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BIORREATOR COM MEMBRANA APLICADO AO TRATAMENTO DE ESGOTOS
DOMÉSTICOS: AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE MÓDULOS DE MEMBRANAS
COM CIRCULAÇÃO EXTERNA
Priscilla Zuconi Viana
TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS
PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS
PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA
CIVIL.
Aprovada por:
________________________________________________
Prof. José Paulo Soares de Azevedo, Ph.D.
________________________________________________
Prof. Ronaldo Nobrega, D.Sc.
________________________________________________
Prof. Eduardo Pacheco Jordão, D.Eng.
________________________________________________
Prof
a
. Juacyara Carbonelli Campos, D.Sc.
________________________________________________
Prof. Isaac Volschan Jr., D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
JULHO DE 2004
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VIANA, PRISCILLA ZUCONI
Biorreator com Membrana Aplicado ao Trata-
mento de Esgotos Domésticos: Avaliação do
Desempenho de Módulos de Membranas com
Circulação Externa [Rio de Janeiro] 2004
XIII, 162 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, M.Sc.,
Engenharia Civil, 2004)
Tese - Universidade Federal do Rio de
Janeiro, COPPE
1. Biorreator com Membrana
2. Tratamento de Efluentes
I. COPPE/UFRJ II. Título (série)
ii
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A
A
G
G
R
R
A
A
D
D
E
E
C
C
I
I
M
M
E
E
N
N
T
T
O
O
S
S
Foi bastante enriquecedor para mim poder desenvolver esta dissertação envolvendo
as Áreas de Recursos Hídricos, da Engenharia Civil, e de Processos de Separação
por Membranas, da Engenharia Química. É difícil agradecer a todos que tornaram
possível a realização deste trabalho, pois receio esquecer alguém. Assim mesmo,
agradeço abaixo a algumas pessoas que foram especiais durante estes dois anos
dedicados ao mestrado.
Meus agradecimentos mais sinceros são para o Professor Ronaldo Nobrega, que não
só me orientou, como me apoiou e acompanhou todos os passos percorridos para a
realização desta tese. Agradeço pelas conversas e por ter tornado possível o
desenvolvimento da parte experimental no Laboratório PAM.
Agradeço ao Professor Eduardo Pacheco Jordão pelo apoio, pela convivência e por ter
sido meu terceiro orientador, mesmo sem lhe ser atribuído oficialmente este título.
Agradeço ao Professor José Paulo Soares de Azevedo, que tornou possível o
desenvolvimento da dissertação nesta área de meu interesse, concordando com a
importância da aproximação do PEC e do PEQ.
Não poderia deixar de agradecer aos meus amigos do PAM e do LHC, pesquisadores,
mestrandos, doutorandos e funcionários, que me acompanharam e incentivaram. A
Sara, Patrícia, Daniela, Olívia, Bentes, Luzia, Rodrigo, Cecília, entre outros, o meu
muito obrigada. Um agradecimento especial a Rosane e Roberto Bob, que tornaram
menos difícil a parte prática do trabalho, não só me ajudando no que precisei, mas
principalmente pelo astral positivo dos dois.
Agradeço à colaboração, amizade e apoio de Maria Cristina e sua equipe, do
Laboratório LEMA, da Poli - UFRJ.
A Antonio Leite e ao Professor Fernando Lizarralde, do PEE, meus agradecimentos
pela automação do processo e por estarem sempre dispostos a ajudar.
Agradeço ao CNPq e à FAPERJ pela bolsa de Mestrado concedida.
Por fim, agradeço aos meus pais, Paulo e Regina, aos meus irmãos, Tatiana e Thiago,
e a Lena, que sempre me estimularam e apoiaram, me dando suporte e carinho para
seguir em frente no caminho que escolhi. Agradeço com carinho a meu namorado,
Rodrigo, que sempre me animou, incentivou e me ajudou a enfrentar os obstáculos
que apareceram.
iii
Resumo da Tese apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários
para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)
BIORREATOR COM MEMBRANA APLICADO AO TRATAMENTO DE ESGOTOS
DOMÉSTICOS: AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE MÓDULOS DE MEMBRANAS
COM CIRCULAÇÃO EXTERNA
Priscilla Zuconi Viana
Julho/2004
Orientadores: José Paulo Soares de Azevedo
Ronaldo Nobrega
Programa: Engenharia Civil
O presente estudo avaliou o desempenho de um módulo de membranas fibras
ocas, acoplado externamente a um reator biológico, para o tratamento de esgoto
doméstico. Com o objetivo de investigar o comportamento das membranas e minimizar
os efeitos do “fouling”, foram realizados testes em unidades em escala de laboratório,
nos quais foram estabelecidos valores ótimos para alguns parâmetros operacionais,
como velocidade tangencial no módulo, pressão transmembrana, vazão de ar inserida
na tubulação de alimentação do módulo de membranas e período entre retrolavagens.
As membranas fabricadas no Laboratório de Processos de Separação com
Membranas, da COPPE - UFRJ, mostraram-se adequadas para este tipo de aplicação.
O efluente tratado se apresentou sempre com características excelentes e o fluxo
permeado obtido é comparável, ou mesmo superior, ao fluxo dos principais
biorreatores com membrana comercializados atualmente. Foi possível manter um fluxo
permeado em torno de 40,0 L/m
2
.h para uma velocidade tangencial de líquido no
módulo de 0,30 – 0,35 m/s, pressão transmembrana total de 0,40 – 0,50 bar (pressão
gerada pela fase líquida de 0,10 – 0,15 bar e pela inserção de ar de 0,30 – 0,35 bar),
velocidade tangencial de ar no módulo de cerca de 3,5 m/s e realização de
retrolavagens. Todas as análises das amostras do permeado indicaram ausência de
coliformes termotolerantes, Escherichia coli e bactérias do grupo Enterococcus.
iv
Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)
APPLICATION OF MEMBRANE BIOREACTOR FOR DOMESTIC WASTEWATER
TREATMENT: A PERFORMANCE EVALUATION OF SIDESTREAM MEMBRANE
MODULES
Priscilla Zuconi Viana
July/2004
Advisors: José Paulo Soares de Azevedo
Ronaldo Nobrega
Department: Civil Engineering
This study evaluated the performance of a sidestream membrane module
combined with an aeration system for the treatment of domestic wastewater. To
investigate the membrane’s behavior and to control “fouling”, trials in a laboratorial unit
were developed. In these tests, optimal values for some operational parameters were
established, such as crossflow velocity, transmembrane pressure, air flow rate to
continuously flush the membrane surface, and time between backwashings. The
results indicated that the membranes manufactured at the Membranes Separation
Processes Laboratory, at COPPE/UFRJ, are suitable for this kind of application. The
permeate had always excellent quality and the permeate flux is similar, or even
superior, to that of commercial membrane bioreactors. A stabilized flux of 40.0 L/m
2
.h
was maintained with a liquid crossflow velocity of 0.30 – 0.35 m/s, a total
transmembrane pressure of 0.40 – 0.50 bar (wastewater pressure of 0.10 – 0.15 bar
and air pressure of 0.30 – 0.35 bar), air velocity, to scour the membrane surface, of
about 3.5 m/s and backwashings. All permeate samples analyzed indicated absence of
fecal coliforms, Escherichia coli and Enterococcus.
v
Í
Í
N
N
D
D
I
I
C
C
E
E
I. INTRODUÇÃO E OBJETIVOS 01
I.1. Objetivos
04
I.2. Estrutura da Dissertação
04
II. PROCESSOS DE SEPARAÇÃO POR MEMBRANAS (PSM) 07
II.1. Introdução
07
II.2. Vantagens e Desvantagens da Aplicação de PSM
13
II.3. Aplicações Diversas e o Mercado de Membranas
14
II.4. Fluxo Permeado e Seletividade da Membrana
15
II.5. Fenômenos da Polarização de Concentração e do “Fouling”
16
II.5.1. Fluxo Permeado para Filtração de Suspensões
19
II.5.2. Minimização dos Efeitos da Polarização de Concentração e do “Fouling”
21
III. PROCESSO DE LODOS ATIVADOS CONVENCIONAL (LAC) 22
III.1. Introdução
22
III.2. Microrganismos do Lodo Ativado
24
III.3. Parâmetros de Dimensionamento do Tanque de Aeração e de Controle
Operacional do Processo 26
III.3.1. Relação Alimento/Microrganismo (A/M)
26
III.3.2. Fator de Carga (f)
26
III.3.3. Idade do Lodo (θ
c
) 27
III.3.4. Taxa de Utilização de Substrato (U) 27
III.3.5. Outros Parâmetros Operacionais Importantes
28
III.3.6. Produção do Lodo em Excesso
30
III.4. Aeração e Consumo de Oxigênio
30
III.5. Processo de Lodos Ativados – Modalidade Aeração Prolongada
35
III.6. Partida do Reator
36
IV. BIORREATOR COM MEMBRANA (MBR) 38
IV.1. Visão Geral
38
IV.2. Vantagens e Desvantagens Sobre o Processo de LAC
41
IV.3. O Mercado de MBR
45
IV.3.1. Empresa Kubota
47
IV.3.2. Empresa Zenon Environmental Inc.
48
IV.3.3. Empresa Wehrle Werk A. G.
50
IV.4. Parâmetros que Afetam o Desempenho das Membranas em MBR
51
IV.4.1. Influência da Pressão Transmembrana (TMP)
51
IV.4.2. Influência da Velocidade Tangencial (Módulo Externo)
52
vi
IV.4.3. Influência da Aeração 53
IV.4.4. Influência da Concentração de Sólidos
53
V.4.5. Influência da Porosidade da Membrana
55
IV.4.6. Influência da Retrolavagem
55
IV.4.7. Influência da Limpeza Química
56
IV.4.8. Influência da Hidrofilicidade ou Hidrofobicidade da Membrana
57
IV.4.9. Influência da Densidade de Empacotamento
57
IV.4.10. Comentários Gerais sobre Parâmetros Operacionais de MBR
58
IV.5. Biorreator com Membrana com Módulo Submerso no Tanque de Aeração
61
IV.6. Biiorreator com Membrana com Módulo Externo ao Tanque de Aeração
63
V. MATERIAIS E MÉTODOS 69
V.1. Fabricação das Membranas
69
V.2. Caracterização das Membranas
69
V.3. Ensaios Preliminares
71
V.3.1. Montagem do Sistema
71
V.3.2. Confecção do Módulo de Membranas
72
V.3.3. Teste para Avaliação da Permeabilidade da Membrana a Água Pura
73
V.3.4. Experimento para Avaliação da Permeabilidade da Membrana ao Lodo
73
V.4. Ensaios em Batelada
74
V.4.1. Montagem de Novo Sistema
74
V.4.2. Confecção dos Módulos
75
V.4.3. Experimentos com Lodo Ativado
76
V.4.4. Ensaios para Caracterização dos Sistemas de Injeção de Ar
77
V.5. Ensaios em Modo Contínuo
79
V.5.1. Montagem de Novo Sistema
80
V.5.2. Programação do Controlador Lógico Programável (PLC) e Montagem do Painel
de Controle 85
V.5.3. Dimensionamento do Tanque de Aeração e do Módulo de Membranas
89
V.5.4. Confecção dos Módulos
90
V.5.5. Ensaio para Avaliação da Permeabilidade da Membrana a Água Pura
91
V.5.6. Experimento em Modo Contínuo com Lodo Ativado
91
V.5.7. Ensaio de Longa Duração em Modo Contínuo com Lodo Ativado
92
V.6. Avaliação da Eficiência do Tratamento
92
VI. APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS 94
VI.1. Caracterização das Membranas
94
VI.1.1. Caracterização por Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV)
94
VI.1.2. Permeabilidade da Membrana ao Ar
95
vii
VI.1.3. Permeabilidade da Membrana a Água Pura 97
VI.2. Resultados dos Ensaios Preliminares com Água Pura e com Lodo
99
VI.2.1. Experimento para Avaliação da Permeabilidade da Membrana a Água Pura
99
VI.2.2. Ensaio para Avaliação da Permeabilidade da Membrana ao Lodo
100
VI.3. Resultados dos Ensaios em Batelada com Lodo Ativado
102
VI.3.1. Resultados dos Ensaios de Caracterização dos Sistemas de Injeção de Ar
116
VI.4. Resultados dos Ensaios em Modo Contínuo
120
VI.4.1. Ensaio para Avaliação da Permeabilidade da Membrana a Água Pura
121
VI.4.2. Ensaio em Modo Contínuo com Lodo Ativado
122
VI.4.3. Ensaio de Longa Duração em Modo Contínuo com Lodo Ativado
124
VII. CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS 130
VII.1. Conclusões
130
VII.2. Sugestões para Trabalhos Futuros
132
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 135
ANEXO 1 – Material Relacionado à Automação do Sistema 142
ANEXO 2 - Gráficos para Obtenção do Coeficiente Global de Transferência de
Oxigênio K
L
a 158
viii
L
L
I
I
S
S
T
T
A
A
D
D
E
E
S
S
Í
Í
M
M
B
B
O
O
L
L
O
O
S
S
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A
A
B
B
R
R
E
E
V
V
I
I
A
A
T
T
U
U
R
R
A
A
S
S
A/M - Relação alimento/microrganismo (kgDBO/kgSSVTA.d)
a’ - Fração da matéria removida que é usada para suprir energia para a fase de
síntese (adimensional)
b’ - Quantidade de oxigênio utilizada por dia (em kg), por kg de lodo no tanque de
aeração, para a fase de respiração endógena (d
-1
)
B1 - Bomba 1, bomba de alimentação do tanque de aeração
B2 - Bomba 2, bomba de recirculação do lodo ativado
B3 - Bomba 3, bomba de retrolavagem
C - Concentração de oxigênio dissolvido no meio líquido (mg/L).
C* - Concentração de saturação de oxigênio na água limpa, nas condições padrão
(mg/L)
CA - Acetato de celulose
C
a
- Concentração do composto na alimentação (mg/L)
C
água
- Concentração de oxigênio dissolvido na água limpa (mg/L)
C
c
- Concentração do composto no concentrado (mg/L)
C
esg
- Concentração de oxigênio dissolvido no esgoto (mg/L)
CF - Controle de fluxo
C
m
- Concentração do composto na interface da membrana (mg/L)
CN - Controle de nível
COPPE - Coordenação dos Programas de Pós-graduação em Engenharia
C
p
- Concentração do composto no permeado (mg/L)
Cs
esg
- Concentração de saturação de oxigênio dissolvido na temperatura do líquido no
tanque de aeração (mg/L)
DBO
5
- Demanda bioquímica de oxigênio determinada para cinco dias (mg/L)
DBO
afl
- Concentração de substrato, ou DBO
5
, afluente (mg/L)
DBO
efl
- Concentração de substrato, ou DBO
5
, efluente (e no tanque de aeração),
fração solúvel (mg/L)
DQO – Demanda química de oxigênio (mg/L)
ix
d
u
- Diâmetro útil do tubo (cm)
EPS - Polímeros extracelulares
ETE - Estação de tratamento de esgotos
f - Fator de carga (kgDBO/kgSSTA.d)
FAU - Unidades de atenuação de formazina
f
b
- Fração biodegradável dos sólidos em suspensão voláteis
FM - Função da membrana
GSCAR - Grupo de Simulação e Controle em Automação e Robótica, COPPE/UFRJ
IVL - Índice volumétrico de lodo (mL/g)
JA - Jato de ar
J
p
- Fluxo permeado (L/m
2
.h)
k
d
- Coeficiente de autodestruição dos organismos ou coeficiente de respiração
endógena (d
-1
)
K
L
a - Coeficiente global de transferência de oxigênio (min
-1
)
LAAP - Lodo ativado por aeração prolongada
LAC - Processo de lodos ativados convencional
LEMA - Laboratório de Engenharia do Meio Ambiente, do Departamento de Recursos
Hídricos e Meio Ambiente da Poli - UFRJ
LM - Limpeza da membrana
L
p
- Permeabilidade da membrana (L/m
2
.h.bar)
M - Massa de oxigênio (O
2
) necessária para satisfazer as necessidades diárias de
metabolismo dos organismos (g/d)
MBR - Biorreator com membrana (do inglês Membrane Bioreactor)
MEV - Microscópio eletrônico de varredura
MF - Microfiltração
MO - Modo de operação da membrana
M
O2
- Massa de oxigênio (O
2
) que deve ser transferida para o meio líquido nas
condições padrão (g/d)
x
N - Massa de oxigênio real (O
2
) transferida para o tanque de aeração na unidade de
tempo (g/d)
N
0
- Massa de oxigênio (O
2
) transferida por unidade de tempo nas condições padrão
(g/d)
NA - Normalmente aberta
NF - Nanofiltração
NF - Normalmente fechada
NMP - N-metil-2-pirrolidona
NTU - Unidade nefelométrica de turbidez
OD - Oxigênio dissolvido (mg/L)
OI - Osmose inversa
PAM – Laboratório de Processos de Separação com Membranas, COPPE - UFRJ
P
ar
- Pressão gerada pela injeção de ar na tubulação de alimentação do módulo de
membranas (bar)
PEI - Polieterimida
PES - Polietersulfona
PLC - Controlador lógico programável
P
líq
- Pressão promovida pela circulação de líquido no sistema e pela válvula
reguladora de pressão (bar)
PSM - Processos de separação por membranas
P
t
- Pressão total (bar)
PtCo - Unidades de platina - cobalto
PVDF - Fluoreto de polivinilideno
PVP - Polivinilpirrolidona
Q
afl
- Vazão afluente (m
3
/d)
Q
efl
- Vazão efluente (m
3
/d)
Q
lodoexc
- Vazão de excesso de lodo ativado (m
3
/d)
Q
lodoret
- Vazão de retirada de lodo (m
3
/d)
Q
mód
- Vazão de circulação pelo módulo (L/h).
xi
Q
rec
- Vazão de recirculação do lodo ativado (L/h)
R - Coeficiente de rejeição (%)
R
2
- Coeficiente de determinação
Re - Número de Reynolds (adimensional)
RL - Retrolavagem
R
m
- Resistência que o meio oferece ao transporte dos compostos (m
-1
)
R
t
- Resistência total oferecida ao transporte de compostos (m
-1
)
SPES - Polietersulfona sulfonada
SSDP - Concentração de sólidos em suspensão do efluente do decantador primário
(mg/L)
SS
efl
- Concentração de sólidos suspensos do efluente (mg/L)
SS
lodorec
- Concentração de sólidos suspensos no lodo recirculado (mg/L)
SST – Concentração de sólidos suspensos totais (mg/L)
SSTA - Concentração de sólidos suspensos (lodo) no tanque de aeração (mg/L)
SSV – Concentração de sólidos suspensos voláteis (mg/L)
SSVTA - Concentração de sólidos em suspensão voláteis no tanque de aeração
(mg/L)
SSVTA
b
- Concentração de sólidos em suspensão voláteis biodegradáveis no tanque
de aeração (mg/L)
T - Temperatura média no meio líquido (
o
C)
TDH - Tempo de detenção hidráulica (h)
TMP – Pressão transmembrana (bar)
U - Taxa de utilização de substrato (kgDBO
5
/kgSSVTA.d)
UASB - Reator anaeróbio de fluxo ascendente
UF – Ultrafiltração
UFRJ - Universidade Federal do Rio de Janeiro
uT - Unidades de turbidez
V - Volume do tanque de aeração
V
i
- Válvula solenóide i (i = 1 a 5)
xii
v
mód
- Velocidade tangencial no módulo
Y - Coeficiente de produção celular, ou coeficiente de síntese celular (gSSV/gDBO
5
)
Y
obs
- Produção líquida de sólidos em suspensão voláteis, já levando em consideração
a destruição dos sólidos biodegradáveis (kgSSVTA/kgDBO
5
)
α - Fator de correção para esgoto doméstico (adimensional)
∆P – Pressão transmembrana (bar)
∆SS - Produção do lodo em excesso (kg/d)
η - Viscosidade dinâmica do lodo (mPa.s)
ρ – Massa específica do lodo (kg/m
3
)
θ
c
- Idade do lodo (d)
µ
máx
- Taxa de crescimento específico máxima (d
-1
)
xiii
I
I
.
.
I
I
N
N
T
T
R
R
O
O
D
D
U
U
Ç
Ç
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O
O
E
E
O
O
B
B
J
J
E
E
T
T
I
I
V
V
O
O
S
S
Os recursos hídricos são um bem valioso, sendo essenciais nas inúmeras atividades
humanas. Em termos de quantidade total, a água disponível em nosso planeta é muito
superior à necessária aos diversos usos da população. No entanto, o crescimento
exagerado das demandas localizadas e a degradação da qualidade das águas vêm
gerando, em várias regiões, problemas de escassez deste recurso. Estima-se que
atualmente mais de um bilhão de pessoas vivam sob condições insuficientes de
disponibilidade de água para consumo e que, em 25 anos, cerca de 5,5 bilhões de
pessoas estarão vivendo em áreas com moderada ou séria falta de água (SETTI et al.,
2001).
A crescente escassez mundial de água é uma preocupação do novo milênio. No
Brasil, para combater o desequilíbrio hídrico e os conflitos de uso que têm surgido, foi
sancionada a Lei 9.433, de 08 de janeiro de 1997, que instituiu a outorga e cobrança
pelo uso da água, adotando o princípio "poluidor-pagador": quem polui mais, paga
mais.
A deterioração do meio ambiente é um aspecto que contribui sobremaneira para a
questão de escassez de água. A grande maioria das cidades brasileiras ainda lança
esgotos não tratados nos corpos hídricos, acarretando grande degradação ambiental.
Como conseqüência, muitos rios brasileiros se encontram bastante poluídos,
inviabilizando o tratamento de suas águas para o abastecimento doméstico por
processos convencionais. Isso sem mencionar os inúmeros problemas sanitários que
são causados por águas contaminadas. Infecções relacionadas com a água, como
amebíase, febre tifóide, disenteria bacilar, cólera, esquistossomose, diarréias, hepatite
A, entre outras, poderiam ser controladas com o tratamento dos esgotos.
A situação do saneamento ambiental no Brasil, especialmente com relação aos
sistemas de esgotamento sanitário, é precária. Segundo o Diagnóstico dos Serviços
de Água e Esgotos – 2002 (IPEA, 2004), enquanto o índice médio de abastecimento
de água é de 91,7%, o índice médio nacional de tratamento dos esgotos gerados
(considerando o volume de esgotos gerados como o volume total de água consumida)
é de apenas 27,3%.
Na busca pela melhoria da qualidade dos recursos hídricos e pela solução dos
problemas de escassez de água, o uso de tecnologias para tratamento de esgotos que
1
I. Introdução e Objetivos
possibilitem atingir padrões de qualidade compatíveis com o reúso é fundamental. A
utilização de esgotos tratados é uma alternativa para o aumento da disponibilidade de
água em regiões carentes de recursos hídricos, seja por qualidade ou por quantidade,
sendo uma tendência atual considerar a água residuária tratada como um recurso
hídrico a ser utilizado para diversos fins. Com o reúso do efluente tratado, liberam-se
as águas de melhor qualidade para usos mais nobres, como o abastecimento
doméstico.
Neste contexto se inserem os processos híbridos representados por tratamento
biológico e por módulos de membranas, sendo considerados uma alternativa
tecnológica bastante viável, seja do ponto de vista econômico ou da grande eficiência
apresentada pelo sistema. Estes processos são conhecidos por biorreatores com
membrana (MBR).
Os MBR apresentam inúmeras vantagens em relação às tecnologias hoje existentes.
O efluente tratado (permeado) tem qualidade excelente, podendo se apresentar com
ausência de contaminação fecal e de sólidos suspensos e qualidade praticamente
constante. Suas características são superiores, na maioria dos casos, àquelas obtidas por
uma estação clássica de tratamento de esgotos.
O permeado pode ser usado como água de reúso para fins não potáveis, como para
irrigação de plantações, áreas verdes e jardins, na construção civil para preparação de
concreto e compactação do solo, para recarga de lençol freático, em descargas
sanitárias, lavagem de pisos e equipamentos e também em alguns processos
industriais. Essa reutilização pode conduzir a uma mudança na gestão global dos
recursos hídricos, com os esgotos sanitários se tornando um produto dotado de valor
econômico.
O processo de tratamento de esgotos por lodos ativados, utilizando biorreator com
membrana, vem se desenvolvendo rapidamente. Os MBR começaram a se difundir na
década de 90 e atualmente já existem mais de 1.000 estações de tratamento
espalhadas pelo mundo. Porém, a operação de biorreatores com membrana ainda
necessita ser bastante estudada, avaliando-se melhor a influência de cada parâmetro
operacional no comportamento das membranas e na eficiência do sistema. A falta de
compreensão sobre o comportamento destes sistemas por projetistas e operadores de
estações de tratamento de esgotos faz, muitas vezes, com que o MBR não seja
operado de forma a maximizar seu desempenho. As conseqüências são a redução da
2
I. Introdução e Objetivos
vida útil da membrana e/ou valores de fluxo permeado que tornam inviável
economicamente a operação do sistema.
Desta forma, não obstante as inúmeras vantagens desta tecnologia, há um grande
desafio para sua consolidação e aplicação em larga escala. Este desafio consiste em
compreender melhor o comportamento da membrana para cada conjunto de valores
fixados para os parâmetros operacionais, a fim de minimizar os efeitos negativos
causados pela polarização de concentração e pelo “fouling” e de otimizar os custos de
instalação e operação de MBR. A polarização de concentração e o “fouling” provocam
a queda no desempenho da membrana, quando se trabalha com uma solução ou
suspensão.
Os custos com instalação, operação e manutenção de MBR são competitivos com os
outros sistemas de tratamento, visto que esta tecnologia reduz a necessidade de
obras civis e equipamentos, e suprime a necessidade de um sistema de tratamento
terciário para desinfecção do efluente. Porém, para que estes sistemas de tratamento
sejam mais adotados em estações de tratamento de esgotos de maior capacidade, é
necessária ainda maior redução nos custos das membranas.
Os custos envolvidos com o uso de membranas vêm diminuindo, uma vez que estas
estão sendo produzidas em maior escala, vêm apresentando vida útil maior e fluxo
permeado mais estável e elevado, além de mais empresas estarem entrando no
mercado.
No Brasil, as membranas utilizadas são de tecnologia importada. A viabilização da
produção de membranas através de tecnologia totalmente nacional poderia criar novas
perspectivas para o seu mercado, gerando o aparecimento de um grande nicho
mercadológico com reposição de membranas e ampliação do seu emprego.
Neste contexto, este trabalho é uma contribuição para avaliar o comportamento das
membranas fabricadas no Laboratório de Processos de Separação com Membranas
(PAM), da Coordenação dos Programas de Pós-graduação em Engenharia (COPPE)
da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), visando o tratamento de esgotos
domésticos. O laboratório desenvolve pesquisas na área de processos com
membranas desde 1968. Busca-se contribuir para a consolidação do desenvolvimento
desta tecnologia no Brasil, possibilitando a redução dos custos envolvidos com
3
I. Introdução e Objetivos
membranas, evitando-se a necessidade de aquisição de módulos de empresas
estrangeiras.
I.1. Objetivos
O presente estudo tem como objetivo principal avaliar o comportamento das
membranas em um MBR visando o tratamento de esgotos domésticos. O módulo de
membranas foi alimentado com lodo ativado, sendo o concentrado (corrente retida
pela membrana) recirculado para o tanque, mantido aerado. O permeado foi obtido por
diferença de pressão positiva.
A partir deste objetivo geral, foram estabelecidos alguns objetivos específicos:
• Estabelecer valores ótimos para alguns parâmetros operacionais (velocidade
tangencial do lodo no módulo de membranas, pressão transmembrana
gerada pelo líquido, vazão de ar injetada junto com o lodo ativado na
tubulação de alimentação do módulo de membranas, período entre
retrolavagens e duração da mesma), visando a obtenção de um fluxo
permeado estável ao longo do tempo;
• Avaliar o comportamento do sistema com a injeção de ar na linha de
alimentação do módulo;
• Investigar a influência da retrolavagem no valor do fluxo permeado
recuperado ao longo do tempo;
• Avaliar a influência da concentração de sólidos suspensos no tanque de
aeração sobre o valor do fluxo permeado recuperado;
• Avaliar a qualidade do permeado obtido, principalmente sob o aspecto de
contaminação fecal;
• Avaliar se as membranas fabricadas no Laboratório PAM são potencialmente
aplicáveis para o tratamento de esgotos domésticos;
• Avaliar o comportamento das membranas ao longo do tempo com o sistema
operado em modo contínuo.
I.2. Estrutura da Dissertação
Este trabalho está estruturado em sete capítulos, como descrito a seguir.
4
I. Introdução e Objetivos
A revisão bibliográfica, por questões didáticas, está dividida em três capítulos
(Capítulos II, III e IV). No Capítulo II é feita uma abordagem geral sobre alguns
aspectos relevantes dos processos de separação por membranas, enfatizando-se a
filtração de suspensões através de membranas de microfiltração. O Capítulo III é
composto por uma revisão sobre o tratamento de esgotos por lodos ativados
convencional, sendo descritos principalmente os parâmetros que influem no processo
e os sistemas de aeração que podem ser instalados no tanque de aeração. No
Capítulo IV, os conceitos introduzidos nos Capítulos II e III são usados como base
para discutir a aplicação de biorreatores com membrana (MBR) visando o tratamento
de esgotos domésticos. São apresentadas inicialmente uma visão geral sobre as
configurações de biorreatores com membrana, as vantagens e desvantagens do uso
desta tecnologia e uma avaliação do mercado de MBR. Em seguida, são discutidos
alguns parâmetros operacionais que afetam o desempenho das membranas. Algumas
faixas usuais de valores de parâmetros de operação e de eficiência do tratamento são
comentadas, sendo estes valores comparados aos dos processos lodos ativados
convencional e lodos ativados por aeração prolongada. Uma avaliação mais detalhada
do comportamento de MBR com o módulo submerso e externo ao tanque de aeração
é realizada. Dada a escassez de uma bibliografia sobre este assunto em língua
portuguesa, esta é uma das contribuições deste trabalho para facilitar a difusão desta
tecnologia no Brasil.
No Capítulo V (Materiais e Métodos) é descrita a metodologia experimental
empregada no desenvolvimento do presente trabalho. Inicialmente é relatada a etapa
de fabricação e caracterização das membranas usadas. Em seguida, são
apresentados os procedimentos experimentais dos testes realizados no sistema
preliminar, no sistema montado para realização dos ensaios em batelada e no sistema
montado para realização dos experimentos em modo contínuo. Os métodos adotados
para análise dos parâmetros relacionados à eficiência do tratamento também são
descritos.
O Capítulo VI (Apresentação e Discussão dos Resultados) é a principal contribuição
desta dissertação, sendo apresentados os resultados obtidos durante a realização
desta pesquisa. Inicialmente são descritos e analisados os resultados da
caracterização da membrana através de microscopia eletrônica de varredura,
permeabilidade à água e ao ar. Em seguida, são discutidos os efeitos dos seguintes
parâmetros operacionais no valor do fluxo permeado: velocidade tangencial do lodo
5
I. Introdução e Objetivos
ativado no módulo, pressão transmembrana gerada pela corrente líquida, vazão de ar
injetada na tubulação de alimentação do módulo (e conseqüentemente pressão
gerada pelo ar injetado) e concentração de lodo no biorreator. A influência da
retrolavagem na operação por longos períodos também é analisada, bem como a
importância da operação adequada do sistema para um melhor desempenho da
membrana em estado estacionário. A qualidade do permeado recuperado é avaliada,
principalmente sob o aspecto de contaminação fecal.
Finalizando esta dissertação de mestrado, no Capítulo VII (Conclusões e Sugestões
para Trabalhos Futuros) são relatadas as principais conclusões obtidas e são
apresentadas algumas sugestões para trabalhos futuros.
6
I
I
I
I
.
.
P
P
R
R
O
O
C
C
E
E
S
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B
B
R
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A
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N
N
A
A
S
S
(
(
P
P
S
S
M
M
)
)
Neste capítulo procura-se apresentar uma visão geral sobre os processos de
separação por membranas. Primeiramente são introduzidos alguns conceitos básicos.
Em seguida, são apresentadas vantagens e desvantagens inerentes à utilização desta
tecnologia, com uma descrição de aplicações de membranas em diferentes áreas. A
variação do fluxo permeado com o tempo na filtração de suspensões e a seletividade
da membrana são então discutidas, procurando-se descrever os efeitos gerados pela
polarização de concentração e pelo “fouling”.
II.1. Introdução
De forma geral, uma membrana é um filme que separa duas fases, atuando como uma
barreira semipermeável e seletiva, restringindo, total ou parcialmente, o transporte de
uma ou várias espécies químicas presentes nas soluções. Para que ocorra o
transporte destas espécies é necessária a existência de uma força motriz, além do
meio permitir a passagem da espécie (permeabilidade do meio).
A principal força motriz responsável pelo transporte de uma espécie em processos
com membrana é o seu gradiente de potencial químico entre os dois lados da
membrana (que se traduz em gradiente de concentração, pressão e/ou de
temperatura). No caso particular de espécies iônicas, a força motriz pode ser, também,
um gradiente de potencial elétrico (HABERT et al., 2003).
As membranas que possuem as mesmas características morfológicas ao longo de sua
espessura são denominadas isotrópicas e as com características diferentes são
conhecidas por membranas anisotrópicas ou assimétricas. As assimétricas vêm sendo
mais utilizadas e são compostas por uma camada superior muito fina (“pele”)
suportada em uma estrutura porosa e mais grossa, responsável pela estabilidade
mecânica do conjunto (Figura II.1). A pele define a resistência à filtração e a
seletividade da membrana, sendo mais fechada. Para se otimizar a separação, o
material utilizado na fabricação da pele pode ser diferente do material empregado no
preparo do suporte. Na Figura II.2 abaixo podem ser observadas as morfologias mais
comuns de membranas sintéticas.
7
II. Processos de Separação por Membranas (PSM)
Figura II.1 - Seção transversal de uma membrana assimétrica de polietersulfona
sulfonada (CHOI et al., 2002).
Figura II.2 - Representação da seção transversal das diferentes morfologias de
membranas sintéticas (HABERT et al., 2003).
De acordo com SCHNEIDER & TSUTIYA (2001), qualquer material que permita a
síntese de filmes com porosidade controlada pode ser utilizado para a fabricação de
membranas. Na prática, entretanto, o mercado é dominado por membranas
preparadas a partir de materiais poliméricos orgânicos. Os polímeros mais utilizados
são acetato de celulose, polisulfona, polietersulfona, polieterimida, poliálcoolvinílico,
poliuretana, entre outros.
