TESE Desempenho de caixa gordura empregada no tratamentorepositorio.ufla.br/bitstream/1/2242/1/TESE_Desempenho de caixa... · poluidoras, ofereceu menor custo de implantação e maior

WAINA BELLA DE CASTRO JUNQUEIRA

DESEMPENHO DE CAIXA DE GORDURA

EMPREGADA NO TRATAMENTO

PRELIMINAR DOS EFLUENTES DE

RESTAURANTE UNIVERSITRIO

LAVRAS - MG

2014


DESEMPENHO DE CAIXA DE GORDURA EMPREGADA NO

TRATAMENTO PRELIMINAR DOS EFLUENTES DE RESTAURANTE

UNIVERSITRIO

Tese apresentada Universidade Federal de Lavras, como parte das exigncias do Programa de Ps-Graduaao em Recursos Hdricos em Sistemas Agrcolas, rea de concentrao em Saneamento Ambiental, para a obteno do ttulo de Doutora.

Orientador

Dr. Claudio Milton Montenegro Campos

Coorientadora

Dra. Ftima Resende Luiz Fia

LAVRAS - MG

2014


Junqueira, Waina Bella de Castro. Desempenho de caixa de gordura empregada no tratamento preliminar dos efluentes de restaurante universitrio / Waina Bella de Castro Junqueira. Lavras : UFLA, 2014.

218 p. : il. Tese (doutorado) Universidade Federal de Lavras, 2014. Orientador: Claudio Milton Montenegro Campos. Bibliografia. 1. Caixa de gordura. 2. gua residuria. 3. leos e graxas. 4.

Flotao. 5. Hidrodinmica. 6. Biodiesel. I. Universidade Federal de Lavras. II. Ttulo.

CDD 628.1

Ficha Catalogrfica Elaborada pela Coordenadoria de Produtos e Servios da Biblioteca Universitria da UFLA

DESEMPENHO DE CAIXA DE GORDURA EMPREGADA NO

TRATAMENTO PRELIMINAR DOS EFLUENTES DE RESTAURANTE

UNIVERSITRIO

Tese apresentada Universidade Federal de Lavras, como parte das exigncias do Programa de Ps-Graduao em Recursos Hdricos em Sistemas Agrcolas, rea de concentrao em Saneamento Ambiental, para a obteno do ttulo de Doutora.

Aprovada em 21 de fevereiro de 2014.

Dra. Ftima Resende Luiz Fia (Coorientadora) UFLA

Dr. Marcos Von Sperling UFMG

Dr. Luiz Fernando Coutinho de Oliveira UFLA

Dr. Ronaldo Fia UFLA

Dr. Claudio Milton Montenegro Campos

Orientador

LAVRAS - MG

2014

A Deus, por estar presente em todos os momentos da minha vida,

iluminando meu caminho em direo verdade, f e confiana.

OFEREO

Com todo meu amor, aos meus filhos

Hugo, Bruno e Felipe e ao meu marido Ricardo.

Aos meus pais, Wilson (in memoriam) e Edina, pelo amor,

exemplo de vida e principalmente, pela formao do meu carter.

E a meu Irmo, Weldson (in memoriam) pelo amor, carinho,

exemplo de vida e coragem.

DEDICO

AGRADECIMENTOS

Universidade Federal de Lavras e ao Programa de Ps-Graduao

Recursos Hdricos em Sistemas Agrcolas, pela oportunidade e infraestrutura.

Universidade Federal de Juiz de Fora pela ajuda concedida e em

especial ao Magnfico Reitor - Henrique Duque, por toda a confiana,

oportunidade e amizade.

Capes, CNPq e FAPEMIG, pela concesso das bolsas de estudos aos

bolsistas que participaram deste trabalho. Ao MEC pelo financiamento da Caixa

de Gordura instalada no Restaurante Universitrio da UFLA.

Ao meu orientador, Claudio Milton Montenegro Campos, meu

agradecimento especial pela oportunidade, orientao e pelos inmeros

ensinamentos.

A minha coorientadora, Ftima Resende Luiz Fia e ao professor Ronaldo

Fia, pelo carinho, disponibilidade, conversas e ensinamentos.

Aos professores e membros da banca Marcos von Sperling e Luiz

Fernando Coutinho de Oliveira, pelas contibuies enriquecedoras.

Ao grupo do Laadeg, Alexsander Teodoro Teixeira (Alex) sempre ao

meu lado me ajudando, ao Wesley Machado e aos amigos bolsistas, Fabiana

Amorim, Hederson Ferreira, Ana Augusta Damasceno, Ana Flvia Melo, Raquel

Costa e Diego Domingues pela amizade, grande apoio e empenho na conduo

do meu experimento.

Aos que me ajudaram voluntariamente, Brbara Lemes, Kaio Olmpio,

Gabriel Matias, Bruna Amaral, Karen Paiva, Pedro Sodr, Hugo, Bruno e Felipe

Junqueira.

Ao amigo Erlon Lopes pela amizade e conselhos iniciais.

