MÁRIO TAUZENE AFONSO MATANGUE
COMPORTAMENTO HIDRODINÂMICO E
CINÉTICO DOS REATORES ANAERÓBIOS
COMPARTIMENTADO (RAC) E MANTA DE
LODO (UASB) OPERADO EM SÉRIE
LAVRAS – MG
2011
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flotação reatores hidrodinâmica, Manuais, Projetos, Pesquisas de Cálculo
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Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
2019
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MÁRIO TAUZENE AFONSO MATANGUE
COMPORTAMENTO HIDRODINÂMICO E
CINÉTICO DOS REATORES ANAERÓBIOS
COMPARTIMENTADO (RAC) E MANTA DE
LODO (UASB) OPERADO EM SÉRIE
LAVRAS – MG
MÁRIO TAUZENE AFONSO MATANGUE
COMPORTAMENTO HIDRODINÂMICO E CINÉTICO DOS
REATORES ANAERÓBIOS COMPARTIMENTADO (RAC) E MANTA
DE LODO (UASB) OPERADO EM SÉRIE
Dissertação apresentada à Universidade Federal de Lavras, como parte das exigências do Programa de Pós- Graduação em Engenharia Agrícola, área de concentração Construções Rurais e Ambiência, para a obtenção do título de Mestre.
Orientador Ph.D. Cláudio Milton Montenegro Campos
LAVRAS - MG
MÁRIO TAUZENE AFONSO MATANGUE
COMPORTAMENTO HIDRODINÂMICO E CINÉTICO DOS
REATORES ANAERÓBIOS COMPARTIMENTADO (RAC) E MANTA
DE LODO (UASB) OPERADO EM SÉRIE
Dissertação apresentada à Universidade Federal de Lavras, como parte das exigências do Programa de Pós- Graduação em Engenharia Agrícola, área de concentração Construções Rurais e Ambiência, para a obtenção do título de Mestre. APROVADA em 11 de março de 2011.
DSc. Fatima Rezende Luiz Fia UFLA
DSc. Ronaldo Fia UFLA
DSc. Luiz Fernando de Oliveira Coutinho UFLA
Ph.D.Cláudio Milton Montenegro Campos Orientador LAVRAS - MG 2011
À Deus, A minha esposa Cláudia António Nhanala, a minha filha Noemi Cristina Tauzene Matangue, minha Mãe Cristina Inácio, ao meu pai Tauzene Afonso Matangue ( in memoriam )
DEDICO!
Cristinne pelo apoio e conselhos, ao Emmauel, Rangel, Regina, Débora e Isaque, pela ajuda nas analises laboratoriais. Aos meus amigos João da Silva e Zinho pelo companheirismo, distração e conselhos. Aos meus colegas moçambicanos, Marques Donças, Lourenço Chivete, Constantino Senete, Stelio Gadaga, Edmundo Caetano, Suluza Gafar pelos bons momentos de companhia. Ao Departamento de Engenharia da Universidade Federal de Lavras. Aos professores Neri, Francisco Gomes, Sebastião Lopes pela amizade e conselhos. A ex-secretaria do departamento de Engenharia Daniella e a atual secretaria Greice e a Irmã Nilza pelos conselhos e orações. Ao Dr. Pedro Hortêncio Comissal, Dr. Rafael Massinga, Sr. Cassimo Givá, Dr. Antonio Sefane, aos engos^ Jeremias Agapito, Álvaro Chemessanga, Cesar Zidora, Lateiro de Sousa e todos os funcionários e docentes do Instituto Superior Politécnico de Gaza. A NUFFIC (Netherlands Organization of International Cooperation and High Education) através do projeto NPT/MOZ 231 (Netherlands Programs of the Institutional Strengthening For Post Secondary Education Training Capacity) pela bolsa de estudo concedida. Ao Pastor Fernando Bambo e todo o rebanho de DEUS VIVO no tabernáculo do Maputo (Moçambique) pelas orações. Aos irmãos em CRISTO em Lavras (PRAEC) pelo amor, carinho, ensinamentos e partilha da palavra.
