RESUMO

UM MODELO DE TRANSFERENCIA DE MASSA·REAC~AO APLICADO A DEGRADA~AO DE ACETA TO NUM REACTOR UASB

A.G. BRIT01 , L.F. MEL01

A presente comunicavao apresenta a aplicavao de urn modele cinetico de transferencia de massa-reacyao a degradayao de acetate por urn reactor UASB laboratorial. 0 modele incorpora a transferencia de massa extema, integra urn factor de eficiencia para o transporte nos granules e tern por base uma reaccao de primeira ordem e urn regime de escoamento do tipo fluxo pistao. A adopyao deste modele de escoamento foi suportada pela determinacao da distribuivao de tempos de residencia de urn travador e pela analise da velocidade de reac<{ao aparente no reactor. Em resultado da aplicayao do modele obtiveram-se a constante de reacyao eo coeficiente de difusao elective, tendo-se conclufdo que a transferencia de massa extema e intema limitaram a velocidade de degradayao do acido acetico no UASB.

PALAVRAS CHAVE: Reactor UASB, transterencia de massa, difusao-reaccao, biofilme.

1. INTRODU~AO E OBJECTIVOS

0 tratamento de efluentes por via anaerobia tern demonstrado potencialidades de aplica<{aO a urn conjunto diverse de efluentes industrials e, em certas condi<(6es, municipals. Os reactores do tipo UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) constituem uma das tecnologias disponfveis sendo, presentemente, o sistema mais utilizado no tratamento anaerobic de efluentes industrials, lettinga e Pol, 1991 . Em Portugal, as primeiras unidades ainda estao em lase de construyao ou arranque, na industria de lacticinios e cervejeira.

A partir de uma ordem de reacc;:ao e de urn padrao de escoamento concordantes com os resultados experimentais, a constante de reaccao aparente pode ser desagregada nos termos correspondentes a transferencia de massa extema e interna, recorrendo-se, case necessaria, a urn conjunto de correlacoes empiricas e modelos indicados na literatura, Westerterp et at, 1984. Tais metodologias tern limitac;:oes mas, em contrapartida, este tipo de abordagem estruturada pede permitir uma melhor compreensao das interaccoes no sistema, em particular nos reactores anaerobios, Karlsson e Nilsson, 1988.

Nesta perspectiva, o objective do presente estudo foi o de procurar relacionar a cinetica aparente de degradac;:ao do acido acetico com alguns parametres caracterlsticos da transferencia de massa e das condic;:oes hidrodinamicas prevalecentes num reactor UASB laboratorial.

'Universidade do Minho. Departamento de Engen haria Biol6gica. 4719 BRAGA Codex

N85

2. FUNDAMENTOS TE6RICOS

BASES DO MODELO CINETICO

0 modelo adoptado no presente estudo e urn modelo simples do lipo transferencia de massa­reac~ao e tern por base os seguintes pressupostos gerais:

i) Substrate lim1tante constitufdo pelo acido aoetico, registando-se uma cmetica de degrada~ao de primeira ordem. sem inibi~ao da biomassa metanogenica;

ii) Fase s611da no reactor UASB constituida por urn biofilme, estruturado em granules considerados de forma esterica:

iii) Transferencia de massa nos granules efectuada por difusao molecular, sendo o coeficiente medic de difusao elective considerado constante.

TRANSFER~NCIA DE MASSA EXTERNA

A transfer€mcla de massa entre a lase lfquida, em globe, e a lase s61ida constitufda pela superffcie do biofilme, pode ser calculada atraves de urn coeficiente de transfer~ncia que, caso necessaria, e associado a uma area efectiva. 0 Quadro I caracteriza, genericamente, as correla~oes de transferencia de massa altemativas utilizadas no presente trabalho, propostas por Van Krevelen e Krekels, 1948, e Fukuma eta/, 1988. A correla~lio indicada por Van Krevelen e Krekels, 1948, ja adoptada na modela~ao de processes anaer6bios por Karlsson e Nilsson. 1988, adequa-se ao baixo numero de Reynolds e a incipiente expansao do leito de granulos no UASB. 0 comprimento caracteristico em que se baseia, a area especifica de transferencia de massa, coincide com o facto do volume ocupado pelo biofilme nao ser igual ao volume util do reactor. Esta base afigura-se mais adequada do que a simples incorpora~ao da velocidade intersticial do liquido, como efectuado, por exemplo, na correla~ao de Wilson e Geankopolis, 1966. A correla~o de Van Krevelen e Krekels, 1948, nao considers, no entanto. a existencia da lase gasosa presente nos sistemas anaer6bios. Esta lacuna nao existe, aparentemente, na proposta de Fukuma et al, 1988, que, por esse facto, e recomendada por Pavlosthatis e Giraldo Gomez, 1991.

