Avaliação de material suporte ...
AVALIAÇÃO DE MATERIAL SUPORTE PARA BIOMASSA EM REATORES DE LEITO FLUIDIZADO: ADERÊNCIA E HIDRODINÂMICA
FLAVIO BENTES FREIRE1
EDUARDO CLETO PIRES2
1.Doutorando, bolsista (Fapesp) do Departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos,
Universidade de São Paulo. End.: Rua das Margaridas, 241 – CEP: 13566-543 – São Carlos – SP – Brasil. Fone: (0-xx16)270-8157 – Fax: (0-xx-16)273-8269 – Email: [email protected]
2. Professor Titular do Departamento de Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de
São Paulo. End.: Av. Trabalhador Sãocarlense, 400 – CEP: 13566-590 – São Carlos – SP – Brasil. Fone: (0-xx-16) 273-9539
– Fax: (0-xx-16)273-8269 – Email: [email protected]
RESUMO: Freire, F. B. & Pires, E. C. Avaliação de material suporte para biomassa em reatores de leito
fluidizado: aderência e hidrodinâmica. Revista Universidade Rural: Série Ciências Exatas e da Terra,
Seropédica, RJ: EDUR, v.23, n.1-2, p. 34-43 jan.- dez., 2004. A escolha adequada do material suporte é
muito importante nos processos biológicos com biomassa imobilizada para o tratamento de águas residuárias,
pois esses materiais podem influenciar diretamente na eficiência do sistema. Neste trabalho, três materiais
suporte (alumina, basalto e carvão ativado) foram analisados nos seguintes aspectos: a hidrodinâmica,
quando colocados em um reator de leito fluidizado; a capacidade de imobilização de microrganismos; as
características físicas. Baseado nos resultados experimentais, o carvão ativado, dos três materiais avaliados,
foi considerado mais apropriado para ser utilizado em processos de tratamento envolvendo reatores biológicos
com biomassa imobilizada.
Palavras-chave: material suporte, adesão e hidrodinâmica
ABSTRACT: Freire, F. B. & Pires, E. C. Experimental evaluation of biomass support material in fluidized
bed reactors: adhesion and hydrodynamics. Revista Universidade Rural: Série Ciências Exatas e da
Terra, Seropédica, RJ: EDUR, v.23, n.1-2, p. 34-43 jan.- dez., 2004. The right choice of support materials is
very important in biological wastewater treatment with immobilized biomass processes. These materials may
directly influence efficiency-related phenomenons. For this reason, the characterization of particles is a critical
step. Fixed film reactors were used due to their high-grade stability and performance. In the present study,
three support materials (alumina, basalt and activated coal) were analyzed for hydrodynamics, microorganism
adhesion and physical characteristics. These characteristics were also investigated through the evaluation
of particle and apparent density, total area of the pores, average pore diameter and voidage. Based on the
results of the experiments, activated coal was found to be the most appropriate support material for treatment
processes involving biological wastewater systems.
Key words: support material, adhesion and hydrodynamic
INTRODUÇÃO
Uma linha clássica de pesquisa em processos biológicos de tratamento de águas
residuárias é o estudo da imobilização
celular, quer sob a forma de grânulos ou
flocos, ou na forma de biofilme aderido a
algum suporte inerte.
A escolha de um material suporte
adequado é de grande importância, pois
os suportes inertes para imobilização de
biomassa podem tornar os sistemas mais
estáveis1, e reatores com células imobilizadas são menos sensíveis à presença de
materiais tóxicos e inibidores que os processos utilizando biomassa suspensa2.
Além disso, diferentes suportes podem
proporcionar características totalmente
distintas à adesão de biomassa 3 e ao
comportamento hidrodinâmico dos reato-
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Freire, F. B., et al.
res, fatores essenciais para que o sistema
tenha um bom desempenho.
