ABSTRACT
RESUMO Neste artigo, apresenta-se uma abordagem conceitual sobre propostas de alternativas para a concepção de sistemas com reator anaeróbio de manta de lodo. Em essência, propõem-se: i) a eliminação dos separadores de gás, líquido e sólido que constam em reatores upflow anaerobic sludge blanket reactors e sua substituição por unidade de sedimentação de alta taxa em setor incluso ou externo ao volume do reator biológico; ii) a recirculação de parcela do lodo retido no sedimentador, transformando o conjunto em um sistema semelhante ao de lodo ativado, porém preservando a manta de lodo no reator anaeróbio (activated anaerobic sludge blanket system) e, assim, viabilizando melhor controle do tempo de retenção celular; e iii) a simplificação (menor número de entradas) do sistema de distribuição do afluente junto ao fundo da zona de reação, mediante duas alternativas: agitação mecânica ou agitação hidráulica com jatos — em ambos os casos, intermitentes. As propostas, conforme apresentadas, constituem resumo de pesquisa baseada em reatores de bancada sucedida pela operação e testes em duas unidades-piloto paralelas (volume total: 20,8 m3, incluindo volumes de reação e de sedimentação). Constatou-se que é possível remover sólidos suspensos do efluente da região de reação sem a necessidade do separador trifásico e, também, que é possível manter-se a manta de lodo mesmo com a agitação na região de reação. Foram obtidos bons resultados na remoção de sólidos suspensos totais, demanda bioquímica de oxigênio e demanda química de oxigênio nos sedimentadores com valores de taxa de aplicação superficial de 34,0 até 81,6 m3m-2dia. Constatou-se, também, que valores bastante baixos de gradiente de velocidade (G £ 20s-1) são suficientes para promover a manutenção da manta de lodo e que a intermitência na agitação é favorável ao processo biológico. Os resultados relacionados com a remoção de demanda química de oxigênio, demanda bioquímica de oxigênio e sólidos suspensos totais foram comparados com os de outros estudos sobre reatores upflow anaerobic sludge blanket reactors convencionais. Contudo, aqueles relacionados com o tempo de reação celulat foram os mais significativos para as conclusões desta pesquisa. Quando o reator foi operado com tempo de detenção hidráulica de 8,2 h e velocidade ascensional no reator biológico de 0,69 mh-1, o tempo de reação celular do sistema resultou em 175 dias. Com velocidade ascensional menores, os valores de tempo de reação nuclear foram ainda maiores (por exemplo: velocidade ascensional = 0,39 mh-1; tempo de reação celular = 363 dias). Os resultados deste trabalho abrem perspectivas para novas pesquisas e novos horizontes para projeto de sistemas com reatores anaeróbios de manta de lodo e decantadores de alta taxa.
ABSTRACT This paper presented a conceptual approach toward alternatives for the design of anaerobic sludge blanket reactors. In essence, it is proposed: i) the elimination of gas-liquid-solid separators that integrate the upflow anaerobic sludge blanket reactors and their replacement by a high rate settlers placed inside or outside the volume of biological reactor; ii) the recirculation of a fraction of the of the sludge retained in the settler, converting the process into a solution that resembles the activated sludge system, however, preserving the sludge blanket (Activated Anaerobic Sludge Blanket System), and thus ensuring better control of the cell retention time; and iii) the simplification (lower inlet points) of the influent distribution system placed over the bottom of the reaction zone, upon the implementation of two alternatives: mechanical mixing or hydraulic agitation with jet discharges, intermittent, in both cases. The proposals, as presented, are a summary of researches based on bench scale tests succeeded by the operation and tests in two parallel pilot units (total volume: 20.8 m3, including reaction zone and settler). It was found that it is possible to remove suspended solids from the effluent of the reaction zone without the need for a three-phase separator, and also, that it is possible to maintain the sludge blanket even with mixing in the reaction zone. Good results regarding total suspended solids, biochemical oxygen demand and chemical oxygen demand removal in the settlers were obtained, with applied hydraulic loading rate from 34.0 to 81.6 m3m-2 day. It was also found that very low velocity gradient values (G £ 20 s-1) are required to promote the maintenance of the sludge blanket, and the intermittency in the agitation is favorable to the biological process. The results concerning, , and TSS removal were compared with those of other studies on conventional upflow anaerobic sludge blanket reactors. However, those related to sludge age were the most significant to the conclusions of this research. When the reactor was operated with a hydraulic retention time of 8.2 h and a upflow velocity upflow velocity of 0.69 mh-1 in the biological reactor, the average sludge age reached 175 days. When applying smaller values of upflow velocity, the sludge age values reached greater values (Example: upflow velocity = 0.39 mh-1; sludge age = 363 days). The results and conclusions of this research open new perspectives for future research and new horizons for designing systems consisting of anaerobic sludge blanket and high-rate settlers.