a UADRO I. Correlac6es utillzadas pera o catculo do coef~eiente de transter6r~eia de massa extemo. Aut or .. Eq~io Siatema ••tudado Re, Sh Comprlmonto

c•l'8c. Van Krevelen tl Sh • 0 •SR80 50Sc:O • letto fixo, Ruxo dl!seendente, 0.5<Re<10 a(m2,rea/ Krekets, 1948 particulas • clindros Dp.2.9- Sh>-6 m3reector)

1•.Smm a=207·1050m·1 Fukuma er a/, 1982 Sh•2+051~~~-m lettofilool!llo.ridiuclo (llp=3.1·H trans~o · Op

Re • IE 1/3 /v,l' rMll turbulento Not•._ E• t.P/0 v r • v •L\Pa 15 • 121 o.i!J •

A eficilmcia de contacto, ec entre a biomassa e o substrata no UASB pode ser traduzida pela rela~ao entre as 1areas exteriores geometrica, ag, e efectiva, aa. de biofilme. No caso presente, considera-se que esta funcao represents a existencia de zonas semi-estagnadas. no lelto de biofilme, que niio contribuem para a degradacao do substrate. A eficiencia de contacto foi calculada com base na correlacao proposta por Puranik e Vogelpohl, 1974. Esta correla~ao tol adoptada no presente trabalho por se tratar de uma sfntese das propostas por diversos autores, tendo sido iguatmente referenciada no trabalho anterior de Karlsson e Nilsson, 1988. 0 Quadro II apresenta uma caracterizacao sumaria da mesma.

QUADRO II. Correlac o oara o cAiculo da etici~r~eia de contacto. Au tore• Eauaclo Slotomo ootudado

Puranok e Vogelpohl. 197• ~c· 1 0-15Re00<11w.,0.133(oloc1.0.182 leitos percolaclores, vaponz~o e 1~0 com e s..m rn~ QUimoca. g4s e liquodo 1m contraoonon1e

TRANSFERI:NCIA DE MASSA INTERNA

0 transporte de substrate no interior do granulo e representado por urn coeficiente d: dilusao elective. Devido a relativa dispersAo dos valores indtcados por diversos autores, (Wtlhamson e McCarty, 1976, Ozturk et al, 1989, N1lsson e Karlsson, 1991 ). decidiu-se que o. c?eficiente de difusao efectivo constituiria um grau de liberdade do modelo aplicado. A posstbthdade de ocorrencia de limita¢es difusionais nos granules e tratada no modelo atraves da introdu~ao de um factor de eticil!ncia, definido com base numa cinetica de primeira ordem e numa geometria esferica (Westerterp et al. 1984).

DESENVOLVIMENTO DO MODELO CINETICO

0 balance massico ao reactor. em estado estacionario, e o seguinte:

O=_g_(Si-So) - "' (eq. 1) Vr

considerando a velocidade de reac~ao no biofilme, rv, ordem 1:

"'= n(l- £>( ~~ )ssK (eq. 2)

sendo o factor de eficiencia, 11 , para particulas esfericas e reac~ao de primeira ordem:

3( I •) (eq.3) n=~ tanh~ -~

e o modulo de Thiele, ~ , nestas condi~oes:

'= r~ (eq. 4)

A velocidade de transporte de substrate para o biofilme e dada por: "'= kca3(Sb- s,) (eq. 5),

sendo ag a area geometries exterior, especilfca, dos granules no reactor dada por:

or = 6(1- t) (~) (eq. 6) Dp Vr

em estado estacionario, a velocidade de reac,.ao no biofilme e igual a velocidade de transporte de substrate para o biofilme:

"'= [6krecar + nl(l -E)~ 1.-,.K (eq. 7) OpK Vrf

i) no caso de um reactor com escoamento p1stao. cinetica de ordem 1:

Sbm = SrSiJ (eq. 8) In S~o

ii) no caso de um reactor perfeitamente agitado: Si>m = Sn (eq. 9)

Os resultados derivados da aplicacao do modele sao obtidos atraves da utilizacao do programa de calculo Enzlitter"', editado pela Elsevier-Biosoft. 0 seu metoda de ajuste e uma regressao nao linear de mfnimos quadrados. A solucao 6ptima consiste no valor que minimiza a soma dos desvios quadrados do erro.