A hidrodinâmica, inclusive, é um tópico
importantíssimo que muitas vezes é deixado em segundo plano em pesquisas com
reatores biológicos. A grande vantagem
desse estudo é a de se adquirir conhecimentos prévios, minimizando assim a
possibilidade de um funcionamento inadequado do reator, pelo menos no que diz
respeito à dinâmica do sistema4.
Na análise hidrodinâmica são obtidas
informações importantes do comportamento operacional dos reatores, e sempre
que possível ela deveria preceder a fase
biológica das pesquisas, quase como um
pré-requisito. Esse estudo combinado é
fundamental para o bom desempenho
do processo, pois não fornece apenas as
informações qualitativas, que podem ser
até intuitivas, mas também uma análise
quantitativa do comportamento.
Como já foi dito anteriormente, reatores com filme fixo, além de um ótimo
desempenho, apresentam elevado grau de
estabilidade, e no que se refere à adesão
de biomassa ao suporte, a eficiência máxima a ser obtida está intimamente ligada
(dependente) ao tipo de material utilizado,
onde geralmente se destaca, nesse tipo de
aplicação, o carvão ativado, além de vidro,
cerâmica, espuma de poliuretano, PVC,
argilas, areia, alumina, dentre outros.
Um dos principais motivos para essa
alta estabilidade está no fato desse sistema propiciar maiores razões entre o
tempo de retenção celular e o tempo de
residência hidráulico (θc /θh), ocasionado
por uma capacidade maior de retenção de
biomassa, reduzindo assim a tendência de
arraste desses microrganismos para fora
do sistema5.
Resumidamente, a formação do biofilme envolve uma série de processos
físicos, químicos e biológicos, incluindo,
dentre outros, a adsorção de moléculas
orgânicas sobre uma superfície, o movimento de células para a superfície, a
adesão de microrganismos à superfície, e
posteriormente para a primeira camada de
células, o acúmulo de biofilme resultante
de um crescimento de microrganismos, e o
desprendimento do biofilme6. Sabe-se que
esse processo é extremamente complexo,
e que muitas vezes, dentro de cada etapa,
ainda hoje persistem aspectos obscuros
que precisam ser elucidados7.
Por ser de extrema importância nas
pesquisas de tratamento de águas residuárias, e baseado em todos os argumentos
citados anteriormente, conclui-se que
a escolha do material suporte deve ser
criteriosa.
Nesse trabalho, foi realizado um estudo detalhado de 3 materiais suportes:
alumina, basalto e carvão ativado, com a
finalidade principal de se verificar a viabilidade de utilização desses 3 materiais em
processos biológicos. A escolha do carvão
ativado se deve principalmente por sua já
consolidada e comprovada utilização em
pesquisas envolvendo tratamento biológico
de águas residuárias.8,9,10,11 Dessa maneira,
o carvão ativado granular se torna uma
espécie de “padrão para comparações”.
O basalto foi escolhido por representar
um material de alta densidade e baixa
porosidade interna à partícula. A alumina
foi utilizada pela sua durabilidade, pela
geometria bem definida, e por apresentar
propriedades entre o carvão ativado e o
basalto. Esses critérios de escolha foram
definidos após recomendações encontradas na literatura.12,13,14,15
Inicialmente esses materiais foram
avaliados no que diz respeito às suas principais características físicas, e depois, um
a um, foram colocados como “recheio” em
um reator de leito fluidizado para avaliação
do comportamento hidrodinâmico do mesmo, e finalmente um ensaio foi elaborado
para que seus potenciais de aderência de
biomassa fossem avaliados.
MATERIAIS E MÉTODOS
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Características Físicas
Diferentes suportes podem proporcionar características totalmente distintas ao
comportamento hidrodinâmico dos reatores e à adesão de biomassa, fatores que influem diretamente no bom desempenho do
sistema. Dessa maneira, a caracterização
das partículas é uma etapa importantíssima, pois o conhecimento detalhado dos
materiais suportes fornece informações
que serão essenciais na análise de resultados posteriores.