Aos amigos do doutorado Camila, Lidiane, Lucas de Paula, Lucas Alves,

Maurcio, Wellington, Rosngela, Daniel, Joo, Matheus e outros pela

convivncia e amizade, especialmente a voc Michael, pela ateno,

disponibilidade em ajudar e carinho.

s amigas, Maria Jos Berti, Regina Vilas Boas, Francine Sousa e Ana

Carla Nogueira, pela amizade e pelas prosas agradveis.

Ao professor Renato, pela disponibilidade e ateno na realizao das

anlises estatsticas.

Ao Silvio da estatstica pela ajuda fundamental ao meu etendimento do

contedo.

Aos professores do programa Recursos Hdricos em Sistemas

Agrcolas, pelos ensinamentos e convivncia durante o curso de doutorado.

Ao professor Eduardo Alves e a tcnica Elosa (El) pela

disponibilidade, a ajuda e os ensinamentos e ao professor Jos Aldo pelas aulas

agradveis e muito especiais.

Aos professores Pedro Castro Neto (Pedro) e Antnio Carlos Fraga na

disponibilizao do Laboratrio de Pesquisa em leos, Gorduras e Biodiesel (G-

leo).

Aos funcionrios do programa de Ps-Graduao em Recursos Hdricos

em Sistemas Agrcolas e aos do Departamento de Engenharia.

Aos funcionrios tanto do Laboratrio de Anlise Foliar como os da

Qumica e aqueles do RU/UFLA, especialmente ao Wilson Ferreira, a tcnica

Maria Aparecida Junqueira pela confiana no emprstimo de material por tempo

indeterminado e a nutricionista Emlia Cristina Moes.

professora Zuy Magriotis pelos esclarecimentos e ao Hugo da qumica

pela cooperao e convivncia.

Aos funcionrios da prefeitura em especial ao Sebastio, rique e

Marquinho pelos servios prestados quanto parte eletro-mecnica da CG.

Ao grupo da Repblica Farol Aceso, Dona Lade pela amizade e

acolhimento.

s amigas Carla e Cida, pelas conversas e ateno.

Adriana de Assis, Michele Paravidino e Juliana Simili pela amizade e

apoio.

amiga e irm de corao Marta Esteves que, de modo particular,

sempre me apoia nas horas difceis.

E a todos que contribuiram direta ou indiretamente para a realizao

deste trabalho.

RESUMO Neste estudo foi avaliada uma Caixa de Gordura (CG) em escala real, no

pr-tratamento de gua residuria proveniente da cozinha industrial do restaurante universitrio da Universidade Federal de Lavras (RU/UFLA), com condies operacionais distintas: funcionando por flotao gravitacional (Primeira etapa); e utilizando flotao forada auxiliada por meio de difusores de ar (Segunda etapa). Para avaliao do desempenho da CG foram monitoradas as variveis: leos e graxas (O&G), slidos totais (ST), slidos totais fixos (STF), slidos totais volteis (STV), slidos suspensos (SS), slidos dissolvidos (SD), demanda bioqumica de oxignio (DBO), demanda qumica de oxignio (DQO), fsforo total (P total), nitrognio total Kjeldahl (NTK) e detergentes. A primeira etapa ocorreu entre os dias 11 de abril a 16 de maio e entre 03 e 31 de outubro de 2012 e a segunda etapa, entre os dias 28 de novembro e 19 de dezembro de 2012, e de 22 de janeiro a 21de maro de 2013. Foram realizados quatro ensaios hidrodinmicos nessas condies operacionais empregando cloreto de potssio (KCl) como traador: 1 e 2 testes com gua limpa e 3 e 4 testes com a gua residuria do RU. A CG trabalhou com vazo mdia de 0,9 e 0,79 L s-1, mnima de 0,63 e 0,49 L s-1 e mxima de 1,19 e 1,22 L s-1, respectivamente na primeira e segunda etapas, em que seu desempenho na eficincia de remoo foi de 57 e 52% para O&G; 56 e 61% para ST; 63 e 65% para STV; 19 e 25% para STF; 73 e 63% para SS; 41 e 54% para SD; 50 e 44% para DBO total; 35 e 39% para DBO filtrada; 49 e 32% para DQO total; 27 e 35% para DQO filtrada; 38 e 25% para P total; 30 e 24% para NTK; e, 34 e 10% para detergentes. Houve diferenas significativas (p>0,05) entre os tratamentos, somente para STF, SD, DQO total e detergentes. Os resultados hidrodinmicos, na primeira condio operacional, apontaram para a tendncia de escoamento pistonado com pequena moderada intensidade de disperso no 1 teste e, escoamento entre pistonado e dispersivo com moderada intensidade de disperso e certa mistura, no 3 teste. Sob aerao os resultados mostram o modelo de disperso de grande intensidade, com tendncia ao escoamento em mistura completa no 2 e 4 testes este ltimo com grande intensidade de disperso. Conclui-se que o processo de flotao gravitacional se mostrou como a melhor opo. Alm da reduo das cargas poluidoras, ofereceu menor custo de implantao e maior quantidade de gordura acumulada superficialmente, com maior potencial de reteno, podendo atingir valores anuais de 3,2 toneladas de gordura e ser utilizada para fins de produo de biodiesel, com a CG operando por 6h30min/dia, perodo de funcionamento do RU. A gordura apresentou inviabilidade para uso no processo de transesterificao alcalina, principalmente devido umidade e acidez que extrapolaram os valores considerados ideais. No entanto, o emprego de processos cidos e hbridos parece ser a melhor alternativa com a hidroesterificao como um processo vivel em ambos os tratamentos.