Membranas fabricadas com material inorgânico, apesar de apresentarem maiores
resistências mecânica, térmica e química e vida útil mais longa, são mais caras,
restringindo sua aplicação a soluções agressivas (pH muito baixo ou muito alto), ou
quando a solução problema se encontra em temperatura elevada. As membranas
8
II. Processos de Separação por Membranas (PSM)
inorgânicas podem ser cerâmicas (de óxidos de zircônio, alumínio ou titânio), de metal
e grafite.
De acordo com STEPHENSON et al. (2000), em função do material utilizado e da
especificidade da membrana, seu custo pode variar de US$18 por metro quadrado
(membranas poliméricas mais simples, homogêneas) a US$1.800 por metro quadrado
(membranas de MF ou UF de titânio e/ou zircônio).
As membranas podem ser densas ou porosas, sendo esta característica definida pela
superfície da membrana em contato com a solução. Quando a membrana é densa, ou
seja, não possui poros na superfície em contato com a solução a ser processada, o
transporte das moléculas envolve uma etapa de dissolução (sorção dos componentes
na superfície da membrana), difusão através do material que constitui a membrana
com posterior dessorção do componente. Já nos processos que envolvem membranas
porosas, o transporte é fundamentalmente convectivo, ocorrendo através de seus
poros.
Em função da composição da solução problema a ser filtrada, se desenvolveram os
processos com membranas de microfiltração (MF), ultrafiltração (UF), nanofiltração
(NF) e osmose inversa (OI). Nestes processos, a força motriz é o gradiente de pressão
e estes podem ser considerados como uma extensão dos processos de filtração
clássica. O que os diferencia é o tamanho do poro e a pressão necessária para
operação. Na microfiltração, o sistema de filtração costuma ser operado sob diferença
de pressão de operação de 0,2 a 2,0 bar. Os sistemas com membranas de UF são
operados com pressão variando de 2,0 a 7,0 bar, os com membranas de NF com
pressão entre 7,0 e 20,0 bar, enquanto que, para a osmose inversa, pressões da
ordem de 20,0 a 80,0 bar são necessárias. Quanto ao tamanho de poro, as
membranas de MF apresentam poros de 0,1 a 2,0 µm, enquanto a membrana de OI
pode ser considerada densa, ou seja, não apresentando poros discretos. Na Figura
II.3 é apresentada a faixa de tamanho de poros dessas membranas comparando-as
com dimensões médias de espécies normalmente existentes em esgotos sanitários ou
efluentes industriais.
9
II. Processos de Separação por Membranas (PSM)
Figura II.3 – Diâmetro médio dos poros de membranas de MF, UF, NF e OI.
No processo denominado OI, o sentido do fluxo permeado é inverso ao sentido do
fluxo osmótico normal (Figura II.4), ou seja, o solvente escoa do lado da solução mais
concentrada para o lado da solução mais diluída. É aplicada uma pressão elevada (de
20,0 a 80,0 bar) pelo lado da solução concentrada, fazendo com que o potencial
químico do solvente na solução concentrada seja maior que o potencial químico do
solvente na solução mais diluída, resultando na inversão do sentido do fluxo osmótico.
Figura II.4 – A osmose e a osmose inversa (HABERT et al., 2003).
Alguns exemplos de aplicação desses processos são:
• MF: empregado para concentração de células e esterilização bacteriana.
Pode ser usado para o tratamento terciário de efluentes, permitindo não
somente a obtenção de um efluente clarificado, como também desinfetado;
• UF: utilizado para o fracionamento de proteínas;
• NF: usado para redução de dureza e remoção de cor;
• OI: aplicado na dessalinização e desmineralização de águas.
10
II. Processos de Separação por Membranas (PSM)
As membranas podem ser produzidas na geometria plana ou cilíndrica. As membranas
de geometria cilíndrica podem ser tubulares ou do tipo fibra oca. SCHNEIDER &
TSUTIYA (2001) descrevem as membranas tubulares como membranas com diâmetro
maior que 3,0 mm e, as com diâmetro menor que 3,0 mm, são consideradas do tipo
fibra oca.
Para serem utilizadas industrialmente, as membranas são acomodadas em módulos.
Os módulos são estruturas com membranas capazes de suportar a pressão aplicada
sobre o sistema. Estas estruturas devem apresentar canais para alimentação do
módulo e para a remoção do concentrado e do permeado. Algumas características
importantes são:
• Impedir o contato do permeado com a solução a ser tratada, evitando a
contaminação do permeado;
• Favorecer a circulação da solução a ser tratada, evitando o acúmulo de
material sobre a superfície das membranas e a existência de volumes
mortos;
• Apresentar elevada área superficial de membrana por unidade de volume de
módulo e baixo consumo energético por unidade de volume de água
produzida;
• Facilitar a promoção de turbulência no seu interior para melhorar o
desempenho da membrana na filtração de suspensões.
Os principais tipos de módulo são módulos do tipo placa e quadro (Figura II.5), espiral
(Figura II.6), módulos com membranas tubulares (Figura II.7) e com fibras ocas (Figura
II.8).
Figura II.5 – Módulo tipo placa e quadro (DECOL, 2003; CENTROPROJEKT DO
BRASIL, 2004).
11
II. Processos de Separação por Membranas (PSM)
Figura II.6 – Módulo espiral utilizando membranas planas (HABERT et al., 2003).
Figura II.7 – Módulos com membranas tubulares (DECOL, 2003).
Figura II.8 – Módulo com membranas fibras ocas (HABERT et al., 2003).
Módulos de fibra oca costumam apresentar maior densidade de empacotamento, ou
seja, maior relação área superficial de membrana por unidade de volume do módulo
(2.000-10.000 m
2
/m
3
), se comparados aos outros tipos de módulo. Módulos tubulares
em geral são mais indicados em processos onde é necessário elevada turbulência,
pois a limpeza costuma ser mais eficiente. A área de membrana por unidade de
volume nestes módulos costuma variar de 20 a 30 m
2
/m
3
(STEPHENSON et al., 2000).
12
II. Processos de Separação por Membranas (PSM)
Em função da pele seletiva da membrana fibra oca ser externa ou interna, a
alimentação dos módulos com estas membranas pode ser realizada de duas formas: a
solução pode escoar entre a carcaça do módulo e a superfície externa das fibras,
sendo o permeado retirado pelo interior (lúmen) das fibras ou a solução pode ser
bombeada pelo lúmen e o permeado coletado por canais existentes na carcaça do
módulo.
II.2. Vantagens e Desvantagens da Aplicação de PSM
As principais vantagens dos processos com membranas são:
• Alta seletividade: os processos de separação por membranas permitem a
obtenção de permeado com características bastante específicas, a partir do
uso de um só processo ou do acoplamento de processos;
• Em geral, os PSM são operados em temperatura ambiente, não sendo
necessário alterar a temperatura da solução para promover a separação das
fases. Esta característica torna possível sua aplicação na área de
biotecnologia;
• Simplicidade de escalonamento (“scale-up”), facilitando a passagem da
escala piloto para a comercial, pois é possível o uso de módulos de
membrana em laboratório de mesma dimensão daqueles utilizados
comercialmente;
• Baixo consumo de energia: com exceção do processo de pervaporação
(neste processo, uma mistura líquida em contato com uma das superfícies da
membrana se difunde através da mesma, passando ao estado de vapor após
permear pela membrana), os PSM promovem a separação sem que ocorra
mudança de fase;
• Podem ser facilmente combinados com outros processos.
As principais desvantagens são:
• É uma tecnologia com custo elevado. Porém, os custos associados à
aplicação desta tecnologia vêm sendo consideravelmente reduzidos, uma
vez que as membranas estão sendo produzidas em maior escala, mais
empresas estão entrando no mercado e, se bem operadas, as membranas
vêm apresentando maior vida útil e fluxo permeado mais estável e elevado.
Por exemplo, membranas de microfiltração, com tamanho de poro médio de
0,4 µm, produzidas pela empresa Kubota, tiveram seu custo reduzido de US$
13
II. Processos de Separação por Membranas (PSM)
400 (1992) para US$ 100 (2000) por metro quadrado de área superficial de
membrana (CHURCHOUSE & WILDGOOSE, 1999);
• Resistência natural à inovação tecnológica. Dado que é uma tecnologia ainda
pouco testada em escala comercial, é necessária a operação por períodos
mais longos visando avaliar melhor seu desempenho e determinar os valores
dos parâmetros chaves, com a finalidade de garantir o melhor
comportamento da membrana ao longo do tempo e de obter dados
suficientes para a elaboração de modelos confiáveis;
• A necessidade de troca periódica dos módulos. Porém, com as pesquisas na
área de desenvolvimento de membranas, a freqüência de substituição dos
módulos vem diminuindo. Por exemplo, a vida útil de projeto das membranas
fabricadas pela empresa Kubota já aumentou de 3 para 8 anos
(CHURCHOUSE & WILDGOOSE, 1999).
II.3. Aplicações Diversas e o Mercado de Membranas
Processos de separação por membranas são relativamente novos. A tecnologia de
membranas foi comercializada inicialmente nos anos 60, para a dessalinização de
água do mar, utilizando membranas de osmose inversa (SCHNEIDER & TSUTIYA,
2001). Todavia, do final dos anos 60, até o ano 2000, o mercado de separação por
membranas passou de cerca de US$ 2 milhões/ano para cerca de US$ 4,4
bilhões/ano (HABERT et al., 2003).
Atualmente, os PSM são aplicados em hemodiálise, na dessalinização de águas,
como separador atuando em células de combustível, no tratamento de água e de
efluentes, na obtenção de água com alto grau de purificação, oxigenação do sangue, e
inúmeras outras aplicações (STRATHMANN, 2001).
Existem ainda inúmeras pesquisas em desenvolvimento, principalmente nas áreas
ligadas a aplicações nas indústrias biomédicas e de alimentos. Biorreatores a
membrana e a combinação de diferentes processos de membranas em seqüência,
objetivando aumentar o fluxo de efluente tratado e maior eficiência do sistema, têm
sido aplicados em indústrias químicas e petroquímicas, em biotecnologia e no
tratamento de água e de efluentes.
14
II. Processos de Separação por Membranas (PSM)
II.4. Fluxo Permeado e Seletividade da Membrana
Existem dois principais parâmetros que determinam o desempenho de uma
membrana: o fluxo permeado através da membrana e sua seletividade.
O fluxo permeado é definido como o volume que permeia através da membrana por
unidade de área e de tempo, sendo geralmente representado pela unidade L/m
2
.h.
Admitindo-se que a membrana seja inerte em relação ao solvente e que não se
deforme pela ação da pressão, para os processos que utilizam o gradiente de pressão
como força motriz, o fluxo permeado (J
p
, em L/m
2
.h) de um solvente puro é
diretamente proporcional à pressão transmembrana:
(equação II.1)
PLJ
pp
∆= .
Onde:
L
p
= permeabilidade da membrana para o solvente em questão (L/m
2
.h.bar);
∆P = pressão transmembrana (bar).
Não há dependência do valor do fluxo permeado de um solvente puro em função do
tempo numa pressão de operação constante. Porém, caso ocorra alguma alteração
com a membrana, que pode ser atribuída a uma deformação mecânica, a interações
físico-químicas com o solvente ou a presença de impurezas no solvente, o fluxo
diminui com o tempo. Se o motivo para o decréscimo do fluxo com o tempo for apenas
a deformação mecânica, este decréscimo é atribuído ao fenômeno de compactação. A
compactação da membrana é função do valor da pressão aplicada e das
características estruturais da membrana.
O fluxo permeado pode ser determinado também a partir de uma medida da
resistência (R
m
, em m
-1
) que o meio oferece ao transporte (equação II.2), sendo R
m
inversamente proporcional à permeabilidade:
p
m
L
R
.
1
η
=
(equação II.2)
Onde η é a viscosidade do solvente que permeia através dos poros da membrana
(mPa.s).
15
II. Processos de Separação por Membranas (PSM)
Desta forma, o fluxo permeado de um solvente puro através de uma membrana limpa
pode ser obtido pela equação II.3:
P
R
J
m
p
∆= .
.
1
η
(equação II.3)
A seletividade de membranas porosas é geralmente medida pelo coeficiente de
rejeição (R), ou seja, pela eficiência de retenção dos compostos presentes na solução
de alimentação. Com base na Figura II.9, pode-se calcular o valor de R (equação II.4):
Figura II.9 – Seletividade em Processos com Membranas.
Onde C
a
é a concentração do composto na alimentação, C
c
a concentração no
concentrado e C
p
a concentração do composto no permeado.
100.1(%)
−=
a
p
C
C
R
(equação II.4)
Devido ao fenômeno de polarização de concentração, a concentração do composto na
interface da membrana (C
m
) é em geral mais alta que a concentração na alimentação,
porém, para efeitos de cálculo do R, adota-se C
a
=C
m
.
II.5. Fenômenos da Polarização de Concentração e do “Fouling”
Os processos com membranas podem ser operados da forma clássica, denominada
filtração convencional (em inglês adota-se o termo “dead end filtration”) ou em fluxo
cruzado (em inglês adota-se o termo “cross flow filtration”), sendo esta operação
denominada filtração tangencial. Na filtração convencional, a solução ou suspensão
problema é pressionada contra a membrana e, considerando-se que a membrana é
seletiva ou parcialmente seletiva aos compostos, haverá a retenção de substâncias
16
II. Processos de Separação por Membranas (PSM)
sobre sua superfície, formando-se uma camada polarizada. Com isso, aumenta-se a
concentração na interface membrana/solução e, dependendo das substâncias que
compõem esta camada próxima à superfície da membrana, se inicia um movimento
retro-difusivo em direção ao seio da solução, estabelecendo-se rapidamente um perfil
de concentração dos compostos na região próxima à interface membrana/solução.
Este fenômeno é conhecido como polarização de concentração e é inerente a
processos seletivos.
O termo polarização de concentração se refere a este gradiente de concentração de
materiais rejeitados que se estabelece sobre a superfície da membrana, dando origem
a uma camada limite determinada pela espessura desta região polarizada, logo acima
da superfície da membrana. No caso da filtração convencional, mesmo havendo o
retorno das substâncias ao seio da solução, a tendência é o aumento constante da
concentração de compostos próximo à membrana, sendo o regime de operação
transiente, pois o fluxo não estabiliza.
Quando a solução problema apresenta material em suspensão pode haver a formação
de uma torta que se deposita sobre a membrana. Esta torta costuma aumentar a
seletividade da membrana, porém diminui sua permeabilidade.
Na filtração em fluxo cruzado, a solução escoa paralelamente à superfície da
membrana, sendo o permeado retirado transversalmente à mesma. O gradiente de
concentração se estabelece rapidamente. Por este motivo o sistema pode ser operado
em condições de regime estabelecido (Figura II.10). A espessura da camada
polarizada ou da torta que se deposita sobre a membrana é determinada pela
concentração e composição da solução problema e pelas condições hidrodinâmicas
de operação do sistema.
17
II. Processos de Separação por Membranas (PSM)
Figura II.10 – Fenômeno da polarização de concentração.
Porém, na prática muitas vezes se observa, mesmo na filtração tangencial, um
decréscimo contínuo do fluxo permeado com o tempo, sendo esta queda atribuída ao
“fouling”. O “fouling” pode ser entendido como o conjunto de fenômenos capazes de
provocar uma queda no desempenho da membrana com o tempo, quando se trabalha
com uma solução ou suspensão e suas conseqüências são total ou parcialmente
irreversíveis.
Os principais fenômenos que contribuem para o “fouling” são:
• Bloqueio dos poros da membrana;
• Adsorção de partículas na superfície da membrana e/ou no interior de seus
poros devido a interações entre os solutos presentes na solução a ser tratada
e o material da membrana;
• Formação de camada gel. Altas concentrações de soluto na superfície da
membrana podem causar sua precipitação, formando uma camada gel.
Na Figura II.11 é demonstrada a influência da polarização de concentração e do
“fouling” na redução do fluxo permeado ao longo do tempo na filtração convencional e
na filtração tangencial.
18
II. Processos de Separação por Membranas (PSM)
Figura II.11 – Comparação da variação do fluxo permeado ao longo do tempo para o
processo de filtração convencional e para filtração tangencial.
A operação do sistema em condições ótimas favorece a diminuição dos efeitos da
polarização de concentração e do “fouling”, minimizando a queda do fluxo permeado
ao longo do tempo. À medida que se aumenta a velocidade tangencial no módulo de
membranas, na filtração tangencial, diminuem a espessura da camada polarizada e a
concentração na interface com a membrana. Outros fatores que influenciam são a
concentração da solução de alimentação e a pressão. O aumento da pressão pode
causar também um aumento da espessura da camada que se deposita sobre a
membrana, a compactação da membrana e maior adsorção de substâncias nos poros
da mesma. Assim, o efeito que a pressão teria sobre o valor do fluxo permeado é
parcialmente ou mesmo totalmente compensado por um aumento da espessura da
camada polarizada ou da torta. Desta forma, o fluxo deixa de aumentar linearmente
com a pressão, podendo até diminuir com o aumento da mesma (TARDIEU et al.,
1998).
II.5.1. Fluxo Permeado para Filtração de Suspensões
Para processos reais, é necessário acrescentar fatores de resistência, associados aos
diferentes mecanismos que levam à redução do fluxo através da membrana. Assim, a
equação do fluxo permeado através da membrana para a filtração de uma suspensão
é dada por:
(equação II.5)
p
J
∆
=
t
R
P
.
η
Onde R
t
é a resistência total e η a viscosidade da suspensão que permeia através dos
poros da membrana.
19
II. Processos de Separação por Membranas (PSM)
A resistência total é representada pela resistência original da membrana acrescida da
resistência devido à polarização de concentração, à formação de camada gel sobre a
membrana (se for o caso), ao bloqueio dos poros e à adsorção de partículas. Estes
fenômenos bloqueiam total ou parcialmente alguns poros da membrana.
É importante introduzir aqui o termo “biofouling” que, segundo SCHENEIDER &
TSUTIYA (2001), é o principal fenômeno responsável pela queda gradual mais lenta,
porém contínua, do fluxo permeado na filtração de suspensões. O “biofouling” é
caracterizado pela incorporação de matéria orgânica na torta e pelo crescimento de
comunidades microbianas na membrana. Os microrganismos ficam envoltos por um
gel composto de polímeros extracelulares (produzidos pelos próprios microrganismos).
A camada que se estabelece passa a funcionar como uma camada filtrante adicional.
Este conceito assume papel importante quando o PSM é adotado na área de
saneamento, pois leva à necessidade de limpezas químicas com maior freqüência e à
redução da vida útil das membranas.
Os autores fazem ainda uma observação interessante associada ao desenvolvimento
de microrganismos: na superfície da membrana e na tubulação em contato com o
permeado também se estabelecem condições para o desenvolvimento de
microrganismos, que utilizarão os componentes orgânicos que atravessam a
membrana em seu metabolismo. Outro fator que contribui para esse desenvolvimento
é o fato das membranas não serem fabricadas em ambientes estéreis e não operarem,
obviamente, em condições de assepsia. Daí também a importância da realização de
ciclos de limpeza química, evitando o crescimento de biofilmes não só na superfície da
membrana em contato com a solução a ser tratada, mas também na superfície e na
tubulação em contato com o permeado, evitando sua contaminação.
Com base no comportamento de membranas na filtração de soluções ou suspensões,
dois conceitos importantes foram estabelecidos: o conceito de fluxo limite e o de fluxo
crítico. Para pressões mais baixas, com o aumento da pressão existe um aumento do
fluxo permeado. Porém, à medida que se aumenta a pressão de operação, o fluxo
tende a um patamar, pois o aumento da pressão provoca também o aumento da
polarização de concentração, tendendo a diminuir o fluxo permeado. Assim, foi
definido o fluxo limite, que consiste no fluxo em que, mesmo com o aumento da
pressão, seu valor permanece inalterado.
20
II. Processos de Separação por Membranas (PSM)
O outro conceito importante é o conceito de fluxo crítico, que consiste num valor de
fluxo abaixo do qual não ocorre “fouling” ou a ocorrência do mesmo se torna
desprezível. Desta forma, praticamente não ocorre acumulação de partículas na
superfície da membrana e, se as interações entre o material da membrana e o soluto
forem desprezíveis, a filtração ocorre sob condições estáveis, sem alterações no valor
da permeabilidade da membrana com o tempo (OGNIER et al., 2004). A Figura II.12
abaixo ilustra estes dois conceitos.
Figura II.12 – Ilustração dos conceitos de fluxo limite e fluxo crítico (adaptada de
Visvanathan et al., 2000).
II.5.2. Minimização dos Efeitos da Polarização de Concentração e do “Fouling”
Para minimizar os efeitos da polarização de concentração e do “fouling”, deve-se antes
de tudo selecionar o modo apropriado para operar o sistema desde sua partida,
procurando-se selecionar condições ótimas operacionais. Pode-se ainda realizar um
pré-tratamento da suspensão e/ou inserir ar junto com a corrente de alimentação do
módulo (YU et al., 2003; CUI et al., 2003).
Além das estratégias acima citadas, para recuperar ao menos parcialmente o fluxo
permeado, adota-se a realização de retrolavagens e de limpezas periódicas
(CAMPOS, 2000; OGNIER et al., 2004).
A retrolavagem consiste em bombear o permeado (pode-se adicionar produtos
químicos no volume de permeado usado para retrolavagem ou utilizar ar) através da
membrana em sentido inverso ao da filtração por um curto intervalo de tempo (até 2
21
II. Processos de Separação por Membranas (PSM)
minutos, em geral). É um processo que deve ser realizado rapidamente, pois, durante
o tempo de duração da retrolavagem, deixa-se de usar o módulo para recuperação de
permeado, e gera-se outro efluente, que poderá, dependendo de suas características,
ser retornado para o tanque com a solução a ser tratada, sendo necessário filtrá-lo
novamente.
A limpeza periódica visa restaurar o fluxo permeado a valores próximos do fluxo inicial.
Pode ser realizada com surfatantes (como por exemplo, detergentes), soluções ácidas
ou alcalinas. A solução de limpeza deve possuir pH compatível com a faixa de pH
suportada pela membrana.
SCHNEIDER & TSUTIYA (2001) ressaltam a importância da formulação da solução de
limpeza, pois raramente o “fouling” é causado por um único tipo de material que se
deposita na membrana. Segundo os autores, para a remoção de depósitos inorgânicos
geralmente se emprega limpeza ácida, enquanto que, para a remoção de depósitos
orgânicos e biofilmes, a formulação da solução deve ser alcalina. Recomenda-se a
utilização de formulações diferentes de forma alternada. Os autores lembram que
aplicações repetidas de uma mesma solução podem resultar na seleção de um
biofilme resistente. Em geral, os fabricantes de membranas indicam as formulações
comerciais compatíveis com seus produtos.
PROVENZI e colaboradores (2003) adotaram o seguinte procedimento de limpeza:
circulação pelo módulo de solução básica de hidróxido de sódio (1%) por 45 minutos e
posterior limpeza ácida com ácido nítrico (1%) também por 45 minutos.
22
I
I
I
I
I
I
.
.
P
P
R
R
O
O
C
C
E
E
S
S
S
S
O
O
D
D
E
E
L
L
O
O
D
D
O
O
S
S
A
A
T
T
I
I
V
V
A
A
D
D
O
O
S
S
C
C
O
O
N
N
V
V
E
E
N
N
C
C
I
I
O
O
N
N
A
A
L
L
(
(
L
L
A
A
C
C
)
)
Neste capítulo é realizada inicialmente uma revisão de alguns aspectos relevantes do
processo de lodos ativados convencional. Em seguida, é comentada a importância do
monitoramento das espécies que se desenvolvem no lodo ativado e são descritos os
principais parâmetros que influem no processo. É apresentada ainda uma breve
discussão sobre os sistemas de aeração normalmente instalados no tanque de
aeração e sobre a capacidade de oxigenação destes sistemas.
III.1. Introdução
O processo de lodos ativados convencional (LAC) atualmente é a tecnologia
mais difundida para o tratamento de águas residuárias.
Este processo foi criado
através de estudos do Dr. Angres Smith, em 1882, do Dr. Gilbert John Fowler, em
1897 e dos experimentos de Clark e Gauge, em 1912.
O lodo ativado pode ser definido como o floco produzido, num esgoto bruto ou
decantado, pelo crescimento de bactérias zoogléias e/ou outros organismos, na
presença de oxigênio dissolvido, e acumulado em concentração suficiente graças ao
retorno de outros flocos previamente formados (JORDÃO & PESSÔA, 1995). A
composição microbiana do lodo ativado não é constante, refletindo as condições a que
o lodo ativado é exposto durante a operação do sistema. A capacidade dos
microrganismos do lodo ativado de formar flocos é fundamental em processos de lodo
ativado convencional a fim de possibilitar a sedimentação do lodo.
O processo é biológico, ocorrendo no reator (tanque de aeração) a degradação
bioquímica da matéria orgânica e, sob condições adequadas, da matéria nitrogenada
também. O esgoto afluente ao processo é colocado em contato com o lodo ativado do
tanque de aeração, sendo este mantido agitado e aerado. A vazão de ar deve suprir a
necessidade de oxigênio dos microrganismos e manter os sólidos em suspensão.
Após um tempo de detenção no reator, o esgoto segue para o decantador secundário,
onde os sólidos são separados do efluente tratado por ação da gravidade. Parte dos
sólidos é então recirculada para o tanque de aeração, a fim de garantir uma alta
concentração de biomassa no reator. A outra parte é descartada para manter a idade
do lodo adequada, sendo enviada para tratamento específico (estabilização do lodo),
23
III. Processo de Lodos Ativados Convencional (LAC)
secagem e destino final. O efluente tratado é obtido por escoamento através dos
vertedores.
Um esquema do processo de lodos ativados pode ser observado na Figura III.1
abaixo.
Figura III.1 – Esquema do Processo de Lodos Ativados Convencional.
Onde:
Q
afl
= vazão afluente;
Q
rec
= vazão de recirculação do lodo ativado;
Q
efl
= vazão efluente;
Q
lodoexc
= vazão de excesso de lodo ativado = (Q
afl
– Q
efl
);
Q
lodoret
= vazão de retirada de lodo = (Q
rec
+ Q
lodoexc
);
DBO
afl
= concentração de substrato, que equivale à demanda bioquímica de oxigênio
determinada para cinco dias (DBO
5
), afluente;
DBO
efl
= concentração de substrato, ou DBO
5
, efluente (e no tanque de aeração),
fração solúvel;
SSDP = concentração de sólidos em suspensão (SS) do efluente do decantador
primário, considerada desprezível;
SS
efl
= concentração de SS, do efluente;
SSTA = concentração de SS (lodo) no tanque de aeração;
SSVTA = concentração de sólidos em suspensão voláteis (SSV) no tanque de
aeração;
SS
lodorec
= concentração de SS no lodo recirculado;
V = volume do tanque de aeração.
A eficiência do tratamento depende de existirem condições adequadas para que os
microrganismos aeróbios se desenvolvam e se reproduzam e para que os sólidos não
24
III. Processo de Lodos Ativados Convencional (LAC)
sejam arrastados com o efluente tratado. Algumas condições ideais de operação do
sistema são pH entre 6,5 e 8,5, concentração de oxigênio dissolvido de pelo menos
1,5 mg/L, nutrientes em concentração suficiente e ausência de substâncias tóxicas.
Elevações de temperatura aumentam a taxa das reações químicas e biológicas (na
faixa usual de temperatura).
III.2. Microrganismos do Lodo Ativado
A remoção da matéria orgânica originária dos esgotos e, por conseguinte a geração de
energia nas células microbianas, ocorre na fase do metabolismo celular conhecida por
catabolismo ou desassimilação. A fase do metabolismo conhecida por assimilação, ou
anabolismo, é representada pelas reações que conduzem à formação de material
celular (crescimento). Esta fase ocorre com o auxílio da energia liberada na
desassimilação.
Pode-se estimar a concentração de biomassa no tanque de aeração pela análise de
sólidos suspensos (SSTA). O parâmetro SSTA corresponde ao parâmetro “mixed
liquor suspended solids”, na língua inglesa. De forma geral, os microrganismos que
compõe a biomassa são compostos de água e matéria seca. A matéria seca costuma
ser representada por cerca de 70 a 80% de matéria orgânica e de 20 a 30% de
matéria inorgânica.
A comunidade microbiana do tanque de aeração é composta basicamente por
bactérias heterotróficas. A quantidade de bactérias presentes no meio varia ao longo
do tempo de acordo com a disponibilidade de substrato. Para um excesso de
substrato, o crescimento é exponencial. Quando o alimento começa a ficar escasso, a
taxa de crescimento bacteriano se torna igual à taxa de mortandade. Para uma
quantidade de substrato disponível reduzida, se inicia a fase de declínio. Nesta fase,
prevalecem as carcterísticas da respiração endógena. As células morrem e liberam
seus nutrientes, servindo de alimento para outras células.
Além das bactérias heterotróficas, existe também um número significativo de
protozoários e, em menor quantidade, fungos e rotíferos. Bactérias nitrificantes
também estão presentes, sendo sua concentração dependente das condições
operacionais e das concentrações de nitrogênio e carbono disponíveis. Também é
possível o desenvolvimento de nematóides. As espécies que comporão o lodo ativado
25
III. Processo de Lodos Ativados Convencional (LAC)
são influenciadas pelas características do afluente ao tanque, pelas condições
ambientais do local e, principalmente, pelas condições de operação do processo.
Os protozoários se alimentam de bactérias e partículas coloidais (0,001 a 1,0 µm). Sua
presença indica a boa saúde do lodo, pois a maioria dos protozoários é aeróbia, sendo
uma indicação de que existe oxigênio dissolvido suficiente no tanque de aeração.
Ainda, esses organismos são mais sensíveis a condições tóxicas que as bactérias,
sendo que sua ausência ou imobilidade pode indicar que substâncias tóxicas estão
presentes. Já os rotíferos são estritamente aeróbios e são encontrados apenas em
processos de LAC bastante estáveis com idade de lodo longa. Podem ingerir flocos e
micróbios isolados e, assim como os protozoários, são mais sensíveis a cargas
tóxicas.
Através de um bom monitoramento das espécies que se desenvolvem no lodo ativado
é possível entender melhor o processo e identificar problemas operacionais, facilitando
a operação. Na partida do sistema, não há uma predominância entre os
microrganismos. Após um certo período, protozoários flagelados atingem seu pico.
Nesta fase, o lodo é jovem e se desenvolve uma quantidade de escuma branca ou
marrom claro considerável. Devido à mobilidade intensa, o lodo apresenta dificuldade
em sedimentar-se. Com a multiplicação dos protozoários flagelados, aumenta a
competição por alimento, favorecendo o desenvolvimento de protozoários ciliados de
vida livre e bactérias, organismos aptos a sobreviver com menos disponibilidade de
alimento. Nesta fase de operação, se forma uma quantidade moderada de escuma
marrom e o lodo apresenta boa sedimentação. Pode-se também operar sob condições
de escassez de alimento, havendo uma redução do material celular, prevalecendo as
características da respiração endógena. Os microrganismos consomem suas reservas
e diminui a síntese de novas células. As células são forçadas a metabolizar seu
próprio material celular, ocorrendo a lise celular, liberando nutrientes, que servem de
alimento para outras células, e estruturas celulares sólidas (substâncias poliméricas
extracelulares), que poderão flotar na superfície do decantador. Forma-se uma
escuma marrom escura e o lodo sedimenta rapidamente com uma aparência granular
devido à população de bactérias ter diminuído. Neste caso, ciliados fixos e rotíferos
são predominantes e consomem bactérias (NIEDRINGHAUS, 1982).
Organismos filamentosos Tipo 1701, Sphaerotilus natans e H. hydrossis são
indicadores de baixa concentração de oxigênio dissolvido, enquanto a grande
presença de fungos indica baixo pH (menor que 6). A presença de microrganismos,
26
III. Processo de Lodos Ativados Convencional (LAC)
como M. parcivella, Nocardia spp., Tipos 021N, 0041, 0675, 0092 e 0581 são
indicadores de baixa relação alimento por microrganismo (JORDÃO, 1998).
III.3. Parâmetros de Dimensionamento do Tanque de Aeração e de Controle
Operacional do Processo
Para o dimensionamento do tanque de aeração, deve-se utilizar um dos parâmetros
abaixo:
III.3.1. Relação Alimento/Microrganismo (A/M)
A relação A/M (equação III.1) é dada pela relação entre o alimento presente no esgoto
afluente, ou substrato, e os microrganismos no tanque de aeração (SSVTA). A NB-570
(ABNT, 1990) recomenda que esta relação seja mantida no intervalo de 0,07 a 1,1
kgDBO/kgSSVTA.d.
VSSVTA
DBOQ
M
A
aflafl
.
.
=
(kgDBO/kgSSVTA.d, ou simplesmente d
-1
) (equação III.1)
JORDÃO & PESSÔA (1995) reportam valores entre 0,30 e 0,40 d
-1
como típicos para
a relação A/M nos sistemas convencionais de lodos ativados, e entre 0,07 e 0,10 d
-1
nos sistemas de aeração prolongada.
III.3.2. Fator de Carga (f)
O fator de carga é estabelecido pela razão entre o alimento presente no esgoto
afluente e os SSTA. A NB-570 (ABNT, 1990) recomenda o valor de 0,05 a 0,90
kgDBO/kgSSTA.d.
III.3.3. Idade do Lodo (θ
c
)
A idade do lodo representa o tempo médio de permanência de uma partícula em
suspensão no tanque de aeração, ou o tempo médio de detenção celular (equação
III.2). Seu valor pode ser determinado pela razão entre a massa de SSVTA e a massa
de sólidos em suspensão voláteis descartada por dia.
27
III. Processo de Lodos Ativados Convencional (LAC)
eflefllodoreclodoexc
c
SSVQSSVQ
VSSVTA
..
.
+
=
θ
(equação III.2)
Para um sistema bem operado, pode-se desprezar o valor de SSV
efl
, sendo a idade do
lodo determinada pela equação III.3:
lodoreclodoexc
c
SSVQ
VSSVTA
.
.
=
θ
(equação III.3)
Nas estações de tratamento de esgotos (ETE) em que o lodo em excesso é retirado
diretamente do tanque de aeração, a equação III.3 se reduz à equação III.4:
lodoexc
c
Q
V
=
θ
(equação III.4)
Segundo a NB-570 (ABNT, 1990), a idade do lodo deve estar compreendida entre 2 e
40 dias. No processo convencional, θ
c
costuma ser mantida em torno de 4 - 10 dias e
no processo de aeração prolongada entre 20 e 30 dias (VON SPERLING, 1996).