REGIME DE ESCOAMENTO

0 padrlio de escoamento do fluido no reactor foi avaliad~ pela determi~a5ao da distrib~i~ao dos tempos de residencia de urn tra~ador no UASB, sob dtferentes cond~coes de opera~ao. 0 grau de ajuste da velocidade de reac~ao observavel versus concentraryao de substrate,_ p~ra as condi~oes·fronteira de reactor ideal perfeitamente agitado e reactor de flu><o t1po p1stao, fomeceu informa~oes complementares sobre este aspecto.

3. MATERIAlS E METODOS

INSTALA~AO EXPERIMENTAL 0 reactor UASB ulihzado lo1 construido em acrilico, com urn volume util de 480 ml, urn diametro intemo de 41 .8 mm e uma altura de 353 mm. 0 reactor e envolvido por uma camisa de aquecimento. 0 volume de gas produzido foi medido por urn sistema totalizador por via humida, Moletta e Albagnac, 1982.

BIOMASSA 0 in6culo de b1omassa utilizado loi constituido por uma cultura anaer6bia, estruturada em granules, cedida pelos Profs. G. Lettinga e H. Pol da Universidade de Wageningen. Palses Baixos. 0 volume elective do UASB preenchido com a biomassa foi de 290 mi. A porosidade media do leito foi previamente med1da, atraves da dileren~a de volumes com e sem grAnules, tendo-se obtido o valor de 0.44. Os granules, conforme observa~o electuada por microscopia electr6nica de varrimento, aliguraram-se predominantemente constituldos por metanoglmicas Methanothrix soehngenii. A concentra~ao de s61idos suspensos totals e suspensos voh~teis do leito de granules do in6culo foi de, respectivamente, 85 e 74 kg"m-3, resullando numa concentra~ao de s61idos volateis no reactor de 45 kg·m-3. As caracteristlcas geometricas de algumas amostras aleat6rias de granules loram avaliadas atraves do sistema de analise de imagem Leica Quantimet 500. 0 diametro equivalente variou entre 1.63 - 2.67 mm, e o coeficiente de forma (razao entre o quadrado do perimetro e a area) variou, essencialmente, entre 1.04 - 1.05. 0 pressuposto do modelo referente a eslericidade da biomassa, bern como a aplica~ao do mesmo a granules com um diametro predominante de cerca de 2 mm, foram del inidos com base nestas observa~oes.

SUBSTRATO 0 sistema foi ahmentado com uma mistura de acidos gordos volateis, na proporcao de 75% de acido acetico e 25% de acido propi6nico. A solu~o de macronutrientes (2ml adicionados por litro de substrate) possuiu a seguinte composi~ao: 174 g•t-1de NH4CI, 28.3 g·1-1 de KH2P04, 28.3 g•l-1 de (NH4)2S04, 25 g· l-1 de MgCI2. 45 g•l-1 de KCI, 3 g•t-1de extracto de levedura. A solucao de micronutrientes (adi~o de 0.03ml por litro de substrate) loi a seguinte: 2 g•l-1 de FeCI2.6H20. 0.05 g·l-1 de H3B03, 0.05 g·l-1 de ZnCI2, 0.038 g•l-1 de CuCI2.2H20, 0.5 g"l-1 de MnCI2AH20. 0.05 g"l-1 de (NH4)6Mo702.4H20, 0.09 g· l-1 de AICI3, 2 g•t-1 de CoCI2.6H20. 0.092 g·l-1 de NiCI2.6H20. 0.164 g"l-1 de Na2Se03.5H20, 1 g•t-1 de EDTA, 0.2 g•t-1 de resazurina e 1 mt•t-1 de HCL 37%. A alimentacao loi previamente neutralizada a pH=7 com NaOH.