Palavras-chave: Caixa de gordura. gua residuria. leos e graxas. Flotao. Hidrodinmica. Biodiesel.

ABSTRACT This work evaluated a fat trapper device (FT) in real scale, used as pre-

treatment of industrial kitchen effluent originated from the university restaurant at the Federal University of Lavras (UR/UFLA), with different operating conditions: working by gravitational flotation (First step); and using forced flotation aided by air diffusers (Second stage). In order to evaluating the FT performance, the following variables were monitored: oils and greases (O&G), total solids (TS), total fixed solids (TFS), total volatile solids (TVS), suspended solids (SS), dissolved solids (DS), biochemical oxygen demand (BOD), chemical oxygen demand (COD), total phosphorus (P), total Kjeldahl nitrogen (TKN) and detergents. The first stage took place between April 11 and May 16 and between October 03 and 31, 2012 and the second stage, between November 28 and December 19, 2012; and between January 22 and March 21, 2013. Four hydrodynamic tests were performed on these operating conditions using potassium chloride (KCl) as a tracer: 1st and 2nd tests with clean water and 3rd and 4th tests with wastewater from the UR. The FT worked with average flow of 0.9 and 0.79 L s-1, and minimum 0.63 and 0.49 L s-1 and maximum 1.19 and 1.22 L s-1, respectively in the first and second stages, where their performance in removal efficiency was 57 and 52% O & G; 56 and 61% TS; 63 and 65% TVS; 19 and 25% TFS; 73 and 63% SS; 41 and 54% DS; 50 and 44% total BOD; 35 and 39% BOD filtered; 49 and 32% total COD; 27 and 35% COD filtered; 38 and 25% P total; 30 and 24% TKN ; 34 and 10% detergents.There were significant differences (p> 0.05) among treatments, only for TFS, DS, total COD and detergents. The hydrodynamic results, in the first operating condition, pointed to the trend of plug flow with small to moderate dispersion intensity in the 1st test and flow between dispersive and slug with moderate dispersion intensity and mix in the 3rd test. Under aeration the results show the dispersion model of great intensity, with a tendency to flow at complete mixing in the 2ndand 4thtests, this latter with intensive dispersion. It can be concluded that the flotation gravitational process showed as the best option. Besides the reduction of pollutant loads, offered lower cost of deployment and greater amount of fat accumulated superficially, with greater potential of retention, reaching values of 3.2 tons of fat annual and be used for biodiesel production, with FT operated during 6h30min/day, the same operating period of UR. The fat presented infeasibility for use in alkaline transesterification process, mainly due to moisture and acidity that extrapolated the values considered ideal. However, the use of acids and hybrid processes appears to be the best alternative with hydroesterification as a viable process in both treatments. Keywords: Fat trapper. Waste water. Oils and greases. Flotation. Hydrodynamics. Biodiesel.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Vista frontal da caixa de gordura (CG) ........................................ 72

Figura 2 Planta Baixa da CG (medidas em centmetro)............................. 74

Figura 3 Corte A-A da CG (medidas em centmetro) ................................ 75

Figura 4 Corte B-B da CG (medidas em centmetro) ................................ 75

Figura 5 Pontos de coleta de gua residuria, escuma e lodo na CG. ........ 81

Figura 6 Coleta de lodo com amostrador desenvolvido na UFLA ............ 83

Figura 7 Croqui do medidor de lodo desenvolvido na UFLA ................... 84

Figura 8 Pontos de coleta de gordura (A) e coleta de gordura na 1 etapa (B)

................................................................................................. 92

Figura 9 Pontos de coleta de gordura na 2 etapa (A) e (B) ....................... 92

Figura 10 Valores da vazo afluente CG durante a primeira etapa (11/04 a

16/05/2012, 36 dias e 03 a 31/10/2012, 29 dias) ................... 102

Figura 11 Valores da vazo afluente CG durante a segunda etapa (28/11 a

19/12/2012, 22 dias e 22/01 a 21/03/2013, 59 dias) .............. 102

Figura 12 Mdia das vazes dirias afluente CG em intervalos de 30 min

(1 etapa) ................................................................................ 103

Figura 13 Mdia das vazes dirias afluente CG em intervalos de 30 min

2 etapa ................................................................................... 104

Figura 14 Detalhe da pequena quantidade de escuma flotada na CG em

condies aerbias e temperatura afluente de 39C - dia

05/12/2013 s 13 h (A e B) .................................................... 107

Figura 15 Variao do OD afluente, efluente e no interior da CG durante a

primeira etapa (27/04 a 16/05/2012, 19 dias e 03 a 31/10/2012,

29 dias) .................................................................................... 112