Valores de θ
c
maiores que 15 dias, em geral, resultam no aparecimento de flocos
pequenos, que requerem uma menor taxa de vazão superficial no decantador final. A
idade do lodo assume assim importância fundamental, uma vez que governa a própria
sedimentação final do lodo ativado e a qualidade do efluente tratado (JORDÃO &
PESSÔA, 1995).
III.3.4. Taxa de Utilização de Substrato (U)
Pode ser calculada pela equação III.5 e expressa a velocidade de remoção do
substrato por unidade de massa de organismos.
VSSVTA
DBODBOQ
U
eflaflafl
.
).(
−
= (equação III.5)
A NB-570 (ABNT, 1990) recomenda que seu valor esteja dentro da faixa de 0,06 a 1,0
kgDBO
5
/kgSSVTA.d.
28
III. Processo de Lodos Ativados Convencional (LAC)
III.3.5. Outros Parâmetros Operacionais Importantes
A má operação do processo de LAC pode ocasionar o fenômeno do intumescimento
do lodo, convencionalmente denominado de “bulking” pela literatura inglesa. Os flocos
formados possuem pouca densidade e flotam na superfície do decantador secundário
ao invés de sedimentar, o que causa a produção de um efluente com alta
concentração de sólidos em suspensão. Portanto, a sedimentabilidade do lodo deve
ser sempre monitorada. Um bom parâmetro para investigar a sedimentabilidade do
lodo é o Índice Volumétrico de Lodo (IVL). O IVL (mL/g) representa o volume em
mililitros ocupado por um grama de lodo, após sedimentação por 30 minutos. Pode ser
determinado pela relação entre o volume de lodo que sedimenta após trinta minutos
em uma proveta graduada de 1000mL e a concentração de sólidos em suspensão
nessa amostra. Segundo JORDÃO (1998), valores do IVL acima de 200 costumam ser
uma indicação de lodo de má qualidade e má sedimentabilidade, enquanto valores
entre 40 e 150 têm indicado uma boa qualidade do lodo formado.
Outros dois parâmetros importantes são:
• Coeficiente de produção celular, Y, que corresponde à massa de sólidos em
suspensão voláteis produzida por unidade de massa de DBO removida (g/g);
• Coeficiente de autodestruição dos organismos ou coeficiente de respiração
endógena, k
d
, que corresponde à fração das células destruídas na fase de
auto-oxidação (d
-1
).
Estes parâmetros podem ser determinados pelas equações III.6 e III.7:
dt
ds
Y
dt
SSVTAd
.
)(
=
(equação III.6)
Onde:
=
dt
SSVTAd )(
taxa de crescimento bacteriano (massa/volume.tempo);
Y = coeficiente de produção celular, ou coeficiente de síntese celular;
dt
ds
= taxa de utilização de substrato pelos organismos (massa/volume.tempo) ou de
remoção de DBO.
29
III. Processo de Lodos Ativados Convencional (LAC)
bd
b
SSVTAk
dt
SSVTAd
.
)(
−=
(equação III.7)
Onde:
SSVTA
b
= concentração de sólidos em suspensão voláteis no tanque de aeração
biodegradáveis;
dt
SSVTAd
b
)(
= taxa de decréscimo da concentração de organismos ativos devido à
destruição de material celular pela respiração endógena.
A concentração de SSVTA
b
pode ser obtida multiplicando-se SSVTA por um fator f
b
. O
fator f
b
representa a fração biodegradável dos sólidos em suspensão voláteis. O valor
de f
b
pode variar de 0,47 a 0,77 em função do valor de k
d
e de θ
c
(VON SPERLING,
2002).
A variação da massa de organismos no reator é determinada pela soma algébrica das
parcelas acima resultando na equação III.8:
bd
SSVTAk
d
t
ds
Y
d
t
SSVTAd
..
)(
−=
(equação III.8)
A equação acima representa o crescimento bacteriano, expresso em termos de taxa
de remoção de substrato. De acordo com VON SPERLING (2002), o coeficiente de
produção celular Y varia tipicamente de 0,5 a 0,7 (gSSV/gDBO
5
) e o coeficiente de
respiração endógena k
d
varia de 0,06 a 0,10 (mgSSV/mgSSV.d).
III.3.6. Produção do Lodo em Excesso
O descarte de sólidos é fundamental para evitar uma elevação da concentração de
sólidos no tanque de aeração. Uma vez que os sólidos do reator são continuamente
transferidos para o decantador secundário, o nível da manta de lodo poderia ser
elevado, até um ponto em que os sólidos começariam a verter juntamente com o
efluente, deteriorando sua qualidade.
Para que a concentração de lodo no tanque de aeração seja mantida constante, o lodo
em excesso (representado por ∆SS) deve ser descartado do sistema diariamente. A
30
III. Processo de Lodos Ativados Convencional (LAC)
produção final líquida de lodo ∆SS corresponde a um ganho devido à fase de síntese
dos organismos, menos uma perda devido à fase de respiração endógena e pode ser
determinada pela equação III.9:
VSSVTAkQDBODBOYSS
dafleflafl
..)..(
−
−
=∆ (equação III.9)
Um termo que vem sendo bastante utilizado, que simplifica a equação acima, é o
coeficiente de produção Y corrigido pela fase de auto-oxidação, representado por Y
obs
.
Y
obs
corresponde à produção líquida de sólidos em suspensão voláteis e já leva em
consideração a destruição dos sólidos biodegradáveis. Este coeficiente pode ser
determinado pela equação III.10 (VON SPERLING, 2002):
cdb
obs
kf
Y
θ
..1+
=
Y
(equação III.10)
A equação III.9 pode então ser resumida à equação III.11:
afleflaflobs
QDBODBOYSS )..(
−
=∆ (equação III.11)
III.4. Aeração e Consumo de Oxigênio
A aeração deve garantir não somente oxigênio dissolvido em concentração suficiente
para a oxidação da matéria orgânica carbonácea e para a nitrificação (caso o sistema
apresente condições para sua realização), como também deve gerar a turbulência
necessária no interior do tanque para manter os sólidos em suspensão. A nitrificação
consiste na oxidação biológica da amônia a nitrito por bactérias, como as do gênero
Nitrosomonas, e do nitrito a nitrato, por bactérias do gênero Nitrobacter.
O ar pode ser introduzido no tanque de aeração por difusores (Figura III.2) e/ou por
agitadores mecânicos. Os difusores podem estar fixados no fundo do tanque ou
montados num sistema móvel, evitando a necessidade de esvaziamento do tanque
para sua limpeza ou manutenção.
31
III. Processo de Lodos Ativados Convencional (LAC)
Figura III.2 – Difusores de ar da ETE Norte de Brasília - DF.
Os difusores podem gerar bolhas finas, médias e grossas. Os difusores de bolhas
finas são mais eficientes na transferência de oxigênio devido ao maior contato
superficial das bolhas de ar com o meio líquido. Podem ser do tipo cerâmicos porosos
ou dotados de membrana permeável, e requerem a filtração do ar que os alimenta. Os
difusores de bolhas médias em geral são porosos não cerâmicos e os de bolhas
grossas não são porosos, apresentando bocais ou orifícios que permitem o
desprendimento do ar. Pode-se utilizar ainda sistemas com ejetores, que arrastam o ar
para o interior do tanque de aeração através de dispositivos apropriados. Os difusores
de bolhas grossas não requerem a filtração do ar, porém apresentam menor eficiência
na transferência de oxigênio.
Na aeração por sistemas de agitação mecânica, os agitadores revolvem o líquido,
colocando-o em contato com a atmosfera, garantindo a transferência de oxigênio e a
dispersão e incorporação do ar no meio líquido.
Os sistemas de aeração também podem introduzir oxigênio puro diretamente às
unidades do tratamento biológico. Este procedimento ainda é pouco utilizado no Brasil.
Para o dimensionamento do sistema de aeração, deve-se determinar a massa de
oxigênio necessária para satisfazer as necessidades diárias de metabolismo dos
organismos M (kgO
2
/d):
VSSVTAbQDBODBOaM
afleflafl
.'.).'.(
+
−
=
(equação III.12)
32
III. Processo de Lodos Ativados Convencional (LAC)
Onde a’ representa a fração da matéria removida que é usada para suprir energia para
a fase de síntese (adimensional) e b’ a quantidade de oxigênio utilizada por dia (em
kg), por kg de lodo no tanque de aeração (SSVTA), para a fase de respiração
endógena. Segundo JORDÃO & PESSÔA (1995), o valor de a’ varia entorno de 0,52 e
de b’ em torno de 0,12 d
-1
. VON SPERLING (2002) ressalta que o consumo de
oxigênio para satisfazer a demanda carbonácea aumenta com a idade do lodo.
Em caso de ocorrência de nitrificação, deve-se somar ao valor obtido pela equação
III.12 a demanda de oxigênio para a realização da nitrificação pelos organismos. Como
o nitrogênio orgânico, presente nos esgotos brutos, é inicialmente convertido a
amônia, pode-se considerar que o nitrogênio orgânico e o amoniacal geram consumo
de oxigênio, na presença de organismos nitrificantes. Para o cálculo deste consumo,
considera-se que 1 g de nitrogênio orgânico e/ou nitrogênio amoniacal requer 4,57 gO
2
para ser convertido a nitrato. WPCF (1987) cita que, para a maioria dos esgotos
domésticos, a demanda de oxigênio para a completa nitrificação aumenta o valor
calculado de M em cerca de 30 a 40%.
É necessário ainda verificar se a massa de oxigênio calculada obedece às exigências
da NB-570 (ABNT, 1990), que estabelece que a massa de oxigênio a ser fornecida ao
reator deve ser igual ou superior a:
• 1 vez e meia a carga de DBO
5
aplicada ao tanque de aeração quando a
idade do lodo for inferior a 18 dias ou a taxa de utilização de substrato
superior a 0,15 kgDBO
5
/kgSSVTA.d;
• 2,5 vezes a carga de DBO
5
aplicada quando a idade do lodo for igual ou
superior a 18 dias ou a taxa de utilização de substrato igual ou inferior a 0,15
kgDBO
5
/kgSSVTA.d;
• 3 vezes a carga de DBO
5
aplicada quando for necessária a nitrificação do
efluente e não ocorre a desnitrificação biológica.
Deve-se adotar a massa de oxigênio correspondente ao maior valor, seja o calculado
ou o estabelecido por Norma.
A massa real de oxigênio transferida para o reator pelo sistema de aeração por
unidade de tempo (N) deve ser igual ou superior à taxa de consumo de oxigênio pelas
bactérias. Assim, o sistema de aeração deve ser capaz de fornecer a quantidade de
oxigênio máxima a ser consumida pelos microrganismos nas condições de operação
do sistema.
33
III. Processo de Lodos Ativados Convencional (LAC)
Como os equipamentos de aeração possuem uma capacidade de oxigenação nas
condições de campo (reais) inferior à que se obtém no ensaio com condições padrão,
aos quais devem ser submetidos, deve-se calcular a massa de oxigênio transferida por
unidade de tempo nas condições padrão (N
0
) e corrigi-la para as condições de campo.
Para a realização do ensaio nas condições padrão (água limpa, temperatura do líquido
= 20
o
C, altitude = 0 m) deve-se desoxigenar a água limpa com sulfito de sódio,
usando cloreto de cobalto como catalisador. O tanque deve então ser aerado até que
a concentração de saturação de oxigênio seja atingida (C*). Ao longo deste tempo t,
deve ser monitorada a variação da concentração de oxigênio dissolvido no meio
líquido (C). Através do ensaio, é determinado o coeficiente global de transferência de
oxigênio K
L
a, que é característico de cada sistema de aeração e varia com a vazão de
ar transferida para o sistema.
A taxa de transferência de oxigênio pelo sistema de aeração para o tanque por
unidade de volume dC/dt (mgO
2
/L.h) pode ser expressa por (YUNT et al., 1980):
)*.(
águaáguaL
CCaK
dt
dC
−= (equação III.13)
Onde:
K
L
a = coeficiente global de transferência de oxigênio (1/min);
C* = concentração de saturação de oxigênio dissolvido (mg/L);
C = concentração do oxigênio dissolvido no meio líquido (mg/L).
Integrando-se a equação acima e, assumindo C* constante, obtém-se:
teconstaKCC
L
tan.)*ln(
+
−
=
−
(equação III.14)
Assim, o valor de K
L
a pode ser obtido pela inclinação da reta do gráfico
semilogarítmico, com ordenada ln (C* - C) e abscissa o tempo t.
De posse do valor de K
L
a, é possível determinar a massa de oxigênio transferida por
unidade de tempo nas condições padrão (N
0
):
34
III. Processo de Lodos Ativados Convencional (LAC)
)*.(.
0 águaáguaL
CCVaKN
−
=
(equação III.15)
Porém, quando o meio líquido para a transferência de oxigênio é esgoto, o valor de
K
L
a deve ser corrigido pelo fator α. Para esgotos domésticos tratados pelo processo
de LAC, seu valor varia em torno de 0,8 a 0,9.
O valor de K
L
a é estabelecido para 20
o
C e deve ser corrigido para a temperatura do
meio líquido no tanque de aeração pelo fator θ
(T - 20)
. O valor de θ é usualmente 1,024.
VON SPERLING (2002) ressalta que a influência da temperatura diminui com o
aumento da idade do lodo.
O K
L
a é determinado considerando-se a concentração de saturação de oxigênio
dissolvido na água. Porém, a concentração de saturação no esgoto é diferente da
concentração de saturação da água. A presença de sais, matéria particulada e
agentes tensoativos altera a concentração de saturação do líquido no reator. Por isso,
costuma-se considerar, em sistemas de lodos ativados, a concentração de saturação
de OD no tanque de aeração como aproximadamente 95% da concentração de
saturação na água limpa.
Desta forma, considerando-se todas as correções que devem ser feitas para a
determinação da massa real de oxigênio transferida para o tanque de aeração pelo
aerador por unidade de tempo (N), obtém-se:
)20(
02,1..
*
).*.(.
−
−
−=
T
esgesg
águaáguaL
C
CCs
CCVaKN
α
(equação III.16)
ou
)20(
0
02,1..
*
.
−
−
=
T
esgesg
C
CCs
NN
α
(equação III.17)
Onde:
N = massa de oxigênio real transferida para o tanque de aeração na unidade de tempo
(ou capacidade de oxigenação nas condições de operação do sistema);
V = volume do tanque;
C* = concentração de saturação de oxigênio na água limpa, nas condições padrão;
35
III. Processo de Lodos Ativados Convencional (LAC)
C
água
= concentração de OD na água limpa. Para o ensaio com água limpa, nas
condições padrão, C = 0 para as condições iniciais;
Cs
esg
= concentração de saturação de OD na temperatura do líquido no tanque de
aeração (valor freqüentemente adotado = 0,95.Concentração de saturação para água
limpa);
C
esg
= concentração de OD no esgoto, no tanque de aeração (geralmente mantida
entre 1,0 e 2,0 mg/L);
α = fator de correção (em geral varia de 0,8 a 0,9);
T = temperatura no meio líquido.
O sistema de aeração escolhido deve apresentar o valor de N equivalente às
necessidades dos microrganismos, conseguindo supri-las nas condições mais
desfavoráveis (DBO afluente elevada nas condições de vazão de pico).
Estabelecida a relação N
0
/N, pode-se obter:
N
N
MM
O
0
.
2
= (equação III.18)
Onde M
O2
é a massa de oxigênio que deve ser transferida para o meio líquido nas
condições padrão (kgO
2
/d), para que nas condições reais de operação esteja
disponível M.
III.5. Processo de Lodos Ativados – Modalidade Aeração Prolongada
Uma variante dos processos de tratamento de esgotos por lodos ativados é o
processo de lodos ativados por aeração prolongada. Nestes sistemas, procura-se
trabalhar na fase de respiração endógena.
No sistema convencional, a idade do lodo varia de 4 a 15 dias, a concentração de
SSTA varia de 1,5 a 4,5 g/L, a recirculação de lodo entre 25 a 100% e o tempo de
detenção hidráulica no reator (TDH) de 2 a 6 horas (JORDÃO & PESSÔA, 1995). No
processo conhecido por aeração prolongada, a idade do lodo é aumentada para cerca
de 18 a 40 dias e a concentração de SSTA para 4,0 a 8,0 g/L, recebendo a mesma
carga de DBO que o processo convencional, havendo portanto menos alimento para
as bactérias. O volume do reator aeróbio é maior e o tempo de detenção hidráulica é
36
III. Processo de Lodos Ativados Convencional (LAC)
estabelecido entre 8 e 24 horas. Há menos matéria orgânica por unidade de volume
do tanque de aeração e também por unidade de biomassa no reator.
Algumas vantagens deste processo sobre o LAC são:
Suporta melhor picos de carga orgânica devido à maior concentração de
biomassa no reator;
•
•
•
•
•
O lodo secundário é estabilizado aerobiamente no próprio tanque de
aeração;
O decantador primário costuma ser suprimido, contribuindo para a
simplificação do processo.
Algumas desvantagens que podem ser citadas são:
Tanques de aeração com volumes maiores, aumentando o custo envolvido
na etapa de construção civil;
Maior gasto com energia para a estabilização do lodo de forma aeróbia no
tanque de aeração e para manter os sólidos em suspensão em seu interior.
III.6. Partida do Reator
A partida do tanque de aeração envolve o enchimento do reator e o desenvolvimento
de uma biomassa ativa. O ideal é que o tanque seja preenchido parcialmente com lodo
ativado de uma estação próxima bem operada, a fim de reduzir o tempo de partida da
estação. Caso não seja possível a introdução de inóculo (lodo aclimatado), a
aclimatação do lodo será mais lenta e o tempo necessário para que a concentração de
SSTA desejada seja atingida será maior. Os esgotos domésticos naturalmente contêm
os microrganismos requeridos para a estabilização biológica da matéria orgânica,
porém a concentração é baixa.
Deve-se manter a concentração de oxigênio dissolvido inicialmente em 2,0 mg/L. Após
o decantador secundário ser preenchido e iniciada a operação do sistema, deve-se
retornar todo o lodo para o tanque de aeração até que a concentração de SSTA
desejada seja atingida. Após este valor ser atingido, pode-se iniciar a descarga de
excesso de lodo.
37
I
I
V
V
.
.
B
B
I
I
O
O
R
R
R
R
E
E
A
A
T
T
O
O
R
R
C
C
O
O
M
M
M
M
E
E
M
M
B
B
R
R
A
A
N
N
A
A
(
(
M
M
B
B
R
R
)
)
Neste capítulo são apresentadas inicialmente uma visão geral sobre as configurações
de biorreatores com membranas, as vantagens e desvantagens do uso desta
tecnologia e uma avaliação do mercado de MBR. Em seguida, são discutidos alguns
parâmetros operacionais que afetam o desempenho das membranas. Algumas faixas
usuais de valores de parâmetros de operação e de eficiência do tratamento são
comentadas, sendo estes valores comparados aos dos processos lodos ativados
convencional e lodos ativados por aeração prolongada. Uma avaliação mais detalhada
do comportamento de MBR com o módulo submerso e externo ao tanque de aeração
é realizada.
IV.1. Visão Geral
Considerando-se a atual situação dos recursos hídricos e sua premente possibilidade
de escassez, é fundamental o uso de tecnologias para o tratamento de esgotos que
possibilitem a obtenção de efluentes tratados que atendam não apenas aos padrões
de lançamento em corpos d’água, como também possam servir de água de reúso.
Neste crescente processo de escassez de água, o preço desse bem finito tende a ficar
cada vez mais alto, favorecendo o reúso da água, que tende a apresentar custo
menos elevado. Na medida em que a cobrança pelo uso da água (prevista na Lei
9.433, de 08/01/97) tornar-se mais abrangente, o mercado de água de reúso também
tenderá a crescer. Assim, a utilização das águas servidas para propósitos de uso não
potável, como na agricultura, representa um potencial a ser explorado em substituição
à utilização de água tratada e potável.
Uma tecnologia já consagrada para o tratamento de esgotos em todo o mundo é o
processo de lodos ativados convencional (LAC). Porém, a eficiência deste processo
depende do bom funcionamento do decantador secundário. Grandes volumes são
necessários para garantir a adequada separação dos sólidos da fase líquida. Um
controle sistemático do reator é necessário para evitar a produção de um lodo de má
sedimentabilidade e/ou o intumescimento do lodo. Mesmo com a boa operação do
processo, para possibilitar o reúso do efluente costuma ser necessário tratamento
terciário. A eficiência do processo de LAC, quanto à remoção de coliformes, é baixa e
usualmente insuficiente para atender até mesmo aos requisitos de qualidade dos
corpos receptores (VON SPERLING, 2002).
38
IV. Biorreator com Membrana (MBR)
Neste contexto, surgiram os biorreatores com membranas (MBR), que combinam as
vantagens da degradação biológica às vantagens dos processos de separação por
membranas. O biorreator com membrana pode ser definido como um processo híbrido
que combina reator biológico à tecnologia de membranas. Nestes sistemas, módulos
de microfiltração ou ultrafiltração funcionam como uma barreira, retendo a biomassa,
permitindo o controle do tempo de retenção da biomassa de forma completamente
independente do tempo de detenção hidráulica.
Esta tecnologia é geralmente empregada com o módulo de membranas acoplado a um
reator biológico aeróbio. Nestes sistemas, a membrana substitui o decantador
secundário e permite atingir concentrações de biomassa mais elevadas no tanque de
aeração que em sistemas de LAC. Este capítulo da revisão bibliográfica é voltado para
este tipo de aplicação.
Porém, as membranas também podem ser acopladas a biorreatores anaeróbios (BEN
AIM & SEMMENS, 2002; ELMALEH & ABDELMOUMNI, 1998; KWANG-HO &
CHUNG-HAK, 1996; SCHNEIDER, & TSUTIYA, 2001). Como os microrganismos
anaeróbios crescem a uma menor taxa, a membrana retém os microrganismos,
possibilitando o retorno dos mesmos para o reator. BAILEY et al. (1994) observaram
que o acoplamento do reator UASB (reator anaeróbio de fluxo ascendente) a uma
unidade externa de microfiltração para o tratamento de esgoto sintético gerou um
efluente com menor concentração de sólidos suspensos e uma maior eficiência na
remoção da demanda química de oxigênio. No entanto, muitas pesquisas já realizadas
concluíram que a membrana fica mais sujeita ao “fouling” nestes sistemas (BEN AIM &
SEMMENS, 2002). Mais estudos devem ser realizados para avaliar melhor o
desempenho das membranas visando este tipo de aplicação.
Os módulos de membrana podem ser submersos no tanque de aeração (Figura IV.1)
ou podem ser acoplados externamente ao reator (Figura IV.2).
39
IV. Biorreator com Membrana (MBR)
Figura IV.1 – Módulo de Membranas Submerso no Tanque de Aeração.
Figura IV.2 – Módulo de Membranas Externo ao Tanque de Aeração.
O módulo externo ao reator é operado em fluxo cruzado, ou seja, a solução ou
suspensão escoa paralelamente a superfície da membrana, enquanto o permeado é
transportado transversalmente a mesma. A velocidade tangencial no módulo promove
a turbulência próxima à membrana necessária para arrastar as partículas sólidas que
tenderiam a se depositar sobre a superfície da membrana. Nesta configuração, o
permeado é recuperado normalmente por diferença de pressão positiva gerada pela
vazão de circulação do lodo e por uma válvula reguladora de pressão. Pode-se
também utilizar uma bomba de sucção conectada à tubulação de recolhimento do
permeado, com o objetivo de aumentar o fluxo permeado.
Quando o módulo é submerso no tanque de aeração, a turbulência para minimizar o
depósito de partículas na superfície da membrana é promovida pela aeração do
sistema, que gera um efeito similar ao do fluxo cruzado. O permeado é obtido por uma
40
IV. Biorreator com Membrana (MBR)
diferença de pressão provocada pela coluna de líquido no interior do reator e/ou
aplicando-se vácuo no lado do permeado. O permeado pode ser recuperado também
por pressurização do biorreator.
Cada configuração possui suas vantagens e desvantagens. O MBR com módulo
externo tem maior flexibilidade operacional, apresentando, em geral, maiores fluxos
que a configuração com módulo submerso. Porém, esta configuração apresenta custo
energético elevado. Segundo GANDER e colaboradores (2000), a configuração com
módulo externo ao biorreator (módulo tubular) gera um consumo de energia cerca de
duas ordens de magnitude mais alto que o módulo submerso, devido à necessidade
de elevadas velocidades tangenciais do lodo no módulo. CÔTÉ et al. (1998)
mencionaram que MBR com módulo externo têm um consumo de energia de 2 a 10
kWh/m
3
de permeado produzido, dependendo do diâmetro interno dos canais
utilizados (considerando módulos tubulares). Já os MBR com módulos submersos têm
um consumo de energia de cerca de 0,2 a 0,4 kWh/m
3
de permeado produzido.
Na configuração com módulo submerso, se a concentração de sólidos suspensos for
muito alta, a aeração pode não ser suficiente para promover adequadamente a
turbulência necessária para minimizar a deposição de partículas sobre a membrana. A
aeração nesta configuração costuma ser realizada nas regiões próximas aos módulos
de membrana por bolhas grandes ou médias e, quando necessário, difusores de
bolhas pequenas são acrescentados no restante do tanque.
Ressalta-se que o módulo de membranas submerso apresenta em geral fluxo
permeado menor que o módulo externo devido à pressão transmembrana ser limitada
nesta configuração e ao mecanismo de limpeza não ser tão eficiente. É mais fácil
ocorrer a deposição de uma camada de espessura fina sobre a superfície da
membrana (BAI & LEOW, 2002). Com isso, maior área de membrana costuma ser
necessária, implicando no aumento dos custos para implantação da estação de
tratamento de esgotos (ETE) e para troca dos módulos.
IV.2. Vantagens e Desvantagens Sobre o Processo de LAC
O processo de membranas acoplado ao tanque de aeração não somente elimina a
necessidade do decantador secundário para separação sólido-líquido, como também
funciona como uma unidade de tratamento avançado para a remoção de bactérias
coliformes e sólidos suspensos, os quais não são removidos completamente pelo
41
IV. Biorreator com Membrana (MBR)
processo de lodos ativados convencional (YOON et al., 2004). Sejam quais forem as
condições de operação, o efluente não apresenta problemas para separação
sólido/líquido, pois toda a biomassa pode ser retida.
A completa retenção do lodo pelas membranas possibilita a manutenção de uma
elevada concentração de sólidos suspensos no biorreator, o que leva a um aumento
da idade do lodo e baixa relação alimento por microrganismo (A/M). Trabalha-se,
portanto, com reduzida carga orgânica por unidade de biomassa. Nestas condições,
prevalecem as características da fase de respiração endógena, em que as bactérias
são forçadas a utilizar seu próprio protoplasma celular como fonte de substrato. A
baixa relação A/M possibilita a redução do tempo de detenção hidráulica (TDH).
Quanto menor a relação A/M, maior a eficiência de biodegradação e menor a
produção de lodo. Elevadas concentrações de sólidos suspensos no tanque de
aeração (SSTA) em geral não são possíveis no processo de lodos ativados
convencional, pois, para manter a qualidade do efluente tratado, seria necessário
maior área de decantação, o que aumentaria o custo de implantação da ETE e a área
necessária para instalação do processo.
A elevada idade do lodo garante sua maior digestão nestes processos. CHOI et al.
(2002) citam que a quantidade de lodo gerada é cerca de 50% menor que no processo
de lodo ativado por aeração prolongada (LAAP). Segundo os autores, há uma
diminuição da atividade do anabolismo, sendo a matéria orgânica usada
principalmente para manutenção celular e não para formação de material celular.
Poucas pesquisas estão disponíveis sobre as características do lodo em excesso
gerado no MBR. Sabe-se que o lodo é mantido em alta concentração (em geral acima
de 10.000 mg/L) e a idade de lodo é elevada (normalmente mantida entre 30 - 60
dias), características de um processo de aeração prolongada. No processo de aeração
prolongada, o lodo final é altamente mineralizado, sem odor, o que permite que o
digestor anaeróbio seja suprimido e que o lodo em excesso seja simplesmente
desidratado e disposto em aterro ou utilizado como adubo. Pesquisas para investigar
melhor as características do lodo de MBR seriam bastante úteis, pois permitiriam
verificar se estas se aproximam das características dos processos LAC ou LAAP.
Como grande parte dos usos da água, principalmente em grandes centros urbanos,
destina-se a usos não potáveis (lavagens de pisos e equipamentos, descargas
sanitárias, lavagens de ônibus e trens, na construção civil, irrigação de áreas verdes),
42
IV. Biorreator com Membrana (MBR)
o efluente de MBR, além de atingir os padrões de lançamento de efluentes
estabelecidos pelas legislações, pode servir de água de reúso. Mesmo com
sobrecargas, a qualidade do efluente se encontra sempre dentro dos padrões pré-
estabelecidos, sendo possível inclusive a desinfecção do efluente.
Uma das grandes vantagens dos MBR é a viabilização de sistemas compactos de
tratamento de esgotos. Os módulos de membrana substituem os decantadores
secundários, podendo substituir também os decantadores primários, ocupando uma
área muito menor para tratar a mesma vazão. Uma vez que o reator é operado com
concentrações de SSTA bem mais elevadas, mantendo-se a relação alimento por
microrganismo fixa, o volume necessário para o tanque de aeração também pode ser
diminuído, resultando numa redução significativa da área destinada à ETE e dos
custos com obras civis. Em locais com áreas disponíveis reduzidas para a instalação
do tratamento ou em que o terreno é muito valorizado, esta solução garante um
tratamento eficiente e compacto.
Os picos de carga orgânica e as cargas com toxicidade se fazem sentir com mais
amenidade, devido à elevada concentração de lodo mantida no tanque de aeração.
Ainda, seja pela maior agitação, nos sistemas com módulo submerso, seja pela
velocidade tangencial, nos sistemas com módulo externo, os flocos apresentam
menores dimensões, de forma que a área superficial disponível em contato com a
matéria orgânica é maior, possibilitando aos microrganismos metabolizar e adsorver
maior carga orgânica.
Macromoléculas de lenta degradação têm maior chance de serem degradadas, devido
à maior concentração de microrganismos especialistas, à diminuição do tamanho
destas moléculas, devido à tensão cisalhante, e ao contato por mais tempo com a
biomassa no tanque de aeração. A seleção dos microrganismos presentes no sistema
não é dependente de sua habilidade em formar flocos e sedimentar.
O uso de membranas é uma ferramenta bastante útil para ampliar a capacidade de
ETE. Os módulos de membranas podem ser submersos tanto em decantadores
secundários, como em tanques de aeração de ETE já existentes. Desta forma, a
estação pode ser operada com concentração de biomassa mais elevada, aumentando
efetivamente sua capacidade de tratamento.
43
IV. Biorreator com Membrana (MBR)
A estratégia de adição de módulos de membranas para melhorar a qualidade do
efluente foi citada por BUISSON et al. (1998). Os autores propuseram que módulos de
membrana fossem submersos no tanque de aeração, que o tanque de
armazenamento de lodo da ETE original fosse usado como um reator anóxico para
remoção de nitrogênio e que o decantador secundário original passasse a funcionar
como tanque de armazenamento de lodo. Com esta configuração, a ETE modificada
poderia atingir os novos padrões de lançamento de efluentes e suportar as condições
de vazão de pico.
Como estes sistemas podem ser instalados em locais fechados, não há problemas de
geração de odor, nem de poluição visual. Uma estação de tratamento de esgotos por
MBR, instalada no Reino Unido, e um dos tanques de aeração desta ETE, com 22
módulos de membranas da empresa Kubota submersos, podem ser observados na
Figura IV.3.
Figura IV.3 – Estação de tratamento de esgotos Swanage, no Reino Unido
(CENTROPROJEKT DO BRASIL, 2004).
Para o tratamento de vazões acima da capacidade da estação, é possível modificar as
condições de operação de forma a obter maior fluxo permeado ou pode-se manter
módulos reserva, usando-os apenas nos momentos de pico de vazão. Quando a
vazão de operação for menor que a de projeto, módulos podem ser bloqueados.
Esta tecnologia é considerada por muitos como complexa, cara, pouco testada e viável
somente em pequenas estações. Porém, existem biorreatores com membranas em
operação a cerca de oito anos, o que tem demonstrado a confiabilidade deste
processo e sua fácil operação (CHURCHOUSE & WILDGOOSE, 1999). Os defeitos
em membranas são bastante raros, podendo ser facilmente detectados durante a
operação. Os sistemas são construídos de modo que, ao ser detectada alteração na
44
IV. Biorreator com Membrana (MBR)
qualidade do permeado (podendo-se adotar como parâmetro básico para esta análise
a cor ou a turbidez do permeado), o módulo danificado é bloqueado, de forma que o
sistema possa continuar a operar com os outros módulos e, assim que realizada a
manutenção no módulo com defeito (ou se necessário, este pode ser trocado), o
módulo é desbloqueado, voltando a fazer parte do sistema em operação.
Embora MBR venham sendo bastante empregados, a queda no desempenho da
membrana, devido à polarização de concentração e ao “fouling”, ainda é o maior
obstáculo para difundir a aplicação desta tecnologia em escala comercial. Assim,
muitas pesquisas ainda devem ser desenvolvidas para que seja possível compreender
melhor o comportamento das membranas e minimizar os efeitos do “fouling”.
IV.3. O Mercado de MBR
Smith e colaboradores foram os primeiros a descrever, em 1969, o uso de membranas
de ultrafiltração substituindo os decantadores secundários no processo de tratamento
de esgotos por lodos ativados. A primeira aplicação de reatores biológicos aeróbios
associados a módulos de membrana em escala comercial ocorreu na América do
Norte, no final dos anos 70, e depois no Japão, no inicio dos anos 80. Até meados dos
anos 90, a tecnologia do tratamento de esgotos por processos biológicos aeróbios
associados a membranas ainda não havia sido introduzida na Europa (STEPHENSON
et al., 2000). Porém, nos últimos anos houve uma grande evolução não só no número
de estações que utilizam MBR, como também na capacidade destas estações
(CHURCHOUSE & WILDGOOSE, 1999). Só a empresa Kubota, uma das principais
neste ramo, possui mais de 1.200 ETE em operação ou em construção (dado de
outubro de 2003, CENTROPROJEKT DO BRASIL, 2004).
MBR já são aplicados para o tratamento de vários tipos de efluentes, como esgotos
domésticos, chorume, efluentes de cervejaria, de laticínios, da indústria farmacêutica e
de navios.
Estes sistemas vêm sendo adotados também para o pré-tratamento de água do mar,
sendo o permeado encaminhado para o processo de osmose inversa (OI). A melhor
qualidade do efluente gerado pelo MBR resulta em fluxos mais elevados na osmose
inversa e em intervalos maiores entre ciclos de limpeza química. VISVANATHAN et al.