METODOS ANALfTICOS i) Acldos volatels As analises de acido acetico e propi6nico loram efectuadas em HPLC, bomba Jasco 880-PU e detector Jasco 870-Vis, equipado com uma coluna de separa~o de acidos orgAnicos Chrompack submelida a uma temperatura de 40gC. 0 caudal de eluente, constituido por uma solu~ao 0.01 N de H2S04, foi de 0.7 ml/mln. As amostras de efluente foram previamente liltradas por membranas Millipore. GS. com um tamanho de poros 0.2.21--Lm. II) Microscopia electronics de varrimento A amostra de biomassa foi previamente fixada, durante 24 h, utllizando uma solucao de glutaraldefdo (3%v/v), com 0.1M de tampao pH=7.2 de cacodilato de s6dio e, posteriormente, desidratada por lavagens em solucoes com concentracao de etanol sucessivamente mais elevada. Ap6s secagem ao ar, a amoslra foi revestida com ouro e examinada num microsc6pio electr6nico de varrimento Leica Cambridge S360. iii) Litio A determinacao de Iiiio, sob a forma de Li+, loi efectuada por urn fot6metro de chama Jenway PFP 7.

iv) S61idos 89 A analise de s6lidos foi realizada segundo o Standard Methods. 19 ·

PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

I) Condi~oes_ de ope~aciio do r~:~;;ratura de 302C e sujeito, progressivamente, _a uma 0 UASB fol opera o a u~ . antendo-se o tempo de residimcia nommal em concentracao crescenta ~e ac•dos volatelds. m I 'dade superfiCial de liquido (reactor 1 7 hora. Ao caudal aphcado correspon e uma ve oc1 v~io) de o 21 mh-1 e urn fluxo massico de 0.059 kgm2s-1. . • .

· • - dl t lb 1 - de tempos de res1denc1a '1l) Ensalos para determ~na~ao da 5 r u cao d "d' c·a DTR foram . - d d" I 'b . ao de tempos e resl en I • • Os ensaios para a deter~l~aca~ . a - IS n u~ ulso de 2 5 ml de uma sotucao padrao de efectuados com cloreto de htlo. A ~~l~va~. em ~~~P foi ~fectu~da na tubagem de alimentacao cloreto de IIIIo, com um teor em lfho e d m3m ~ctor A medicao do teor de litio no efluente (diametro interne 1 mm), a 5 em da en:ra ado ~~ ml Esta metodologia prefigura urn sistema foi reallzada em amostras com urn vo ume e I I .1984) 0 Quadro Ill indica as condicoes com condicoes-fronteira fechadas (W~ste~erp e a. . · de operacao do sistema durante a reahzacao dos DTR s.

OTR QUADRO Ill - Caracterlzac~o do UASB durante os ensaios oars dete:',inaca:d~oe de gas

• caudal m'dlo de gAs Fluxo volum t.r co m Ensalos Av~ n3a: • 3rAAclor'hora·1 m3a<\s·m·2rP.actor"hora·1 Re nolds m <\s m·

0 04 1 2.98 0.12 .

0.07 2.98 0.20 2 1<\metro do reactor.

Nots: o comprimento caracteristlco.do numero de Reynolds lnd1C3do ~ o d

d s roximo das duas cargas tlmites aplicadas Os ensaios com o tracador foram efectua o P a forma que as restantes cargas

- do UASB Procurou-se. por ess · durante a operacao · 1 - de OTR's intermedias entre as obtidas. organicas aplicadas correspondessem uncoes

4. RESULTADOS E OISCUSSAO

PADRAO DE ESCOAMENTO

- normalizadas da distribuicao de tempos de residencia do A Figura 1 apresenta as ~~~oesd - do reactor UASB indicadas no Quadro Ill. litio, E(9), obtidas nas cond1voes e operaC(aO

• ::!: 0.75

•• •

:2 • •

1

::I: 0.75

.. ! 0.5 I o.5

w

. • E nsdo 2 ...... •

0.25 • 0

0

Ensoto 1

• • 2 3 5 6

1/ tm (-)

0.25

0 0

•

FIGURA 1. Func~o E(9) versus Vt para os ensalos com Iiiio (Ensaios 1 e 2)

• • • --- . 2 3

tAm (-)

4 5 6

0 Quadro IV apresenta alguns resultados extraldos das func;oes de DTR apresentadas na Figura 1, bern como o numero equivalente de reactores perfeilamente agitados, em serie, e o numero de Peele! para as condic;oes testadas. Estes ultimos parametres foram calculados adoptando o modelo de reactores perfeitamente agitados em serie e o modelo reactor pistao com dispersao. A presenc;a da cauda detectada na func;ao de DTR pode ser teoricamente atribu!da a existencia de zonas estagnadas, nas quais a renovac;ao de material pela parte activa do fluido e lenta, Westerterp et af, 1984. 0 facto do tempo de residencia media, tm, ter sido ligeiramente superior ao nominal, 1:, implica, no entanto, algumas cautelas nas ilacc;oes a extrair desta ocorrencia, na medida em que tambem se pode ter verificado alguma adsorc;ao temporchia do lltio no biofilme.