Figura 16 Variao do OD afluente, efluente e no interior da CG na segunda

etapa (28/11 a 19/12/2012, 22 dias e 22/01 a 21/03/2013, 59 dias)

................................................................................................ 112

Figura 17 gua residuria (A) e lodo (B) na segunda etapa ..................... 114

Figura 18 Variao na concentrao do lodo em termos ST, STF e STV

durante a primeira etapa (25/04 a 16/05/2012, 19 dias e 03 a

31/10/2012, 29 dias) ............................................................... 115

Figura 19 Observaes do lodo anaerbio por microscopia eletrnica de

varredura (Primeira etapa - 16/05/2012) ................................. 116

Figura 20 Visualizao das bactrias: 1- presena de bactrias na superfcie

dos grnulos; 2-bacilos; 3-cocos; e, 4-filamentosas (Primeira

etapa - 16/05/2012) ................................................................. 116

Figura 21 Perfil do lodo na primeira etapa, dos 15 aos 36 dias e dos 133 aos

161 dias em que corresponde concentrao mdia de 77.665 mg

L-1 de STV e altura mdia de 65 cm de lodo ......................... 117

Figura 22 Volume mdio de lodo (Primeira etapa) de 0 aos 36 dias e dos 133

aos 161 dias ............................................................................. 118

Figura 23 Concentrao do lodo em termos ST, STF e STV na segunda etapa

................................................................................................ 119

Figura 24 Observaes do lodo aerbio por microscopia eletrnica de

varredura e visualizao das bactrias: 1-presena de bactrias na

superfcie do grnulo, 2-bacilos e 3-cocos (Segunda etapa -

05/02/2013) ............................................................................. 119

Figura 25 Perfil do lodo na segunda etapa (flotao forada), dos 84 aos 114

dias, em que corresponde concentrao mdia de 3.256 mg L-

1 de STV e altura mdia de 11 cm de lodo ............................ 120

Figura 26 Volume mdio de lodo na CG na segunda etapa ..................... 120

Figura 27 Concentraes afluentes de ST, STF, STV (Primeira etapa) ... 129

Figura 28 Concentraes efluentes de ST, STF, STV (Primeira etapa) ... 129

Figura 29 Concentraes afluentes de ST, STF, STV (Segunda etapa) ... 130

Figura 30 Concentraes efluentes de ST, STF, STV (Segunda etapa) ... 130

Figura 31 Concentraes afluente e efluente DBO total e filtrada (Primeira

etapa) ...................................................................................... 135

Figura 32 Concentraes afluente e efluente DBO total e filtrada (Segunda

etapa) ...................................................................................... 136

Figura 33 Concentraes afluente e efluente DQO totais e filtradas (Primeira

etapa) ...................................................................................... 139

Figura 34 Concentraes afluente e efluente DQO totais e filtradas (Segunda

etapa) ...................................................................................... 139

Figura 35 Concentraes afluente e efluente de P total (Primeira etapa) 142

Figura 36 Concentraes afluente e efluente de P total (Segunda etapa) 143

Figura 37 Concentraes afluente e efluente NTK total (Primeira etapa) 145

Figura 38 Concentraes afluente e efluente NTK (Segunda etapa) ....... 145

Figura 39 Concentraes afluente e efluente de detergente (Primeira

etapa) ...................................................................................... 148

Figura 40 Concentraes afluente e efluente detergente (Segunda etapa) 148

Figura 41 Curva de distribuio do tempo de residncia (DTR) e ajuste da

curva conforme metodologia descrita por Kadlec e Wallace

(2008) no 1 teste com o sistema de aerao desligado totalizando

32h (1920 min) de ensaio ....................................................... 153

Figura 42 Tubulao de entrada - afluente (A) e tubulao de sada - efluente

(B) .......................................................................................... 153

Figura 43 Curva de distribuio do tempo de residncia (DTR): diferenas

entre o tempo de residncia hidrulica real (TRHreal) e terico

(TRHterico) .............................................................................. 154



(2008) no 2 teste, simulao (A), com a CG por 6h30min

dirias sob alimentao e aerao no perodo de 26h30min (1.590

min). ....................................................................................... 157



(2008) no 2 teste, simulao (B), com a CG por 6h30min

dirias sob alimentao e aerao somadas s 17h30min sem

aerao, vazo e concentrao de sada no perodo de 78h30min

(4.710 min) ............................................................................ 158


entre os tempos de residncia hidrulica real (TRHreal) e terico

(TRHterico), na simulao (A) ................................................ 159


entre os tempos de residncia hidrulica real (TRHreal) e terico

(TRHterico) na condio real observada (B) ........................... 160



(2008) no 3 teste, simulao (A), com gua residuria do RU e

sistema de aerao desligado totalizando 46h (2.760 min) de teste

............................................................................................... 165



(2008) no 3 teste, simulao (A), com gua residuria do RU e

sistema de aerao desligado totalizando 149,67 h (8.980 min) de

teste ........................................................................................ 166