(2002) desenvolveram um estudo para avaliar, entre algumas alternativas, o pré-
tratamento mais adequado para eliminar o problema do “biofouling” em processos de
45
IV. Biorreator com Membrana (MBR)
osmose inversa visando o tratamento de água do mar e concluíram que o MBR foi o
sistema mais adequado. O pré-tratamento por MBR resultou em um fluxo permeado no
sistema de OI de aproximadamente 300% do valor obtido no mesmo sistema quando a
água do mar não foi pré-tratada por MBR.
Os módulos de membrana vêm sendo usados não só para substituir a função dos
decantadores, como também dos difusores. Por exemplo, módulos submersos no
tanque de aeração podem ser operados com a seguinte função: enquanto o permeado
é extraído por um módulo, o outro é alimentado com ar comprimido para a realização
de retrolavagem. Desta forma, não só a eficiência de transferência de oxigênio é
elevada, como também é realizada uma limpeza freqüente da membrana.
Como os custos das membranas são praticamente proporcionais à capacidade
volumétrica da estação, a redução nos custos com aumento da escala é menor
proporcionalmente que para estações convencionais de tratamento, cujos custos são
principalmente gerados pelas grandes construções civis. Assim, processos
convencionais apresentam, em geral, custo menor para instalação de grandes
estações de tratamento. Porém, se padrões mais restritivos precisarem ser atingidos
ou se a área para a construção da ETE é restrita, MBR são uma solução efetiva,
sendo considerados para estações de tratamento com capacidade acima de 50.000
m
3
/d (2.083 m
3
/h).
No caso da aplicação de MBR em locais ainda sem sistema de coleta e tratamento de
esgotos, sua instalação pode ser vantajosa se for aproveitado o menor custo de
instalação desta tecnologia para ETE de pequena capacidade, instalando estes
sistemas de forma descentralizada, minimizando também os investimentos elevados
em rede coletora.
DAVIES et al. (1998) avaliaram os custos de implantação e operação (num horizonte
de 25 anos) para estações de tratamento de esgotos com tratamento por LAC e MBR
(com módulo submerso). A análise foi realizada para ETE com vazões máximas de 58
m
3
/h (vazão média de 27 m
3
/h, população equivalente = 2.350) e 938 m
3
/h (vazão
média de 438 m
3
/h, população equivalente = 37.500). Não foram incluídos nos custos:
prédios, estradas de acesso, cercas, bombas de transferência, estações elevatórias,
tanques de armazenamento, disposição do lodo e telemetria. Taxas de licenciamento
e seguro também não estão incluídos. Os custos com decantador primário para a ETE
46
IV. Biorreator com Membrana (MBR)
de menor capacidade com LAC não foram considerados na análise de custos. Foi
considerada a troca de módulos a cada sete anos.
Os autores concluíram que o custo da estação com tratamento por LAC é 1,6 vezes
maior que o custo para a ETE com MBR, para uma capacidade de tratamento máxima
de 58 m
3
/h. Porém, para a ETE com capacidade máxima de 938 m
3
/h, o custo da ETE
com LAC equivale a 0,54 vezes o custo da estação com MBR.
Para os autores, estações com biorreatores com membranas são economicamente
competitivas com estações de lodos ativados convencional para capacidade de
tratamento de até 500 m
3
/h. Os autores ressaltam porém que, como os custos das
membranas vêm reduzindo, esta tecnologia deverá, no futuro, se tornar mais
competitiva para ETE de maior capacidade.
As empresas de maior expressão no mercado de MBR são a Zenon Environmental
Inc. e a Kubota. Porém, há outras empresas, como a Wehrle Werk A. G., Orelis &
Mutsui Chemicals, Degremont, US Filter, entre outras.
IV.3.1. Empresa Kubota
A empresa Kubota utiliza módulos de membrana submersos no tanque de aeração
(Figuras IV.4 e IV.5). A maior estação construída pela empresa tem uma capacidade
de 13.000 m
3
/d (542 m
3
/h). A estação é composta por seis tanques de aeração. O
controle da vazão é realizado admitindo a variação do nível do tanque de acordo com
a vazão afluente.
Figura IV.4 – Ilustração do MBR da Kubota (KUBOTA, 2002).
47
IV. Biorreator com Membrana (MBR)
Figura IV.5 – Módulo de membranas da Kubota (CENTROPROJEKT DO BRASIL,
2004).
Geralmente é mantida uma concentração de 15.000 a 20.000 mg/L de SSTA. A
aeração por difusores gera uma velocidade sobre a superfície da membrana de cerca
de 0,5 m/s. As membranas são planas com poro nominal de 0,4 µm. O fluxo permeado
é gerado principalmente pela pressão da própria coluna de líquido do tanque de
aeração. Esta pressão apresenta valor típico de 1,0 - 1,5m (0,10 a 0,15 bar). O pré-
tratamento, em geral, consiste de uma grade de 2 – 3 mm e caixa de areia para
remoção do material arenoso.
A estação Porlock (localizada no Reino Unido) tem capacidade para o tratamento de
1.900 m
3
/d (79 m
3
/h) e é composta por quatro tanques de aeração. O efluente tratado
apresenta normalmente uma DBO menor que 5,0 mg/L, sendo sua qualidade
praticamente constante. A remoção de vírus fica em torno de 4 log, tanto para
enterovírus como para colifágos, e a turbidez apresenta valor médio de 0,3 NTU
(unidade nefelométrica de turbidez). A produção de lodo é de cerca de 0,38 – 0,50
kg/kg de DBO removida (CHURCHOUSE & WILDGOOSE, 1999).
IV.3.2. Empresa Zenon Environmental Inc.
A empresa Zenon tem mais de 100 MBR instalados pela Europa, Estados Unidos e
Oriente Médio. As membranas usadas pela Zenon são do tipo fibra oca e podem ser
operadas em contato com soluções na faixa de pH de 2,0 a 12,0. As membranas
48
IV. Biorreator com Membrana (MBR)
foram patenteadas com o nome ZeeWeed e o processo de MBR submerso de
ZenoGem (Figura IV.6). As fibras ZeeWeed possuem tamanho de poro nominal de 0,1
µm e o fluxo permeado é obtido no sentido da superfície externa para o lúmen da fibra.
A pressão transmembrana é obtida por uma combinação da pressão gerada pela
coluna de líquido no biorreator e por uma pressão negativa no lado do permeado
promovida por bombas centrífugas convencionais.
Figura IV.6 – Ilustração do MBR da Zenon (ZENON ENVIRONMENTAL INC., 2004).
Os módulos são conectados formando um “cassette” (Figura IV.7), que representa a
menor unidade do sistema de filtração. Configurações dos “cassettes” estão
disponíveis variando de 1 a 36 módulos. Vários “cassetes” podem ser operados em
paralelo, sendo o permeado succionado por uma única bomba.
Figura IV.7 – Módulo e “Cassette” ZeeWeed
®
500 (ZENON ENVIRONMENTAL INC.,
2004).
49
IV. Biorreator com Membrana (MBR)
A maioria das ETE é projetada para suportar picos de carga de duas vezes a
capacidade média através do aumento da pressão transmembrana. Tanques de
equalização são usados quando o pico de carga excede duas vezes a capacidade
média da estação.
A empresa também trabalha apenas com o fornecimento de membranas. Por exemplo,
a empresa Vivendi Water comercializa o processo patenteado com o nome BIOSEP
®
,
que consiste num MBR cujas membranas são fornecidas pela Zenon Environmental
Inc.
IV.3.3. Empresa Wehrle Werk A. G.
A empresa Wehrle Werk A. G. também possui inúmeros MBR instalados. A empresa
patenteou seu sistema com o nome de Biomembrat. O Biomembrat consiste em um
biorreator aeróbio com módulo de membranas externo, operado em fluxo cruzado. As
membranas são tubulares, em geral de polisulfona. Pressões de até 3,0 bar são
adotadas. A velocidade tangencial no módulo costuma variar de 2,5 a 4,5 m/s e o fluxo
permeado de 50 a 250 L/m
2
.h. A empresa adota uma freqüência de limpeza química
de uma a duas vezes por ano e a vida útil dos módulos de membrana varia de 4 a 8
anos. A concentração de SSTA é mantida entre 20.000 e 30.000 mg/L.
Este sistema é geralmente utilizado para o tratamento de chorume, com capacidade
típica de 100 a 600 m
3
/d (4,2 a 25,0 m
3
/h), sendo usado também para o tratamento de
efluentes de indústrias químicas e alimentícias, com capacidade típica de até 2.500
m
3
/d (104,2 m
3
/h). Efluentes com concentrações de DQO de até 100.000 mg/L podem
ser tratados. Dependendo da facilidade de biodegradação do efluente, o TDH varia de
8 a 24 h, sendo adotado 24 h para efluentes industriais de difícil degradação.
A empresa desenvolveu o processo Biomembrat-Loop
®
(Figura IV.8), que apresenta
um baixo consumo energético. O módulo de membranas de ultrafiltração é
posicionado na vertical, sendo fornecido constantemente ar. Neste processo, a bomba
de recirculação só é usada nos períodos de pico de carga volumétrica para aumentar
o valor do fluxo permeado. Na operação normal do sistema de membranas (apenas
com o fornecimento de ar para gerar turbulência no módulo), com baixa velocidade
tangencial e baixo consumo energético, fluxos de 20 a 40 L/m
2
.h são obtidos. O
permeado é recuperado por pressão negativa menor que 0,5 bar.
50
IV. Biorreator com Membrana (MBR)
Figura IV.8 – Processo Biomembrat-Loop
®
(WEHRLE WERK A. G., 2004).
Relações A/M de 0,09 kgDBO
5
/kgSSTA.d, cargas volumétricas de 1,8 kgDBO
5
/m
3
.d e
idades de lodo de 120 dias podem ser adotadas para minimizar a geração de lodo,
obtendo-se Y
obs
de 0,09 kgSSTA/kgDBO
5
. Assim como relações A/M de 0,5
kgDBO
5
/kgSSTA.d, cargas volumétricas de 10 kgDBO
5
/m
3
.d e idades de lodo de 5
dias podem ser adotadas visando minimizar o espaço requerido para instalação do
processo.
IV.4. Parâmetros que Afetam o Desempenho das Membranas em MBR
Existem diversas variáveis que afetam o desempenho da membrana, como a pressão
transmembrana, a velocidade tangencial do lodo ativado no módulo de membranas, a
inserção de ar juntamente com a corrente de alimentação do módulo, a concentração
de sólidos suspensos no tanque de aeração, a freqüência e a pressão de
retrolavagem, as técnicas de limpeza química, entre outros fatores. Este item da
revisão bibliográfica é dedicado a uma visão geral sobre a influência de cada
parâmetro no valor do fluxo permeado.
IV.4.1. Influência da Pressão Transmembrana (TMP)
Para pressões relativamente baixas, o fluxo permeado aumenta com o aumento da
pressão. Porém, à medida que se aumenta a pressão de operação, o fluxo permeado
tende a um patamar, pois o aumento da pressão provoca também o aumento da
polarização de concentração, tendendo a diminuir o fluxo permeado.
GÜNDER & KRAUTH (1998) lembram que pressões mais elevadas não levam
obrigatoriamente a fluxos mais elevados, e ainda podem levar à formação de uma
camada de torta irreversível. Os autores ressaltam que, quanto maior a TMP, mais
rápido também as partículas se depositam sobre a superfície da membrana. A
51
IV. Biorreator com Membrana (MBR)
operação sob pressões mais brandas faz com que a filtração ocorra sob condições
mais estáveis, sendo menor a alteração do valor da permeabilidade da membrana com
o tempo.
Para operação por períodos longos com TMP elevada, apesar de na partida da
operação o fluxo ser maior, o fluxo tende a cair mais rapidamente, podendo atingir
valores até menores que os valores de fluxo em estado estacionário de sistemas
operados sob pressões menores.
IV.4.2. Influência da Velocidade Tangencial (Módulo Externo)
Em geral, quanto maior a velocidade tangencial do lodo no módulo, maior o fluxo
permeado. O aumento da velocidade tangencial aumenta o carreamento de partículas
que se depositam sobre a superfície da membrana.
Um parâmetro relacionado à velocidade tangencial e bastante utilizado para avaliar a
condição hidrodinâmica do escoamento é o Número de Reynolds (Re), que pode ser
calculado pela equação IV.1:
u
módumód
d
Qdv
..
4....
Re
πη
ρ
η
ρ
== (equação IV.1)
Onde:
ρ = densidade do lodo (adotada como 1.000 kg/m
3
);
v
mód
= velocidade tangencial do lodo no módulo = vazão de circulação pela área
transversal útil do módulo (m/s);
d
u
= diâmetro útil do tubo (cm);
η = viscosidade dinâmica do lodo, em torno de 1,3 - 1,8 mPa.s (TARDIEU et al., 1999);
Q
mód
= vazão de circulação pelo módulo (L/h).
Para Re acima de 2.000, o escoamento pode ser considerado turbulento e para Re
abaixo de 2.000, o escoamento é considerado laminar. Em geral, quanto maior o
número de Reynolds, melhor o desempenho da membrana.
TARDIEU et al. (1998), avaliando módulos de membrana tubular externos ao tanque
de aeração, observaram que, para baixas velocidades tangenciais (0,5 m/s; Re ≅
52
IV. Biorreator com Membrana (MBR)
1.200), as partículas floculadas se acumularam rapidamente sobre a membrana,
formando uma torta, que provocou um elevado aumento da resistência à permeação.
Entretanto, para velocidade tangencial da ordem de 4 m/s e Re ≅ 9.000, conseguiu-se
prevenir a formação da torta. É interessante ressaltar que em módulos tubulares o
diâmetro útil do módulo para circulação da solução é significativamente maior que em
módulos de fibra oca. Desta forma, se faz necessário recircular uma vazão
consideravelmente maior para garantir velocidade e Reynolds elevados, sendo maior o
consumo energético. Lembra-se também que, como o risco de entupimento dos canais
de alimentação neste tipo de módulo é maior, sua limpeza deve ser realizada com
mais freqüência.
Em outro estudo realizado por TARDIEU e colaboradores (1996), citado por
DEFRANCE et al. (2000), foi avaliado um MBR para o tratamento de esgotos com
membranas cerâmicas e os autores observaram que, a uma velocidade de 3 m/s e
TMP de 1,0 bar, somente 10 % da superfície da membrana foi coberta pela biomassa
(análise realizada através de pedaços de membrana cortados após os ensaios de
filtração). Porém, quando a velocidade foi reduzida para 0,5 m/s, o “fouling” ocorreu
rapidamente e uma torta espessa de 50 – 80 µm se depositou sobre a membrana.
Salienta-se entretanto que para escolha do valor da velocidade tangencial deve ser
feita uma análise de custos, visto que a mesma contribui para a obtenção de um fluxo
permeado mais elevado, permitindo reduzir a área necessária de membrana para filtrar
uma determinada vazão afluente, mas também aumenta o consumo de energia.
Uma alternativa para que fluxos mais elevados sejam obtidos, sem a necessidade de
aumentar a velocidade tangencial de líquido, é a injeção de ar na tubulação de
alimentação do módulo de membranas. O ar ajuda a promover a turbulência no
módulo e, como é transferido para o tanque de aeração, contribui para suprir as
necessidades de oxigênio dissolvido no reator. Também contribuem para a
minimização dos efeitos do “fouling” técnicas como a oscilação da vazão de
alimentação do módulo (e por conseguinte da velocidade tangencial) e a variação
cíclica da pressão de alimentação (XING et al., 2002).
IV.4.3. Influência da Aeração
A turbulência promovida pela aeração gera uma velocidade tangencial sobre a
membrana, resultando numa maior eficiência na remoção da torta que se deposita
53
IV. Biorreator com Membrana (MBR)
sobre a mesma. Porém, deve-se ter cuidado com vazões de ar muito elevadas,
principalmente nos módulos submersos com membranas tipo fibra oca, a fim de evitar
o rompimento das fibras.
IV.4.4. Influência da Concentração de Sólidos
Sólidos dissolvidos (menores que 0,001 µm), coloidais (0,001 a 1,0 µm) e em
suspensão (maiores que 1,0 µm) estão presentes no reator biológico e afetam de
forma diferente o comportamento da membrana. Vários autores têm procurado
investigar melhor a influência destas substâncias (WISNIEWSKI & GRASMICK, 1998;
DEFRANCE et al., 2000).
Em princípio, mantidos constantes os outros parâmetros, o aumento da concentração
de SSTA leva à diminuição do fluxo permeado. No entanto, esse efeito pode ser
minimizado à medida que as condições hidrodinâmicas são melhoradas, aumentando
a turbulência sobre a membrana. ROSENBERGER & KRAUME (2002) observaram
que, para uma concentração de SSTA variando de 2.000 a 24.000 mg/L, a influência
da variação da concentração na filtrabilidade do lodo foi muito pequena.
VISVANATHAN e colaboradores (2000) ressaltam que concentrações de SSTA acima
de 40.000 – 50.000 mg/L devem ser evitadas, pois, quando a concentração de lodo
atinge um certo limite, o fluxo decai rapidamente devido a um aumento da viscosidade
do lodo do tanque de aeração.
Assim, uma faixa adequada de concentração de SSTA pode ser definida entre 15.000
e 30.000 mg/L. Todavia, lembra-se que, para módulos submersos, concentrações de
SSTA elevadas podem dificultar a promoção da turbulência responsável por evitar a
deposição de partículas sobre a superfície da membrana.
Apesar da deposição de sólidos suspensos sobre a superfície da membrana,
formando uma torta, ser o fator que mais afeta o fluxo em um MBR operado para o
tratamento de esgotos, a espessura dessa torta pode ser minimizada melhorando-se
as condições hidrodinâmicas. Já as partículas coloidais e solúveis contribuem para o
bloqueamento total ou parcial dos poros, podendo afetar o desempenho da membrana
de modo irreversível.
54
IV. Biorreator com Membrana (MBR)
É importante, portanto, otimizar a tensão cisalhante sobre a membrana, para que ela
seja suficiente para prevenir a deposição da torta sobre a membrana, mas não cause
um elevado aumento da concentração de solutos e pequenos colóides de tamanho
comparável ou inferior ao do poro da membrana, a fim de minimizar os efeitos do
“fouling” e a deterioração da qualidade do permeado. A velocidade tangencial no
módulo, a agitação promovida no biorreator por sistemas de aeração e a inserção de
ar junto com esgoto na linha de alimentação do módulo de membranas são as
principais variáveis que promovem a tensão cisalhante responsável pela modificação
da distribuição granulométrica das partículas.
Deve-se evitar o uso de bomba centrifuga para recirculação do lodo pelo sistema, pois,
de acordo com VISVANATHAN et al. (2000), o uso deste tipo de bomba destrói a
estrutura do lodo mais rápido que qualquer outro tipo de bomba, elevando a
concentração de solutos e pequenos colóides.
Os flocos presentes em MBR costumam ser consideravelmente menores que os flocos
de processos de LAC (Figura IV.9). Em um estudo, SMITH et al. (2003) concluíram
que, para a idade do lodo de 30 dias, 90% das partículas presentes no MBR
apresentavam diâmetro inferior a 199 µm, enquanto que no processo de LAC, 90%
apresentaram diâmetro inferior a 1.045 µm.
Figura IV.9 – Imagens do lodo ativado de um processo convencional de lodos ativados
e de um MBR com módulo externo, respectivamente, com ampliação da mesma ordem
de magnitude (CORNELISSEN et al., 2002).
IV.4.5. Influência da Porosidade da Membrana
A porosidade da membrana é uma variável que muitas vezes não é mencionada, mas,
logicamente, para um tamanho de poro fixo e capaz de garantir a qualidade desejada
do permeado, membranas mais porosas são mais econômicas, pois garantem um
fluxo permeado mais elevado.
55
IV. Biorreator com Membrana (MBR)
IV.4.6. Influência da Retrolavagem
A retrolavagem ajuda principalmente a remover os sólidos que se depositam sobre a
superfície da membrana, sendo a limpeza química a principal responsável pela
remoção dos agentes causadores do “fouling”. De acordo com MORES et al. (2000), o
fluxo com retrolavagem pode superar em até seis vezes o fluxo sem retrolavagem. Os
autores mencionam ainda que, se a pressão de retrolavagem e/ou a freqüência forem
muito baixas, a membrana pode não ser limpa adequadamente. É necessário verificar
antes sob qual faixa de pressão (no sentido inverso ao da filtração) a membrana pode
ser operada.
BOUHABILA et al. (2001) avaliaram um MBR com membranas fibra oca (tamanho de
poro de 0,1 µm) submersas no tanque de aeração. O estudo foi desenvolvido com
uma concentração de SSTA de 27.000 mg/L e com uma vazão de ar de 1,8 m
3
/h. Os
autores verificaram que com retrolavagem periódica (quinze segundos a cada cinco
minutos), para um fluxo permeado de 20 L/m
2
.h, a resistência hidráulica foi reduzida
em até dois terços do seu valor correspondente no sistema operado sem
retrolavagem.
KOPSER et al. (2000) descreveram o procedimento de retrolavagem geralmente
empregado pela empresa Zenon (MBR com módulo submerso, membranas fibra oca).
A retrolavagem é realizada com permeado armazenado, no sentido do lúmen para a
superfície externa das fibras por pressão positiva. A freqüência é controlada por um
controlador lógico programável e é tipicamente iniciada a cada trinta minutos com vinte
segundos de duração. A corrente de retrolavagem pode ser dosada com uma
concentração baixa (100 mg/L) de solução de hipoclorito de sódio para facilitar a
remoção dos agentes causadores do “fouling”.
IV.4.7. Influência da Limpeza Química
DEFRANCE et al. (2000) investigaram um MBR com módulo externo e realizavam a
limpeza das membranas ao término de cada um de seus testes através da
retrofiltração com água pura, seguida de limpeza com recirculação de solução de cloro
diluído a 5% (80 ºC). Se a resistência da membrana ao fluxo não fosse recuperada,
era processada uma segunda limpeza com ácido nítrico com pH 2,0.
56
IV. Biorreator com Membrana (MBR)
Segundo KOPSER et al. (2000), a limpeza das membranas Zeeweed, patenteadas
pela empresa Zenon, deve ser realizada a cada seis a doze meses. A empresa Kubota
recomenda que a limpeza química de seus módulos seja realizada a cada seis meses.
XING et al. (2002) investigaram diferentes procedimentos para limpeza de membranas
tubulares cerâmicas Kerasep
TM
X6 com sete canais de diâmetro de 4,5 mm cada e
diâmetro de poro da membrana de 0,45 µm. O módulo foi acoplado externamente a
biorreator usado para o tratamento de esgoto doméstico. O procedimento
recomendado foi a limpeza com água, para remover partículas depositadas sobre a
superfície da membrana, seguida por limpeza alcalina, com hipoclorito de sódio
(NaClO), e por limpeza ácida, com ácido nítrico. Os autores fixaram a concentração de
ácido nítrico em 1% (em peso). Na pesquisa foi concluído que o procedimento mais
adequado seria a realização da limpeza a uma temperatura de 40 - 50
o
C para uma
concentração de 0,2% de NaClO (em peso) por 15 minutos, conduta que normalmente
restaurava a permeabilidade da membrana em 50%. Uma limpeza ácida posterior, por
5 minutos, recuperava a permeabilidade em 90% do valor inicial.
IV.4.8. Influência da Hidrofilicidade ou Hidrofobicidade da Membrana
Membranas hidrofílicas, por apresentarem afinidade com a água, favorecem seu
transporte. Por outro lado, se a membrana apresentar características excessivamente
hidrofílicas, pode ocorrer o inchamento da mesma, colapsando seus poros.
Já as membranas hidrofóbicas apresentam em geral maior afinidade entre os solutos,
células microbianas e o material da membrana, estando mais suscetíveis à ocorrência
dos efeitos do “fouling”. GANDER et al. (2000) ponderaram que a membrana deve ser
hidrofílica a fim de reduzir principalmente o “fouling” causado por proteínas e bactérias.
No mercado vêm sendo mais utilizadas as membranas preparadas a partir de
polímeros hidrofóbicos com aditivos que conferem algum grau de hidrofilicidade à
membrana.
IV.4.9. Influência da Densidade de Empacotamento
Elevadas densidades de empacotamento (área superficial de membrana por unidade
de volume do módulo) levam à diminuição da área transversal útil do módulo, o que
resulta em maiores velocidades de escoamento do lodo, mantendo-se a vazão de
57
IV. Biorreator com Membrana (MBR)
recirculação fixa. Todavia, a perda de carga aumenta e a limpeza do módulo é
dificultada, principalmente em módulos com membranas do tipo fibra oca. Densidades
de empacotamento baixas tornam necessário aumentar a vazão de recirculação pelo
módulo, para manter a velocidade tangencial, aumentando o consumo energético.
Estes fatores devem ser avaliados a fim de garantir a limpeza eficiente do módulo e
um custo energético mínimo.
IV.4.10. Comentários Gerais sobre Parâmetros Operacionais de MBR
XING et al. (2002) consideram que a permeabilidade padrão, para uma membrana
operada num MBR visando o tratamento de esgotos domésticos, é normalmente entre
3 - 7% da permeabilidade de uma membrana nova.
De acordo com TARDIEU et al. (1998), fluxos da ordem de 10 a 200 L/m
2
.h podem ser
obtidos para pressão transmembrana variando de 0,1 a 3,0 bar e velocidade
tangencial no módulo de 0,4 a 7,0 m/s. Segundo os autores, essa variabilidade no
valor do fluxo está diretamente relacionada à grande variação nas condições
hidrodinâmicas de operação.
MBR têm sido operados com idade de lodo de 5 a 200 dias e concentrações de SSTA
variando de 10.000 a 50.000 mg/L, ou até mais, com o objetivo de minimizar a geração
de lodo. Fluxos variando de 5 a 300 L/m
2
.h podem ser obtidos para pressões
transmembranas de 0,1 bar a 5,0 bar e velocidades tangenciais de até 8,0 m/s. Para
cada objetivo de implantação da estação de tratamento existe um conjunto ótimo de
valores dos parâmetros operacionais. Idades mais elevadas de lodo combinadas a
altas concentrações de SSTA e baixas relações de alimento por microrganismo podem
levar à diminuição do fluxo permeado, porém resultam em menor produção do lodo
que precisará ser disposto no meio ambiente, e minimizam os custos com tratamento e
disposição do lodo.
A produção de lodo é inversamente proporcional ao TDH, para uma concentração de
SSTA mantida fixa. Assim, não se pode atingir o menor TDH e a mínima produção de
lodo simultaneamente. Portanto, quando a produção de lodo é minimizada, os custos
com aeração são maximizados e vice-versa. Existe um ponto ótimo em que o custo
operacional total é minimizado.
58
IV. Biorreator com Membrana (MBR)
O conjunto ótimo dos valores dos parâmetros operacionais não é necessariamente
aquele que resulta em maior fluxo. Este conjunto de valores deve ser obtido a partir de
uma análise de custos que considere os custos de implantação, operação e
manutenção.
Os valores usuais de alguns parâmetros dos processos lodos ativados convencional
(LAC), lodos ativados por aeração prolongada (LAAP) e biorreatores com membranas
(MBR) podem ser observados na Tabela IV.1 abaixo. µ
máx
representa a taxa de
crescimento específico máxima, k
d
o coeficiente de respiração endógena e Y
obs
o
coeficiente de produção Y corrigido pela fase de auto-oxidação.
Tabela IV.1 – Valores de alguns parâmetros para os processos LAC, LAAP e MBR.
Parâmetro LAC LAAP MBR
A/M (kgDBO
5
/kgSSVTA.d) 0,20 a 0,50 0,05 a 0,15 0,05 a 0,15
SSTA (mg/L)
1.500 a
4.000
3.000 a
6.000
15.000 a 25.000
TDH (h) 4 a 8 16 a 36 2 a 12
Carga volumétrica
(kgDBO
5
/m
3
TA.d)
0,30 a 0,60 0,05 a 0,40 0,10 a 1,50
Qrec/Qafl (%) 25 a 50 100 a 300 -
Idade do lodo (d) 4 a 15 20 a 30 30 a 60
µ
máx
(d
-1
) 5,0 a 13,0 - 4,0 a 5,0
K
d
(d
-1
) 0,20 a 0,85 - 0,55 a 1,05
Y
obs
(kgSSV/kgDQO)
0,10 a 0,55 - 0,05 a 0,20
Diâmetro médio dos flocos no TA
(µm)
20,0 - 3,5
Remoção de DQO (%) 85 a 90 90 a 95 90 a 98
Remoção de DBO
5
(%) 85 a 95 90 a 95 >97
Remoção de SS (%) 85 a 95 85 a 95 >99
Remoção de CF (%) 60 a 90 70 a 95
99,999 a
99,99999
Turbidez (NTU) 10 a 40 - 0,25 a 0,45
Fontes: JORDÃO & PESSÔA (1995), VON SPERLING (2002), GANDER et al. (2000),
SCHNEIDER & TSUTIYA (2001), STEPHENSON et al. (2000), KOPSER et al. (2000), SMITH
et al. (2003).
59
IV. Biorreator com Membrana (MBR)
µ
máx
está relacionada ao crescimento bruto da biomassa. No MBR, a etapa de
respiração endógena está presente mais expressivamente, devido à baixa relação
A/M, levando a valores maiores de k
d
e menores de µ
máx
. O crescimento bacteriano é
função da disponibilidade de substrato no meio, que no processo de MBR é menor. O
valor de Y
obs
comprova a menor geração de lodo no MBR. STEPHENSON et al. (2000)
citam que Y
obs
pode variar de 0,02 kg/kgDQO para ETE industriais a 0,4 kg/kgDQO
para estações de tratamento de esgotos domésticos. Este valor depende do TDH,
SSTA, idade do lodo e da adição de coagulantes para a remoção de fósforo.
Em geral o permeado obtido de MBR atende facilmente aos padrões estabelecidos
para água de reúso não potável, entretanto costuma-se recomendar que seja
reutilizado apenas o efluente gerado do tratamento de esgotos de origem
essencialmente doméstica ou com características similares. Na NBR 13.969 (ABNT,
1997) são estabelecidos padrões de qualidade para que o esgoto tratado possa ser
reutilizado para diversos fins. Para uso em descarga de vasos sanitários, por exemplo,
são recomendados: turbidez inferior a 10 uT e número mais provável (NMP) de
coliformes fecais (CF) inferior a 500/100mL. Para lavagem de carros e outros usos que
requerem o contato direto do usuário com a água, com possível aspiração de
aerossóis pelo operador, são recomendados: turbidez inferior a 5 uT, CF inferior a 200
NMP/100mL, sólidos dissolvidos totais inferior a 200 mg/L, pH entre 6,0 e 8,0 e cloro
residual entre 0,5 e 1,5 mg/L.
Na verdade, muitas vezes a camada que se deposita sobre a membrana ajuda a
aumentar a eficiência na retenção dos compostos. Como por exemplo, a empresa
Kubota fabrica uma membrana de 0,4 µm de tamanho de poro nominal, mas considera
que o tamanho de poro efetivo é de cerca de 0,01 µm (KUBOTA, 2002), devido ao
aumento da seletividade causado pela deposição dessa camada sobre a superfície da
membrana. AHN e colaboradores (1998) testaram membranas cerâmicas de
ultrafiltração (15kDa, 300kDa) e microfiltração (0,1µm), com o módulo de membranas
externo ao reator. Os autores concluíram que a membrana com maior tamanho de
poro (0,1 µm) apresentou fluxo mais elevado, sem prejudicar a qualidade do permeado
obtido.
CHIEMCHAISRI et al. (1992) avaliaram um MBR com módulo submerso. Foram
usados módulos de membranas de fibra oca de polietileno com tamanho de poro de
0,03 e 0,1 µm. Os resultados mostraram que em ambos os módulos a concentração
60
IV. Biorreator com Membrana (MBR)
de vírus no permeado foi similar. Foi observada uma eficiência na remoção de vírus
(tamanho do vírus = 0,025 µm) de 4 - 6 log.
Ressalta-se que fluxos significativamente diferentes podem ser obtidos para um
mesmo conjunto de valores operacionais momentaneamente estabelecidos. O valor do
fluxo praticamente estável atingido na operação em modo contínuo não é apenas
função das condições operacionais instantâneas, ele é função também das condições
impostas ao longo da operação do sistema.
IV.5. Biorreator com Membrana com Módulo Submerso no Tanque de Aeração
Nesta configuração, o permeado é, em geral, obtido por uma diferença de pressão
gerada pelo vácuo aplicado no lado do permeado. Para o melhor desempenho destes
módulos deve ser promovida uma turbulência pelo sistema de aeração suficiente para
minimizar o depósito de partículas na superfície da membrana.
GÜNDER & KRAUTH (1998) comparam o desempenho de dois MBR recebendo o
mesmo efluente para tratamento: um com membranas do tipo fibra oca da empresa
Zenon, submersas no tanque de aeração, e o outro com membranas planas da
empresa Kubota, submersas no reator. O módulo da empresa Kubota é do tipo placa e
quadro e foi operado com retirada de permeado por sucção durante 8 minutos e pausa
na pressão de sucção por 2 minutos. O módulo da empresa Zenon foi operado com
retrolavagem periódica: 3 a 5 minutos de sucção seguidos de 20 segundos de
retrolavagem.
Os sistemas foram operados por 130 dias, onde os 30 primeiros foram considerados
como o período necessário para aclimatação do lodo ativado. O efluente tratado foi
esgoto doméstico após decantação primária. Foi utilizada ainda uma grade de 3 mm
de espaçamento entre barras. As características de cada sistema se encontram na
Tabela IV.2.
61
IV. Biorreator com Membrana (MBR)
Tabela IV.2 – Parâmetros dos MBR avaliados por GÜNDER & KRAUTH (1998).
Parâmetro MBR da Kubota MBR da Zenon
Tamanho do poro (µm) 0,4 0,2
Área superficial de membrana (m
2
) 80,0 83,4
Volume da zona anóxica e aeróbia (m
3
) 9,0 6,9
Aeração máxima (m
3
/h) Bolhas grossas = 80
Bolhas grossas = 78
Bolhas finas = 60
TDH (h) 6 5
Temperatura (
o
C) 16 - 20 16 - 22
SSTA (mg/L) 12.000 – 16.000 12.000 – 18.000
Idade do lodo (d) 20 - 25 15 - 20
Não houve diferença na qualidade do permeado obtido por ambos os MBR. A DQO
afluente variou entre 200 - 300 mg/L e a DQO do permeado, em ambos os sistemas,
se manteve inferior a 20 mg/L. Os sólidos suspensos foram completamente removidos.