Filho meu, não te esqueça da minha Lei, e o teu coração guarde os meus mandamentos 2. Porque eles aumentarão osteus dias e te acrescentarão anos de vida e paz. 3. Não te desampare benignidade e a fidelidade; ata-as ao teu pescoço;escreva-as na tábua do teu coração. 4. E acharás graça e bom entendimento aos olhos de Deus e dos homens. 5. Confia no SENHOR de todo o teu coração e não te estribes no teupróprio entendimento. 6. Reconhece-O em todos os teus caminhos, e Ele endireitará as tuas veredas 7. Não sejassábio a teus próprios olhos, teme ao SENHOR e aparta-te do mal. (PROVÉRBIOS 3:1-7)
Onde estavas tu quando EU fundava a terra? Faze-mo sabe,se tens inteligência. 5. Quem lhe pôs as medidas, se tu o sabes?descobriram-se-te as portas da morte, ou viste as portas da Ou quem estendeu sobre ela o cordel? 17. Ou sobra da morte? 36. Quem pôs a sabedoria no intimo, ouquem à mente deu entendimento? 37. Quem numerará as nuvens pela sabedoria? Ou os odres dos céus quem osabaixará. 38. Quando se funde o pó numa massa, e se pegam os torrões uns aos outros. (JÓ 38:4; 5; 17; 36; 37; 38).
Se te elevares como águia e puseres o teu ninho entre asestrelas, dali te derrubarei diz o SENHOR (OBADIAS 1:4).
As palavras dos sábios são como aguilhões e como pregosbem fixados pelos mestres das congregações, que nos foram dadas pelo único PASTOR. 12 E, demais disso, filho meu,atenta: Não há limites para fazer livros, e o muito estudar enfado é da carne. 13. De tudo o que se tem ouvido, o fim é:Teme a DEUS e guarda os seus mandamentos; porque este é o dever de todo homem (ECLESIASTES 12:11-13).
Rogo-vos, pois, irmãos, pela compaixão de DEUS, queapresenteis o vosso corpo em sacrifício vivo, santo e agradável a DEUS, que é o vosso culto racional. 2. E nãovos conformeis com este mundo, mas transformai-vos pela renovação do vosso entendimento, para que experimenteis qual seja a boa, agradável e perfeita vontade de DEUS(ROMANOS 12. 1-2)
RESUMO
Objetivou-se, com a presente pesquisa, determinar o comportamento hidrodinâmico e cinético de um sistema de tratamento de águas residuárias de suinocultura em escala piloto, instalado no Departamento de Zootecnia da Universidade Federal de Lavras. O sistema foi composto por diversas unidades dispostas em série, como caixa de retenção de sólidos (CRS), peneira estática (PE), leito de drenagem, tanque de acidificação e equalização (TAE), reator anaeróbio compartimentado (RAC), reator anaeróbio de fluxo ascendente e manta de lodo (UASB), decantador final (DF), lâmpadas ultravioletas (UV), casa de vegetação (CV) e lagoas de infiltração (LI). No presente trabalho, enfatizaram-se as unidades de tratamento secundário (RAC e UASB), das quais foram determinados os parâmetros hidrodinâmicos, cinéticos. Para determinação dos parâmetros hidrodinâmicos foram usados cloreto de potássio (KCl) no meio abiótico e cloreto de lítio( LiCl) no meio biótico e os parâmetros cinéticos foram determinados usando os valores de demanda química de oxigênio total ( DQO total), obtidos durante o monitoramento do sistema. A pesquisa foi realizada entre os meses de maio de 2010 a janeiro de 2011, totalizando 203 dias. As análises físico-químicas realizadas foram temperatura, pH, alcalinidade, acidez total, sólidos totais, fixos e voláteis, sólidos suspensos, dissolvidos e sedimentáveis, DQO (total e filtrada), DBO (total e filtrada), fósforo total, NTK, condutividade elétrica, óleos e graxas. A temperatura média do efluente do sistema foi de 22,4 ºC ± 1,5 ºC e os tempos médios de detenção hidráulica (TDH) dos reatores anaeróbios foram de 13,18; 16; 13,35; 10 e 8 horas para o RAC e 8,22; 10; 8; 6 e 4h para o reator UASB, respectivamente. Os parâmetros hidrodinâmicos do reator RAC, usando KCl e LiCl foram: tempo médio de residência =40,05 e 33,19 h; número de dispersão(d) d=0,12 e 0, respectivamente, sendo considerado o padrão de mistura fluxo em pistão para ambos os traçadores. No reator UASB, usando os traçadores KCl e LiCl obteve- se: =33, 16 e 24,24 h; d=0,85 e 0,89, respectivamente, sendo o padrão de mistura do tipo completamente misturado. Os parâmetros cinéticos estimados no reator RAC, foram: coeficiente de crescimento (Y) = 0, 098 mg DQO mgSVT - dia-1^ , coeficiente de decaimento (Kd ) = 0,01dia-1^ , taxa máxima de crescimento (1.