Figura 50 Amostragem estratificada do lquido residente na CG em que se

verifica no fundo o lodo sedimentado, na parte superior a escuma

superfial e, na parte central, o volume ativo que participa

efetivamente do escoamento (A) e amostra do lodo do fundo da

caixa de gordura (B) em meio anaerbio ............................... 167

Figura 51 Gordura acumulada na superfcie da CG referente primeira etapa

(A) e (B) ................................................................................. 167



(2008) no 4 teste com gua residuria do RU e sistema de

aerao em funcionamento totalizando 46h (2.760 min) de

teste ........................................................................................ 171



(2008) no 4 teste com gua residuria do RU e sistema de

aeraoem funcionamentototalizando 150,5 h (9.030 min) de

teste ........................................................................................ 171

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Forma de avaliao da intensidade de disperso (METCALF &

EDDY, INC, 3003). ....................................................................... 57

Tabela 2 Parmetros aplicados Caixa de Gordura (CG) do RU/UFLA. .... 76

Tabela 3 Valores mdios de potencial hidrogeninico (pH), slidos totais (ST),

slidos totais fixos (STF), slidos totais volteis (STV), leos e

graxas (O&G), demanda bioqumica de oxignio (DBO), demanda

qumica de oxignio (DQO) e detergente com respectivos desvios

padres (DP) e coeficientes de variaes (CV). ............................ 79

Tabela 4 Parmetros analisados, pontos e mtodos utilizados. ..................... 82

Tabela 5 Caractersticas de operao do ensaio hidrodinmico nos 1 e 2 testes

com gua limpa. ............................................................................ 88

Tabela 6 Caractersticas de operao e do ensaio hidrodinmico nos 3 e 4

testes com gua residuria do RU. ................................................ 90

Tabela 7 Parmetros analisados e mtodos utilizados para caracterizao da

gordura para produo de biodiesel. .............................................. 93

Tabela 8 Valores mdios e desvio padro (DP) dos parmetros que afetaram o

desempenho da CG durante a primeira e segunda etapas de

funcionamento, no afluente (Aflu.), no efluente (Eflu.) e na caixa

de gordura (CG)............................................................................. 99

Tabela 9 Valores mdios da concentrao, carga afluente (Aflu.) e efluente

(Eflu.), carga mssica volumtrica (CMV) e eficincia (Ef.) da CG

durante a primeira e segunda etapas de funcionamento, relativos aos

parmetros leos e graxas (O&G), slidos totais (ST), slidos totais

fixos (STF), slidos totais volteis (STV), slidos suspensos (SS),

slidos dissolvidos (SD), demanda bioqumica de oxignio total e

filtrada (DBO total e DBO filtrada), demanda qumica de oxignio

total e filtrada (DQO total e DQO filtrada), Fsforo total (P total),

Nitrognio total Kjeldahl (NTK) e detergente. ............................ 100

Tabela 10 Valores mdios, desvio padro (DP) e coeficiente de variao (CV)

da vazo afluente CG durante a primeira e segunda etapas. ..... 101


da temperatura ambiente na primeira e segunda etapas. ............. 104


da temperatura da gua residuria durante a primeira etapa. ...... 105


da temperatura da gua residuria durante a segunda etapa. ....... 106


do pH durante a primeira e segunda etapas. ................................ 107


de alcalinidade durante a primeira e segunda etapas. .................. 108


da acidez durante a primeira e segunda etapas. ........................... 109


da condutividade eltrica durante a primeira e segunda etapas. .. 110


do oxignio afluente, no interior da CG e efluente na primeira etapa.

(Titulao) ................................................................................... 111


do OD afluente, efluente e no interior da CG, na segunda etapa. 112


do potencial de oxirreduo (mV) afluente, efluente e no interior da

CG na segunda etapa. .................................................................. 113

Tabela 21 Anlise de varincia para a eficincia de remoo de O&G com

respectivas fontes de variao (FV), quadrados mdios (QM),

coeficiente de variao (CV) e eficincia mdia nos tratamentos da

primeira e segunda etapas em funo das variveis aleatrias. ... 122

Tabela 22 Valores mdios da concentrao e carga, afluente (Aflu.) e efluente

(Eflu.), eficincia (Efic.) da CG e carga mssica volumtrica (CMV)

de O&G na primeira e segunda etapas. ....................................... 123

Tabela 23 Anlise de varincia para a eficincia de remoo de slidos com






de slidos, na primeira e segunda etapas. .................................... 127

Tabela 25 Comparao entre slidos orgnicos e minerais na primeira e

segunda etapas. ............................................................................ 132

Tabela 26 Anlise de varincia para a eficincia de remoo de DBO e DQO,

com respectivas fontes de variao (FV), quadrados mdios (QM),





de DBO total e filtrada na primeira e segunda etapas. ................ 134



de DQO total e filtrada na primeira e segunda etapas. ................ 137

Tabela 29 Anlise de varincia para a eficincia de remoo de NTK e P total

com respectivas fontes de variao (FV), quadrados mdios (QM),


primeira e segunda etapas em funo das variveis aleatrias. ....... 141



de P total na primeira e segunda etapas. ...................................... 141



de NTK na primeira e segunda etapas ......................................... 144