As análises de coliformes fecais, Streptococcus e Salmonella indicaram ausência de
contaminação ou valor de contaminação abaixo do limite detectável. Fluxos estáveis
de 18 L/m
2
.h foram obtidos. O fluxo máximo durante os picos de carga foi de 30
L/m
2
.h, para o sistema da Kubota, e de 24 L/m
2
.h, para o sistema da Zenon.
SHIM et al. (2002) avaliaram o desempenho de um MBR com módulo de membrana
submerso para o tratamento de um efluente sintético de concentração elevada. O
reator biológico era do tipo “air-lift”, que consiste em um reator com coluna líquida
dividida em zonas distintas, sendo que em apenas uma delas é introduzido ar. As
diferentes retenções de gás nas zonas aeradas e não-aeradas resultam em diferentes
densidades nestas regiões, promovendo, desta maneira, a circulação do fluido no
reator. Os reatores do tipo ”air-lift“ são reatores em que a biomassa se desenvolve em
suspensão e fixa em suporte (placas verticais defletoras).
O ar foi fornecido através do difusor abaixo do módulo de membrana. Foi usado um
módulo com membranas planas de microfiltração de policloroetileno, com tamanho do
poro de 0,4 µm (Yuasa Co., Japão). A área total de filtração foi de 0,1 m
2
.
Um fluxo de permeado (J
p
) de 12-16 L/m
2
.h foi mantido. Quando ocorreu o fenômeno
de intumescimento do lodo, durante a operação normal, um aumento considerável da
pressão de sucção foi necessário para manter o fluxo, formando-se uma camada
62
IV. Biorreator com Membrana (MBR)
espessa sobre a superfície da membrana. Operando com tempo da retenção
hidráulica de 12 - 16 horas, concentração de lodo no biorreator de 8.000 - 16.000
mg/L, DQO afluente variando de 900 a 1.600 mg/L e concentração de nitrogênio total
na alimentação de 50 - 600 mg/L, a eficiência na remoção de DQO se manteve acima
de 98% e a eficiência da nitrificação acima de 95%.
Na Tabela IV.3 podem ser observadas características e condições operacionais de
MBR com o módulo submerso no tanque de aeração.
Tabela IV.3 – Características e valores de parâmetros operacionais de MBR com
módulo submerso.
MBR ZENON KUBOTA
SUN et al.
(2002)
UEDA & HATA
(1999)
Efluente Doméstico Doméstico Sintético Doméstico
SSTA (mg/L) 12.000 a 20.000
15.000 a
20.000
4.400 13.000
Idade do lodo (d) 15 a 20 30 a 60 200 72
TDH (h) 4 5 a 6 72 13
Membrana
Polimérica
hidrofílica
Polietileno Cerâmica Polietileno
Tipo de
membrana
Fibra oca Plana Tubular Plana
Tamanho de poro
(µm)
0,1 0,4 0,2 0,4
TMP (bar) 0,1 – 0,5 0,10 a 0,15 <0,3 <0,17
J
p
(L/m
2
.h) 30 - 70 20 a 25 15 a 40 20
Oxigênio
Dissolvido (mg/L)
- - >4,0 4,3
DQO afluente
(mg/L)
200 a 300 300 a 600 2.400 -
DQO efluente
(mg/L)
<20 <80 175 -
DBO
5
efluente
(mg/L)
<2 <8 <2
Remoção de SS
(%)
>99% >99,5 >99
≅100
Remoção de CF
(%)
>99,99999% >99,9998 - 99,9999
Turbidez (NTU
a
) <0,10 0,07 a 1,50 - -
a
NTU = Unidade nefelométrica de turbidez.
IV.6. Biorreator com Membrana com Módulo Externo ao Tanque de Aeração
Nesta configuração, o módulo é acoplado externamente ao reator e o lodo ativado é
circulado no sistema e retornado para o tanque de aeração através de uma bomba. O
63
IV. Biorreator com Membrana (MBR)
módulo é operado em fluxo cruzado e a otimização de sua operação, através da
combinação de fatores como a pressão transmembrana, gerada pela recirculação de
esgoto e pela válvula reguladora de pressão, velocidade tangencial no módulo,
freqüência e duração de retrolavagens, pulsos de ar na corrente de alimentação,
resulta em elevados valores de fluxo permeado em função do tempo. O consumo de
energia elevado é compensado, em parte, pela redução da área de membrana
necessária, comparando-se esta configuração à configuração com módulo submerso
(THOMAS et al., 2000).
Para melhorar o desempenho destes módulos, técnicas que induzem maior tensão
cisalhante sobre a membrana vêm sendo estudadas, como a inserção de promotores
de turbulência e alterações cíclicas no valor da vazão de recirculação e no valor da
pressão transmembrana. Outra técnica que vem sendo estudada é a indução de
tensão cisalhante através da recirculação de vazão composta por duas fases:
líquido/sólido ou líquido/ar. Porém, de acordo com CUI et al. (2003), a introdução de
sólidos com propriedades específicas para esta função pode danificar a membrana. Já
as bolhas de ar, introduzidas com a corrente líquida, não danificam a membrana,
desde que sejam empregadas vazões não muito elevadas.
O efeito da injeção de ar sobre a membrana depende do tipo de ejetor de ar, da vazão
de gás, do diâmetro útil disponível para passagem do fluxo, do tamanho das bolhas e
da natureza das espécies retidas pela membrana (micro-solutos, macro-solutos e
partículas). Difusores de bolhas grandes, com o diâmetro das mesmas se
aproximando do diâmetro do tubo, ou do canal para circulação de vazão, são
provavelmente os mais adequados. As bolhas maiores ajudam a promover a mistura
completa da corrente líquida, evitando que a mesma escoe na região próxima à
membrana sem sofrer influência da turbulência gerada pelas bolhas. Entretanto, CUI
et al. (2003) ressaltam que bolhas muito grandes podem impedir o contato da fase
líquida com a membrana, ficando em contato com sua superfície apenas a torta
depositada sobre a membrana e o ar.
CHOI et al. (2002) investigaram o desempenho de membranas de acetato de celulose
(CA), polietersulfona sulfonada (SPES) e polietersulfona (PES) em um MBR usado
para tratar esgoto sintético. As membranas têm praticamente o mesmo coeficiente de
rejeição ao soluto polietileno glicol de 35.000 Da. (85%). É importante ressaltar que a
membrana de CA apresentava uma resistência intrínseca cerca de três vezes maior
que as outras membranas. As condições operacionais foram: 1,0 bar de pressão
64
IV. Biorreator com Membrana (MBR)
transmembrana, velocidade tangencial de 1,2 m/s e SSTA de 4.000 mg/L. O ensaio foi
realizado para condições normais de operação (relação alimento por microrganismo -
A/M – de 0,65 kgDQO/kgSSTA.d, Índice Volumétrico de Lodo – IVL – de 113 mL/g) e
para condições de intumescimento do lodo (A/M igual a 1,2 kgDQO/kgSSTA.d e IVL
de 235 mL/g). Algumas conclusões importantes ressaltadas pelos autores são:
• Ao iniciar a operação, os flocos de biomassa foram quebrados pela tensão
cisalhante causada pela bomba de alimentação do módulo, liberando
polímeros extracelulares (EPS) para a solução, e acelerando a ação do
“fouling” sobre a membrana. Alguns poros foram bloqueados e uma camada
densa se formou na superfície da membrana. Após cerca de quatro horas a
mudança no tamanho dos flocos passou a ser insignificante. Os flocos
apresentaram então uma distribuição granulométrica estreita, com tamanho
próximo a 2 µm;
• Nas condições de intumescimento do lodo, as bactérias filamentosas foram
predominantes e verificou-se que elas produziram mais agentes causadores
do “fouling”, como EPS, que as bactérias formadoras de floco;
• Embora as membranas hidrofóbicas (PES e SPES) tenham apresentado um
maior declínio do fluxo permeado com o tempo, o fluxo inicial destas era
maior que o da hidrofílica (CA). Como resultado, todas as membranas
apresentaram um fluxo estável entre 29 e 36 L/m
2
.h para 4,5 - 6,0 horas sob
condições normais de operação. Entretanto, nas condições de operação de
intumescimento do lodo, a membrana de CA praticamente não foi afetada,
enquanto as membranas hidrofóbicas apresentaram fluxo menor que 20
L/m
2
.h;
• Os autores investigaram ainda o desempenho da membrana para inserção
de pulsos de ar de 2 minutos a cada 50 minutos, a uma intensidade de 2,5
bar. As bolhas de ar aparentemente contribuíram para limpar a superfície da
membrana, aumentando significativamente o fluxo permeado para as
membranas de PES e SPES, principalmente. Na maioria das vezes, o
aumento instantâneo do fluxo era aproximadamente o mesmo, e o fluxo
diminuía gradualmente quando cessava a inserção de ar. O fluxo da
membrana de PES, para operação com pulsos de ar, foi maior que o fluxo de
permeado das outras membranas, mesmo nas condições de intumescimento
do lodo.
A inserção de promotores de turbulência nos módulos (materiais inseridos dentro dos
módulos que contribuem para aumentar a turbulência sobre a superfície da
65
IV. Biorreator com Membrana (MBR)
membrana) melhora o desempenho da membrana. XU et al. (2003) avaliaram o ganho
no fluxo permeado com a inserção dos promotores de turbulência em módulos
externos de microfiltração (0,2 µm) com membranas cerâmicas tubulares de sete
canais. No ensaio, foram mantidas: concentração de SSTA de 4.000 mg/L, TMP de 1,0
bar, velocidade tangencial no módulo de 2,2 m/s e temperatura de 25 ºC. Para uma
duração do teste de 500 minutos, foi observado que o módulo com promotores de
turbulência apresentou fluxo de 175 L/m
2
.h e o módulo sem os promotores apresentou
fluxo de 70 L/m
2
.h.
YU et al. (2003) investigaram um MBR composto por um tanque de aeração de 50L,
com SSTA de 3.000mg/L, e um módulo externo de membranas de fibra oca de PVDF
(fluoreto de polivinilideno), com área superficial de membrana de 0,5 m
2
e densidade
de empacotamento de 829 m
2
/m
3
. O tamanho de poro das fibras era de 0,22 µm e o
fluxo ocorria no sentido da superfície externa das fibras para o lúmen. O módulo com
comprimento de 48 cm foi instalado na vertical, sendo recirculada uma vazão de
líquido de 200L/h, equivalente a uma velocidade tangencial de líquido de 0,04 m/s. Foi
inserido ar junto com a corrente de alimentação do módulo na entrada do mesmo por
um tubo perfurado. Este tubo foi conectado ao módulo de membranas para promover
a mistura adequada do ar e do líquido. A vazão de ar injetada no módulo foi variada de
0 a 320L/h (equivalente à intensidade de aeração – vazão de ar por área útil
transversal do módulo - de 0 a 254,6 m
3
/m
2
.h). O permeado foi recuperado pela
pressão gerada pela aplicação de vácuo do lado do permeado, pela pressão
promovida pelo ar inserido no sistema e pela pressão gerada pela própria vazão de
circulação de líquido.
Os autores fixaram para cada ensaio alguns valores de fluxo permeado e observaram
se, para cada valor, ocorria ou não variação do valor da pressão transmembrana ao
longo do tempo. Desta forma, foi avaliado o valor do fluxo crítico para cada vazão de
aeração. Devido ao incremento escolhido para fixar os valores de fluxo permeado em
cada ensaio para cada vazão de aeração analisada (incremento de 5 – 10 L/m
2
.h),
obteve-se uma determinada precisão no valor do fluxo crítico. Para filtração sem
aeração, observou-se que o fluxo crítico apresentou valor abaixo de 6,6 L/m
2
.h, pois a
velocidade tangencial de líquido fixada, responsável pela promoção do fluxo cruzado,
era tão baixa, que tornou as condições de filtração próximas às de uma filtração
convencional. Para intensidade de aeração de 63,7 m
3
/m
2
.h (vazão de ar de 80 L/h) foi
obtido que o valor de fluxo crítico estava compreendido entre 10,2 e 21,1 L/m
2
.h. Já
para a intensidade de aeração de 191,0 (vazão de ar de 240 L/h), e 254,6 m
3
/m
2
.h
66
IV. Biorreator com Membrana (MBR)
(vazão de ar de 320 L/h), o fluxo crítico correspondeu a um valor compreendido entre
31,6 - 41,8 e 41,8 - 50,2 L/m
2
.h, respectivamente. Pode-se observar que o fluxo crítico
aumentou consideravelmente com o aumento da intensidade de aeração. A maior
intensidade de aeração gera bolhas maiores e maior turbulência da vazão de gás -
líquido, a qual leva a uma maior tensão cisalhante na superfície da membrana,
minimizando a deposição de partículas. Porém, constatou-se que, apesar do fluxo de
permeado estar abaixo do valor crítico, isto não significou a não ocorrência do
“fouling”.
Os autores realizaram ainda um experimento com 300 horas de duração para uma
intensidade de aeração de 206,9 m
3
/m
2
.h (vazão de ar de 260L/h). O fluxo permeado
foi obtido intermitentemente por uma bomba de sucção operando por 13 minutos com
pausa de 2 minutos para minimizar a ação do “fouling” e seu valor foi fixado em 23,4
L/m
2
.h (fluxo médio incluindo o tempo parado da bomba de sucção). Neste
experimento foi observado um aumento da TMP na taxa de 1,5x10
-4
bar/h, a qual se
deve à adsorção de macromoléculas solúveis (como substâncias poliméricas
extracelulares e produtos microbianos solúveis). Durante a filtração, não houve
formação de torta na superfície da membrana.
OGNIER et al. (2003) operaram um MBR com módulo externo sob condições de
filtração subcríticas e também observaram “fouling” gradual. Portanto, MBR, operados
sob condições subcríticas, podem ser utilizados por períodos longos praticamente sem
a deposição de biopartículas na superfície da membrana, ocorrendo apenas um
pequeno aumento gradual da TMP.
Ressalta-se porém que, em alguns locais ao longo do comprimento da membrana, o
fluxo local pode exceder o fluxo crítico, ainda que o fluxo médio não o ultrapasse.
Desta forma, podem surgir algumas regiões com fluxo local excedendo o fluxo crítico
e, a partir daí, as biopartículas começam a se depositar na superfície da membrana,
levando a um aumento da TMP.
SCOTT et al. (1998) estudaram o desempenho de membranas cerâmicas de
microfiltração acopladas externamente a um biorreator aeróbio para o tratamento do
efluente de uma indústria de alimentos. O módulo de membranas foi utilizado para
promover a microfiltração e alternadamente para promover a aeração no biorreator.
Para a mesma vazão de ar (150 L/h a uma pressão de 0,5 bar), o valor do coeficiente
global de transferência de oxigênio K
L
a obtido para as membranas de 1,2; 0,8; 0,35 e
67
IV. Biorreator com Membrana (MBR)
0,2 µm, foi respectivamente de 20 a 70% maior que o valor para o difusor
convencional. Por conseguinte, sem modificar o custo com a injeção de ar, um
aumento significativo da taxa de transferência de oxigênio foi conseguido usando a
membrana para aerar o reator, além da redução considerável dos efeitos do “fouling”,
devido a retrolavagem realizada com ar. Assim, vários módulos podem ser utilizados
ao mesmo tempo e, enquanto uns são operados para filtração, outros são usados para
realização de retrolavagem e, ao mesmo tempo, promovem a aeração do líquido no
reator de forma mais eficiente.
Na Tabela IV.4 abaixo podem ser observadas características e condições operacionais
de MBR com módulo externo ao tanque de aeração.
Tabela IV.4 – Características e valores de parâmetros operacionais de MBR com
módulo externo ao tanque de aeração.
MBR
DEFRANCE et
al. (2000)
XU et al. (2003)
BAI &
LEOW
(2002)
ZHANG et al.
(2003)
Efluente Doméstico Doméstico - Doméstico
SSTA (mg/L) 10.000 4.000
2.000 a
2.600
4.500 a 6.000
Idade do lodo
(d)
60 30 20 -
TDH (h) 24 4,5 24 8
Membrana Cerâmica Cerâmica PVDF PES/PVP
a
Tipo de
membrana
Tubular com 19
canais
Tubular com 7
canais
Fibra oca Fibra oca
Tamanho de
poro (µm)
0,1 0,05 a 0,2 0,1 0,2
V tangenc. (m/s) 4,0 2,2
0,016 a
0,07
0,4
TMP (bar) 0,8 1,0 0,3 <1,0
J
p
(L/m
2
.h) 120
175 a 225 (com
promotores de
turbulência)
23 a 27 20 a 100
Oxigênio
Dissolvido
(mg/L)
5,0 - - 2,8 a 3,8
Remoção de
DQO (%)
>95 95 - 95
DQO afluente
(mg/L)
400 a 1.000 300 a 800 - 570
DQO efluente
(mg/L)
<50 5,9 a 9,2 - 30
a
PVP = polivinilpirrolidona (aditivo que confere característica hidrofílica à membrana).
68
V
V
.
.
M
M
A
A
T
T
E
E
R
R
I
I
A
A
I
I
S
S
E
E
M
M
É
É
T
T
O
O
D
D
O
O
S
S
Neste capítulo é descrita a metodologia experimental empregada no desenvolvimento
do presente trabalho. Inicialmente é relatada a etapa de fabricação e caracterização
das membranas usadas. Em seguida, são apresentados os procedimentos
experimentais dos testes realizados no sistema preliminar, no sistema montado para
realização dos ensaios em batelada e no sistema montado para realização dos
experimentos em modo contínuo. Os métodos adotados para análise dos parâmetros
relacionados à eficiência do tratamento também são descritos.
V.1. Fabricação das Membranas
A membrana polimérica do tipo fibra oca foi fabricada pelo Laboratório de Processos
de Separação com Membranas e Polímeros (PAM) da COPPE/UFRJ conforme
metodologia proposta por FARIA et al. (2002). Polieterimida (PEI - Ultem
®
/GE) foi
usado como polímero base, N-metil-2-pirrolidona (NMP – VETEC) como solvente,
polivinilpirrolidona (PVP – Fluka Chemika Co.) como aditivo e água filtrada como não-
solvente. Este polímero foi utilizado por sua excelente resistência térmica e química. O
aditivo adotado confere característica hidrofílica à membrana.
V.2. Caracterização das Membranas
As fibras foram observadas no microscópio eletrônico de varredura -MEV (modelo
JEOL JSM - 5300). Através das imagens obtidas foram determinados o diâmetro
médio de poro e os diâmetros externo e interno das fibras. Foi utilizado o software
“Image Tool” para análise das imagens e os softwares “E-views” e “Excel” para
tratamento dos dados.
As membranas foram também caracterizadas por ensaios de permeabilidade ao ar e à
água. Para o ensaio de permeação de ar foram construídos três módulos. Cada
módulo era composto por um tubo de acrílico de comprimento médio de 15 cm, com
uma rosca em cada lado e quatro fibras arranjadas em forma de “U” dentro do tubo
(Figura V.1). O comprimento médio útil das fibras era de 24,5 cm e a área superficial
útil de membrana de 37,66 cm
2
.
69
V. Materiais e Métodos
Figura V.1 – Módulo utilizado no teste para determinação da permeabilidade da
membrana ao ar.
Uma extremidade do módulo foi colada com cola Araldite (tempo de secagem de 24 h)
de forma a manter apenas o diâmetro interno das fibras sem cola. Esta extremidade
do módulo foi conectada à tubulação de fornecimento de ar comprimido. A outra
extremidade do módulo foi conectada a um gasômetro para a determinação da vazão
de ar permeada. A permeação ocorreu no sentido do lúmen para a superfície externa
das fibras. A pressão de ar injetada variou de 0,5 a 6,0 bar.
Para o ensaio de avaliação da permeabilidade da membrana à água, foram fabricados
três módulos. Em cada módulo, três fibras foram arranjadas em forma de “U” e
colocadas numa peça de PVC (Figura V.2). As fibras foram coladas, com cola Araldite
(tempo de secagem de 10 min), de modo a apenas a parte interna das mesmas ficar
livre de cola. O comprimento útil de cada fibra era de 29,0 cm e a área superficial útil
de membrana de 33,17 cm
2
.
Figura V.2 - Módulo utilizado no teste para determinação da permeabilidade da
membrana à água pura.
O módulo foi conectado pela rosca a uma tubulação que levava a um “kitassato” (para
coleta do permeado), submetido a pressão negativa gerada pela bomba de vácuo
(modelo 141-tipo 2VC-G, da Fabbe Primar Industrial Ltda.). O módulo foi submerso em
um béquer com água destilada, microfiltrada e desmineralizada. Um manômetro de
mercúrio foi conectado à bomba para que a pressão transmembrana de operação
pudesse ser medida. O fluxo de permeado foi determinado para pressões de sucção
variando de 0,1 a 0,5 bar. A permeação ocorreu no sentido da superfície externa das
fibras para a interna.
70
V. Materiais e Métodos
A fim de obter a vazão de permeado foi medido o tempo para permeação de 50 mL de
água pura e, conhecidos o volume e o tempo, foi calculada a vazão. O fluxo foi então
determinado pela relação vazão por área superficial de membrana.
Tanto o ensaio de permeabilidade de membrana ao ar, quanto à água pura, foram
realizados com três módulos para possibilitar a avaliação da homogeneidade das
características das fibras numa mesma batelada.
V.3. Ensaios Preliminares
Visando uma avaliação preliminar da permeabilidade da membrana ao lodo num
sistema com módulo externo e filtração tangencial, foi adotado o seguinte
procedimento:
V.3.1. Montagem do Sistema
Foi montado um sistema constituído por um recipiente de 2 litros, uma bomba para
recirculação da solução do recipiente (bomba de engrenagem, modelo 7144-02, da
Cole Palmer Instrument Co.), um módulo de membranas, um aerador (bomba de
aquário), dois manômetros e uma válvula reguladora de pressão. Uma foto do sistema
pode ser observada na Figura V.3.
Através da bomba de recirculação, a solução era succionada do recipiente, circulada
pelo módulo, sendo a corrente de concentrado retornada para o tanque de
alimentação do sistema. A solução escoava, dentro do módulo, paralelamente à
superfície da membrana, enquanto o permeado era transportado transversalmente a
mesma. A pressão transmembrana era gerada pela própria vazão de recirculação e
pela válvula reguladora de vazão.
71
V. Materiais e Métodos
Figura V.3 – Ilustração do sistema montado para realização dos ensaios preliminares.
V.3.2. Confecção do Módulo de Membranas
Foi confeccionado um módulo em tubo de acrílico com uma entrada para alimentação
e duas saídas: uma para retorno do concentrado para o tanque de aeração e outra
para coleta do permeado. Uma de suas extremidades foi bloqueada. Na Figura V.4
pode se observar uma ilustração do módulo.
Figura V.4 – Foto do módulo usado nos ensaios preliminares.
O módulo era composto por 14 fibras de comprimento unitário útil de 21,6 cm,
apresentando uma área superficial de 114,0 cm
2
e diâmetro útil interno para circulação
de vazão (diâmetro hidráulico) de 1,07 cm. A densidade de empacotamento era de
cerca de 450 m
2
/m
3
.
72
V. Materiais e Métodos
V.3.3. Teste para Avaliação da Permeabilidade da Membrana à Água Pura
Este ensaio foi efetuado no sistema descrito acima com o módulo de área superficial
de 114,0 cm
2
. A permeabilidade da membrana à água destilada e microfiltrada foi
avaliada para pressão variando de 0,25 a 1,50 bar. O permeado foi retirado por
diferença de pressão positiva. O fluxo foi determinado para cada pressão. Para
avaliação do fenômeno de compactação, a pressão transmembrana foi mantida a 1,50
bar por cerca de 20 minutos. Posteriormente, foi variada novamente a pressão
transmembrana de 0,25 a 1,50 bar e determinado o valor de fluxo permeado
correspondente a essas pressões.
V.3.4. Experimento para Avaliação da Permeabilidade da Membrana ao Lodo
O lodo secundário usado no teste foi coletado na estação de tratamento de esgotos da
Penha (ETE - Penha), localizada no Rio de Janeiro. Na estação, preferiu-se coletar o
lodo recirculado do decantador secundário para o tanque de aeração (lodo
secundário), dado que sua concentração é mais elevada. O objetivo foi simular o
comportamento de um biorreator com membrana (MBR), visto que estes sistemas são
normalmente operados com concentração de sólidos suspensos no tanque de aeração
(SSTA) entre 10.000 a 20.000 mg/L. O lodo coletado apresentou uma Demanda
Química de Oxigênio (DQO) de 8.862 mg/L e Sólidos Suspensos Totais (SST) de
8.589 mg/L.
O sistema foi operado com a vazão máxima da bomba, de cerca de 70 L/h, que
equivale a uma velocidade tangencial média de lodo ativado no módulo de 0,20 m/s
(Re ≅ 2.000, calculado para viscosidade adotada de 1,0 mPa.s). O permeado foi
coletado apenas para determinação do fluxo e sempre retornado para o recipiente com
lodo ativado, a fim de evitar a alteração da concentração do lodo durante o ensaio. A
pressão transmembrana (TMP) foi fixada em 0,5 bar e, após duas horas de ensaio,
aumentada para 1,0 bar, com o objetivo de avaliar a possibilidade de recuperação do
fluxo permeado.
Após o teste, foi efetuada a limpeza hidráulica e química do sistema. O procedimento
de limpeza durou cerca de 3 horas. Água de torneira foi circulada pelo módulo por
cerca de 1 hora para seu enxágüe e, posteriormente, foi preparada uma solução com
detergente e água sanitária e recirculada por cerca de 1 hora. Após este
73
V. Materiais e Métodos
procedimento, o sistema foi enxaguado com água de torneira por cerca de 30 minutos
e depois com água destilada. Foi então recirculada água com ázida de sódio para
evitar a proliferação de microrganismos nas tubulações e no módulo.
V.4. Ensaios em Batelada
Após os ensaios preliminares, foram realizados vários testes com o objetivo de avaliar
melhor o comportamento da membrana.
V.4.1. Montagem de Novo Sistema
A fim de possibilitar maior flexibilidade operacional, verificou-se a necessidade de
montar um novo sistema para a realização desses testes. O sistema encontra-se
esquematizado na Figura V.5 e é constituído de um recipiente (tanque de aeração),
uma bomba para recirculação do lodo (bomba de deslocamento positivo, tipo 3NU10
da empresa Netzsch do Brasil), um compressor de ar (Manchester TX, pressão
máxima de 20 bar, com motor Baldor – Emqlo products corporation), um sistema de
injeção de ar na linha de alimentação do módulo e uma bomba para realização de
retrolavagem (bomba de engrenagem, modelo 7144-02, da Cole Palmer Instrument
Co.).
Este sistema possibilita a variação da vazão de recirculação de 0 a 600 L/h, permitindo
melhorar as condições hidrodinâmicas. O sistema permite ainda a realização de
retrolavagem e a injeção de ar junto com a corrente de alimentação do módulo de
membranas. Uma ilustração pode ser observada na Figura V.6.
Figura V.5 – Esquema do sistema montado no laboratório PAM.
74
V. Materiais e Métodos
Figura V.6 – Ilustração do sistema utilizado nesta etapa de testes.
V.4.2. Confecção dos Módulos
Para realização dos ensaios, foram confeccionados três módulos utilizando tubos e
conexões de PVC. Para evitar que as fibras se cruzassem dentro do módulo, foi
utilizada uma tela, que após a etapa de colagem do módulo foi cortada, sendo
separada do mesmo (Figura V.7). Cada módulo era composto por uma entrada, para
alimentação, e duas saídas: uma para retorno do concentrado para o tanque de
aeração e outra para coleta do permeado (Figura V.8). Uma extremidade do módulo
foi bloqueada. O comprimento médio útil das fibras era de 36,7 cm e a área superficial
útil de membrana de 332,05 cm
2
. Cada módulo foi fabricado com 24 fibras e
apresentava diâmetro hidráulico de 1,36 cm. A densidade de empacotamento era de
cerca de 500 m
2
/m
3
.
75
V. Materiais e Métodos
Figura V.7 – Ilustração da tela usada para evitar o cruzamento das fibras dentro do
módulo e da etapa de colagem.
Figura V.8 – Ilustração do módulo construído para os testes em batelada.
V.4.3. Experimentos com Lodo Ativado
Os módulos de membrana foram acoplados externamente ao tanque de alimentação
do sistema e operados em fluxo cruzado (a suspensão escoava paralelamente à
superfície da membrana, enquanto o permeado era transportado transversalmente a
mesma). Para realização dos testes foi coletado lodo secundário na ETE - Penha. O
tanque de aeração foi preenchido com lodo ativado, que foi recirculado pelo sistema.
O permeado foi coletado apenas para determinação do fluxo e sempre retornado para
o recipiente com lodo ativado, a fim de evitar a alteração da concentração do lodo
durante o ensaio. Adotou-se a hipótese de que a concentração de sólidos suspensos
no tanque de aeração não variou significativamente no biorreator durante a realização
de cada teste.
Nestes ensaios, variou-se:
• A velocidade tangencial de líquido pelo módulo de 0,15 a 0,63 m/s;
• A pressão transmembrana gerada pela corrente líquida de 0,05 a 1,0 bar;
• A vazão de ar injetada na tubulação de alimentação do módulo (e
conseqüentemente a pressão de ar) de 0 a 1.842 L/h (30,7 L/min);
• A concentração de lodo no biorreator de 5.120 a 13.425 mg/L.
76
V. Materiais e Métodos
Em dois testes, foi avaliada também a recuperação do fluxo permeado com a
realização de retrolavagem.
Para determinar a vazão de injeção de ar na tubulação de alimentação do módulo de
membranas, correspondente a cada pressão de ar imposta no sistema, foi realizado
previamente um teste, onde foi determinada para cada pressão de ar comprimido a
correspondente vazão de ar medida por um gasômetro.
Nos testes em que não foi injetado ar na tubulação de alimentação do módulo de
membranas, a aeração no reator foi realizada pela injeção de ar comprimido através
de uma pedra porosa de aquário (dimensões 12 x 2 cm).
Após cada teste, os módulos foram submetidos ao procedimento de limpeza hidráulica
e química, explicado no item V.3.4, por cerca de 3 horas.
V.4.4. Ensaios para Caracterização dos Sistemas de Injeção de Ar
Estes ensaios foram realizados com o objetivo de comparar a transferência de
oxigênio pelo aerador instalado no fundo do tanque de aeração (pedra porosa de
aquário de 12 cm de comprimento por 2 cm de largura) com a transferência de
oxigênio pelo ar injetado na tubulação que alimenta o módulo de membranas e é
transferido para o tanque de aeração através da tubulação de retorno do concentrado.
O procedimento adotado para comparação dos valores foi a determinação do
coeficiente global de transferência de oxigênio K
L
a para ambos os aeradores. O valor
de K
L
a é característico de cada aerador e varia com a vazão de ar comprimido injetada
no sistema de aeração.
Os ensaios foram realizados com o mesmo recipiente que foi usado como tanque de
aeração nos testes com lodo ativado. O volume de líquido foi mantido em 5 L. Para
determinar a vazão de ar foi realizado previamente um teste, onde foi avaliada, para
cada pressão gerada pelo ar comprimido medida pelo manômetro, a correspondente
vazão de ar medida por um gasômetro.
O sensor utilizado para medição da concentração de oxigênio dissolvido é da marca
AMR – Ahlborn, tipo FYA640-02, e a aquisição de dados foi realizada pelo registrador
77
V. Materiais e Métodos
Ahlborn-Almemo 2290-8, marca AMR. O sensor media também a temperatura da água
e realizava a correção do valor de K
L
a para sua temperatura. O teste foi realizado com
água destilada. A água do tanque foi desoxigenada com sulfito de sódio (para cada
grama de oxigênio adicionou-se cerca de 8 g de sulfito de sódio e cloreto de cobalto
como catalisador). O sistema foi então aerado por um certo tempo até atingir uma
concentração de oxigênio praticamente constante. Ao longo deste tempo, foi realizada
a aquisição dos dados (temperatura e concentração de oxigênio dissolvido). A pressão
de ar injetada no sistema foi variada de 0,25 a 0,40 bar para ambos os aeradores,
correspondendo a uma vazão de ar de 23,4 a 34,3 L/min (velocidade tangencial no
módulo de 2,54 a 3,94 m/s). Para cada vazão de ar, o ensaio foi repetido duas vezes,
gerando um total de 16 ensaios para ambos os aeradores. A concentração de
saturação de oxigênio dissolvido para a temperatura média de cada teste foi obtida em
JORDÃO & PESSÔA (1995).
O valor de K
L
a (1/min) foi obtido pela inclinação da reta do gráfico semilogarítmico,
com a ordenada ln (C* - C) e a abscissa o tempo t, onde:
C* = concentração de saturação de oxigênio dissolvido (mg/L);
C = concentração do oxigênio dissolvido no meio líquido (mg/L);
t = tempo (min).
Posteriormente, este valor foi corrigido para a temperatura padrão de 20
o
C, pela
equação V.1:
)20(
20
02,1
−
=
T
TL
C
L
aK
aK
o
(equação V.1)
onde T é a temperatura média no meio líquido (
o
C) durante a realização do ensaio.
Com o valor de K
L
a, foi determinada a massa de oxigênio transferida por unidade de
tempo nas condições padrão (N
0
):
)*.(.
0 águaáguaL
CCVaKN
−
=
(equação V.2)
onde V é o volume do tanque (em L) e C
água
a concentração de oxigênio dissolvido
(OD) na água limpa (mg/L). Para o ensaio com água limpa, nas condições padrão,
C
água
é igual a zero para as condições iniciais.
78
V. Materiais e Métodos
Considerando-se todas as correções que devem ser feitas para a determinação da
massa real de oxigênio transferida para o tanque de aeração pelo aerador por unidade
de tempo (N), como descrito no item III.4 do capítulo Lodos Ativados Convencional,
obtém-se:
)20(
02,1..
*
).*.(.
−
−
−=
T
esgesg
águaáguaL
C
CCs
CCVaKN
α
(equação V.3)
ou
)20(
0
02,1..
*
.
−
−
=
T
esgesg
C
CCs
NN
α
(equação V.4)
Onde:
N = massa de oxigênio real transferida para o tanque de aeração na unidade de
tempo, em gO
2
/d (ou capacidade de oxigenação nas condições de operação do
sistema);
Cs
esg
= concentração de saturação de OD na temperatura do líquido no tanque de
aeração (valor freqüentemente adotado = 0,95 x Concentração de saturação para
água limpa);
C
esg
= concentração de OD no esgoto, no tanque de aeração (geralmente mantida no
reator entre 1,0 e 2,0 mg/L);
α = fator de correção para esgoto doméstico (de acordo com CORNELISSEN et al.,
2002, para biorreatores com membranas, o valor de α varia em torno de 0,4 a 0,5
dependendo da concentração de lodo no reator).
