde:EDQO = eficiência do reator UASB em termos de remoção de DQO (%);TDH = tempo de detenção hidráulica ;0,68 = constante empírica;0,35 = constante empírica;EDBO = eficiência do reator UASB em termos de remoção de DBO (%);0,70 = constante empírica;0,50 = constante empírica.