Avaliação do comportamento hidrodinâmico de reator anaeróbio de manta de lodo e fluxo ascendente com diferentes configurações do sistema de distribuição do afluente utilizando fluidodinâmica computacional / Hydrodynamic performance evaluation of an upflow anaerobic sludge blanket reactor with different configurations of the influent distribution system using computational fluid dynamics

RESUMO Compreender o comportamento hidrodinâmico de reatores biológicos pode auxiliar na detecção de problemas associados a falhas operacionais e de projeto, situações que prejudicam a eficiência do tratamento. Neste artigo, realizaram-se simulações da fluidodinâmica computacional (CFD) de escoamento de duas fases sólida-líquida de um reator anaeróbio de manta de lodo e fluxo ascendente (UASB), em escala piloto (160 L), com tempo de detenção hidráulica (TDH) de 10 h e vazão de 16 L.h-1. Um modelo Euler-Euler simplificado foi formulado para simular o comportamento hidrodinâmico da zona de reação, influenciada pela configuração do sistema de distribuição do afluente. Foram avaliadas quatro configurações do sistema de distribuição do afluente no reator: uma entrada na parte central (1) e duas entradas centrais (2), de fluxo ascendente; duas entradas nas laterais (3), de fluxo radial; e três entradas de fluxo descendente (4), utilizando geometrias bidimensionais e tridimensionais para verificar a formação de zonas mortas, curtos-circuitos hidráulicos e caminhos preferenciais. As melhores características hidrodinâmicas e a melhor distribuição do afluente foram verificadas na configuração 4, com melhor perfil de mistura do lodo com a fase líquida, na comparação com as demais configurações. Foi notada formação de vórtices na parte inferior do reator com maior concentração do lodo anaeróbio nessa configuração e de caminhos preferenciais nas laterais do reator na configuração 3, indicando mistura ineficiente do afluente com o lodo anaeróbio. O modelo demonstrou que a configuração do sistema de distribuição do afluente influencia significativamente o comportamento hidrodinâmico do reator UASB.

ABSTRACT Understanding the hydrodynamics behavior of biological reactors can help in the detection of problems related to operational failures and design that adversely affect the efficiency of the treatment. In this paper, computational fluid dynamics (CFD) simulations of two-phase liquid-solid flow were carried out in an upflow anaerobic sludge blanket reactor in pilot scale (160 L), with hydraulic retention time (HRT) of 10 h and flowrate 16 L.h-1. The Euler-Euler approach was formulated to simulate the reaction zone hydrodynamics. Four configurations of the influent distribution system in the reactor were evaluated: one central inlet (1) and two central inlets (2), upflow; two lateral inlets (3), radial flow; and three inlets, downflow (4), using two and three-dimensional geometries to verify the formation of dead zones, hydraulic short-circuiting and preferential pathways. Better influent distribution and greater mixture profile of the sludge with the liquid phase were found in the configuration 4, compared to the others by the formation of vortices in the bottom part of the reactor with higher concentration of anaerobic sludge. Formation of preferential pathways was noted in the lateral inlets of the reactor in the configuration 3, indicating an inefficient mixture of the influent with the sludge. The model demonstrates that the configuration of the influent distribution system significantly influences the hydrodynamics behavior of the UASB reactor.

Análise comparativa dos efeitos da carga orgânica e do tempo de detenção hidráulica na digestão anaeróbia mesofílica de lodo adensado de estação de tratamento de esgoto / Comparison of organic loading rate and hydraulic retention time effects on the mesophilic anaerobic digestion of thickened waste activated sludge