Como foram utilizados três materiais
com estruturas distintas nas etapas iniciais, uma caracterização dos principais
parâmetros físicos dessas partículas foi
efetuada através de análises de porosimetria de mercúrio. A caracterização
física dos materiais foi realizada por uma
empresa prestadora de serviços de apoio à
pesquisa e ao desenvolvimento científico e
tecnológico na área de materiais, o Centro
de Caracterização e Desenvolvimento de
Materiais da UFSCar (CCDM). A Tabela 1
mostra um quadro-resumo das partículas
utilizadas, bem como as propriedades
obtidas para cada uma.
Tabela 1. Partículas e suas características físicas
Fonte: CCDM (UFSCar )
As características físicas serão utilizadas na discussão dos resultados obtidos.
Hidrodinâmica
Nos reatores de leito fluidizado, particularmente na área de concentração de
tratamento biológico, o estudo da hidrodinâmica tem geralmente como ponto de
partida a adoção de um sistema trifásico13.
Em alguns casos, porém, dependendo da
circunstância, o sistema pode ainda ser
considerado bifásico, desprezando-se a
fase gasosa, e considerando apenas as
fases líquida e sólida.16
Nesse trabalho, importantes parâmetros que descrevem o comportamento
hidrodinâmico do reator foram obtidos.
Para cada material suporte do leito foram
determinados a curva característica, a
velocidade de mínima fluidização, a expansão e a porosidade do leito.
Um reator anaeróbio de leito fluidizado,
onde os estudos foram realizados, foi então projetado, construído e desenvolvido
(Figura 1).
O reator em questão, com aproximadamente 1800 mm de altura e 100 mm
de diâmetro, era constituído de 3 partes
principais (entrada, corpo principal e seção
de separação) conectadas por flanges e
parafusos.
A primeira parte, caracterizada pela entrada e distribuição do afluente, foi feita em
aço inoxidável, e tem uma placa perfurada
responsável pela distribuição homogênea
do fluido no reator.
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claramente distintas, cuja intersecção fornece a velocidade mínima de fluidização.
Posteriormente aos ensaios para obtenção das curvas características, foram
feitos os ensaios de expansão do leito,
que consistiam em medir a expansão do
leito correspondente a valores crescentes
de vazão.
Dessa maneira, para cada altura do
leito, o volume total do leito será definido
como:
(1)
Figura 1 – Reator de leito fluidizado
A segunda parte, o reator propriamente
dito, é onde se localizará a biomassa fluidizada, composta por um tubo de vidro de
3 mm de espessura, 1200 mm de altura e
100 mm de diâmetro. Essa parte é dotada
de amostradores espaçados de 350 mm
ao longo da altura.
A terceira parte do reator caracteriza-se
pela saída do efluente, do gás produzido,
e pela saída da parcela do efluente a ser
recirculada. Como a parte 1, a parte 3 também foi construída em aço inoxidável.
Para os ensaios hidrodinâmicos do
reator, o sistema foi considerado bifásico
(líquido / sólido), e inicialmente foram obtidas as curvas características para cada suporte, ou seja, a queda de pressão (ΔPFLUID)
em função da vazão, em triplicata.
Para a medida da diferença de pressão,
entre a entrada e a saída do reator, um
manômetro de tetracloreto foi instalado.
As vazões foram obtidas diretamente pelo
método gravimétrico, ou seja, a razão entre
a massa de efluente e o tempo necessário
para se obter essa massa. Optou-se por
utilizar a massa, ao invés do volume obtido,
para se obter maior precisão na medida.
A curva característica, para cada material apresenta então duas regiões lineares
Onde:
i: número inteiro (i = 0,1,2,3,..., n) que
representa o número de pontos experimentais obtidos;
VS: Volume de sólidos;
: Volume de líquido correspondente
à altura do leito Hi.