QUADRO IV. Resultados dos ensaios de distribuic;iio de tempos de residfincia no UASB em func;ao d d · d a os cau a1s e a; s.

Ensalos Varllncla Desvlo padrlio Asslmetrla n•RPA Pe(r) (hora2) (hora) (hora3)

1 1.13 1.06 13.3 3.8 7 2 1.57 1.25 82.6 2 .7 4

E. dado verificar que ocorre urn crescimento da variancia e do desvio padrao da func;ao DTR, que se lorna menos simetrica do ensaio 1 (menor caudal de gas) para o ensaio 2 (maior caudal de gas). Estes indicadores, juntamente com o aumento do numero de Peele! e a diminuic;ao do numero equivalente de RPA's em serie, revelam que o aumento do fluxo de gas provoca alguma dispersao no escoamento. A influencia do gas na func;ao DTR foi igualmente constatada em testes realizados num outro UASB de id!intica geometria, com esferas de vidro sinterizado, PoraverrM, simulando granules. Nos ensaios efectuados em condic;6es de total ausencia de gas, o padrao de escoamento foi claramente do tipo pistao. A injec;ao, no reactor, de caudais de ar semelhantes aos registados no UASB, provocou, igualmente, uma aumento do grau de mistura.

Westerterp et af, 1984, afirmam que urn modelo constituldo por cinco RPA em serie podem representar, na pratica, urn reactor pistao. Assim sendo, os dados obtidos indiciam que, nas condic;oes testadas, o padrao de escoamento real nao correspondeu a urn modelo perfeitamente agitado, tendendo a aproximar-se do modele ideal fluxo pistao. Esta aproximac;ao e suportada pelo facto deste tipo de escoamento permitir obter urn coeficiente de correlac;ao entre a velocidade de reacyao observavel e a concentrayao de substrate, (t=0.95), sensivelmente superior ao obtido considerando o reactor UASB como perfeitamente agitado, (t=0.79). Esta aproximayao a urn escoamento pistao tambem confirma a validade do pressuposto da cim.Hica de degradac;ao dos acidos volateis ser, nas condic;oes testadas, de primeira ordem.

0 modele de escoamento do UASB a escata real tern sido descrito como proximo de perfeitamente agitado ou como o resultado de uma combinac;ao de perfeitamente agitado e escoamento pislao, correspondendo esta diferenciac;ao ao leito de granules e a zona de decantac;ao, Heertjes et af, 1982. 0 reactor laboratorial apresenta, contudo, algumas caracterfsticas que podem contribuir para a ocorr!incia preferencial de urn fluxo pistao, nomeadamente a relac;ao H/D (8.1 no UASB laboratorial e 1.14 no referido por Heertjes et af, 1982) e a velocidade superficial (0.21 mh-1 no UASB laboratorial e 0.80 mh-1 no UASB a escala real).

Estas diferenc;as sugerem algumas precauc;oes na generalizac;ao de cineticas aparentes deduzidas em reactores laboratoriais para casos reais onde. eventualmente, o regime de escoamento podera nao ser o mesmo.

TRANSFER~NCIA DE MASSA EXTERNA

0 Quadro v apresenta os valores do numero de Sherwood e do coeficiente de translerencia de massa para o caso do acido acetico no reactor.

QUADRO v Numero de Sherwood e coelicientes de transferencia de massa extema no UASB.

Fukuma el a/ 1982 6 24E 04 kg s·1 ·m·l e P (ague) - 995.7 kg"m·3, T =30"C. Coeficiente de dlfusao do Acldo :::::na(a~eu:~u~a: ; ,21~.09 m2.s-1, Reid et al (19n). valor corrigldo para a temperatura de 30"C com base na equa9Bo de Wilke-Chang. OIAmetro m~lo dos grlinulos: 2 mm.