RESUMO Esta pesquisa comparou o desempenho de um digestor anaeróbio de lodo sob diferentes estratégias operacionais. Foi avaliada a influência do aumento da carga orgânica volumétrica (COV) (OP I) e o efeito da redução do tempo de detenção hidráulica (TDH) (OP II e OP III) no processo anaeróbio. As cargas aplicadas variaram entre 0,5 e 4,5 kgSV.m-3.d-1 e o TDH foi reduzido de 15 a 5 dias. Produção de gás metano, degradação do material orgânico e a diversidade microbiana foram utilizadas para medição e comparação do desempenho do processo. Foram necessários períodos de aclimatação a cada nova COV aplicada o que levou às instabilidades na remoção de SV e DQO do lodo. A operação com TDH entre 7 e 5 dias apresentou as maiores eficiências de remoção de SV, superiores a 70%, o que influenciou positivamente na estabilidade do processo. As COV aplicadas de 2,5 e 3,5 kgSV.m-3.d-1 resultaram nas maiores produções de metano durante a OP I. Para TDH inferiores a sete dias a produção de CH4 foi prejudicada apesar da existência de microorganismos metanogênicos atuantes no digestor. Comparativamente, a estratégia de redução do TDH resultou em um melhor desempenho do sistema que a fixação da COV. Quanto menor o TDH aplicado, melhor os resultados obtidos na operação do digestor, sugerindo que a eficiência do processo é otimizada em sistemas de alta carga com operação em baixos tempos de detenção hidráulica.

ABSTRACT This study compared the performance of a pilot anaerobic sludge digester under different operating strategies. The influence of increasing organic loading rate - OLR (OP I) and the effect of hydraulic retention time - HRT reduction (OP II and OP III) in anaerobic process were evaluated. The applied loads ranged between 0.5 and 4.5 kgSV.m-3.d-1; HRT was reduced from 15 to 5 days. Production of methane, organic matter degradation and microbial diversity were used to measure and compare the system´s performance. Acclimation periods were taken for each new OLR applied, leading to instabilities in sludge VS and COD removals. The experimental time with HRT between 7 and 5 days showed the highest VS efficiency removals (higher than 70%), which positively influenced process stability. The applied OLR of 2.5 and 3.5 kgVS.m-3.d-1 resulted in higher yields of methane during OP I. CH4 production showed impaired with HRT lower than 7 days, although it was observed active methanogenic microorganisms in the digester. Comparatively, HRT reduction resulted in a better system performance than the increasing OLR approach. The lower HRT applied, the better the results obtained in the operation of the digester, suggesting that the process efficiency is optimized with high load operation at low hydraulic retention times.

Tratamento de efluentes de refinaria de petróleo em reatores com Aspergillus niger / Treatment of petroleum refinery wastewater by reactors inoculated with Aspergillus niger

Neste trabalho, avaliou-se o efeito do tempo de detenção hidráulica (TDH) no desempenho de três reatores aeróbios inoculados com Aspergillus niger AN400, usados para tratamento de efluentes de refinarias de petróleo. Cada reator foi operado com um tempo de detenção hidráulica diferente: 4, 8 e 12 horas, durante 152 dias. Eles possuíam leito fixo de espuma de poliuretano e o escoamento era ascendente e contínuo. Determinaram-se: pH, fenóis, demanda química de oxigênio (DQO), amônia, nitrito e nitrato, no afluente e efluentes dos reatores. O TDH de oito horas foi o melhor para remoção de DQOsolúvel e não houve diferença entre os TDHs para remoção de fenóis totais. No período estável não houve remoção de nitrato; no entanto ocorreu remoção de nitrito de aproximadamente 99 por cento. Além disto, houve produção de amônia devido à amonificação a partir do nitrito presente no meio.

This paper evaluated the effect of hydraulic retention time (HRT) on the performance of three upflow aerobic reactors, with polyurethane foam as support material, inoculated with Aspergillus niger AN400, used for the treatment of petroleum refinery wastewater. Each reactor was operated with a different HRT: 4, 8 and 12 hours, during 152 days. The performance was evaluated based on pH; phenols; COD, nitrate and nitrite. The results show that for the COD removal, it is more reasonable to operate the reactor with HRT of eight hours. However, there was no difference among results of phenol removal efficiency of the different HRTs. During steady state condition, nitrite was removed in approximately 99 percent, but there was no reduction on the nitrate concentration. Ammonia was produced in all reactors, probably due to ammonification of nitrite.