Após os ensaios de expansão, a determinação da porosidade do leito obedeceu
a seguinte equação:
(2)
Posteriormente, para cada ensaio e
cada material de partícula suporte, foram
feitos os gráficos da porosidade em função
da velocidade superficial.
A etapa seguinte foi a de obtenção
dos parâmetros U∞ e n da equação de
Richardson e Zaki, que descreve o efeito
da presença da fase particulada na fluidodinâmica de suspensões. Seguindo a
metodologia dos próprios autores17:
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(3)
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Onde:
U: velocidade relativa fluido-partícula;
U∞: velocidade terminal da partícula isolada;
ε: porosidade do leito;
n: constante empírica determinada a partir
evolução da adesão de biomassa nos
suportes colocados dentro dos reatores.
O ensaio de aderência foi realizado da
seguinte maneira: os quatro reatores
foram preenchidos com massas iguais
(ou extremamente próximas) do mesmo
material suporte, ou seja, alumina, basalto
ou carvão ativado.
Aderência de biomassa
O sistema experimental desenvolvido
para o ensaio de aderência, (Figura 2) é
uma adaptação de uma série de pesquisas
realizadas no Laboratório de Processos
Biológicos do Departamento de Hidráulica
e Saneamento da Escola de Engenharia
de São Carlos.18,19,20,21
Figura 3. Detalhes do reator “elemento de volume”
Figura 2. Aparato experimental do ensaio de aderência. (1) Reator “elemento de volume” (2) Reservatório para substrato (3) Banho de Gelo, (4) Agitador
Magnético, (5) Amostrador, (6) Trocador de Calor, (7)
Bomba peristáltica.
A Figura 3 mostra em detalhes o reator
“elemento de volume” utilizado nos ensaios
de aderência.
O sistema era constituído basicamente
de quatro desses reatores operando em
paralelo, alimentados em circuito fechado
por uma solução à base de substrato sintético e lodo de reator anaeróbio (UASB)
proveniente do tratamento da água residuária de um abatedouro de aves, sendo
que a idéia principal era acompanhar a
A solução, contendo substrato sintético
e lodo macerado numa proporção tal que
resultasse numa concentração de sólidos
totais voláteis (STV) de aproximadamente
100 mg/L, era colocada no reservatório de
substrato, e mantida agitada ininterruptamente. O substrato sintético, preparado
de acordo com Del Nery22, era composto
basicamente de glicose como fonte principal de carbono, além de sais minerais e
nutrientes. Essa solução era então bombeada para os quatro reatores, de maneira
que todos fossem submetidos à mesma
velocidade de escoamento, aproximadamente 0,03 cm/s.
Os reatores foram mantidos em uma
câmara com temperatura controlada em
30oC, enquanto que a solução, com auxílio do banho de gelo, foi mantida numa
temperatura de aproximadamente 4oC,
criando assim condições ótimas e um ambiente propício para garantir que reações e
processos de formação de biofilme fossem
preferencialmente obtidos dentro dos reatores, e minimizados fora deles.
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Diariamente uma nova solução (substrato mais microrganismos) era preparada,
e colocada no sistema. O monitoramento
do sistema foi feito através de análises de
pH e DQO, e a evolução da adesão de
biomassa foi acompanhada indiretamente
através de ensaio de sólidos totais voláteis
(STV), retirando-se, a cada 7 dias, um reator de cada conjunto, totalizando 28 dias
de ensaio para cada material suporte.
Para a retirada da biomassa aderida
aos materiais suportes foi obedecida a
metodologia usual do Laboratório de Processos Biológicos da EESC – USP. Cada
reator retirado foi aberto, deixando-se
escorrer a fase líquida, já que o objetivo
era quantificar apenas a biomassa imobilizada.