Os resultados obtidos por aplicac;ao de ambas as correlac;oes ~ao semelhantes. mas e ~e notar que se fossem utilizadas outras correlac;oes referidas na literatura, os resulta.dos nao seriam tao pr6ximos. o caso extrema e dado pela correlac;ao d~ Wilson e Ge~nkopohs, 1966, com a qual se obtem urn numero de Sherwood igu.al a 11. A prron, a correlac;~o ~roposta por Fukuma et a/, 1982, nao seria indiferente ao efe110 provocado por urn~ vanac;ao da carga or anica que nao fosse acompanhada por uma alterac;ao do caudal ahmentado ao reactor (i.~ .• a ocorrencia de uma variac;ao da concentrayao de substrata e,. co.nsequentemente, na produvao de gas, mantendo-se constante 0 numero ?e .Reynolds ?o hqu1do). No entanto, nas condic;oes em que 0 UASB foi operado, a energia diSSipada no sts~e~a, calculada con.forme preceituado por Fukuma eta/, 1982, deve-se, essencialmente, ao h~utdo. 0 peso relat1vo do caudal de gas e praticamente nulo. Este facto r~~ultou em_ numeY?s _ d~ Sherwood .e coficientes de transferencia de massa identicos adm1hndo, ou nao, a ex•~t:nc•a dos cauda~s de gas medidos. Esta insensibilidade da correlac;ao pode advir ~as co~dlyoes expenmenta1s em que foi estudada, nomeadamente o regime de escoamento nao lammar.

A area efecliva exterior especifica de granules no volume do UASB, determina~a com b.ase

1 - d Puranik e Vogelpohl 1974 foi de 77 m-1, considerando a tensao superftc1al ~~scor;::u~~~ s:melhante ada agua', o=72E-05 Nm-1. 0 valor obtido e signifi.cativamen~e inferi~r a area geometrica especilica, 450 ~-1 e dev~-s~, essenci~.l~en:~· a;: ~~:~~sc~~~~~~ ~~~~~u~~~~;:v~~a~~~J~~~~a~ ~oau~~~~~:s~vee6~~:n:f:~ ~~:~~a ;;eR~~ssau. 19~~· orig~~

1 · 1 vado 178 m·1 conquanto alnda bastante 1nfenor ao valor max1mo.

:n::q~e:~~: :s~e par~metro m~rece alguma atenc;ao e cuidado no caso de extrapolac;ao

de resultados.