No teste realizado com a aeração através do módulo de membranas, foi adotada uma
velocidade tangencial de líquido de 0,32 m/s (Re = 4.500). A pressão transmembrana
no sistema gerada pela corrente líquida foi mantida em 0,10 bar.
V.5. Ensaios em Modo Contínuo
Para o desenvolvimento de testes de longa duração e operação do processo em modo
contínuo é necessária a alimentação contínua do biorreator com esgoto. Deste modo,
para que o sistema fosse operado adequadamente, foi considerado necessário
minimizar a interferência humana, estabelecer intervalos iguais entre retrolavagens,
controlar o nível do tanque de aeração e instituir procedimentos de segurança para
79
V. Materiais e Métodos
prolongar a vida útil da membrana e proteger as bombas. Com isso, decidiu-se realizar
a automação do sistema. Na operação manual até então realizada, se o operador
acionasse uma bomba ou uma válvula no momento errado, os manômetros, as
válvulas e as membranas poderiam ser danificados, assim como tubulações poderiam
arrebentar, além de ser impossível operar com um intervalo igual entre retrolavagens.
Desta forma, um novo sistema automatizado foi desenvolvido em parceria com o
Grupo de Simulação e Controle em Automação e Robótica (GSCAR) do Programa de
Engenharia Elétrica da COPPE/UFRJ, com o objetivo de atender às necessidades
acima descritas.
V.5.1. Montagem de Novo Sistema
O novo sistema é composto por:
• Atuadores: encarregados de fornecer energia para o funcionamento do
sistema físico a ser controlado:
o Bombas: o sistema possui três bombas. As características de cada
bomba podem ser observadas na Tabela V.1 abaixo.
Tabela V.1 – Características das bombas que compõe o sistema automatizado.
Bomba Função Tipo Modelo
Vazão
Máx. (L/h)
B1
Alimentação do
tanque de aeração
Peristáltica
00-510/130 S, Diacti
Eletrônica Industrial e
Metalurgia Ltda.
6
B2
Recirculação do
lodo ativado
De deslocamento
positivo
3NU10, Netzsch do
Brasil
600
B3 Retrolavagem De engrenagem
7144-02, Cole Palmer
Instrument Co.
140
o Válvulas de controle:
O sistema possui cinco válvulas manuais: duas válvulas três vias
para medição de vazão manual, duas válvulas reguladoras
(Norgreen) e uma válvula reguladora de pressão;
80
V. Materiais e Métodos
Além disso, o sistema é composto por cinco válvulas solenóides
(fabricante Ascoval), conforme as especificações técnicas
descritas na Tabela V.2.
Tabela V.2 – Especificações das válvulas solenóides.
Válvula Modelo Tipo
Número
de Vias
Conexão
(NPT)
Função
V1 SC8262C208 NF
a
2 ¼
Permitir ou bloquear a
injeção de ar na linha de
alimentação do módulo
V2 8320B174 Universal 3 ¼
Coleta de permeado /
Passagem da água de
retrolavagem
V3 8210C034 NA
b
2 ½
Permitir a passagem de
lodo ativado / Bloquear a
passagem da água suja
de retrolavagem
V4 8210C094 NF 2 ½
Bloquear a passagem de
lodo ativado / Permitir a
passagem da água suja
de retrolavagem
V5 SC8262A262 NA 2 ¼
Permitir ou bloquear a
aeração no reator
a
NF = normalmente fechada
b
NA = normalmente aberta
• Sensores: encarregados de medir as variáveis físicas próprias do sistema:
o Foram utilizados sensores de nível com eletrodos da marca Coel
(modelo PN/PNS) para controle do nível mínimo e máximo no tanque
de aeração (Figura V.9) e para controle de segurança:
No controle de nível máximo e mínimo, os eletrodos foram
posicionados na tampa do tanque de aeração (Figura V.9);
No controle de segurança, os eletrodos foram posicionados na
bandeja do tanque de aeração. Em caso de extravasamento do
biorreator, o sensor seria acionado;
81
V. Materiais e Métodos
Figura V.9 – Controlador de nível usando eletrodos para controle do nível mínimo e
máximo no tanque de aeração.
o Um sensor de nível tipo chave eletromecânica (Digimec tipo RFI1) foi
adotado para controle do nível mínimo de segurança:
O sensor foi instalado dentro do tanque de aeração. Caso a
bomba 1, responsável pela alimentação do biorreator, falhasse
ou o esgoto que alimenta o reator acabasse, o tanque de
aeração esvaziaria até atingir o nível mínimo de segurança e o
sensor seria acionado;
• Duas bombonas contendo esgoto doméstico bruto (após remoção de sólidos
grosseiros e de areia): uma em uso e outra reserva (Figura V.10);
Figura V.10 – Bombona com esgoto doméstico.
• Agitador para manter as características do esgoto na bombona em uso
homogêneas;
• Geladeira para conservar as características do esgoto ao longo dos testes;
82
V. Materiais e Métodos
• Recipiente em PVC, volume de 10 litros, diâmetro de 20 cm, altura de 45 cm;
• Módulo de membranas;
• Um compressor de ar (Manchester TX, pressão máxima de 20 bar, com
motor Baldor – Emqlo products corporation);
• Um rotâmetro para medição da vazão de permeado;
• Um aerador no fundo do tanque de aeração (pedra porosa de aquário de 12 x
2 cm);
• Quatro manômetros: dois para controlar a pressão média no módulo - um na
entrada e outro na saída do módulo (com escala de fundo de 2,0 bar); um
para controlar a pressão transmembrana durante a realização de
retrolavagem (com faixa de pressão de 0,0 a 2,5 bar) e outro para monitorar
a pressão com que o ar era injetado no tanque de aeração através do
aerador (pedra porosa) localizado no fundo do tanque de aeração (com
escala de fundo de 2,0 bar);
• Tanque de 50 L para coleta de permeado;
• Um controlador lógico programável (PLC): um PLC é composto basicamente
por dois elementos principais: uma CPU (unidade central de processamento)
e interfaces para os sinais de entrada e saída (Figura V.11). O PLC utilizado
possui dezesseis entradas digitais (100-120 VAC) e doze saídas digitais
(100-240 VAC). O microprocessador é um H8/3003. O banco de memória
possui uma memória “flash” de 256 K x 16 bits e uma memória “ram” de 64
Kbyte alimentada por uma bateria interna. A velocidade de varredura típica é
de 1,0 ms/K. Além disso, este modelo possui duas portas seriais padrão RS-
422 para comunicação com o dispositivo programador (programador manual
ou computador) e com outros PLC.
Figura V.11 – Controlador lógico programável.
83
V. Materiais e Métodos
Um esquema e uma ilustração do sistema montado podem ser observados nas
Figuras V.12 e V.13, respectivamente.
Figura V.12 – Esquema do sistema montado no laboratório PAM (S1 Min = eletrodo
indicador de nível mínimo, S1 Max = eletrodo de nível máximo, S2 = eletrodo de
segurança, CB = chave de bóia).
84
V. Materiais e Métodos
Figura V.13 – Ilustração do sistema utilizado.
V.5.2. Programação do Controlador Lógico Programável (PLC) e Montagem do
Painel
de Controle
A construção e montagem do Painel de Controle foram realizadas pelo GSCAR. Além
disso, com a orientação do GSCAR, foram elaborados fluxogramas de controle para
posterior programação do PLC.
Em linhas gerais, o fluxograma é composto por três etapas: uma para controle de
fluxo; outra para controle de nível; e outra para controle de limpeza do módulo.
A etapa de controle de fluxo corresponde ao processo de filtração e retrolavagem. O
controle de fluxo (CF) pode ser realizado manualmente (CF=0) ou pelo programa
85
V. Materiais e Métodos
(CF=1). Uma vez acionado CF=1, foi programado o seguinte procedimento: a válvula 5
(V5), normalmente aberta, é energizada e, portanto, fechada. V5 é responsável por
permitir a aeração dentro do tanque de aeração. Acredita-se, pelos testes de
transferência de oxigênio desenvolvidos, que a aeração na linha de alimentação do
módulo será suficiente para manter o nível de oxigênio no tanque e os sólidos em
suspensão. Se ao longo da operação for constatada a necessidade de fornecer ao
sistema maior vazão de ar, está prevista uma variável externa (chave manual) para
habilitar a operação de V5 manualmente, independente do funcionamento do
programa.
Em seguida, o fluxograma questiona se a chave FM (função da membrana) está na
posição 0, ou seja, na função filtração/retrolavagem (controle de fluxo) ou na posição
1, que significa iniciar o controle de limpeza do módulo. Para FM=0, a bomba de
recirculação do lodo B2 é acionada, a válvula de injeção de ar na linha de alimentação
do módulo de membranas (V1) é energizada (aberta) e um contador (T1) é acionado.
Após T1 atingir o tempo pré-estabelecido (que pode ser facilmente alterado no
programa), B2 é desligada. V1 permanece energizada por alguns segundos (contador
T2) para expulsar o lodo ativado da tubulação e do módulo de membranas e retorná-lo
para o tanque de aeração. Evita-se assim a perda deste volume de lodo toda vez que
a retrolavagem for iniciada.
Após esta operação, V1 é desenergizada (fechado), V2 é energizada (habilita o
sentido da sucção e recalque de permeado pela bomba de retrolavagem B3), V3 é
energizada (fechada para bloquear a passagem da água suja de retrolavagem pela
bomba de recirculação em direção ao tanque de aeração) e V4 é energizada (aberta
para saída da água suja de retrolavagem do módulo). A água suja de retrolavagem foi
retornada para a bombona de esgoto devido ao volume ser pequeno, podendo ser
desprezado, e para evitar a geração de outro efluente, que precisaria ser tratado. Num
biorreator com membrana em escala comercial, esta corrente pode ser retornada para
o tanque de aeração. Em seguida, B3 é acionada, sendo iniciada a retrolavagem e o
contador T3 iniciado. V5 é desenergizada (aberta) para fornecer ar ao tanque de
aeração durante a retrolavagem.
Quando T3 iguala o tempo pré-estabelecido, B3 é desligada. V2, V3 e V4 são
desenergizadas, ou seja, V2 habilita o sentido de coleta de permeado, V3 desbloqueia
a passagem de lodo e V4 é fechada.
86
V. Materiais e Métodos
Neste momento, se a variável externa MO (modo de operação da membrana) estiver
na posição 0, a operação é contínua e o procedimento operacional descrito
anteriormente é repetido. MO na posição 1 indica que foi escolhida a operação em
batelada e o processo pára até que MO seja mudado de posição ou que o programa
seja recarregado.
Na etapa de controle de nível, se a variável CN (controle de nível) estiver na posição
0, habilita-se o controle manual para a operação da bomba 1 (succiona efluente da
bombona de esgoto e recalca para o tanque de aeração). Se CN=1, o programa
verifica se o sensor de nível 1 está com o relé acionado ou não. Se o relé estiver
acionado, B1 deve estar desligada (tanque esvaziando) e, se não estiver acionado, B1
deve estar ligada (tanque enchendo). O princípio de funcionamento do sensor consiste
na instalação de três eletrodos no tanque de aeração. Quando há líquido apenas entre
o sensor de nível mínimo e o referência, B1 é ligada para alimentar o tanque de
aeração e quando o nível no tanque atinge o máximo, B1 é desligada e assim
sucessivamente. Os sensores devem estar posicionados no tanque distanciados um
do outro, de forma a evitar o acúmulo de sujeira entre eles.
Se a chave eletromecânica for acionada ou se os eletrodos de segurança da bandeja
do tanque de aeração forem molhados, o sistema desliga as bombas e desenergiza as
válvulas. Em seguida, é realizada uma retrolavagem por 15 minutos a 1,2 bar de
pressão (energiza V2, V3 e V4 e liga B3). Depois, a bomba 3 é desligada e as válvulas
desenergizadas. Este procedimento de segurança foi adotado para evitar danos a
bomba 2 e a membrana.
O programa de controle de fluxo é interligado ao de controle de limpeza pela variável
externa FM (função da membrana). Para FM=1 a malha de controle de limpeza é
iniciada.
Antes de estabelecer FM igual a 1, a variável externa JA (jato de ar) deve estar na
posição 0, caso o jato de ar não seja desejado; ou na posição 1, para que o jato de ar
seja realizado. JA=1 aciona o procedimento de abertura de V1 por um tempo pré-
estabelecido, com seu posterior fechamento. Este procedimento facilita o processo de
limpeza da membrana, pois através dele o lodo ativado e as soluções de limpeza
podem ser expulsos da tubulação, facilitando o enxágüe da membrana.
87
V. Materiais e Métodos
Após esta operação, V5 é desenergizada para manter o lodo ativado no tanque aerado
e o programa fica aguardando a variável externa LM (limpeza da membrana) ser
colocada na posição 1. Este tempo de espera é necessário para que as tubulações de
entrada da bomba 2 e de retorno do concentrado sejam transferidas para o recipiente
com a solução de limpeza e para que a tubulação de permeado seja colocada em
outro recipiente.
Antes de ser acionado LM=1, a variável RL (retrolavagem) deve ser colocada na
posição 0, caso não seja desejado que o procedimento de retrolavagem ocorra, ou na
posição 1, caso o operador queira realizá-lo.
Ao ser acionado LM=1, o procedimento de retrolavagem é iniciado ou não por um
determinado tempo e em seguida B2 é ligada e V1 aberta. Após um tempo pré-
estabelecido, V1 é fechada. Se a variável MO estiver na posição 0 a limpeza é
realizada até que LM seja alterado para a posição 1. Se MO=1, B2 permanece ligada
por um período e em seguida é desligada.
Esta rotina foi programada no software LogicMaster 90 TCP em linguagem LADDER.
Procurou-se prever todas as intervenções manuais necessárias a fim de facilitar a
operação e desenvolver controles de segurança para evitar que B2 pudesse operar
sem líquido (o que danificaria a bomba) e o risco de transbordamento do lodo ativado
do biorreator (que ocorreria em caso de falha do sensor de nível máximo). Todos estes
procedimentos de segurança foram sendo adicionados à medida que, durante os
testes, foi verificada essa necessidade.
Assim, através do painel de controle, o operador poderá escolher, por exemplo, o
modo de operação (contínuo ou batelada) e o modo de funcionamento (manual ou
automático) ou a função da membrana (filtração ou limpeza). Para facilitar a operação
do sistema, estas escolhas são realizadas através de chaves. No modo manual, o
acionamento dos atuadores é realizado através de chaves e visualizado através de
sinais luminosos existentes no painel ou no PLC.
Procurou-se montar o painel de operação nos moldes de um painel de uma estação de
tratamento em escala comercial. Um operador treinado, supervisionado por um
engenheiro, é capaz de operar este sistema com segurança. Um esquema do
fluxograma, o programa elaborado e o esquema elétrico do painel se encontram no
Anexo 1, assim como um manual de operação sucinto.
88
V. Materiais e Métodos
Uma ilustração do painel de controle montado pode ser observada na Figura V.14.
Figura V.14 – Ilustração do painel de controle.
V.5.3. Dimensionamento do Tanque de Aeração e do Módulo de Membranas
O volume útil do reator foi estabelecido com base em valores de parâmetros
operacionais comumente fixados para operação de MBR em modo contínuo. Como o
esgoto doméstico foi trazido da estação de tratamento de esgotos em bombonas de 50
L, procurou-se fixar a vazão média de permeado (e portanto vazão afluente ao tanque
de aeração) em 0,8 L/h. O motivo foi dimensionar para que uma bombona durasse
dois dias. Para uma Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO) do esgoto bruto de 250
mg/L, relação A/M de 0,1 d
-1
, SSVTA de 12.000 mg/L e uma vazão média de
permeado (e afluente) de 0,80 L/h, foi determinado o volume útil do tanque de
aeração:
L
SSVTAMA
DBOQ
V
aflafl
4
12000.1,0
24.250.8,0
./
.
===
(equação V.5)
O tempo de detenção hidráulico (TDH) planejado foi de:
89
V. Materiais e Métodos
h
Q
V
TDH 5
8,0
4
===
(equação V.6)
Para o dimensionamento do módulo, adotou-se o valor de vazão média de 0,8 L/h e
calculou-se a área superficial de membrana admitindo-se um fluxo de permeado entre
20 e 40 L/m
2
.h, obtendo-se:
22
sup
0,40004000,0
20
8,0
cmm
adofluxoperme
meadoVazãodeper
A
membranaerficialde
====
(equação V.7)
22
sup
0,20002000,0
40
8,0
cmmA
membranaerficialde
===
(equação V.8)
Desta forma, os módulos foram dimensionados de forma a possuírem uma área entre
os valores de 200,0 e 400,0 cm
2
. Com base nesta faixa de valores, adotou-se o
número de fibras igual a 16 e o comprimento unitário útil de cerca de 50 cm, obtendo-
se o seguinte valor de área superficial útil de membrana:
2223
sup
6,30103016,010.50.10.2,1.1415,3.16 cmmA
membranaerficialde
===
−−
(equação V.9)
V.5.4. Confecção dos Módulos
Foram confeccionados dois módulos com a mesma configuração dos módulos
produzidos para operação por batelada. O comprimento médio útil das fibras foi de
54,3 cm e a área superficial útil de membrana de 327,22 cm
2
. Cada módulo foi
fabricado com 16 fibras e apresentava área transversal útil de 1,54 cm
2
e diâmetro
hidráulico de 1,40 cm (Figura V.15).
Figura V.15 – Ilustração do módulo construído para os testes em modo contínuo.
90
V. Materiais e Métodos
V.5.5. Ensaio para Avaliação da Permeabilidade da Membrana a Água Pura
A permeabilidade da membrana à água destilada e microfiltrada foi avaliada para
pressão variando de 0,25 a 1,25 bar. Para avaliação do fenômeno de compactação, a
pressão transmembrana foi mantida a 1,25 bar por cerca de 60 minutos.
Posteriormente, foi variada novamente a pressão transmembrana de 0,25 a 1,25 bar e
determinado o valor de fluxo permeado correspondente a estas pressões.
Para avaliar a compactação da membrana pela operação de retrolavagem, foi
realizado retrolavagem por 10-15 minutos e novamente determinado o fluxo permeado
correspondente à variação de pressão de 0,25 a 1,25 bar.
V.5.6. Experimento em Modo Contínuo com Lodo Ativado
Este ensaio foi realizado por 6,5 h para avaliar o comportamento da membrana na
operação em modo contínuo. Foram estabelecidos os seguintes tempos no programa
para os procedimentos abaixo:
• Controle de Fluxo:
o Filtração por 240 minutos;
o V1 se mantém aberta após B2 ser desligada por 5 segundos;
o Retrolavagem por 4 minutos;
• Controle de limpeza:
o Jato de ar por 6 segundos;
o Retrolavagem por 3 min;
o V1 aberta durante a filtração por 30 segundos;
• Operação em batelada (MO=1) por 15 minutos.
Os valores dos parâmetros operacionais foram estabelecidos em:
• Pressão gerada pela recirculação do lodo = 0,1 bar;
• Vazão de recirculação do lodo = 180 L/h;
• Velocidade tangencial do lodo no módulo = 0,32 m/s (equivale a Re ≅ 4.500);
• Pressão gerada pela injeção de ar na linha de alimentação do módulo = 0,3
bar;
• Vazão de ar injetada na linha de alimentação do módulo de membranas = 27
L/min.(ou 1.620 L/h);
91
V. Materiais e Métodos
• A partida foi dada adicionando-se 3 L de lodo ativado da ETE - Penha no
tanque de aeração. O restante foi completado com esgoto da mesma estação
de tratamento. O nível de lodo no tanque de aeração foi mantido entre 3 L e 5
L, considerando-se 4 L como o nível médio do tanque de aeração.
V.5.7. Ensaio de Longa Duração em Modo Contínuo com Lodo Ativado
O módulo usado neste ensaio apresentava área superficial útil de membrana de
327,22 cm
2
e diâmetro hidráulico de 1,40 cm. Na partida do sistema foram mantidos os
tempos mencionados no item V.5.6. Estes valores foram variados durante a realização
do teste à medida que foi sendo constatada esta necessidade.
O lodo ativado e o esgoto foram coletados na ETE - Ilha do Governador. Foi
adicionado 3 L de lodo ativado no tanque de aeração para partida do sistema. O nível
de lodo no biorreator foi mantido entre 3,5 e 4,5 L.
V.6. Avaliação da Eficiência do Tratamento
Para cada amostra coletada, foram realizadas análises de demanda química de
oxigênio (DQO), demanda bioquímica de oxigênio (DBO), sólidos suspensos totais
(SST) e, algumas vezes, de sólidos suspensos voláteis (SSV) e coliformes fecais (CF).
Para o permeado também foram realizadas análises de Escherichia coli e algumas
vezes de turbidez e cor. Foram feitas algumas análises de Enterococcus. As amostras
foram analisadas pelo Laboratório de Engenharia do Meio Ambiente (LEMA), do
Departamento de Recursos Hídricos e Meio Ambiente da Poli-UFRJ. Abaixo segue
uma tabela com o método adotado para análise dos parâmetros acima descritos
(Tabela V.3).
Tabela V.3 – Metodologia utilizada para análise dos parâmetros relacionados à
eficiência do tratamento.
Parâmetro Metodologia utilizada
DQO
Método MF 440.R1 –FEEMA (1983) - Método do dicromato de
potássio em meio ácido
DBO Método MF 439.R1 –FEEMA (1983) - Método das diluições
SST e SSV Método MF 438 –FEEMA (1983) - Método gravimétrico
92
V. Materiais e Métodos
Colimetria
(coliforme fecal)
Método MF 405 –FEEMA (1983) – Método dos tubos múltiplos
Escherichia coli
Método 9.223 – APHA et al. (1998) – Método cromogênico
Grupo
Enterococcus
Método 9.230 - APHA et al. (1998) – Método “Chromocult
Enterococci”
Turbidez Método 8.237 – HACH (1999)– Método “Attenuated radiation”
Cor Método 8.025 - HACH (1999)– Método “Platinum – Cobalt”
93
V
V
I
I
.
.
A
A
P
P
R
R
E
E
S
S
E
E
N
N
T
T
A
A
Ç
Ç
Ã
Ã
O
O
E
E
D
D
I
I
S
S
C
C
U
U
S
S
S
S
Ã
Ã
O
O
D
D
O
O
S
S
R
R
E
E
S
S
U
U
L
L
T
T
A
A
D
D
O
O
S
S
Neste capítulo são apresentados os resultados obtidos durante a realização desta
pesquisa. Inicialmente são descritos e analisados os resultados de caracterização da
membrana, fabricada no Laboratório de Processos de Separação com Membranas e
Polímeros, da COPPE - UFRJ, através de microscopia eletrônica de varredura,
permeabilidade ao ar e à água. Em seguida, são discutidos os efeitos dos seguintes
parâmetros operacionais no valor do fluxo permeado: velocidade tangencial do lodo
ativado no módulo, pressão transmembrana gerada pela corrente líquida, vazão de ar
injetada na tubulação de alimentação do módulo (e conseqüentemente pressão
gerada pelo ar injetado) e concentração de lodo no biorreator. A influência da
retrolavagem também é analisada, bem como a importância da operação adequada do
sistema para obtenção de um melhor desempenho da membrana em estado
estacionário.
VI.1. Caracterização das Membranas
VI.1.1. Caracterização por Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV)
As imagens das fibras, obtidas através do MEV, são apresentadas nas Figuras VI.1 a
VI.3. Pode-se observar a presença de macroporos na camada suporte. Estes
macroporos não afetam a seletividade da membrana, uma vez que a membrana é
anisotrópica e os menores poros estão em sua superfície externa. As membranas
analisadas pertencem à mesma batelada de produção das fibras.
Figura VI.1 – Membrana de fibra oca, seção transversal (aumento de 75 x).
94
VI. Apresentação e Discussão dos Resultados
Figura VI.2 - Superfície externa da membrana, com aumento de 1.500 x.
Figura VI.3 - Superfície externa da membrana, com aumento de 10.000 x.
Através da observação das imagens obtidas pelo MEV, foi determinado o tamanho de
poro médio na superfície externa da membrana, que corresponde a 0,64 ± 0,37 µm
(esperança ± desvio padrão estimados). Pode-se observar que o coeficiente de
variação (desvio padrão/esperança) é cerca de 0,6 e que a variância (0,14),
comparada ao valor médio do tamanho de poro, é relativamente alta. O resultado
acima é apenas um valor indicativo da seletividade da membrana.
O diâmetro externo das fibras é de 1,2 mm e o interno de 0,38 mm.
VI.1.2. Permeabilidade da Membrana ao Ar
A permeabilidade da membrana ao ar foi determinada variando-se a pressão positiva
de 0,5 a 6,0 bar, para cada módulo. O processo de filtração ocorreu no sentido do
lúmen para a superfície externa das fibras. O teste foi realizado com três módulos,
95
VI. Apresentação e Discussão dos Resultados
cada um com área superficial útil de membrana de 37,66 cm
2
. A ilustração do módulo
usado pode ser observada na Figura V.1, do capítulo Materiais e Métodos. Na Figura
VI.4 são apresentados os resultados destes ensaios.
0
100.000
200.000
300.000
400.000
500.000
600.000
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0
Pressão (bar)
Jp (L/m
2
.h)
Figura VI.4 – Resultados dos ensaios de permeabilidade da membrana ao ar. Fluxo de
ar permeado (J
p
) em função da pressão transmembrana.
Pode-se observar no gráfico que os valores de fluxo por pressão possuem significativa
dispersão. Tal fato implica em coeficientes de permeabilidade provavelmente distintos
entre módulos ou variância relativamente alta no caso de estimação de um único
coeficiente de permeabilidade para os dados dos três módulos. Os módulos usados
nestes ensaios possuíam uma área superficial de membrana pequena e,
provavelmente, para módulos com maior área de membrana, a variabilidade dos
resultados de fluxo diminuiria.
Teoricamente o fluxo permeado (J
p
) para a filtração de ar puro deve apresentar uma
relação linear com o parâmetro pressão transmembrana. Portanto, foi efetuada uma
regressão linear com os resultados dos ensaios. Foi utilizado o método dos mínimos
quadrados. A equação estimada está descrita a seguir:
ε
β
+
+
= cpressãoJ
Lpp
.
(equação VI.1)
Onde c é a constante,
Lp
β
o coeficiente de permeabilidade e
ε
o erro da regressão.
96
VI. Apresentação e Discussão dos Resultados
Na Tabela VI.1 são apresentadas as estimações do modelo.
Tabela VI.1 – Estimação dos parâmetros do modelo.
Parâmetro Coeficiente Estimado Desvio Padrão Teste t
c 51.925,47 10.715,89 0,00
Lp
β
73.325,44 3.906,67 0,00
Coeficiente de determinação (R
2
) = 0,90
De acordo com a equação da regressão, o valor indicativo da permeabilidade média
da membrana ao ar é de
73.325,44 ± 3.906,67 L/m
2
.h.bar (com R
2
de 0,89).
Ressalta-se que foram utilizados os dados dos três módulos e que, como o objetivo é
o cálculo de um coeficiente de permeabilidade médio, os dados foram agrupados e
não foram controlados por características específicas da cada módulo. O controle por
módulo levaria à obtenção de constantes distintas para cada módulo.
A estimação dos desvios padrões dos parâmetros estimados foi feita, segundo o
método de estimação de Newey e West, no programa E-views. A estimação é robusta
mesmo na violação das hipóteses clássicas da regressão de mínimos quadrados.
O teste t avalia a hipótese nula de o coeficiente estimado ser zero. O valor descrito na
tabela é a probabilidade estimada da hipótese nula ser verdadeira. Observa-se na
Tabela VI.1 que tanto a hipótese do coeficiente de permeabilidade ser zero quanto a
hipótese do intercepto da regressão ser zero são rejeitadas. Pela teoria, quando a
pressão transmembrana é nula, não deveria haver fluxo, pois não há gradiente de
pressão (e portanto força motriz). Assim, este último teste contraria a teoria de que,
para uma pressão transmembrana de 0 bar, o fluxo permeado deveria ser nulo. Este
resultado provavelmente foi obtido devido aos erros associados à realização do
experimento (pequena área de membrana e manômetro).
VI.1.3. Permeabilidade da Membrana a Água Pura
O objetivo deste experimento foi avaliar a permeabilidade da membrana a água pura e
a homogeneidade das características das fibras. Este teste foi realizado com três
módulos submersos num béquer com água destilada, microfiltrada e desmineralizada.
O permeado foi obtido por diferença de pressão negativa, variando-se a pressão de
0,1 a 0,5 bar. Os resultados dos ensaios podem ser observados na Figura VI.5.
97
VI. Apresentação e Discussão dos Resultados
0
200
400
600
800
1.000
1.200
1.400
1.600
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Pressão (bar)
Jp (L/m
2
.h)
Figura VI.5 – Resultados dos testes de permeabilidade da membrana para água pura.
Fluxo permeado em função da pressão transmembrana.
Os resultados obtidos de pressão transmembrana por fluxo permeado mostram grande
dispersão dos valores de fluxo por pressão. Um dos motivos pode ser que as
membranas não foram compactadas antes da realização do ensaio. Imprecisões nas
leituras da pressão, no manômetro de mercúrio, e do volume de permeado, coletado
no “kitassato”, também podem ter contribuído. Um maior número de fibras
provavelmente estreitaria a variabilidade dos resultados.
Como o fluxo permeado de um solvente puro é diretamente proporcional ao gradiente
de pressão, foi ajustada uma reta pelo método dos mínimos quadrados para estimar a
permeabilidade da membrana a água pura. Uma regressão análoga à do ar foi
efetuada para a água. O resultado da regressão está descrito na Tabela VI.2.
Tabela VI.2 – Estimação dos parâmetros do modelo.
Parâmetro Coeficiente Estimado Desvio Padrão Teste t
c -5,00 22,19 0,82
Lp
β
2.046,88 100,96 0,00
Coeficiente de Determinação R
2
= 0,89
O teste t para o intercepto da regressão mostrou que a hipótese do coeficiente c
estimado ser zero não pode ser rejeitada, logo procedeu-se à estimação sem o
intercepto (Tabela VI.3).
98
VI. Apresentação e Discussão dos Resultados
Tabela VI.3 – Estimação dos parâmetros do modelo.
Parâmetro Coeficiente Estimado Desvio Padrão Teste t
Lp
β
2.033,24 51,36 0,00
R
2
= 0,89
Baseado na equação da regressão, o valor indicativo da permeabilidade média da
membrana a água pura é de
2.033,24 ± 51,36 L/m
2
.h.bar (com R
2
de 0,89).
VI.2. Resultados dos Ensaios Preliminares com Água Pura e com Lodo
Para realização destes experimentos foi utilizado o sistema ilustrado na Figura V.3, do
capítulo Materiais e Métodos. O sistema foi operado, em fluxo cruzado, com o módulo
de circulação externa, e o permeado retirado por diferença de pressão positiva. A
pressão transmembrana foi gerada pela própria vazão de recirculação e pela válvula
reguladora de pressão.
O módulo usado era composto por 14 fibras de comprimento unitário útil de 21,6 cm,
apresentando uma área superficial de 114,0 cm
2
e diâmetro hidráulico de 1,07 cm.
VI.2.1. Experimento para Avaliação da Permeabilidade da Membrana a Água Pura
A permeabilidade da membrana a água pura, com o módulo externo ao tanque de
alimentação do sistema, foi avaliada para pressão variando de 0,25 a 1,50 bar. Foi
observado também o fenômeno de compactação da membrana, atribuído à
deformação mecânica da mesma.
Na Figura VI.6 são apresentados os resultados deste ensaio para a membrana
compactada na pressão de 1,50 bar.
99
VI. Apresentação e Discussão dos Resultados
0
200
400
600
800
1.000
1.200
1.400
1.600
0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50
Pressão (bar)
Jp (L/m
2
.h)
Jp antes da compactação
Jp após compactação
Figura VI.6 – Teste de permeabilidade da membrana para água pura.
Com os resultados do teste foi ajustada uma reta pelo método dos mínimos
quadrados. Com base na regressão, o valor indicativo da permeabilidade média da
membrana a água pura, antes da compactação, é da ordem de 900 L/m
2
.h.bar. Pode-
se observar que o valor obtido para permeabilidade média no sistema com o módulo
externo ao tanque de alimentação (900 L/m
2
.h.bar) é consideravelmente menor que o
obtido para o módulo submerso (2.033 L/m
2
.h.bar). Esta diferença pode ser atribuída
ao fato de que o ensaio com módulo externo foi realizado para variação da pressão
transmembrana até 1,50 bar e portanto ao longo do ensaio a membrana sofreu maior
efeito da compactação que no ensaio com módulo submerso (pressão variada até 0,50
bar). Ainda, no sistema com módulo externo, a possibilidade de haver sujeira
acumulada nas tubulações e conexões é maior, pois o circuito de circulação é mais
extenso, além da água ser recirculada. Porém, essa diferença no valor da
permeabilidade para água pura torna-se desprezível ao usar o módulo para filtração
de lodo.
A compactação, função do valor da pressão aplicada e das características estruturais
da membrana, levou a um fluxo permeado menor que o obtido antes da compactação.
Este comportamento já era esperado, visto que ao ser compactada é razoável que a
resistência que a membrana oferece ao transporte da água pura aumente.
100
VI. Apresentação e Discussão dos Resultados
VI.2.2. Ensaio para Avaliação da Permeabilidade da Membrana ao Lodo
Foi realizado um ensaio para avaliar a permeabilidade da membrana ao lodo antes da
otimização dos valores dos parâmetros. Neste teste foi recirculado lodo da estação de
tratamento de esgotos da Penha (ETE - Penha), localizada no Rio de Janeiro. O lodo
apresentava demanda química de oxigênio (DQO) de 8.862 mg/L e sólidos suspensos
totais (SST) de 8.589 mg/L.
O sistema utilizado, descrito na Figura V.3, foi operado com uma velocidade tangencial
média de lodo ativado no módulo de 0,20 m/s (correspondente à vazão máxima da
bomba de recirculação e a um Número de Reynolds Re ≅ 2.000). A pressão
transmembrana (TMP) foi fixada em 0,5 bar (valor supostamente razoável para evitar
que os fenômenos de polarização de concentração e do “fouling” fossem muito
expressivos) e, após duas horas de ensaio, aumentada para 1,0 bar, com o objetivo de
avaliar a possibilidade de recuperação do fluxo permeado.
O permeado foi coletado apenas para determinação do fluxo e sempre retornado para
o recipiente com lodo ativado, a fim de evitar a alteração da concentração do lodo
durante o ensaio. O resultado do teste é apresentado na Figura VI.7.