μ máx )= 0,32 d -1^ e concentração de substrato limitante (Ks) =26861,6 mgDQO L-
. Os valores de Y e K (^) d , μmáx e K (^) s foram analisados usando o teste estatístico de “F” e “t. Os parâmetros cinéticos estimados no reator UASB foram: coeficiente de crescimento Y = 0,091mgDQO mgSVT -1^ dia-1^ , coeficiente de decaimento (Kd) = 0,03dia-1^ , taxa máxima de crescimento μmáx = 0,052 d -1^ e concentração de substrato limitante K (^) s =282.6 mgDQO L-1. Palavras-chave: Águas residuárias de suínos. Cinética. Hidrodinâmica. Reatores.
ABSTRACT
The aim of this research was to determine the hidrodymanic and kinetics behavior of a pilot system plant, treating swine liquid effluent, installed in the Zootechnical Department of the Federal University of Lavras. The pilot system was composed by several units working in series, such as sand retention box (SRB), static sieve (SS), acidification and equalization tank (AET), anaerobic baffled reactor (ABR), upflow anaerobic sludge blanket reactor (UASB), final sedimentation tank (FST), ultraviolet lights (UVL), greenhouse ( GH) and infiltration ponds ( IP). The present research was focused mainly on secondary treatment units namely ABR e UASB, hence the hidrodymanics and kinetics parameters were estimated as well, the monitoring and sludge analysis microbiological were carried out.The hidrodymanics parameters were estimated, by using potassium chloride ( KCl) in abiotic medium (water) and lithium chloride in biotic medium ( swine sludge). The kinetics parameters were estimated from total Chemical oxygen demand values, obtained during the system monitoring. The research was initiated on May 2010 and ended up on January 2011, summing up a period of 203days. The physical-chemical analyses carried through had been temperature, pH, alkalinity, total acidity, total, fixed and volatile solids, suspended, dissolved and settled solids, COD (total and filtered), BOD5 (total and filtered), total phosphorus, TNK, electric conductivity and oil & grease. The average temperature of the liquid effluent was about and the average hydraulic retention times 22,4 ºC ± 1,5 ºC and the applied hydraulics retention time in ABR were e 13,18; 16; 13,35; 10 e 8 hours and as concerned to UASB were 8,22h; 10h; 8h; 6 e 4h respectively. The determined hydrodynamics parameters ABR for KCl e LiCL were: average residence time (t ) 40,05 e 33,19; number of dispersion (d)= 0,12 e 0,092 and the flow type was characterized as tending to plug flow pattern from both tracers. As for UASB, average residence time (t ) were 33, 16 e 24,24 horas; d=0,85 e 0,89 and the flow type was characterized as tending complete mixture. The kinetic coefficients were: growth coefficient of ABR were y=0.098mgTVS (mgCOD (^) removed )-1, decay coefficient K (^) d =0.02d -1^ ; concentration of limiting substrate K (^) s=26861,6 mg L - and maximum growth rate μmax = 0.32d -1^. The kinetic coefficients were: growth coefficient Y=0.091 mgTVS (mgCOD (^) removed ) -1^ , decay coefficient K (^) d =0.03d -1^ ; concentration of limiting substrate Ks=282.6 mg L -1^ and maximum growth rate μmax = 0.52d -^.
Keywords: Swine wastewater. Kinetic. Hydrodynamic. Reactors.