Os materiais suportes foram colocados
em frascos de antibiótico de 50 ml, contendo água destilada e esferas de vidro até a
metade do volume. Esses frascos, fechados
com tampa de borracha, foram agitados
manualmente por cerca de 5 minutos, para
o desprendimento da biomassa. Em seguida, a parte líquida contendo a biomassa
desprendida foi colocada em cápsulas
de porcelana, e finalmente foi realizado o
ensaio de sólidos totais voláteis.
Todas as análises obedeceram as técnicas descritas no “Standard Methods for
Examination of Water and Wastewater”.23
Foi possível, assim, verificar a massa
de microrganismos presente em cada
reator. Com a finalidade de facilitar a comparação entre os diferentes materiais, os
resultados serão apresentados em massa
de microrganismos (mgSTV) por massa de
suporte (gSUP).
RESULTADOS
Quanto à hidrodinâmica, todos os
ensaios foram feitos em triplicata. Já que
uma boa reprodutibilidade foi obtida, e para
facilitar a comparação, a Figura 4 mostra a
curva característica conjunta, ou seja, os
resultados obtidos para os 3 ensaios de
cada material suporte. É possível observar
facilmente o comportamento diferenciado
do leito para cada material.
Figura 4. Curva característica para todos os materiais suportes e velocidades de mínima fluidização.
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O gráfico de ΔPFLUID em função da velocidade superficial mostra claramente, para
cada material suporte, as duas regiões
lineares que descrevem o comportamento
de leitos bifásicos, sendo que na intersecção dessas regiões é fornecido o valor da
velocidade mínima de fluidização (Umin).
Os valores encontrados para as velocidades de mínima fluidização do leito com
carvão ativado, alumina e basalto foram,
respectivamente, 1,65; 3,2; e 4,2 cm/s.
Os ensaios com alumina apresentaram
a maior reprodutibilidade, explicado pela
geometria esférica e bem definida da
partícula.
Para o carvão ativado, porém, notou-se
uma acentuação maior na diferença entre
o primeiro ensaio e os outros dois ensaios,
para valores posteriores à velocidade mínima e, portanto, não comprometendo a sua
estimativa. Isso se deve principalmente
pela irregularidade geométrica da partícula, e também pelo carvão, entre os três
materiais utilizados, ser o menos denso de
todos, fato que pode ser comprovado pela
sua menor velocidade mínima de fluidização, de aproximadamente 1,65 cm/s.
A Figura 5 mostra os resultados de porosidade do leito para os três materiais.
Os resultados mostram que o leito,
quando preenchido com carvão ativado,
alcançou rapidamente uma grande expansão, para velocidades mais baixas
que para os outros dois materiais. Essa
expansão foi limitada pela própria altura
do reator.
Os resultados da porosidade em função
da velocidade de escoamento se ajustaram
muito bem à clássica equação de Richardson e Zaki, como pode ser observado na
Figura 6.
Figura 6. Equação de Richardson e Zaki linearizada
para os 3 materiais suportes.
O gráfico mostra, para os 3 materiais
suportes, um alto coeficiente de correlação
para as equações linearizadas, mostrando
que o método foi eficiente na estimativa
dos parâmetros.
Os valores de n e U ∞ encontrados
para os três materiais suportes (Tabela 2)
estão compatíveis com os reportados na
literatura, e mesmo que essa comparação
tenha sido feita com partículas de características diferentes, manteve-se a ordem
de grandeza.17,24,25
Tabela 2. Parâmetros da equação de Richardson
e Zaki.
Figura 5. Porosidade do leito para todos os materiais
suportes.
∞
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A Figura 7 mostra os resultados obtidos
para os 3 suportes nos 28 dias de ensaio
de aderência.
Figura 7. Resultado do ensaio de aderência para
os 3 materiais.
Analisando a Figura 7 percebe-se que
a imobilização de biomassa no carvão
ativado foi bem superior aos outros dois
materiais, e o comportamento entre a alumina e o basalto foi bem próximo, com a
alumina levando pequena vantagem.