ABSTRACT
RESUMO: Este trabalho estuda o potencial de aproveitamento energético dos subprodutos biogás e lodo gerados na estação de tratamento de efluentes (ETE) Laboreaux em Itabira (MG), composta de reatores UASB, filtros biológicos percoladores e unidade de desaguamento do lodo por filtro prensa. Os subprodutos biogás e lodo foram caracterizados em termos quantitativos (produção) e qualitativos (composição e poder calorífico) durante 12 meses de monitoramento. Foram estudados dois cenários de aproveitamento energético dos subprodutos: (i) uso prioritário do biogás para a secagem térmica do lodo e o excedente de biogás para geração de eletricidade em motor de combustão interna; e (ii) uso prioritário do biogás visando à geração de eletricidade e ao aproveitamento do calor dos gases de exaustão para a secagem térmica de lodo. Para a análise desses cenários, utilizou-se o software CHEMCAD(r) a fim de determinar as condições de queima do biogás em câmara de combustão e em motor de combustão interna, assim como na determinação dos balanços de massa e energia. O estudo analisou o potencial de aproveitamento dos subprodutos do tratamento como fonte de energia renovável para uso na própria ETE e para fornecimento a terceiros. No cenário 1, a geração de eletricidade é menor (atendendo 22,2% da demanda de energia da ETE), mas a secagem térmica possibilita maior redução no volume final de lodo a ser disposto ou a eliminação completa de disposição final se o lodo seco final (com 10% de umidade) for utilizado como combustível por terceiros. No cenário 2, a geração de eletricidade é capaz de suprir 57,6% da demanda de energia da ETE, todavia o calor contido nos gases de exaustão não é suficiente para a secagem de todo o lodo desaguado, configurando uma menor redução na quantidade de lodo a ser disposto (13,5 ou 24,9% de redução em massa, conforme a alternativa de remoção de umidade selecionada).
ABSTRACT: This work assesses the potential of energy recovery of the byproducts biogas and sludge produced at the Laboreaux wastewater treatment plant (WWTP), in Itabira (MG), which is integrated by UASB reactors, trickling filters and sludge dehydration unit (filter press). The byproducts biogas and sludge were quantitatively (production) and qualitatively (composition and calorific value) characterized during a monitoring period of 12 months. Two scenarios for energy recovery from the byproducts were considered: (i) priority use of biogas for sludge thermal drying and the excess of biogas being used for power generation in an internal combustion engine (ICE); and (ii) primary use of biogas for power generation and the heat of the engine exhaustion gases being used for sludge thermal drying. Biogas burning conditions into a combustion chamber and in an internal combustion engine, as well as mass and energy balances for each scenario, were assessed with the CHEMCAD(r) software. The study analysed the potential use of the byproducts as sources of renewable energy for use in the WWTP itself and to be offered to third party. In scenario 1, the electricity generation is lower (fulfilling 22.2% of the WWTP energy demand), but thermal drying allows greater reduction of sludge volume to be disposed of, or the entire elimination of final disposal if the dry sludge (with 10% moisture content) is used as fuel by the third party. As for scenario 2, the electricity generation is sufficient to supply 57.6% of the WWTP energy demand, nevertheless the heat contained in exhausted gases is not enough to dry the whole dehydrated sludge, configuring a lower reduction of sludge amount to be disposed of (13.5 or 24.9% of mass reduction, depending on the moisture reduction alternative chosen).
ABSTRACT
O presente trabalho objetiva avaliar a eficiência do biogás gerado em reatores UASB como fonte de energia para higienização térmica do lodo excedente, atentando-se ainda para a autossustentabilidade do sistema e para a avaliação do desaguamento do lodo tratado termicamente. Foi desenvolvido em um aparato experimental em escala de demonstração constituído de reator UASB, reservatório de biogás, reator térmico e leitos de secagem. A autossustentabilidade foi verificada por meio de balanço térmico teórico e de testes experimentais de higienização térmica. Estes testes indicaram que o aproveitamento da energia térmica do biogás foi suficiente para aquecer o lodo em temperaturas de 55 a 65ºC, durante três a cinco horas, possibilitando a completa eliminação de ovos viáveis de helmintos. No entanto, o processo de desidratação se mostrou muito mais difícil para o lodo tratado termicamente.
The objective of this research was to determine how effectively biogas produced in UASB reactors could be used as a source of heat for the thermal hygienization of excess anaerobic sludge, whether the system can operate on a self-sustained basis and how the dehydration of the thermally treated sludge behave. The experiments were conducted in a demonstration-scale setup comprising UASB reactor, biogas holder, thermal reactor and sludge drying beds. The self-sustainability of the system was evaluated by the systemâTMs theoretical thermal balance and by experimental hygienization tests. These tests indicated that the recovery of thermal energy from the biogas was sufficient to heat the sludge at temperatures in the range of 55 to 65ºC, for three to five hours, allowing the complete elimination of viable helminth eggs. However, the dehydration process showed to be much more difficult for the thermally treated sludge.