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5
Tempo (h)
Jp (L/m
2
.h)
Símbolo Módulo N
o
do
teste
V
líq
(m/s)
Re V
ar
(m/s)
P
líq
(bar)
P
ar
(bar)
P
total
(bar)
Retrolavagem
novo 01 0,20 2.000 - 0,5 - 0,5 não
novo 01 0,20 2.000 - 1,0 - 1,0 não
Figura VI.7 - Microfiltração do lodo ativado sem retrolavagem - Fluxo permeado em
função do tempo para pressão de 0,5 bar e, posteriormente, de 1,0 bar.
101
VI. Apresentação e Discussão dos Resultados
Observando o gráfico, pode-se concluir que nas condições testadas o desempenho da
membrana foi ruim, resultando em um fluxo, para pressão de 0,5 bar, após 2,0 horas
de teste, de 10 L/m
2
.h. Este valor está abaixo do fluxo recuperado pelos principais
MBR disponíveis no mercado em escala comercial (Empresas Kubota e Zenon, com
fluxo médio de 25 e 30 L/m
2
.h, respectivamente). A elevação da pressão para 1,0 bar
não resultou em aumento do fluxo, pelo contrário, o mesmo caiu rapidamente. O fluxo
atingiu o valor de 4 L/m
2
.h após 3,2 horas de teste, provavelmente devido ao aumento
dos efeitos da polarização de concentração e do “fouling”.
Após o procedimento de limpeza do módulo, descrito no item V.3.4, o fluxo permeado
para filtração de água pura, com 0,5 bar de pressão, foi recuperado para 115 L/m
2
.h.
Os resultados das análises de DQO, SST e coliformes fecais (CF) do lodo recirculado
e do permeado obtido (coletado após a realização do ensaio) são apresentados na
Tabela VI.4. Os filtros usados nas análises de SST têm diâmetro de poro médio igual a
0,45 µm. Na Figura VI.8 podem ser observadas uma ilustração do lodo ativado e do
permeado.
Tabela VI.4 - Resultados das análises do lodo e do permeado gerado.
Parâmetro Lodo ativado Permeado
DQO (mg/L) 8.862 34
SST (mg/L) 8.590 <0,5
CF (NMP/100 mL) 2.160.000 0
Figura VI.8 - Ilustração do lodo ativado e do permeado.
102
VI. Apresentação e Discussão dos Resultados
Apesar dos resultados ruins de fluxo permeado, pode-se observar pela Tabela VI.4 e
pela Figura VI.8 que o permeado apresentou qualidade excelente, com ausência de
coliformes termotolerantes e concentração de SST no permeado abaixo do limite de
detecção. O efluente gerado atende facilmente, por exemplo, aos padrões
estabelecidos pela NBR 13.969 (ABNT, 1997) para reúso em descarga de vasos
sanitários, pois a Norma recomenda turbidez inferior a 10 uT e número mais provável
(NMP) de coliformes fecais inferior a 500/100mL.
VI.3. Resultados dos Ensaios em Batelada com Lodo Ativado
Decidiu-se montar um novo sistema para possibilitar maior flexibilidade operacional. O
novo sistema permitiu a variação da vazão de recirculação de líquido de 0 até 600 L/h,
a realização de retrolavagem e a injeção de ar junto com a corrente de alimentação do
módulo de membranas. Neste sistema, ilustrado na Figura V.6, do capítulo Materiais e
Métodos, foram realizados vários ensaios em batelada visando avaliar melhor o
comportamento da membrana.
O módulo de membranas foi acoplado externamente ao tanque de alimentação do
sistema e operado em fluxo cruzado. Um esquema é apresentado na Figura VI.9.
Figura VI.9 – Esquema do sistema montado.
Para o desenvolvimento dos testes, foram confeccionados três módulos com
comprimento médio útil das fibras de 36,7 cm e área superficial útil de membrana de
332,05 cm
2
. Cada módulo foi confeccionado com 24 fibras e diâmetro hidráulico de
1,36 cm.
103
VI. Apresentação e Discussão dos Resultados
Inicialmente foi avaliado o desempenho da membrana ao longo do tempo para
diferentes velocidades tangenciais do lodo ativado no módulo. A pressão no sistema
foi mantida em 0,5 bar (pressão gerada apenas pela corrente de líquido). Os ensaios
foram realizados com concentração de sólidos suspensos no tanque de aeração
(SSTA) média de 8.865 mg/L. Os resultados obtidos são apresentados na Figura
VI.10.
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
0,00,51,01,52,02,53,03,54,04,55,05,56,0
Tempo (h)
Jp (L/m
2
.h)
Símbolo Módulo
N
o
do
teste
V
líq
(m/s)
Re
V
ar
(m/s)
P
líq
(bar)
P
ar
(bar)
P
total
(bar)
Retrolavagem
usado teste 02 0,15 2.000 - 0,5 - 0,5 não
usado teste 03 0,34 4.600 - 0,5 - 0,5 não
novo Teste 04 0,49 6.600 - 0,5 - 0,5 não
Figura VI.10 - Microfiltração do lodo ativado - Fluxo permeado em função do tempo
para pressão de 0,5 bar e variação da velocidade tangencial do líquido.
Como pode ser observado, quanto maior a velocidade tangencial do lodo, melhor o
comportamento do fluxo permeado ao longo do tempo, para uma dada pressão de
líquido. Maiores vazões de recirculação de esgoto pelo módulo, mantendo-se fixos o
diâmetro útil do tubo e a viscosidade do lodo, contribuem mais para o carreamento das
substâncias que se depositam sobre a superfície da membrana, minimizando a
espessura da torta. Após 5,0 horas de ensaio, obteve-se um fluxo em torno de 10, 20
e 30 L/m
2
.h para velocidade tangencial do líquido de 0,15, 0,34 e 0,49,
respectivamente.
O desempenho do sistema foi também avaliado para operação com e sem injeção de
ar na tubulação de alimentação do módulo de membranas. Foi realizado um teste
104
VI. Apresentação e Discussão dos Resultados
(teste 05) com pressão gerada pelo líquido de 0,05 bar e pelo ar de 0,35 bar (Entenda-
se pressão gerada pelo líquido como pressão promovida pela própria circulação de
líquido no sistema e pela válvula reguladora de pressão). A velocidade tangencial de
líquido foi fixada em 0,34 m/s. Esta velocidade foi escolhida por ser um valor razoável
para minimizar a deposição de partículas, sem elevar muito o consumo energético.
O resultado deste ensaio foi comparado ao teste 03, efetuado com pressão gerada
pelo líquido de 0,50 bar. Os ensaios foram desenvolvidos com concentração de SSTA
média de 7.085 mg/L. Os resultados são apresentados na Figura VI.11.
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0
Tempo (h)
Jp (L/m
2
.h)
Símbolo Módulo
N
o
do
teste
V
líq
(m/s)
Re
V
ar
(m/s)
P
líq
(bar)
P
ar
(bar)
P
total
(bar)
Retrolavagem
usado 03 0,34 4.600 - 0,50 - 0,50 não
usado 05 0,34 4.600 3,76 0,05 0,35 0,40 não
Figura VI.11 – Microfiltração do lodo ativado – Fluxo permeado em função do tempo –
Influência da aeração no valor do fluxo permeado.
Para a mesma velocidade tangencial de líquido, o fluxo permeado obtido para a
pressão total de 0,40 bar (P
líq
= 0,05 bar e P
ar
= 0,35 bar) foi significativamente maior,
com valor acima de 30 L/m
2
.h após 5,0 horas de operação. Já para a pressão total de
0,50 bar, gerada apenas pela fase líquida, o fluxo atingiu valor um pouco abaixo de 20
L/m
2
.h após 5,0 horas de operação. Ressalta-se ainda que uma pressão total de
operação menor tem a vantagem de contribuir menos para a deposição de partículas
sobre a superfície da membrana.
105
VI. Apresentação e Discussão dos Resultados
Com o objetivo de comparar o valor do fluxo permeado para: (i) operação do sistema
com uma velocidade tangencial de líquido maior (0,49 m/s), mas sem injeção de ar na
tubulação de alimentação do módulo de membranas (teste 04), com (ii) uma
velocidade menor (0,34 m/s), mas com injeção de ar (teste 05), foram retratados num
mesmo gráfico os testes 04 e 05. O gráfico é apresentado na Figura VI.12. Os ensaios
foram realizados com concentração de SSTA média de 7.085 mg/L.
25,0
30,0
35,0
40,0
45,0
50,0
55,0
60,0
65,0
70,0
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5
Tempo (h)
Jp (L/m
2
.h)
Símbolo Módulo N
o
do
teste
V
líq
(m/s)
Re V
ar
(m/s)
P
líq
(bar)
P
ar
(bar)
P
total
(bar)
Retrolavagem
novo 04 0,49 6.600 - 0,50 - 0,50 não
usado 05 0,34 4.600 3,76 0,05 0,35 0,40 não
Figura VI.12 – Microfiltração do lodo ativado – Fluxo permeado em função do tempo –
Influência da velocidade tangencial e da aeração no valor do fluxo permeado.
O desempenho da membrana no teste 05 foi superior ao desempenho no teste 04,
apesar da velocidade tangencial no ensaio 05 ser inferior. Pode-se, portanto, operar o
sistema com vazão de recirculação de líquido e pressão total menores e obter, ainda
assim, um fluxo maior. O fluxo permeado, após 4 horas de duração dos ensaios,
apresentou valor em torno de 25 - 30 L/m
2
.h para o teste 04 e de 30 - 35 L/m
2
.h para o
teste 05.
A operação do sistema com menor vazão de recirculação diminui o consumo
energético. Ressalta-se que o consumo de energia pela injeção de ar seria necessário
de qualquer forma, pois o ar teria que ser injetado no sistema para manutenção dos
sólidos em suspensão e para suprir as necessidades de oxigênio dos microrganismos.
106
VI. Apresentação e Discussão dos Resultados
Com a finalidade de avaliar a importância da aeração foi realizado um teste onde
foram variados os parâmetros operacionais: o sistema foi operado ora com injeção de
ar, ora sem injeção de ar. O resultado é apresentado na Figura VI.13. O ensaio foi
realizado com concentração de sólidos suspensos no tanque de aeração por volta de
8.007 mg/L.
25,0
30,0
35,0
40,0
45,0
50,0
55,0
60,0
0,00,51,01,52,02,53,03,54,04,55,05,5
Tempo (h)
Jp (L/m
2
.h)
Símbolo Módulo
N
o
do
teste
V
líq
(m/s)
Re
V
ar
(m/s)
P
líq
(bar)
P
ar
(bar)
P
total
(bar)
Retrolavagem
novo 06 0,55 7.500 2,42 0,30 0,20 0,50 não
novo 06 0,55 7.500 - 0,50 - 0,50 não
novo 06 0,55 7.500 2,42 0,30 0,20 0,50 não
novo 06 0,55 7.500 - 0,50 - 0,50 não
Figura VI.13 – Influência da aeração no valor do fluxo permeado em função do tempo.
Pode-se observar que, quando a aeração era suspensa e a pressão transmembrana
gerada apenas pela corrente líquida, o valor do fluxo permeado caía rapidamente,
enquanto que, ao ser reiniciada a aeração, o valor do fluxo estabilizava e ainda
apresentava pequena melhora gradual. Somente a velocidade de líquido elevada não
foi suficiente para minimizar a deposição de partículas sobre a membrana, sendo
significativa a contribuição da turbulência gerada pela aeração para evitar a queda
acentuada do fluxo permeado ao longo do tempo.
Procurando avaliar a importância das condições operacionais na partida do sistema no
valor do fluxo permeado ao longo do tempo, iniciou-se um experimento com condições
operacionais ruins (Re =2.800, sem aeração, pressão transmembrana gerada pela
corrente líquida de 0,50 bar) e, depois, ao longo do mesmo teste, procurou-se
107
VI. Apresentação e Discussão dos Resultados
melhorar esses parâmetros. Os resultados deste ensaio, realizado com SSTA de cerca
de 8.007 mg/L, podem ser observados na Figura VI.14.
0,0
20,0
40,0
60,0
80,0
100,0
120,0
140,0
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5
Tempo (h)
Jp (L/m
2
.h)
Símbolo Módulo
N
o
do
teste
V
líq
(m/s)
Re
V
ar
(m/s)
P
líq
(bar)
P
ar
(bar)
P
total
(bar)
Retrolavagem
usado 07 0,21 2.800 - 0,50 - 0,50 não
usado 07 0,21 2.800 2,42 0,30 0,20 0,50 não
usado 07 0,34 4.600 2,87 0,25 0,25 0,50 não
usado 07 0,34 4.600 - 0,50 - 0,50 não
Figura VI.14 - Microfiltração do lodo do tanque de aeração com alteração dos
parâmetros operacionais ao longo do teste – Fluxo permeado ao longo do tempo.
Pode-se observar pelos resultados mostrados na Figura VI.14 que, mesmo com a
injeção de ar e o aumento da vazão de recirculação, não foi possível melhorar o fluxo
permeado. Ainda que melhoradas as condições operacionais ao longo da operação, o
fluxo permeado, provavelmente, não correspondeu ao valor que seria obtido caso o
sistema fosse operado com estas melhores condições operacionais desde sua partida.
Ou seja, os parâmetros de partida na operação do módulo de membranas podem
influir no desempenho da mesma ao longo do tempo, mesmo que posteriormente
alterados.
O desempenho do sistema foi também avaliado para diferentes pressões totais de
operação, sendo essas pressões promovidas pela corrente de lodo e pela injeção de
ar na linha de alimentação do módulo. Os resultados deste ensaio, realizado com
concentração de sólidos suspensos no reator de 8.950 mg/L, são apresentados na
Figura VI.15.
108
VI. Apresentação e Discussão dos Resultados
35,0
40,0
45,0
50,0
55,0
60,0
65,0
70,0
75,0
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
Tempo (h)
Jp (L/m
2
.h)
Símbolo Módulo
N
o
do
teste
V
líq
(m/s)
Re
V
ar
(m/s)
P
líq
(bar)
P
ar
(bar)
P
total
(bar)
Retrolavagem
usado 08 0,63 8.500 1,52 0,30 0,10 0,40 não
usado 08 0,63 8.500 2,42 0,20 0,20 0,40 não
usado 08 0,63 8.500 3,76 0,15 0,35 0,50 não
usado 08 0,63 8.500 3,31 0,50 0,30 0,80 não
usado 08 0,63 8.500 3,76 0,65 0,35 1,00 não
Figura VI.15 - Microfiltração do lodo ativado - Influência da pressão gerada pelo líquido
e pelo ar no valor do fluxo permeado ao longo do tempo.
Nota-se que quanto maior a pressão de ar injetada, melhor o comportamento do fluxo
permeado com o tempo. A geração de bolhas maiores, aumentando a turbulência,
minimiza a deposição de partículas sobre a superfície da membrana. Porém, para a
pressão de circulação do esgoto, quando esta foi aumentada pela válvula reguladora
de pressão, houve um aumento expressivo do fluxo permeado, porém este decaiu
rapidamente com o tempo. Este efeito pode ter ocorrido pelo aumento da deposição
de partículas sobre a superfície da membrana e/ou compactação da torta, o que
resulta no aumento de sua resistência, e/ou pela acentuação dos efeitos do “fouling”.
Mesmo para uma velocidade tangencial de líquido no módulo elevada (0,63 m/s), o
fluxo decaiu rapidamente para pressão de esgoto elevada, não sendo a velocidade
tangencial do esgoto e a taxa de aeração ajustadas suficientes para evitar os efeitos
negativos acima citados.
Visando avaliar a influência da retrolavagem e da velocidade de ar no módulo sobre o
valor de fluxo permeado foi realizado um teste, onde foram mantidas velocidade de
líquido de 0,31 m/s e pressão de líquido de 0,10 bar. Inicialmente a pressão de ar foi
fixada em 0,20 bar. A primeira retrolavagem neste ensaio foi efetuada após 1 hora de
109
VI. Apresentação e Discussão dos Resultados
operação. Após 2,5 horas, a pressão de ar foi alterada para 0,35 bar e foi realizada
outra retrolavagem. Mais uma retrolavagem foi executada após cerca de 3,5 horas. Os
resultados deste teste, realizado com SSTA de cerca de 8.950 mg/L, podem ser
observados na Figura VI.16.
30,0
35,0
40,0
45,0
50,0
55,0
60,0
65,0
70,0
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5
Tempo (h)
Jp (L/m
2
.h)
Símbolo Módulo
N
o
do
teste
V
líq
(m/s)
Re
V
ar
(m/s)
P
líq
(bar)
P
ar
(bar)
P
total
(bar)
Retrolavagem
usado 09 0,31 4.200 2,42 0,10 0,20 0,30 não
usado 09 0,31 4.200 2,42 0,10 0,20 0,30 sim
usado 09 0,31 4.200 3,76 0,10 0,35 0,45 sim
usado 09 0,31 4.200 3,76 0,10 0,35 0,45 sim
Retrolavagem
RetrolavagemRetrolavagem +
A
ltera
ç
ão da Par
Figura VI.16 - Microfiltração do lodo ativado - Influência da pressão de ar e da
retrolavagem no valor do fluxo permeado ao longo do tempo.
Observa-se na Figura VI.16 uma pequena recuperação do fluxo permeado com a
realização da primeira retrolavagem. Já o aumento da velocidade do ar de 2,42 para
3,76 m/s, associado à realização de outra retrolavagem, contribuiu significativamente
para aumentar o valor do fluxo.
Pode-se observar ainda que a influência da retrolavagem após cerca de 3,5 horas de
duração do ensaio foi maior que sua influência com apenas 1 hora de operação.
Provavelmente, para períodos mais longos de operação, a retrolavagem influencie
mais no comportamento do fluxo permeado ao longo do tempo, desempenhando papel
importante na recuperação do fluxo, permitindo a manutenção de um fluxo mais
estável. Esta influência poderá ser observada no teste de longa duração realizado em
modo contínuo, que será descrito mais adiante. Um outro fator a ser considerado é
110
VI. Apresentação e Discussão dos Resultados
que a retrolavagem após 3,5 horas de operação foi realizada para pressão de ar mais
alta. Com a turbulência gerada pela velocidade maior do ar no módulo, a espessura da
camada polarizada deve diminuir, ficando mais fácil sua remoção pela retrolavagem.
Para avaliar melhor a influência da retrolavagem, foi realizado um outro teste, porém já
iniciado com valor da pressão de ar de 0,35 bar. O resultado do teste pode ser
observado na Figura VI.17. Este ensaio foi realizado com concentração de SSTA em
torno de 9.000 mg/L.
50,0
55,0
60,0
65,0
70,0
75,0
0,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5
Tempo (h)
Jp (L/m
2
.h)
Símbolo Módulo
N
o
do
teste
V
líq
(m/s)
Re
V
ar
(m/s)
P
líq
(bar)
P
ar
(bar)
P
total
(bar)
Retrolavagem
novo 10 0,37 5.000 3,76 0,15 0,35 0,50 não
novo 10 0,37 5.000 3,76 0,15 0,35 0,50 sim
Retrolavagem
Figura VI.17 - Microfiltração do lodo ativado - Influência da retrolavagem no valor do
fluxo permeado ao longo do tempo.
Neste teste, a recuperação do valor do fluxo permeado com a retrolavagem foi um
pouco maior que no anterior (teste 09). Alguns fatores que podem ter influenciado são
a vazão de ar fixada em 0,35 bar desde o início do ensaio, a velocidade de líquido
maior (0,37 m/s) e as características da membrana, que variam um pouco de módulo
para módulo.
Comparando ainda o teste 09 com o 10, pode-se observar que o teste 09 parte de um
fluxo de cerca de 33 L/m
2
.h, enquanto o 10 do valor de 72 L/m
2
.h. Observando-se
estes valores, pode-se questionar que um dos fatores que podem ter contribuído para
o baixo fluxo do teste 09 já na partida da operação consiste em que o módulo usado
111
VI. Apresentação e Discussão dos Resultados
no teste 09 pode não ter sido adequadamente recuperado pelo procedimento de
limpeza anterior a sua utilização (nesta limpeza foi usada apenas água sanitária e em
todas as outras limpezas foi utilizado, além de água sanitária, detergente). Contudo,
com os parâmetros bem ajustados, foi possível obter no ensaio um fluxo de 60 – 65
L/m
2
.h. Assim, o teste 09, após aproximadamente 4 horas de duração, apresentou
valor de fluxo comparável ao valor de fluxo do teste 10, que após 1,4 horas de ensaio,
apresentou fluxo de 64 L/m
2
.h. Com a operação do sistema em condições adequadas,
foi possível minimizar os efeitos causados pela polarização de concentração e pelo
“fouling”.
A fim de demonstrar a importância do ajuste adequado dos parâmetros (pressão de
líquido, pressão de ar, retrolavagem), os testes 06 e 09 foram comparados num
mesmo gráfico, apresentado na Figura VI.18. A concentração média de sólidos
suspensos no reator era de 8.479 mg/L.
30,0
35,0
40,0
45,0
50,0
55,0
60,0
65,0
70,0
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5
Tempo (h)
Jp (L/m
2
.h)
Símbolo Módulo
N
o
do
teste
V
líq
(m/s)
Re
V
ar
(m/s)
P
líq
(bar)
P
ar
(bar)
P
total
(bar)
Retrolavagem
novo 06 0,55 7.500 2,42 0,30 0,20 0,50 não
usado 09 0,31 4.200 2,42 0,10 0,20 0,30 não
usado 09 0,31 4.200 2,42 0,10 0,20 0,30 sim
usado 09 0,31 4.200 3,76 0,10 0,35 0,45 sim
usado 09 0,31 4.200 3,76 0,10 0,35 0,45 sim
Figura VI.18 – Fluxo permeado em função do tempo – Variação da velocidade
tangencial e da pressão sobre o módulo de membranas.
Pode-se observar que, apesar de no teste 06 o módulo ser novo e operado com uma
velocidade tangencial de líquido maior, no teste 09 (operado com menor pressão de
112
VI. Apresentação e Discussão dos Resultados
líquido, maior pressão de ar, retrolavagem e velocidade de líquido menor) o valor do
fluxo permeado, após cerca de 4,0 horas de ensaio, foi consideravelmente maior
(cerca de 60 L/m
2
.h) que o valor do teste 06 (40 L/m
2
.h).
Foi realizado ainda o teste de concentração do lodo (Figura VI.19), com a finalide de
avaliar a influência da concentração de SSTA no fluxo permeado. A concentração do
lodo foi realizada retirando-se permeado ao longo do tempo, sem retorná-lo ao reator.
Para cada concentração em que foi coletada amostra para análise de SSTA,
esperava-se cerca de quinze minutos retornando o fluxo de permeado para que o
sistema opera-se por um período na concentração estabelecida, e então eram
medidos três valores de fluxo permeado. Manteve-se neste teste pressão gerada pelo
líquido de 0,05 bar e pelo ar de 0,35 bar, com velocidade tangencial do líquido no
módulo de 0,34 m/s.
Na Figura VI.19, é ilustrado também o resultado do teste 05, para servir de referência,
operado com os mesmos parâmetros de pressão e de velocidade tangencial de líquido
que o teste de concentração.
25,0
30,0
35,0
40,0
45,0
50,0
55,0
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5
Tempo (h)
Jp (L/m
2
.h)
Símbolo Módulo
N
o
do
teste
V
líq
(m/s)
Re
V
ar
(m/s)r
P
líq
(bar)
P
ar
(bar)
P
total
(bar)
SSTA
(mg/L)
Retrolavagem
usado 05 0,34 4.600 3,76 0,05 0,35 0,40
6.163
não
usado 11 0,34 4.600 3,76 0,05 0,35 0,40
5.120
não
usado 11 0,34 4.600 3,76 0,05 0,35 0,40 7.725 não
usado 11 0,34 4.600 3,76 0,05 0,35 0,40
9.600
não
usado 11 0,34 4.600 3,76 0,05 0,35 0,40 13.425 não
Figura VI.19 - Fluxo permeado em função do tempo – teste de concentração do lodo.
113
VI. Apresentação e Discussão dos Resultados
Pode-se notar, comparando os resultados do teste 05 e do teste de concentração
(teste 11), que a influência dos SSTA no valor do fluxo permeado foi praticamente
desprezível. Provavelmente, este resultado só foi obtido devido às condições
hidrodinâmicas de operação do sistema serem adequadas. A turbulência gerada pela
aeração minimizava a espessura da camada de torta que se depositava sobre a
membrana, carreando as substâncias que se depositavam sobre sua superfície.
Provavelmente, se as condições de operação fossem piores, os efeitos da
concentração de sólidos suspensos seriam evidenciados.
Finalizando a análise dos resultados em batelada, é ilustrado, na Figura VI.20, um
gráfico com o teste 02, realizado antes da otimização dos parâmetros, e com o teste
10, a fim de realçar o ganho obtido no valor do fluxo permeado com a otimização dos
parâmetros operacionais. Os ensaios foram desenvolvidos com concentração de
SSTA média de 8.770 mg/L.
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5
Tempo (h)
Jp (L/m
2
.h)
Símbolo Módulo N
o
do
teste
V
líq
(m/s)
Re V
ar
(m/s)
P
líq
(bar)
P
ar
(bar)
P
total
(bar)
Retrolavagem
usado 02 0,15 2.000 - 0,5 - 0,5 não
novo 10 0,37 5.000 3,76 0,15 0,35 0,5 sim
Figura VI.20 – Microfiltração do lodo ativado - Fluxo permeado em função do tempo –
Comparação dos resultados dos testes 02 e 10.
Pode-se observar que após 4 horas de ensaio foi mantido um fluxo de 55 - 60 L/m
2
.h
para o teste 10, enquanto que no teste 02 o fluxo chegou a 7 L/m
2
.h, neste mesmo
intervalo de tempo.
114
VI. Apresentação e Discussão dos Resultados
No experimento 10 foi possível operar a uma pressão transmembrana de 0,50 bar,
sem ocorrer uma queda considerável no valor do fluxo permeado com o tempo.
Provavelmente, nas condições operacionais deste ensaio, o sistema seja operado com
um valor de fluxo permeado abaixo do crítico, o que não ocorre para pressão
transmembrana de 0,50 bar gerada apenas pelo líquido.
Quanto à eficiência do tratamento, foram realizadas análises de DQO, DBO, SST e CF
de cada amostra coletada na ETE -Penha e análises de DQO, DBO, SST, CF e
Escherichia coli das amostras do permeado coletado nos testes. As análises foram
realizadas no Laboratório de Engenharia do Meio Ambiente (LEMA), da Poli – UFRJ.
Na Tabela VI.5 são apresentadas as médias dos resultados obtidos para cada
parâmetro (quatro amostras de lodo ativado e quatro de permeado).
Tabela VI.5 - Resultados das análises do lodo e do permeado.
Parâmetro Lodo ativado Permeado
DQO (mg/L) 9.360 27
DBO (mg/L) 4.314 2
SST (mg/L) 7.927 <0,5
CF (NMP/100 mL) 1.200.000 0
Escherichia coli (NMP/100mL) - 0
A qualidade do permeado obtido pode ser observada na Tabela VI.5. O mesmo se
apresentou sempre com ausência de coliformes fecais e Escherichia coli. A
concentração de sólidos suspensos do permeado está abaixo do limite de detecção.
Os valores de DBO e de concentração de SST do efluente tratado atendem
perfeitamente as exigências de controle estabelecidas pela DZ-215-R.3 (FEEMA,
2002), que permite concentração máxima variando de 180 a 40 mg/L, tanto para SST,
como para DBO, de acordo com a carga orgânica diária lançada.
Na Figura VI.21 são ilustrados os filtros usados para análise dos sólidos suspensos de
uma amostra do tanque de aeração e de uma amostra do permeado (diâmetro de poro
médio do filtro de 0,45 µm). Uma amostra do lodo ativado e do permeado coletados
após um dos experimentos pode ser observada na Figura VI.22.
115
VI. Apresentação e Discussão dos Resultados
Figura VI.21 - Ilustrações dos filtros usados para análise dos sólidos suspensos de
uma amostra do tanque de aeração e de uma amostra de permeado.
Figura VI.22 - Amostra do lodo ativado e do permeado coletados após um dos
experimentos.
VI.3.1. Resultados dos Ensaios de Caracterização dos Sistemas de Injeção de Ar
A fim de comparar a transferência de oxigênio pelo aerador no fundo do tanque com a
transferência pela injeção de ar na tubulação que alimenta o módulo de membranas
foram realizados testes para determinação do coeficiente global de transferência de
oxigênio K
L
a e comparados os valores de K
L
a para ambos os sistemas de aeração. Os
ensaios foram realizados para vazões de ar de 23,4; 27,0; 30,7 e 34,3 L/min,
correspondendo a pressões de ar de 0,25; 0,30; 0,35 e 0,40 bar, respectivamente,
com ambos os sistemas de aeração.
Com os resultados dos experimentos foram elaborados gráficos com ordenada [ln(C* -
C)] e abscissa representada pelo Tempo (min). Com base nestes gráficos, que se
encontram no Anexo 2, foram ajustadas retas pelo método dos mínimos quadrados
116
VI. Apresentação e Discussão dos Resultados
para obtenção dos valores de K
L
a (1/min) para cada vazão de ar. O ensaio foi
realizado duas vezes para cada vazão.
Ressalta-se que, como o valor de C* depende da temperatura no meio líquido, ensaios
realizados em temperaturas distintas proporcionam retas ajustadas com interceptos
diferenciados, visto que para t = 0, C é igual a 0 e o intercepto é determinado por (ln
C*). Desta forma, retas distintas foram ajustadas para cada ensaio realizado com
mesma vazão de ar e, como era esperado, estas apresentam inclinações semelhantes
(ou seja, valores de K
L
a semelhantes), porém interceptos distintos. O K
L
a para uma
determinada vazão de ar foi então obtido pela média dos K
L
a resultantes de cada
ensaio realizado com a referente vazão de ar.
Os valores de K
L
a para cada vazão de ar e para cada sistema de aeração se
encontram na Tabela VI.6. Os valores de K
L
a foram corrigidos para a temperatura
padrão de 20
o
C.
Tabela VI.6 – Valores de K
L
a.
Aeração pela injeção de ar na
tubulação de alimentação do módulo
Aeração pelo aerador fixo no
tanque de aeração
Vazão de
ar (L/min)
K
L
a
(1/min)
K
L
a corrigido
para T=20
o
C (1/min)
K
L
a
(1/min)
K
L
a corrigido para
T=20
o
C (1/min)
23,4 0,52 0,51 1,02 0,92
27,0 0,59 0,56 1,25 1,19
30,7 0,69 0,67 1,43 1,34
34,3 0,74 0,70 1,53 1,49
Com os valores corrigidos para a temperatura padrão foi elaborado um gráfico e
ajustada uma reta, para cada sistema de aeração, com a finalidade de obtenção do
valor de K
L
a correspondente às diferentes vazões de ar (Figuras VI.23 e VI.24).
117
VI. Apresentação e Discussão dos Resultados
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65
0,70
0,75
20,0 25,0 30,0 35,0 40,0
Vazão de Ar (L/min)
K
L
a (1/min)
Figura VI.23 – Valor de K
L
a em função da vazão de ar – Aeração através da injeção de
ar na tubulação que alimenta o módulo de membranas.
0,80
0,90
1,00
1,10
1,20
1,30
1,40
1,50
1,60
20,0 25,0 30,0 35,0 40,0
Vazão de Ar (L/min)
K
L
a (1/min)
Figura VI.24 – Valor de K
L
a em função da vazão de ar – Aeração através do aerador
localizado no fundo do tanque de aeração.
A capacidade de transferência de oxigênio do sistema de injeção de ar através da
tubulação de alimentação do módulo de membranas é mais baixa que a capacidade
do sistema com aerador fixo no fundo do tanque de aeração. Porém, o efeito da
aeração pela injeção de ar através da tubulação de alimentação do módulo de
membranas, além de aerar o tanque, melhora bastante o desempenho da membrana,
levando à necessidade de menor área de membrana, diminuição do número de
limpezas necessárias, além de possibilitar a operação do sistema com uma menor
velocidade tangencial. Uma análise futura contrastando o gasto energético com
aeração com a economia conseguida em área de membrana e consumo energético da
bomba de circulação deveria ser efetuada.
118
VI. Apresentação e Discussão dos Resultados
Pode-se instalar um ejetor de ar ou algum dispositivo adequado para aumentar a
eficiência de transferência de oxigênio deste sistema de aeração.
Com o objetivo de avaliar se a injeção de ar através da tubulação de alimentação do
módulo de membranas seria suficiente para manter os sólidos em suspensão no reator
e suprir as necessidades dos microrganismos para condições de operação em modo
contínuo em estado estacionário (fixou-se DBO do esgoto bruto em 250 mg/L,
concentração de sólidos suspensos voláteis no tanque de aeração em 12.000 mg/L,
vazão média afluente em 0,80 L/h e volume útil do reator em 4 L) foi comparada a
massa real de oxigênio transferida para o reator pelo sistema de aeração por unidade
de tempo (N) com a massa de oxigênio necessária para satisfazer as necessidades
diárias do metabolismo dos organismos M (kgO
2
/d).
A massa de oxigênio necessária para satisfazer as necessidades diárias de
metabolismo dos organismos M (kgO
2
/d) pode ser calculada pela equação III.12 do
capítulo Lodos Ativados Convencional, obtendo-se:
dgOdkgM /1,8/0081,010.4.12000.12,010.24.8,0).5250.(5,0
2
66
==+−=
−−
(equação VI.2)
O valor de K
L
a, para vazão de ar transferida pra o tanque de aeração de 30,7 L/min
(que equivale à pressão de ar de 0,35 bar), é igual a 0,64 min
-1
a 20
o
C. Com este
valor, foi calculada a massa de oxigênio transferida por unidade de tempo nas
condições padrão (N
0
), de acordo com a equação III.15 do capítulo Lodos Ativados
Convencional:
dgOmgN /2,33min/4,23)00,9.(4.64,0
20
=
=
−
= (equação VI.3)
Considerando-se todas as correções que devem ser feitas para a determinação da
massa real de oxigênio transferida pelo sistema de aeração por unidade de tempo (N),
como descrito no item III.4 do capítulo Lodos Ativados Convencional, obteve-se N
igual a:
)20(
02,1..
*
).*.(.
−
−
−=
T
esgesg
águaáguaL
C
CCs
CCVaKN
α
(equação VI.4)
119
VI. Apresentação e Discussão dos Resultados
dgOmgN /1,12min/4,85,0.
0,9
0,295,0.0,9
).00,9.(4.64,0
2
==
−
−=
(equação VI.5)
Onde α (fator de correção para esgotos domésticos) para biorreatores com
membranas apresenta valor em torno de 0,4-0,5 dependendo da concentração de lodo
no reator (CORNELISSEN et al., 2002).