Tabela 32 Anlise de varincia para a eficincia de remoo de detergente com






de detergente na primeira e segunda etapas. ................................ 147

Tabela 34 Caractersticas de operao e resultados do 1 teste hidrodinmico

com gua limpa com o sistema de aerao desligado. ................ 150

Tabela 35 Resumo dos resultados dos ndices utilizados para complementao

da avaliao hidrodinmica da CG com interpretao dos resultados

do 1 teste com gua limpa com o sistema de aerao

desligado. ..................................................................................... 152

Tabela 36 Caractersticas de operao e resultados do 2 teste hidrodinmico

da simulao (A) e da condio real (B). .................................... 155



do 2 teste, simulao (A) e da condio real (B). ...................... 156

Tabela 38 Caractersticas de operao do 3 teste hidrodinmico com gua

residuria do RU e com o sistema de aerao desligado e resumo dos

resultados. .................................................................................... 162



do 3 teste com gua residuria do RU e com o sistema de aerao

desligado. ..................................................................................... 164

Tabela 40 Caractersticas de operao do 4 teste hidrodinmico com gua

residuria do RU e com o sistema de aerao em funcionamento e

resumo dos resultados. ................................................................ 168



do 4 teste com gua residuria do RU e com o sistema de aerao

em funcionamento. ...................................................................... 169

Tabela 42 Resultados das anlises dos parmetros teor de impurezas (TI) em

(%), teor de gua (TA) em (%), potencial hidrogrninioco (ph),

ndice de acidez (IA) em (mg de NaOH g-1de leo), ndice de iodo

(II2) em (g I2 100 g-1de leo), ndice de perxido (IP) em (meq kg

1), ndice de refrao em (% Brix) e ndice de saponificao (IS) em

(mg de KOH g-1de leo), avaliados para caracterizao dos O&G

nos tratamentos da primeira (flotao gravitacional) e segunda

etapas (flotao auxiliada por ar difuso). .................................... 175

Tabela 43 Anlise de varincia com as fontes de variao (FV); grau de

liberdade (GL); quadrados mdios (QM); probabilidade acima do F

calculado (Pr>Fc), coeficiente de variao (CV) para a varivel teor

de impureza. ................................................................................ 176



calculado (Pr>Fc), coeficiente de variao (CV) para a varivel teor

de gua. ........................................................................................ 177



calculado (Pr>Fc), coeficiente de variao (CV) para a varivel pH.

..................................................................................................... 179



calculado (Pr>Fc), coeficiente de variao (CV) para a varivel

ndice de acidez. .......................................................................... 180




ndice de iodo. ............................................................................. 182




ndice de perxido. ...................................................................... 184




ndice de refrao. ....................................................................... 185




ndice de saponificao. .............................................................. 186

LISTA DE ABREVIATURAS E SMBOLOS

A rea

AGCL cidos graxos de cadeia longa

AGL cidos graxos livres

ANP Agencia Nacional de Petrleo

AOCS American Oil Chemists Society

APHA American Public Health Association

ATP Adenosina trifosfato

C Concentrao

CaCO3 Carbonato de Clcio

CE Condutividade eltrica

CG Caixa de gordura

cis configurao de cido graxo que do latim significa aqum de

COPPE Instituto Alberto Luiz Coimbra de Ps-Graduao e Pesquisa de

Engenharia

COV Carga orgnica volumtrica

CRE Caixa Retentora de Escuma

C soluto Concentrao do soluto (mg L-1)

CV Coeficiente de variao

d Dia

d Nmero de disperso

D Coeficiente de disperso (m2. hora-1);

DBC Delineamento em blocos casualizados

DBO Demanda bioqumica de oxignio

DQO Demanda qumica de oxignio

dt Variao de tempo

DTR Distribuio do tempo de residncia

E Distribuio de idade de sada do fluido

ECP Estao climatolgica principal

EPDM Borracha de etileno-propileno-dieno

ETA Estao de Tratamento de gua

ETE Estao de Tratamento de Esgoto

f Fator de correo

FAD Flotao por ar dissolvido

FAI Flotao por ar induzido

FBS Filtro biolgico submerso

Fc Valor calculado da estatstica F de Fisher

F Estatstica F de Fisher

FV Fontes de variao

G-leo Laboratrio de Pesquisa em leos, Gorduras e Biodiesel

GL Grau de liberdade

h Hora

H+ ons de hidrognio

HCl Cloreto de hidrognio

HCO3- Bicarbonatos

H2SO4 cido sulfrico

IA ndice de acidez

I2 Iodo

II2 ndice de ido

IDM ndice de Disperso de Morrill

INMET Instituto Nacional de Meteorologia

IP ndice de perxido

IR ndice de refrao

IS ndice de saponificao

IVIG Instituto Virtual Internacional de Mudanas Globais

KCl Cloreto de potssio

K+ on de potssio

KOH Hidrxido de potssio

L Comprimento do percurso longitudinal na unidade tratamento

LAADEG Laboratrio de Anlise de gua do Departamento de Engenharia

LAS Sulfonato de alquilbenzeno linear

LiCl Cloreto de ltio

LME Laboratrio de Microscopia Eletrnica e Anlise Ultraestrutural

M Molaridade

MEV Microscopia Eletrnica de Varredura

min Minutos

minjetada Massa injetada

mK+ Massa de K+ (mg);

mrecuperada Massa recuperada

msoluto Massa do soluto (m)

n Nmero de refeies servidas.