APLICA~AO DO MODELO CINETICO

A velocidade de degradayao do acldo acetico nao aprese~t~u nenhuma ~ndl~~c;~~S~~

~~~e:v~~a~~~e~:~~~~:n~~;~~~~~~~c~~~o~ s~~~~:;~~~~!~::!~~~~~~u;~~:~~:::~~~~ ~:n~~ por ~.rito e Melo, 1992\ ut~~a~p~ ~~rf~~~~ente agitado, os sintomas de inibic;ao apenas adm•hdo urn escoamen o _ . d acidos na ordem dos 1700-1800 mg foram observados perante uma co~cen~~ac;a~e~~~doe com uma mistura de acidos acetico,

ca~~~-~. Estebuet~.r~ICaOIO, :p:~~~a n~"s:nt~~oo :a inexistencia de problemas de inibic;ao pelo prop1ontco e , substrate no caso presente.

. d delo transferencia de massa - reacc;ao aos dados A Figura 2 apresenta o _aJuste -o dmo. 'do acetico admitindo condic;:oes hidrodinamicas do experimentais referentes a remoc;ao e acl ' tipo ftuxo pistao no UASB.

';; .., .. 0 -... .. . L ... .. ' .. u « .. ~

.: ;

10 I

z.oo

1.10

....

....

.... 1.00

0.10

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•

• I • •

• • • •

•

o.o:.:; .. ;---.-,,-:-; ... ;;-~-;-z."Zoo;-...--o:,:-: ... ::-~-:-4.'-00:-"""~,~ ... -~---t Substr•to CkvAo/•3> Jo - l

FIGURA 2- Velocidade de " reac'<aO versus concentracao de ~cido actitico no UASB.

0 Ouadro VI apresenta os resultados obtidos r - · • coeficiente de difusao nos granulos no UASBpa ,a a ~o~stant~ de !eaccao lntnnseca e para o de massa - reaccao. ' a rav s a aphcacao do modelo transferencia

~n~~~~ciedn~e ~~~~~~~a~:ic~~a !i~~~~~~~se ~0tax1; ~~pecffica maxima de crescimento com metanogenicas variam no mfnim ns I u os por acetato, os valores para Pavlosthatis e Giraldo' Gomez 1o99~m: ordem.~e grandeza, nomeadamente 0.08-0.7dia-1, 1987. A comparacao destes v~lores cdmespecllcamente em gr~nulos, 0.04dia-1, Dolling, valores medias para a constante de s ~ consta~te de reaccao requer que se assuma

sentido, consid:rando os valores me~i~;~~~~=;~~:e~~~~~=t~a;a~~i!~d~omassa. Neste para :~tes parametres, respectivamente 0.216 kgCQO/m3 e 0 03 kgSSV/k ~~';ez, 1991, especlfrca maxima oblida pelo presente estudo e de 0 044dj -1 E t gl ~· a taxa portanto, dentro dos limites referidos. · a · s e va or af1gura-se,

Os valores obtidos para o coeficiente de dif -

~:~~~~z~s ;nerentes a utilizacao do modelo ci~~~~~.a~:~~~~~~~:~=~~~~!~~~:P~~;~~~~~~e~o: seguimen~o c~~~~:~~~~o~i~~:~;~:·d~s~~~~ficientes ~e~ivos tradicionalme~te utilizados, no nitrificante, sao cerca de 80cy. do valor

1 r~~~o~ e c , arty, 1976, com b1omassa aer6bia

determinados e!l"' celulas de dif~sao, com bio~i~~~ ~n~:ro~~~~e~a~t~~~~to,_ os coeficientes orde_m dos obtldos no presente trabalho, como se·am 0 148E- 2; .s~~ menores _e_na acetrco, oblido por Ozturk eta/ 1989 e os 22 33'¥. d I f: . 04 m dla para o acldo determinado por Nilsson e K I , 1 - o o coe ICiente de difusao do litio na agua. biofilme, do tipo densidade, tort~~~~~;de :9~. Ev~ntualmente, fen~m~no~. intrinsecos no valores oblidos para os coeficientes de difusfo o:,~~~~o~~ gas, poderao JUSIIflcar os diversos

No que concerne a transferencia de massa no reactor UASB, a diferenca entre os valores da constante de reaccao aparente, 256dia-1, e lntrinseca, 308dia·1, indicia, desde logo, a existencia de resistencias ao transporte. Este aspecto pode ser ilustrado atraves dos parametres indicados no Quadro VII, calculados atraves do modelo cinetico .

Q d VII R . ~ I a ua ro es1st ncas I ~ . d trans er nc1a e massa na de~ radacl o do a · c1do ac6tlco ParAmetro Valor

factor de eflcll!ncla intemo, 11 (-) 0.65 factOf de eficll!ncla global, n (-J 0.83

peso relatlvo da resistl!ncla lntema (%) 22. 1 peso relativo da reststl!ncia extema C%1 n.g

Os valores indicados no Quadro VII apontam no sentido de nao se desprezar, a priori, a influencia dos fen6menos de resistencia extema e/ou interna a transferencia de massa num reactor UASB laboratorial. Efectivamente, se bem que as aproximacoes efectuadas para a aplicacao do modelo possam influir no peso relativo da resistencia extema e interna, os indfcios da ocorrencia de limitacoes ao transporte estao presentes. A existencia de resistencias internas para o acido acetico ja foi referida, entre outros, por Dolling, 1987. Brito e Melo, 1992, em ensaios batch com granules, registaram cineticas de consume de substrato superiores no caso do sistema ser agilado mecanicamente. Este facto e sinal da presenca de resistencias externas que, no caso do presente estudo, podem ter sido potenciadas pela baixa concentrayao de substrata disponfvel e pela reduzida producao de gas. A menor velocidade de escoamento nos reactores laboratoriais, relalivamente aos existentes a escala real, e um outro factor adicionai para a ocorrencia destes fen6menos.

CONCLUSOES