Figura 15 Representação gráfica das diferentes taxas de crescimento microbiano e seus respectivos valores de Ks para bactérias sulfo-redutoras e metanogênicas ................................................. 146 Figura 16 Esquema representativo de fluxo de massa em reator anaeróbio 153 Figura 17 Vista parcial do setor de suinocultura do Departamento de Zootecnia (DZO) da Universidade Federal de Lavras ................ 156 Figura 18 Desenho esquemático mostrando as várias unidades e o fluxograma de funcionamento..................................................... 159 Figura 19 (a) Caixa de areia (desarenador) como vertedor triangular tipo Thompson; (b) Caixa de passagem para decantação dos sólidos com tubulação de captação superficial........................................ 160 Figura 20 Peneira estática (PE).................................................................... 143 Figura 21 Leito de drenagem (LD) ................................................................. 162 Figura 22 Vista parcial do TAE...................................................................... 144 Figura 23 Bomba Anauger.............................................................................. 163 Figura 24 Bomba Memo, marca Netzsch .................................................... 144 Figura 25 Inversor de Frequência ................................................................... 163 Figura 26 Planta do RAC............................................................................... 165 Figura 27 Corte longitudinal do RAC............................................................. 166 Figura 28 Vista lateral do reator (RAC) ......................................................... 167 Figura 29 Vista dos amostradores do primeiro compartimento (RAC) .......... 167 Figura 30 Corte transversal do reator UASB............................................... 169 Figura 31 Corte longitudinal UASB .............................................................. 170
Figura 35 Gasômetros sendo 1º, 2º, e 3o^ para os compartimentos do RAC e
Figura 66 Sobreposição das curvas gerados no meio abiótico e biótico no
- Figura 32 Vista dos amostradores para a coleta do lodo no UASB................
- Figura 33 Vista geral do reator UASB............................................................
- Figura 34 Equalizador de pressão do biogás proveniente do reator UASB.....
- o 4o para UASB
- Figura 36 Queimador de biogás.......................................................................
- Figura 37 Biogás sendo queimado...................................................................
- Figura 38 Fotômetro de Chama
- Figura 39 Tela do fotômetro de chama em pleno funcionamento
- câmara do RAC Figura 40 Calha de distribuição instalada na parte superior da primeira
- Figura 41 Introdução do traçador no primeiro compartimento do RAC..........
- Figura 42 Coleta das amostras na saída do RAC.............................................
- Figura 43 Coleta das amostras na saída do UASB
- Figura 44 Preparo das amostras para o transporte na caixa de isopor
- fotômetro de chama..................................................................... Figura 45 Organização das amostras para a realização das leituras no
- Figura 46 Transferência da solução do LiCl dos balões para um becker
- Figura 47 Coleta das amostras na saída do RAC.........................................
- Figura 48 Coleta das amostras na saída do RAC............................................
- Figura 49 Coleta das amostras na saída UASB
- Figura 50 A tela do fotômetro de chama em pleno funcionamento............
- reator UASB................................................................................
- Figura 67 Simulação da remoção da DQO total no reator RAC
- Figura 68 Simulação da remoção da DQO Filtrada no reator RAC
- Figura 69 Simulação da remoção da DBO Total no reator RAC
- Figura 70 Simulação da remoção da DBO filtrada no reator RAC
- Figura 71 Simulação da remoção o do NTK no reator RAC
- Figura 72 Simulação da remoção da fósforo no reator RAC.........................
- Figura 73 Simulação da remoção da DQO total no reator UASB......................
- Figura 74 Simulação da remoção da DQO Filtrada no reator UASB..............
- Figura 75 Simulação da remoção da DBO Total no reator UASB
- Figura 76 Simulação da remoção da DBO Filtrada no reator UASB
- Figura 77 Simulação da remoção do NTK no reator UASB............................