N Nmero de clulas

NaCl Cloreto de sdio

NaOH Hidrxido de sdio

Na2S2O3 Tiossulfato de sdio

NH4+ Amnia ionizada (on amnio)

NTK Nitrognio total Kjeldhal

OD Oxignio dissolvido

O&G leos e graxas

P Fsforo

p Peso da amostra

ps Peso da amostra seca

pH Potencial hidrogeninico

Pr>Fc Probabilidade acima do F calculado

Q Vazo

QM Quadrados mdios

R2 Coeficiente de determinao

RAC Reator anaerbio compartimentado

RU Restaurante universitrio

SAS Statistical Analysis System

SD Slidos dissolvidos

SS Slidos suspensos

ST Slidos totais

STF Slidos totais fixos

STV Slidos totais volteis

t Tempo decorrido durante a anlise com traador

t Tempo mdio de residncia

TA Teor de gua

ct Tempo mdio de residncia do fluido no interior da unidade

Temp. Temperatura ambiente

Tmaxamb Temperatura mxima

Tempmaxcx Temperatura mxima dentro da caixa de gordura

Tempmedaf Temperatura mdia afluente caixa de gordura

Tempmedcx Temperatura mdia dentro da caixa de gordura

Tempminamb Temperatura mnima ambiente

Tempmincx Temperatura mnima dentro da caixa de gordura

Tempminef Temperatura mnima efluente caixa de gordura

TI Teor de impurezas

Trat*Card Interao tratamentos e cardpio

TRH Tempo de residncia hidrulica

TRHi Tempo de residncia hidrulica inicial

TRHpico Tempo de residncia hidrulica modal

TRHreal Tempo de residncia hidrulica real

TRHterico Tempo de residncia hidrulica terico

u Velocidade mdia de escoamento do fluido

UASB Upflow anaerobic sludge blanket (reator anaerbio de fluxo

ascendente e manta de lodo)

UFLA Universidade Federal de Lavras

UFRJ Universidade Federal do Rio de Janeiro

V Volume

VB Volume do branco

VA Volume da amostra

Vsolvente Volume do solvente (L)

Desvio padro

Varincia

2qs Varincia normalizada

Infinito

Eficincia volumtrica

Densidade

Tempo mdio normalizado de residncia do fluido

SUMRIO

1 INTRODUO .................................................................................... 30

2 REFERENCIAL TERICO ............................................................... 33

2.1 Caracterizao de leos e gorduras e impactos causados ao meio ambiente ..... 33

2.1.1 Impactos causados em unidades e sistemas de tratamento .............. 35

2.2 Unidades e processos para o tratamento de efluentes com teores de O&G ........ 39

2.2.1 Caixa de gordura .................................................................................. 40

2.2.2 Flotao via aerao ............................................................................. 43

2.3 Influncia da presena de detergentes na remoo de gordura ....... 45

2.4 Hidrodinmica das unidades e sistemas de tratamento .................... 47

2.4.1 O uso de traadores em ensaios hidrodinmicos ............................... 49

2.4.2 Distribuio do tempo de residncia em escoamento hidrodinmico ................... 52

2.4.3 Modelos para escoamento hidrodinmico no ideal ......................... 54

2.4.3.1 Modelo de disperso ........................................................................... 55

2.4.3.2 Modelo de clulas agitadas em srie .................................................. 57

2.4.4 Medidas de desempenho hidrulico das unidades de tratamento ... 59

2.5 leos e gorduras como fontes alternativas na produo de biodiesel ................... 61