0 modelo transferencia de massa - reaccao aplicado a degradacao de acetato num reactor UASB contribuiu para integrar algumas relacoes entre cinetica, transferencia de massa e hidrodinamica. Os dados obtidos sugerem as seguintes conclusoes relativamente ao comportamento do reactor laboratorial:

1. 0 modelo de escoamento do tipo lluxo pistao representou melhor as condicoes de escoamento que o modelo ideal perfei1amente agitado;

2. A velocidade observavel de rea~o foi afectada pelas resistencias externas e internas a transferencia de massa, em particular, o valor do coeficiente de difusao do acido acetico no interior dos granulos foi estimado em cerca de 30% da sua dilusividade na agua;

3. A determinacao de parAmetres cineticos de caracter fundamental e a sua correlavao empfrica para sistemas anaer6bios (coeficie:-~te de transferencia de massa externo e area efectiva, coeficiente da reaccao intrinseco e coeflciente de difusao no biofiime) podera contribuir para reforvar a aplicabilidade de modelos estruturados a optimizacao de reactores.

Agradeclmentos Agradece-se aos Profs. G. Lettinga e L. Pot. Unlvarsldade de Wagenlngen, a disponiblliza<;i'lo do ln6culo de biomassa e a Dr< Jovita Oliveira, Universldade do Mlnho. a cedencla do equipamento de analise de lmagem. Este projecto foi parclalmente finandedo polo JNICT (Projecto BI0/910190) e pelo Programa STRIDE A·BI0403/92.

Slmbologla ec, ae. ag - rela<;Ao entre as areas elective e geometrlca exteriores, areas elective a geometrlca exterior especlfica D - coaficlente de difusAo na agua Dp, · diamotro da particula E - energia disslpada devido ao oscoamento do lfquldo e do gas g - acelera<;Ao da gravidade K - constants ou coellclente de reac<;Ao kc - coeficlente de transferl!ncla de massa extemo

AP · queda de pressAo a . caudal volumelnco rv -velocldade de reacyAo ou de degrada~o de subslrato r • raio da panicula Sb, s, .. So, Ss • Sbm - concentra~o de substrato em globo, concentra~o de substrato na aJimentayao, a sa fda do

reactor, II superlicie do biofilme, valor me010 da concen~ de substrato a entrada e a saida do reactor tm • tempo m8dio de resldencta Vr . VI-volume Utll do reactor, votume do teito de gr.inulos vt , vg· velocidade do liqutdo, velocidade do gas e • porosldade do lelto t • tempo nofl'lV'IaJ de residenae (WO) a - tensAo superllctal rt. 0- factor de eficl6noa interno, factor de efictllncia global

Re. Sh, We· Numero de Reynolds. Numaro de Sherwood, Numero de Weber

REFERtNCIAS

BRITO A.G., MELO, L.F., 1992. Modelltng inhibition In UASB systems. Aetas do 1' Congresso IMrico de Blofecnologla, Unlvarsldada de santiago de Compostela, 5antiago de CompoSlela.

OOLFING, 1987, Microbial aspects of granular methanogenis sludge, Ph.D thesis, Wa9eningen University, Wagentngen, Paises Balxos.

FUKUMA, M .. SATO, M., MUROYAMA, K., YASUNISHI, A., 1988. Particule-to-liquki mass transfer tn gas·rtqutd· solid fluidiutlon. J. Chemical engineering of Japan, 21, 3, 231-237.

LETTINGA. G .. POL, L.W.H., 1991 . UASB·process design lor vanous types of wastewaters. Waler Science and Technology, 24, 8, 87-108.

MOLETTA, R. ALBAGNAC, G .. 1982. A gas meter for low rates of gas flow: application to the methane fennentation. Biotechnology Le"ers, 4, 5, 319·322.

KARLSSON, H.T., NILSSON, B.K., 1988. On the modelling of fixed film reactors. Slh Int. Syrnp. on Anatobic Digestion • Poster Parers. ads. A. Tlk:he e A. Rozzi., 195-198.

NILSSON B.K .. KARLSSON, H.T., 1991. Dlf/usion rates in a dense matrix ot methane producing microorga111sms. J. Cherrncal Technology & Biotechnology, 44, 255·260.

OZTURK, S.S .. PALSSON. B.O., THIELE. J.H., 1989. Control of lnterespectes electron transfer ftow during anaerobic digestion: dynamic diffusion reaction models tor hydrogen gas transfer in miCrobial floes. Biotech. & Bioengineering. 33, 745·757.

PURANIK, S.S., VOGELPHOL. A.. 1974. Effective interlaQal area in tnigated packed columns. Cham. eng. Science. 29, 501·507.

REID, R., PRAUSNITZ, J.M., SHERWOOD, T .K., 19n. The properties of gases and liquids. McGraw Httl, New Yorlc.

ROUSSEAU R., 1987. Handbook of separation prooesstechnclogy, John Wiley & Sons. New Yortc.

VAN KREVELEN, D.W., KREKELS, J.T .C. 1948. Rate of dissolution of solid substances. Pan 1. Recveil das Travavx Ch1m1qvas Des Pays·Bas, 67, 512·520.

WESTERTERP, K.R., VAN SWAAIJ, W.P.M., BEENACKERS, A.A.C.M. 1984. Chemk;al reactor design and operatiOn. J . Wiley & Sons. New Yortc.

WILLIAMSON K. , McCARTY, P.L., 1976. Vertfica!lon stud1es of the boofilm model for bactenaJ substrate ublization. J. Water Pollvlion Control Fer! .. 48, 2.

WILSON E.J .. GEANKOPOLIS. C.J .. 1966. Liquid mass transfer at very low Reynolds numbers in pecked beds le&C Fundamentals. s. 1. 9-14.

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