- Figura 78 Simulção da remoção do fósforo no reator UASB
- retenção de sólidos Figura 79 Variação da vazão na calha de Thompson instalada na caixa de
- tratamento de efluente de suínos Figura 80 Variação da temperatura ambiente medida na estação piloto de
- efluente do UASB Figura 81 Variação da temperatura afluente do RAC, efluente do RAC e
- monitoramento Figura 82 Produção de biogás no reator UASB durante o período de
Figura 83 Produção teórica de metano e biogás em função da COV no RAC............................................................................................. 262 Figura 84 Produção teórica de metano e biogás em função da COB no RAC............................................................................................. 263 Figura 85 Produção teórica de metano e biogás em função da COV no reator UASB................................................................................ 264 Figura 86 Produção teórica de metano e biogás em função da COV no reator UASB................................................................................ 265 Figura 87 Concentração de sólidos sedimentáveis em mg L-1^ nos afluentes e efluentes do RAC e do UASB................................... 266 Figura 88 Gráficos “ box-plot ” onde está apresentada a da alcalinidade parcial variação do afluente (A.RAC) e efluente RAC (E.RAC) e efluente do UASB (E.UASB)................................... 269 Figura 89 Variação da alcalinidade intermediaria e parcial no afluente RAC............................................................................................. 270 Figura 90 Variação da alcalinidade intermediaria e parcial no efluente RAC............................................................................................. 270 Figura 91 Variação da alcalinidade intermediaria e parcial no efluente UASB .......................................................................................... 271 Figura 92 Variacão nas concentrações da DQO total no afluente e efluente do reator RAC ............................................................... 273 Figura 93 Variação da eficiência de remoção da DQO no reator RAC....... 275 Figura 94 Variação da carga orgânica volumétrica (COV) aplicada ao RAC............................................................................................. 276
Figura 110 Perfil médio concentração de SVT ao longo da altura dos reatores (TDH 16 h RAC e 10 h no UASB)................................ 294 Figura 111 Perfil médio concentração de SVT ao longo da altura dos reatores (TDH de 13,35 h RAC e 8 h no UASB) ........................ 295 Figura 112 Perfil médio concentração de SVT ao longo da altura dos reatores (TDH de 10 h RAC e 6 h no UASB) ............................. 296 Figura 113 Perfil médio concentração de SVT ao longo da altura dos reatores (TDH de 8 h RAC e 4 h no UASB) ............................... 297 Figura 114 Correlação entre a concentração de SVT no lodo e a COV aplicada no UASB....................................................................... 299 Figura 115 Variação da massa de SVT do reator UASB para diferentes TDH............................................................................................. 300 Figura 116 Variação da concentração de NTK afluente e efluente do RAC e UASB ....................................................................................... 301 Figura 117 Concentração de NTK no afluente e efluente do RAC e UASB .......................................................................................... 302 Figura 118 Regressão linear para determinação dos coeficientes Y e Kd do reator RAC .................................................................................. 303 Figura 119 Regressão linear para determinação dos coeficientes μmax e Ks do RAC........................................................................................ 305 Figura 120 Regressão linear para determinação dos coeficientes Y e Kd do reator UASB................................................................................ 317 Figura 121 Regressão linear para determinação dos coeficientes μmax e K (^) s do reator UASB........................................................................... 318
Figura 122 Visualização do lodo do primeiro compartimento do RAC durante a partida, 16h e 13,35h ................................................... 327 Figura 123 Visualização das bactérias filamentosas e cocos no lodo do primeiro compartimento do RAC a TDH 10 e 8 horas ............... 328 Figura 124 Visualização das bactérias cocos no lodo do primeiro compartimento do RAC a TDH 10 e 8 h.................................... 329 Figura 125 Visualização das bactérias cocos no lodo do segundo compartimento do RAC a TDH 10 e 8h...................................... 331 Figura 126 Visualização das bactérias cocos no lodo do segundo compartimento do RAC a TDH 10 e 8h...................................... 332 Figura 127 Visualização das bactérias cocos no lodo terceiro compartimento do RAC e TDH (s)Durante a partida, e TDH (s) 16 e 13,35 8h ............................................................................... 334 Figura 128 Visualização das bactérias cocos no lodo terceiro compartimento do RAC e TDH (s)10 e 8h.................................. 335 Figura 129 Visualização das bactérias cocos no lodo terceiro compartimento do RAC e TDH (s)10 e 8h.................................. 336 Figura 130 Visualização das bactérias cocos no lodo UASB durante a partida para TDH de 8,22h.......................................................... 338 Figura 131 Visualização do Grânulo, composto por cocos no lodo do UASB para TDH 6 e 4h .............................................................. 338 Figura 132 Visualização do grânulo, composto por cocos no lodo do UASB, para TDH de 6 e 4h......................................................... 339