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Type: Monografia
Title: Determinação da não-idealidades de biorreatores tipo lagoa anaeróbia
Author: Mumbach, Guilherme Davi
First advisor: Wenzel, Bruno München
metadata.dc.contributor.referee1: Cassol , Fabiano
metadata.dc.contributor.referee2: Luchese, Tiago de Cassio
Resume: Reatores anaeróbios convencionais do tipo lagoa são largamente utilizados para tratamento de efluentes, tanto no meio urbano, como no meio rural. Isto em vista da simplicidade e baixo custo de implantação. No dimensionamento de lagoas anaeróbias, é necessário a adoção de um modelo da cinética do processo de biodigestão anaeróbia e um balanço material para o reator. Para o balanço material geralmente são utilizados os modelos ideais de reatores – Reator Agitado de Mistura Perfeita (CSTR) ou Reator Tubular (PFR). Entretanto, devido às dimensões das lagoas e a fluidodinâmica inerente, devem ser previstos desvios da idealidade. Através da análise da Distribuição de Tempos de Residência (DTR), este trabalho visa determinar a não idealidade dos reatores tipo lagoa anaeróbia para uma geometria típica de reator, avaliando o efeito do tempo de residência de projeto. Ainda, objetivou-se a proposição de um modelo de balanço material que incorpore as não-idealidades do sistema. Para isso foi utilizada a técnica da injeção pulso de traçador (azul de metileno) que, com a mensuração da concentração do mesmo na saída, a função DTR é determinada. A partir desses dados, foi ajustado um modelo para prever a não-idealidade do reator. Para realização das corridas experimentais foi construído um reator de madeira revestido internamente com geomembrana de PVC de 8 mm, apresentando razão L/D 2/1, razão H/D 1/4, inclinação das bordas de 1:2 (D/4:H) e volume útil total de 0,92 m 3 . Foram realizados experimentos adotando- se tempos de residência de projeto de 3, 6 e 9 dias. Os valores experimentais normalizados obtidos para tempo de residência médio, variância e assimetria, levantaram as hipóteses de que (i) há volume morto no reator; (ii) escoamento mais próximo a um CSTR em detrimento de um PFR; (iii) o escoamento no reator pode ser representado por meio de reatores CSTR em série. Assim, foram teorizados modelos, aqui classificados como (i) convencionais, (ii) de by-pass e (iii) de reciclo. A partir da solução analítica de cada um deles foram obtidas representações matemáticas para a DTR, que caracterizam a modelagem das não-idealidades do reator. Estes modelos foram ajustados aos dados experimentais através do algoritmo de otimização não linear Trust-region-reflective optimization algorithm. Como parâmetro de comparação, para decisão do melhor modelo (representação do escoamento do reator), foram computados os coeficientes de correlação ajustado. O melhor ajuste nos quatro conjuntos de dados experimentais foi obtido com o modelo de dois CSTRs em série com volumes variáveis e volume morto. Por fim, para o reator estudado, apresenta-se um modelo de balanço material capaz de predizer de forma mais exata a conversão da matéria orgânica de efluentes e, quando for o caso, a produtividade de biogás, auxiliando no dimensionamento destes equipamentos.
Abstract: The conventional anaerobic pond-type reactors are widely used for wastewater treatment, just as in urban areas as in rural areas. This is because of the simplicity and low cost of deployment. When dimensioning anaerobic pond, it is necessary to adopt a kinetic model of anaerobic digestion process and a material balance for the reactor. Ideal models, like continuous-stirred tank reactor (CSTR) or Plug Flow Reactor (PFR), are generally used for material balance. However, due to the size of the ponds and the inherent hydrodynamics, they must be provided deviations from ideality. Through the analysis of residence time distribution (DTR), this research aims to determine the non-ideality of the reactor anaerobic pond-type for a typical reactor’s geometry, evaluating the effect about residence time project. Also, it was aimed to propose a model of balance material that incorporates the non-idealities of this system. For this, it was used the technique of pulse injection tracer (methylene blue) that, with the measurement of the concentration of it at the output, the DTR function is determined. From these data sets, it was predicted a model with non-ideality of the reactor. To perform the experimental runs, it was constructed a wood reactor and internally lined with PVC geomembrane of 8 mm, with ratio L/D of 2/1, ratio H/D of 1/4, edge inclination 1:2 (D/4:H) and total useful volume of 0,92 m 3 . The experiments were conducted adopting residence times project of 3, 6 and 9 days. The experimental normalized values obtained for residence time medium, variance and asymmetry, raised the chances that (i) there is dead volume in the reactor; (ii) closest flow of a CSTR in detriment of a PFR; (iii) the flow of this reactor can be represented by means of CSTR reactors in series. Thus, models were theorized, here classified as (i) conventional, (ii) bypass and (iii) recycle. From the analytical solution of each one were obtained the mathematical representations for the DTR that characterize the modeling of non- idealities reactor. These models were adjusted to the experimental data through the nonlinear optimization algorithm called Trust-region-reflective optimization algorithm. As a parameter of comparison, to decide the best model (representation of reactor flow), they were computed the adjusted coefficient correlation. The best adjust in four sets of experimental data was obtained with the model of two CSTRs in series with variable volumes and dead volume. Finally, to the reactor studied, it is proposed a material balance model, able to predict more accurately the conversion of organic matter from wastewater and, when necessary, biogas productivity, supporting the dimensioning of such equipment.
Keywords: Reatores anaeróbios
Lagoas anaeróbias
Biorreatores
Distribuição de Tempos de Residência
Tratamento de efluentes
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal da Fronteira Sul
Acronym of the institution: UFFS
College, Institute or Department: Campus Cerro Largo
Type of Access: Acesso Aberto
URI: https://rd.uffs.edu.br/handle/prefix/631
Issue Date: 7-Dec-2015
Appears in Collections:Engenharia Ambiental

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