Pode-se observar que, como N é maior que M, a aeração através da linha de
alimentação do módulo de membranas seria suficiente para suprir as necessidades
dos microrganismos, não sendo necessário o uso do aerador fixado no tanque de
aeração.
VI.4. Resultados dos Ensaios em Modo Contínuo
Para que o sistema fosse operado adequadamente em modo contínuo, por um longo
período de tempo, com a minimização de interferência humana, intervalos iguais entre
retrolavagens, controle de nível do tanque de aeração e utilização de procedimentos
de segurança pré-estabelecidos para prolongar a vida útil da membrana e proteger as
bombas, um sistema automatizado foi desenvolvido em parceria com o Grupo de
Simulação e Controle em Automação e Robótica (GSCAR) do Programa de
Engenharia Elétrica da COPPE/UFRJ. Um esquema dos fluxogramas de seqüência da
operação do sistema e o programa elaborado se encontram no Anexo 1. A descrição
dos equipamentos que compõe o sistema, assim como das operações programadas
para serem realizadas estão relatadas no item V.5.2, do capítulo Materiais e Métodos.
Na operação deste sistema foram adotados os valores dos parâmetros operacionais
otimizados nos testes em batelada. Seu esquema pode ser observado na Figura V.12,
do capítulo Materiais e Métodos e, na Figura VI.25, é apresentada uma ilustração do
mesmo.
120
VI. Apresentação e Discussão dos Resultados
Figura VI.25 – Ilustração do sistema utilizado.
Nestes ensaios foram utilizados módulos com comprimento médio útil das fibras de
54,3 cm e área superficial útil de membrana de 327,22 cm
2
. Cada módulo foi fabricado
com 16 fibras e apresentava área transversal útil de 1,54 cm
2
e diâmetro hidráulico de
1,40 cm.
VI.4.1. Ensaio para Avaliação da Permeabilidade da Membrana a Água Pura
A permeabilidade da membrana a água pura foi avaliada para pressão variando de
0,25 a 1,25 bar. Foi avaliado também o fenômeno de compactação da membrana.
Após as medidas iniciais de permeabilidade, o sistema foi operado por cerca de 1 hora
a uma pressão de 1,25 bar. Em seguida, foi medida novamente a permeabilidade da
membrana para pressão variando de 0,25 a 1,25 bar. Após este procedimento, foi
realizada uma retrolavagem por cerca de 10 minutos a uma pressão de 1,25 bar a fim
de avaliar seu efeito na compactação da membrana. Foi então variada novamente a
pressão no sistema de 0,25 a 1,25 bar e medido o fluxo permeado para cada pressão
analisada. Na Figura VI.26 são apresentados os resultados deste ensaio.
121
VI. Apresentação e Discussão dos Resultados
0,0
50,0
100,0
150,0
200,0
250,0
300,0
350,0
0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50
Pressão (bar)
Jp (L/m
2
.h)
Filtração antes da compactação
Filtração após compactação
Filtração após retrolavagem por 10 min
Figura VI.26 – Avaliação do fenômeno de compactação da membrana.
Pode-se observar que a inclinação da reta obtida pela filtração de água pura após
retrolavagem (permeabilidade da ordem de 201 L/m
2
.h.bar) é similar à inclinação da
reta de filtração antes da compactação (permeabilidade da ordem de 221 L/m
2
.h.bar).
Desta forma, parece ser desprezível a contribuição da retrolavagem para a
compactação da membrana. Na verdade, seu efeito parece ter contribuído para
descompactar a membrana, o que é razoável, dado que o sentido do fluxo de
retrolavagem é oposto ao da filtração. O valor obtido de permeabilidade após a
compactação (em torno de 188 L/m
2
.h.bar) corrobora com a observação anterior,
mostrando que na verdade a permeabilidade da membrana aumentou após a
realização da retrolavagem.
A permeabilidade da membrana neste ensaio foi consideravelmente menor que no
ensaio citado no item VI.2.1. O ensaio descrito no item VI.2.1 foi realizado em um
sistema que ainda não havia sido usado na filtração de lodo. Já o ensaio descrito
neste item foi realizado em um sistema que já havia sido usado várias vezes para
filtração de lodo ativado. Por mais que o sistema tenha sido limpo, sua recuperação
não é total, restando algumas sujeiras nas tubulações, nas válvulas e nas conexões.
VI.4.2. Ensaio em Modo Contínuo com Lodo Ativado
Este ensaio foi realizado com pressão gerada pela recirculação de lodo e pela válvula
reguladora de 0,1 bar. A velocidade tangencial do lodo foi fixada em 0,32 m/s (Re ≅
4.500). A pressão gerada pela injeção de ar na linha de alimentação do módulo foi
122
VI. Apresentação e Discussão dos Resultados
fixada em 0,3 bar, equivalendo a uma vazão de ar de 27 L/min.(ou 1.620 L/h) e a uma
velocidade de ar de aproximadamente 2,93 m/s. Foram estabelecidos os seguintes
tempos no programa: filtração por 240 minutos e retrolavagem por 4 minutos.
Na Figura VI.27 são apresentados os resultados obtidos no ensaio. Neste ensaio,
após cerca de 2,0 horas de operação, a tubulação de retorno do concentrado escapou,
sendo necessário interromper a operação do sistema por 30 minutos. Em seguida foi
reiniciada a operação, sendo recarregado o programa. Para evitar alteração no tempo
entre retrolavagens, manualmente, após cerca de 4 horas de operação, foi realizada
uma retrolavagem. Após a retrolavagem, as posições de memória do programa foram
zeradas e reiniciada a operação no automático.
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
45,0
50,0
55,0
60,0
65,0
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0
Tempo (h)
Jp (L/m
2
.h)
Retrolavagem
Problemas na
Operação do Sistema
Figura VI.27 – Operação do sistema em modo contínuo. Fluxo permeado ao longo do
tempo.
Pode-se observar que, após a parada do sistema, o valor do fluxo permeado
apresentou uma queda expressiva (de cerca de 45,0 para cerca de 20 L/m
2
.h). Porém,
com a realização da retrolavagem, o valor foi recuperado para aproximadamente 40,0
L/m
2
.h. Decidiu-se, com base neste resultado, sempre que o sistema apresentasse um
problema, antes de reiniciá-lo no automático, fazer uma retrolavagem manual para
recuperar o valor do fluxo. O contra-fluxo foi mais eficiente para a recuperação do fluxo
do que a operação de filtração com a aeração. Somente a aeração não foi capaz de
diminuir a espessura da torta que se depositou sobre a superfície da membrana.
123
VI. Apresentação e Discussão dos Resultados
Após cerca de 6,5 horas, a operação do sistema foi interrompida por problemas
operacionais. Os problemas foram solucionados e, depois de feitas as alterações
necessárias, foi iniciado um novo ensaio, que está descrito no item VI.4.3.
Para avaliação da eficiência do tratamento foram realizadas análises físico-químicas e
bacteriológicas do esgoto que alimentava o tanque de aeração (proveniente da ETE-
Penha), da amostra de permeado coletada e do lodo ativado. Os resultados são
apresentados na Tabela VI.7.
Tabela VI.7 – Resultados das análises do esgoto bruto, do efluente tratado e do lodo
ativado no tanque de aeração.
Parâmetro Esgoto bruto Permeado Lodo ativado
DQO (mg/L) 420 13 -
DBO (mg/L) 196 ≤2 -
SST (mg/L) 92 <0,5 2.450
Enterococcus (NMP/100mL) 1.500.000 0 -
Escherichia coli (NMP/100mL) - 0 -
Pode-se observar que não foi detectada, no permeado, a presença de Enterococcus e
Escherichia coli. A concentração de sólidos suspensos totais é desprezível. A
eficiência de remoção de DBO foi maior que 99% e de DQO foi de aproximadamente
97%. Lembra-se que o lodo ativado foi trazido da ETE-Penha e que não foi aclimatado
neste sistema.
VI.4.3. Ensaio de Longa Duração em Modo Contínuo com Lodo Ativado
Após ajustes na programação e no sistema físico, foi iniciada a operação do sistema
com um novo módulo. O lodo ativado, para partida da operação, e o esgoto foram
coletados na ETE - Ilha do Governador, localizada no Rio de Janeiro. A operação foi
iniciada com pressão gerada pela circulação de lodo e pela válvula reguladora de 0,1
bar. Procurou-se manter esta pressão durante todo o ensaio. A velocidade tangencial
do lodo foi fixada em 0,32 m/s (Re ≅ 4.500). A pressão pela injeção de ar na linha de
alimentação do módulo foi ajustada inicialmente para 0,3 bar, equivalendo a uma
vazão de ar de 27 L/min (ou 1.620 L/h) e a uma velocidade de ar de aproximadamente
2,93 m/s. Os resultados do ensaio podem ser observados na Figura VI.28. Diversas
interferências foram realizadas ao longo da operação.
124
VI. Apresentação e Discussão dos Resultados
25,0
27,5
30,0
32,5
35,0
37,5
40,0
42,5
45,0
47,5
50,0
0 4 8 121620242832364044485256606468
Tempo (h)
Jp (L/m
2
.h)
Figura VI.28 - Operação do sistema em modo contínuo. Fluxo permeado ao longo do
tempo.
Nos primeiros minutos de operação foram feitos os ajustes de vazão de recirculação e
pressão de líquido e de ar, como de costume.
O tempo de filtração foi estabelecido em 4 horas e o de retrolavagem em 4 minutos.
Após 2,5 horas de operação, por problemas na posição dos eletrodos, a chave de bóia
(sensor de segurança de nível mínimo) foi acionada e o sistema entrou na função de
retrolavagem de segurança. A operação foi então interrompida manualmente, foi
realizada uma retrolavagem manual por quatro minutos e o programa recarregado.
Após 10 horas de operação, como a bomba de alimentação do tanque de aeração
(bomba 1) ficou desligada por um período longo de tempo, ela foi acionada por um
contador previsto em caso de falha dos sensores de controle de nível. Ao ser
observado este fato, o tempo para entrada no contador foi modificado e o programa
recarregado. Com esta pequena pausa operacional, o fluxo permeado sofreu uma
queda. Foi decidido então, após 11,7 horas de operação, realizar uma retrolavagem
para recuperar o valor do fluxo e foi alterado o tempo entre retrolavagens para 2 horas
e a duração da retrolavagem para 2 minutos. Após cerca de 19,5 horas de operação,
outro ajuste na posição dos eletrodos foi feito e foi realizada uma retrolavagem manual
por 10 minutos.
Após 21 horas de operação, a pressão de ar foi aumentada de 0,30 para 0,35 bar
(correspondendo a uma vazão e velocidade de ar de 30,7 L/min e 3,32 m/s,
125
VI. Apresentação e Discussão dos Resultados
respectivamente), provocando um aumento significativo no valor do fluxo permeado (o
fluxo cresceu de 33 para 41 L/m
2
.h), como pode ser observado no gráfico VI.28.
Após cerca de 34 horas de operação, observou-se que a pressão de líquido subiu para
0,25 bar, sendo mantido o valor da pressão de ar. A pressão de líquido foi então
reajustada, sendo necessário interromper a aeração por alguns minutos. No período
entre 37-39 horas, alguns ajustes foram realizados, sendo realizada uma retrolavagem
de segurança por 15 minutos.
Entre 42,5 e 58 horas, o sistema não foi monitorado. Em algum momento, a bomba 1
falhou e não foi acionada, assim, o nível mínimo de segurança foi atingido, foi
realizada uma retrolavagem por 15 minutos e, em seguida, as válvulas foram
desenergizadas e as bombas desligadas. Após 58 horas, o programa foi reiniciado e
foi observada uma diminuição considerável do valor do fluxo permeado (de 29 para
24,5 L/m
2
.h), sendo então realizada uma retrolavagem manual por 4 minutos. O fluxo
foi recuperado para 29,5 L/m
2
.h.
A retrolavagem foi importante neste ensaio evitando a queda gradual contínua do
fluxo, sendo fundamental sua realização após problemas operacionais. Sempre que foi
necessária uma pausa no funcionamento do sistema, a retrolavagem foi necessária
para evitar uma queda mais acentuada do valor do fluxo permeado.
O sistema não foi monitorado entre 65,5 e 86,5 horas. Após 86,5 horas, foi realizada
uma retrolavagem manual e a operação automatizada iniciada. Notou-se, neste
momento, que o permeado estava amarelado e lentamente foi clareando, porém sua
cor permaneceu um pouco alterada. A monitoração do sistema prosseguiu por mais 48
horas, sendo coletadas três amostras de permeado para avaliar se o mesmo estava
contaminado. Como foi comprovada a sua contaminação (CF = 14 NMP/100mL e
Escherichia coli = 5 NMP/100mL), foi interrompida a operação e o sistema foi limpo. O
módulo foi desconectado do sistema e pôde-se observar que duas fibras romperam:
as duas mais próximas à entrada de esgoto e ar no módulo. Algum tipo de proteção
sobre as fibras, na entrada da alimentação do módulo, seria suficiente para evitar o
rompimento.
Apesar dos problemas operacionais, o fluxo se manteve sempre acima de 27,0 L/m
2
.h.
Este valor é comparável, ou mesmo superior, ao fluxo dos principais biorreatores com
membranas comercializados atualmente (Empresas Kubota e Zenon, com fluxo médio
126
VI. Apresentação e Discussão dos Resultados
de 25 e 30 L/m
2
.h, respectivamente), o que comprova a adequação das membranas
utilizadas para aplicação em biorreatores com membranas visando o tratamento de
esgotos domésticos.
Os dados de eficiência do tratamento podem ser observados na Tabela VI.8. Foram
analisadas três amostras do esgoto bruto e três amostras do permeado, coletadas
antes do rompimento das fibras.
Tabela VI.8 – Resultados das análises do esgoto bruto e do efluente tratado.
Parâmetro Esgoto bruto Permeado
DQO (mg/L) 723 18
DBO (mg/L) 238 ≤2
SST (mg/L) 438 0,8
SSV
a
(mg/L) 380 -
CF (NMP/100mL) 11.000.000 0
Enterococcus (NMP/100mL) 350.000 0
Escherichia coli (NMP/100mL) - 0
Turbidez (FAU)
b
- 0,3
Cor (PtCo)
c
- 21
a
SSV = sólidos suspensos voláteis
b
FAU = unidades de atenuação de formazina
c
PtCo = unidades de platina - cobalto
Pode-se observar pelos resultados das análises do esgoto bruto e do efluente tratado
que a eficiência de remoção da DQO foi aproximadamente 98% e da DBO foi maior
que 99%. A concentração de sólidos suspensos totais no permeado é desprezível e
não foi detectada, no permeado, a presença de Enterococcus e Escherichia coli.
Apenas como parâmetro de referência, as eficiências típicas de remoção de sistemas
de lodos ativados convencionais para DQO, DBO, SST e CF se apresentam na faixa
de 85 -90, 85 – 95, 85 – 95 e 60 – 90, respectivamente.
Na Figura VI.29 pode ser observada uma ilustração com filtros usados nas análises de
sólidos suspensos totais do esgoto, do lodo ativado e do permeado, respectivamente.
127
VI. Apresentação e Discussão dos Resultados
Figura VI.29 - Ilustração com filtros usados nas análises de sólidos suspensos totais
do esgoto, do lodo ativado e do permeado, respectivamente.
Nas fotos da Figura VI.30 podem ser visualizadas as ilustrações do esgoto bruto, do
lodo ativado no tanque de aeração (com os eletrodos fixos na tampa do tanque) e do
permeado no tanque de coleta de permeado. Na Figura VI.31 é apresentada a foto de
uma amostra do esgoto bruto a ser tratado (coletado na ETE-Ilha do Governador) e do
permeado.
Figura VI.30 – Ilustrações do esgoto bruto, do lodo ativado no tanque de aeração e do
permeado, respectivamente.
Figura VI.31 - Amostra do esgoto bruto e do permeado.
128
VI. Apresentação e Discussão dos Resultados
Na Tabela VI.9 podem ser observadas as variações das concentrações de sólidos
suspensos no tanque de aeração (SSTA) e de sólidos suspensos voláteis no tanque
de aeração (SSVTA) durante o ensaio.
Tabela VI.9 – Variação da concentração de SSTA e de SSVTA.
Biorreator Dia 1 Dia 2 Dia 3 Dia 4 Dia 5 Dia 6 Dia 7
SSTA (mg/L) 1.325 6.250 7.050 - 5.400 6.550 7.530
SSVTA (mg/L) 1.075 5.650 6.650 - 3.100 - 6.380
A diminuição da concentração de sólidos suspensos no tanque de aeração do terceiro
para o quinto dia se deve provavelmente à interrupção da operação do sistema
durante as noites do dia 3 e 4 por problemas operacionais. O reator neste período foi
mantido aerado, porém não foi alimentado com esgoto.
A concentração de oxigênio dissolvido no tanque de aeração foi monitorada ao longo
do ensaio e se manteve em torno de 5,0 – 7,0 mg/L.
129
V
V
I
I
I
I
.
.
C
C
O
O
N
N
C
C
L
L
U
U
S
S
Õ
Õ
E
E
S
S
E
E
S
S
U
U
G
G
E
E
S
S
T
T
Õ
Õ
E
E
S
S
P
P
A
A
R
R
A
A
T
T
R
R
A
A
B
B
A
A
L
L
H
H
O
O
S
S
F
F
U
U
T
T
U
U
R
R
O
O
S
S
VII.1. Conclusões
Pelos resultados obtidos neste trabalho conclui-se que:
• As membranas usadas no presente trabalho, preparadas no Laboratório de
Processos de Separação com Membranas e Polímeros (PAM) da
COPPE/UFRJ, apresentaram um bom desempenho para aplicação em
biorreatores com membranas (MBR) visando o tratamento de esgotos
domésticos;
• Nos testes em batelada, após o ajuste dos valores dos parâmetros
estudados, foi possível manter um fluxo permeado em torno de 45 L/m
2
.h
para uma velocidade tangencial de líquido de 0,30 – 0,35 m/s, pressão
transmembrana total de 0,40 – 0,50 bar (pressão gerada pela fase líquida de
0,10 – 0,15 bar e pela injeção de ar na tubulação de alimentação do módulo
de membranas de 0,30 – 0,35 bar), velocidade tangencial de ar no módulo de
cerca de 3,5 m/s e realização de retrolavagens. Para o sistema operado com
os parâmetros otimizados, a permeabilidade média da membrana ao lodo
ativado (para concentração de sólidos suspensos no tanque de aeração em
torno de 6.000 - 9.000 mg/L) ficou em torno de 90 - 120 L/m
2
.h.bar (que
representa cerca de 12% da permeabilidade da membrana a água pura
obtida para o módulo externo ao tanque de alimentação do sistema);
• Apesar dos problemas operacionais no teste de longa duração em modo
contínuo, o fluxo se manteve sempre acima de 27 L/m
2
.h. Este valor é
comparável ao fluxo dos principais biorreatores com membranas
comercializados atualmente (Empresas Kubota e Zenon, com fluxo médio de
25 e 30 L/m
2
.h, respectivamente);
• A otimização dos parâmetros operacionais e a operação adequada do
sistema foram fatores importantes para garantir a manutenção do
desempenho da membrana. Em um dos primeiros ensaios realizados, o fluxo
permeado, após 4 horas de operação, atingiu o valor de 7 L/m
2
.h, enquanto
130
VII. Conclusões e Sugestões para Trabalhos Futuros
que no ensaio com os valores dos parâmetros otimizados, manteve-se a
operação durante 4 horas com um fluxo de 55 - 60 L/m
2
.h;
Quanto maior a velocidade tangencial do lodo ativado no módulo de
membranas maior a contribuição deste parâmetro para carrear as
substâncias que se depositam sobre a superfície da membrana. Porém, para
minimizar o consumo energético do sistema, evitou-se trabalhar com uma
velocidade elevada. O valor desta variável foi fixado, após alguns ensaios,
em cerca de 0,35 m/s;
•
•
•
•
•
O fluxo permeado aumentou consideravelmente com o aumento da
intensidade de aeração. A aeração tornou possível operar o sistema a uma
pressão transmembrana de 0,40 - 0,50 bar (sendo 0,30 – 0,35 bar de
pressão gerado pelo ar), sem uma queda considerável no valor do fluxo
permeado com o tempo, mesmo para uma velocidade tangencial de líquido
relativamente baixa (0,30 – 0,35 m/s). A vazão de ar injetada na linha de
alimentação do módulo de membranas foi suficiente para suprir a
necessidade de oxigênio dos microrganismos e manter os sólidos em
suspensão no tanque de aeração;
A pressão transmembrana gerada pela fase líquida deve ser fixada em
torno de 0,10-0,15 bar. Assim, caso a vazão de circulação de lodo não seja
suficiente para garantir este valor, deve-se fazer uso da válvula reguladora de
pressão;
A retrolavagem minimizou a queda gradual, mas contínua, do fluxo
permeado. Sua maior contribuição para manutenção do fluxo estável foi
observada quando o MBR foi operado por um período mais longo, em modo
contínuo, e quando ocorreram interrupções na operação do processo. Na
operação em modo contínuo, a retrolavagem era iniciada a cada 2 horas,
com duração de 2 minutos. Sua freqüência, no entanto, pode ser aumentada
(usualmente até 1 a cada 30 minutos), podendo ser reduzida sua duração
(em geral, duração mínima de 15 segundos);
Para condições hidrodinâmicas de operação relativamente adequadas
(velocidade tangencial de líquido no módulo de 0,34 m/s; velocidade de ar no
módulo de 3,76 m/s; pressão promovida pela fase líquida de 0,05 bar e pelo
131
VII. Conclusões e Sugestões para Trabalhos Futuros
ar de 0,35 bar), a influência da concentração de sólidos suspensos no tanque
de aeração (SSTA) sobre o valor do fluxo foi praticamente desprezível. Este
teste foi realizado para concentração variando de 5.000 a 13.000 mg/L.
Portanto, pode-se operar o reator em modo contínuo com concentração de
SSTA de 13.000 mg/L sem afetar o desempenho da membrana;
O efluente tratado apresentou sempre qualidade excelente e praticamente
constante. Nas análises das amostras do permeado foram obtidos valores de
demanda química de oxigênio e concentração de sólidos suspensos sempre
menores que 42 mg/L e 1,2 mg/L, respectivamente. A demanda bioquímica
de oxigênio apresentou valor variando de 5,3 a valores abaixo do limite de
detecção (≤2,0 mg/L). Em todas as amostras verificou-se ausência de
coliformes termotolerantes, Escherichia coli e bactérias do grupo
Enterococcus. Pelas características do permeado, o mesmo pode ser
reutilizado para diversos fins que exijam qualidade de água não potável, mas
sanitariamente segura, como para irrigação de jardins, lavagem de pisos,
para descarga dos vasos sanitários, etc. Normalmente, para que processos
convencionais de tratamento de esgotos gerem um efluente tratado com a
qualidade do permeado obtido neste trabalho é necessário acrescentar um
tratamento terciário para desinfecção do efluente, além da área para
instalação destes tratamentos ser, em geral, significativamente maior.
•
Por fim, conclui-se que a aplicação desta tecnologia para o tratamento de efluentes
domésticos é bastante viável, principalmente com a redução que vem ocorrendo dos
custos envolvidos para instalação, operação e manutenção de MBR, devido ao melhor
desempenho da membrana, ao aumento de sua vida útil e à redução dos custos para
sua fabricação.
VII.2. Sugestões para Trabalhos Futuros
Algumas sugestões para trabalhos futuros são:
• Operar o sistema em modo contínuo e em escala maior por um período
mínimo de três meses, a fim de avaliar o comportamento do MBR, do ponto
de vista do tratamento biológico e do desempenho da membrana. Para
partida do sistema poderiam ser fixados os seguintes valores para os
parâmetros operacionais: SSTA de 12.000 mg/L, relação
alimento/microrganismo de 0,1 kgDBO
5
/kgSSVTA.d, idade do lodo igual a 30
132
VII. Conclusões e Sugestões para Trabalhos Futuros
dias, velocidade tangencial de líquido no módulo de 0,35 m/s, pressão
transmembrana total de 0,45 – 0,50 bar (pressão gerada pela fase líquida de
0,10 – 0,15 bar e pela injeção de ar na tubulação de alimentação do módulo
de membranas de 0,35 bar), velocidade tangencial de ar no módulo de cerca
de 3,7 m/s e, a princípio, realização de uma retrolavagem a cada 1 hora;
• Caracterizar o lodo gerado no MBR (análises de sólidos suspensos totais e
voláteis, observação no microscópio);
• Investigar a realização de retrolavagem usando ar em conjunto com o
efluente tratado;
• Investigar melhor os procedimentos de limpeza dos módulos de membranas;
• Operar o MBR avaliando-se o consumo energético do sistema;
• Investigar a densidade de empacotamento mais adequada para módulos que
visam a filtração de esgoto e avaliar diferentes configurações de módulo;
• Avaliar mais profundamente a interferência de cada conjunto de parâmetros
no desempenho da membrana visando a obtenção de dados suficientes para
elaboração de um modelo;
• Operar um MBR com módulo de circulação externa e outro com módulo
submerso em paralelo com a finalidade de comparar os resultados de ambos
os sistemas;
• Algumas modificações, a fim de melhorar o sistema automatizado seriam
convenientes, como:
o Instalação de um sensor de medição de vazão de permeado para:
Acompanhar melhor a variação da vazão de permeado ao longo
do tempo;
Ajustar a vazão de alimentação do tanque de aeração ao valor
da vazão de permeado, com a finalidade de manter o nível
médio no tanque de aeração, melhorando o controle de nível;
Acionar a retrolavagem caso a vazão seja reduzida para um
valor abaixo do especificado no programa;
Proteger o sistema, detectando a ausência de vazão de
permeado. Desta forma, caso haja algum problema de
colmatação da membrana ou falha operacional que interrompa o
fluxo permeado, a operação do sistema poderá ser interrompida
e a retrolavagem ou limpeza hidráulica iniciada, evitando danos
ao sistema físico e à membrana;
o Instalação de um sensor de pressão para:
133
VII. Conclusões e Sugestões para Trabalhos Futuros
Evitar oscilações no valor da pressão; ou
Acompanhar a variação da pressão do sistema, ocasionada por
um aumento da resistência total à filtração;
o Introdução de mais duas válvulas solenóides para facilitar a limpeza do
sistema;
o Instalar um ejetor de ar ou algum dispositivo adequado para aumentar a
eficiência de transferência de oxigênio através da injeção de ar na
tubulação de alimentação do módulo de membranas;
o Utilização de um supervisório que possibilite a operação do processo
por um computador através de uma interface gráfica, além do
monitoramento à distância (através de sistema de rede).
134
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141
A
A
N
N
E
E
X
X
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O
1
1
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M
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t
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a
a
Anexo 1
Manual de Operação – Biorreator com Membrana com Módulo Acoplado
Externamente ao Tanque de Aeração:
V1 (válvula 1 – 2 vias, normalmente fechada (NF), vazão de ar inserida na linha de
alimentação do módulo de membranas):
• Chave para cima fechada desenergizada
• Chave para baixo aberta energizada
V2 (válvula 2 – 3 vias, universal):
• Chave para cima coleta de permeado desenergizada
• Chave para baixo retrolavagem energizada
V3 (válvula 3 – 2 vias, normalmente aberta (NA)):
• Chave para cima aberta desenergizada permite a passagem do lodo
ativado
• Chave para baixo fechada energizada bloquea a passagem da água
suja de retrolavagem
V4 (válvula 4 – 2 vias, normalmente fechada):
• Chave para cima fechada desenergizada bloquea a passagem do
lodo ativado
• Chave para baixo aberta energizada permite a passagem da água
suja de retrolavagem
V5 (válvula 5 – 2 vias, normalmente aberta, aeração do tanque de aeração):
• Chave para cima aberta desenergizada
• Chave para baixo fechada energizada
143
Anexo 1
1) Operação manual:
• Conferir posição das válvulas manuais de medição de vazão
• Ligar Compressor
• Filtração manual:
Bomba 3 (B3) desligada
V2 (universal), V3 (NA) e V4 (NF) para cima (desenergizadas)
Conferir posição das válvulas manuais de medição de vazão
Ligar Bomba 2 (B2)
V1 (NF) para baixo (aberta energizada)
• Retrolavagem manual:
B2 desligada
V1 (NF) para baixo por 5 segundos (energizada - aberta para retirar
esgoto da tubulação)
V2 (universal), V3 (NA) e V4 (NF) para baixo (energizadas)
V5 (NA) para cima (desenergizada)
Ligar B3
2) Operação Programada Intervenções Manuais:
• Conferir posição das válvulas manuais de medição de vazão
• Ligar Compressor
• S1 (controlador de nível 1):
Luz vermelha acesa tanque esvaziando (nível do máximo para o
mínimo) B1 desligada
Luz vermelha apagada tanque enchendo (nível do mínimo para o
máximo) B1 ligada
144
Anexo 1
• S2 (controlador de nível 2, segurança):
Luz vermelha acesa permite o funcionamento do sistema
Luz vermelha apagada pára a operação do sistema
• HV (habilita válvula 5 na função filtração/retrolavagem (FM=0) – permite ou
não a intervenção em V5 manual durante o funcionamento do programa no
automático):
HV=0 chave para cima desabilita intervenção manual,
funcionamento de V5 determinado pelo programa
HV=1 chave para baixo permite operar V5 manualmente,
independente do programa
• FM (função da membrana):
FM=0 chave para cima função filtração/retrolavagem
FM=1 chave para baixo limpeza
• LM (limpeza da membrana):
LM=0 chave para cima sistema parado aguardando intervenções
manuais
LM=1 chave para baixo inicia a limpeza
• MO (modo de operação):
MO=0 chave para cima contínuo:
o modo filtração/retrolavagem: repete o programa de
filtração/retrolavagem
o modo limpeza: limpeza contínua até LM=0 ser alterado para
LM=1
MO=1 chave para baixo batelada executa a rotina programada
uma vez e pára
• JA (jato de ar): selecionar antes de iniciar a limpeza
JA=0 chave para cima não faz jato de ar para limpar o sistema
JA=1 chave para baixo faz jato de ar para limpar o sistema
• RL (retrolavagem na limpeza): selecionar antes de iniciar a limpeza
o RL=0 chave para cima não faz retrolavagem
o RL=1 chave para baixo faz retrolavagem
145
Anexo 1
As Figuras A1.1 a A1.13 se referem à etapa de automação do sistema montado para
operação em modo contínuo.
Figura A1.1 - Diagrama de bloco.
146
Anexo 1
Figura A1.2 - Painel de controle.
Figura A1.3 - Esquema elétrico 1.
147
Anexo 1
Figura A1.4 - Esquema elétrico 2.
148
Anexo 1
Figura A1.5 - Esquema elétrico 3.
149
Anexo 1
Figura A1.6 - Fluxograma da etapa de filtração/retrolavagem e de limpeza.
150
Anexo 1
Figura A1.7 - Fluxograma da etapa de controle de nível.
151
Anexo 1
Figura A1.8 - Fluxograma da etapa de segurança.
152
Anexo 1
Figura A1.9 - Programa – etapa de filtração e retrolavagem.
153
Anexo 1
Figura A1.10 - Programa – etapa de controle de nível.
154
Anexo 1
Figura A1.11 - Programa – etapa de limpeza.
155
Anexo 1
Figura A1.12 - Programa – etapa de segurança.
156
Anexo 1
Figura A1.13 - Programa – operação manual.
157
A
A
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2
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x
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o
o
K
K
L
L
a
a
Anexo 2
Nas Figuras A2.1 a A2.4 podem ser observados os resultados dos ensaios para
obtenção do coeficiente global de transferência de oxigênio k
l
a para cada vazão de ar.
O volume útil do recipiente usado nos testes era de 5 L. A aeração do líquido foi
realizada através do sistema de injeção de ar na tubulação de alimentação do módulo
de membranas.
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50 2,75 3,00 3,25
Tempo (min)
ln (C* - C)
Figura A2.1 – Resultados do ensaio para determinação do k
l
a para vazão de ar de
23,4 L/min (pressão de ar de 0,25 bar) - Aeração através do sistema de injeção de ar
na tubulação de alimentação do módulo de membranas.
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50
Tempo (min)
ln (C* - C)
Figura A2.2 – Resultados do ensaio para determinação do k
l
a para vazão de ar de
27,0L/min (pressão de ar de 0,30 bar) - Aeração através do sistema de injeção de ar
na tubulação de alimentação do módulo de membranas.
159
Anexo 2
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
0,00 0,34 0,67 1,01 1,34 1,68 2,02 2,35 2,69 3,02
Tempo (min)
ln (C* - C)
Figura A2.3 – Resultados do ensaio para determinação do k
l
a para vazão de ar de
30,7 L/min (pressão de ar de 0,35 bar) - Aeração através do sistema de injeção de ar
na tubulação de alimentação do módulo de membranas.
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00
Tempo (min)
ln (C* - C)
Figura A2.4 – Resultados do ensaio para determinação do k
l
a para vazão de ar de
34,3 L/min (pressão de ar de 0,40 bar) - Aeração através do sistema de injeção de ar
na tubulação de alimentação do módulo de membranas.
Nas Figuras A2.5 a A2.8 podem ser observados os resultados dos ensaios para
obtenção do coeficiente global de transferência de oxigênio k
l
a para cada vazão de ar.
O volume útil do recipiente usado nos testes era de 5 L. A aeração do líquido foi
realizada através do aerador fixado no fundo do tanque de aeração.
160
Anexo 2
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00
Tempo (min)
ln (C* - C)
Figura A2.5 – Resultados do ensaio para determinação do k
l
a para vazão de ar de
23,4 L/min (pressão de ar de 0,25 bar) - Aeração através do sistema de injeção de ar
na tubulação de alimentação do módulo de membranas.
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
0,00 0,34 0,67 1,01 1,34
Tempo (min)
ln (C* - C)
Figura A2.6 – Resultados do ensaio para determinação do k
l
a para vazão de ar de
27,0 L/min (pressão de ar de 0,30 bar) - Aeração através do sistema de injeção de ar
na tubulação de alimentação do módulo de membranas.
161
Anexo 2
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25
Tempo (min)
ln (C* - C)
Figura A2.7 – Resultados do ensaio para determinação do k
l
a para vazão de ar de
30,7 L/min (pressão de ar de 0,35 bar) - Aeração através do sistema de injeção de ar
na tubulação de alimentação do módulo de membranas.
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
0,00 0,25 0,50 0,75 1,00
Tempo (min)
ln (C* - C)
Figura A2.8 – Resultados do ensaio para determinação do k
l
a para vazão de ar de
34,3 L/min (pressão de ar de 0,40 bar) - Aeração através do sistema de injeção de ar
na tubulação de alimentação do módulo de membranas.
162
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