Analisando os parâmetros físicos obtidos com a caracterização dos materiais,
a alumina e o carvão, dos três materiais
suportes escolhidos, possuem porosidade
interna maiores que 20 %. Já no basalto,
esse valor é insignificante, não chegando
aos 3 %. Além disso, no que diz respeito
à área total de poros, o valor obtido para
o basalto, 1,74 m3/g, também ficou consideravelmente abaixo do encontrado para
a alumina (43,69 m3/g) e para o carvão
ativado (19,32 m3/g). Isso pode explicar
a baixa adesão de microrganismos nesse
material, onde os fenômenos de formação
de biofilme não tiveram área suficiente
para sua ocorrência, ficando então um
processo praticamente restrito à superfície
da partícula.
Era de se esperar que a alumina, em
virtude de seus elevados resultados de
porosidade e área total de poros, obtivesse
uma adesão de biomassa superior, ou pelo
menos próxima à do carvão. Os valores
experimentais, entretanto, mostraram o
contrário. Apesar das porosidades serem
similares, e da área total de poros da alumina ser aproximadamente duas vezes maior
que a do carvão, observou-se na Figura
7 que a sua adesão foi cerca de 4 vezes
menor em comparação a esse material.
Isso pode ser explicado pela analise dos
valores de diâmetro médio dos poros.
Embora as partículas de alumina do
lote utilizado na pesquisa possuam uma
área de poros muito maior que o carvão, o
diâmetro médio desses poros (0,02 μm) é
muito pequeno se comparado ao diâmetro
médio dos poros do carvão ativado (1,00
μm), dificultando que os processos de
transferência de massa, para a formação
do biofilme, sejam efetuados. A grande
diferença entre o tamanho dos poros aparenta ser um fator importante para explicar
a maior adesão de biomassa no carvão
ativado.
Além disso, outras características das
partículas também podem influenciar substancialmente o processo de imobilização
de biomassa e completar a análise dos
materiais suportes, tais como o potencial
hidrofóbico, hidrolítico, a capacidade de
adsorção, a permeabilidade, a geometria,
dentre outros. Porém, acredita-se que os
critérios de avaliação utilizados nesse trabalho foram relevantes e representativos,
permitindo uma análise correta.
CONCLUSÕES
As curvas características obtidas, para
todos os materiais suportes, são reprodutíveis e apresentam comportamento típico,
com clara visualização das duas regiões
lineares que fornecem a velocidade de
mínima fluidização (Umin).
Todos os ensaios apresentaram boa
correlação para a determinação dos parâmetros n e U∞ da equação de Richardson
& Zaki, e essa equação ajusta-se muito
bem para prever a porosidade (ε) uma
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vez especificada a velocidade superficial
do líquido (U).
No que diz respeito ao caráter dinâmico, o carvão ativado apresentou o melhor
desempenho entre os três materiais, uma
vez que apresentou os menores valores
para velocidade mínima de fluidização
e pressões. Isso significa, dentre outras
vantagens, economia de energia, menor
possibilidade de arraste de biomassa e
maior tempo de vida útil dos equipamentos, que ficarão submetidos a menores
pressões.
O sistema experimental utilizado nos
ensaios de aderência se mostrou eficiente
para a investigação proposta.
Nesses ensaios, bem como nos de
hidrodinâmica, o basalto apresentou resultados inferiores aos outros materiais, o que
não o credencia como um bom meio suporte para pesquisas em processos biológicos
de tratamento de águas residuárias.
O carvão ativado ainda é um dos melhores materiais para serem utilizados em
processos biológicos, principalmente em
reatores de leito fluidizado, porque consegue aliar tanto bons resultados físicos,
como biológicos. Sua capacidade de adesão de biomassa foi 4 vezes maior que a
da partícula de alumina.
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AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à Fapesp
pelo financiamento da pesquisa e pela bolsa de doutorado (processo 01/04283-0).
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