2.5.1 Caracterizao fsico-qumica dos leos e gorduras ......................... 63

2.5.2 Tecnologias de produo de biodiesel ................................................. 67

3 MATERIAL E MTODOS ................................................................. 72

3.1 Unidade e caracterizao experimental ............................................. 72

3.2 Configurao da Caixa de Gordura (CG).......................................... 73

3.3 Caracterizao do afluente .................................................................. 78

3.4 Conduo do experimento e monitoramento da CG ......................... 79

3.5 Testes hidrodinmicos .......................................................................... 84

3.5.1 Testes hidrodinmicos com gua limpa .............................................. 87

3.5.1.1 Primeiro teste: CG com o sistema de aerao desligado ................. 88

3.5.1.2 Segundo teste: CG com sistema de aerao em funcionamento ..... 89

3.5.2 Testes hidrodinmicos com gua residuria do RU .......................... 89

3.5.2.1 Terceiro teste: CG com sistema de aerao desligado ..................... 90

3.5.2.2 Quarto teste: CG com sistema de aerao em funcionamento ........ 91

3.6 Avaliao da gordura para produo de biodiesel ............................ 91

3.7 Anlise estatstica ................................................................................. 96

4 RESULTADOS E DISCUSSO .......................................................... 99

4.1 Parmetros que afetaram o desempenho da caixa de gordura (CG) ................. 101

4.1.1 Vazo ................................................................................................... 101

4.1.2 Temperatura ambiente ...................................................................... 104

4.1.3 Temperatura da gua residuria ...................................................... 105

4.1.4 Potencial hidrogeninico pH .......................................................... 107

4.1.5 Alcalinidade Total .............................................................................. 108

4.1.6 Acidez total ......................................................................................... 108

4.1.7 Condutividade eltrica ....................................................................... 110

4.1.8 Oxignio dissolvido ............................................................................ 110

4.1.9 Determinao da concentrao de ST, STF e STV presentes no lodo ........... 114

4.2 Avaliao do desempenho da caixa de gordura (CG) .................... 121

4.2.1 Eficincia na remoo de O&G ......................................................... 121

4.2.2 Eficincia na remoo de slidos ....................................................... 126

4.2.3 Eficincia na remoo de matria orgnica ..................................... 132

4.2.4 Eficincia na remoo de fsforo e nitrognio ................................. 140

4.2.4.1 Fsforo total (P total) ........................................................................ 141

4.2.4.2 Nitrognio total Kjeldahl (NTK)...................................................... 144

4.2.5 Eficincia na remoo de detergente ................................................ 146

4.3 Hidrodinmica da caixa de gordura (CG) ....................................... 149

4.3.1 Testes hidrodinmicos com gua limpa ............................................ 149

4.3.1.1 Primeiro teste: CG com o sistema de aerao desligado ............... 150

4.3.1.2 Segundo teste: CG com sistema de aerao em funcionamento ... 155

4.3.2 Testes hidrodinmicos com gua residuria do RU ........................ 161

4.3.2.1 Terceiro teste: CG com sistema de aerao desligado ................... 161

4.3.2.2 Quarto teste: CG com sistema de aerao em funcionamento ...... 168

4.3.3 Comparao entre os testes hidrodinmicos .................................... 172

4.4 Qualidade dos leos e gorduras na produo de biodiesel ............. 173

4.4.1 Teor de impurezas (TI) ...................................................................... 176

4.4.2 Teor de gua (TA) ............................................................................... 177

4.4.3 Potencial hidrogeninico (pH)........................................................... 178

4.4.4 Densidade ............................................................................................ 179

4.4.5 ndice de acidez (IA) .......................................................................... 180

4.4.6 ndice de iodo (II2) ............................................................................. 182

4.4.7 ndice de perxido (IP) ...................................................................... 183

4.4.8 ndice de refrao (IR) ....................................................................... 185

4.4.9 ndice de saponificao (IS)............................................................... 186

5 CONCLUSES .................................................................................. 188

6 CONSIDERAES FINAIS E RECOMENDAES .................. 191

REFERNCIAS ................................................................................. 193

APNDICE I ...................................................................................... 213

30

1 INTRODUO

A crescente demanda por gua, a inviabilidade de seu uso in natura

somado s exigncias legais quanto ao seu descarte tm contribudo para o

desenvolvimento de novas tecnologias focadas no tratamento de efluentes.

Atualmente, tem se dado considervel ateno e apresenta-se como um

grande desafio, o tratamento de guas residurias ricas em gorduras, tais como as

provenientes de cozinhas e restaurantes, assim como das diversas indstrias de

alimentos.

A elevada demanda por produtos alimentcios tem requerido um aumento

significativo na produtividade das indstrias que trabalham nesse segmento. Em

pases em que os hbitos alimentares resultam em uma grande quantidade de leos

e gorduras, torna-se cada vez mais difcil cumprir os requisitos legais de descarte

(CAMMAROTA; FREIRE, 2006).

Os leos e gorduras, especialmente os emulsionados, com pequena

solubilidade e alta resistncia degradao, so muito estveis, e talvez sejam os

constituintes mais complexos em termos de tratamento. Esses compostos, quando

presentes no ambinte, podem causar diversos problemas, tais como:

impermeabilizam e contaminam o solo; se acumulam em superfcies aquticas

formando filmes que impedem a difuso de oxignio do ar no meio lquido;

provocam inibio da vida aqutica nesses ecossistemas; e, alm disso, podem

prejudicar o tratamento biolgico quando presente no afluente das estaes de

tratamento de efluentes (ETEs).

Pela consistncia, o tratamento por meios convencionais no simples

(BECKER et al., 1999; SOUZA, 2006). Nesse contexto, os processos por flotao

convencional (gravitacional) em caixa de gordura, assim como os por flotao por

ar nas unidades de fotao, vm ganhando fundamental importncia como

31

alternativa para o tratamento de guas residurias provenientes de cozinhas e

restaurantes.

O processso de flotao por ar dissolvido, em relao ao processo

convencional (sem aerao) apresenta algumas vantagens: agitao, mistura e

equalizao dos resduos; auxilia na flotao; melhora a qualidade do tratamento

e, consequentemente, a eficincia do processo; diminui as dimenses das unidades

de tratamento; minimiza a sedimentao do lodo, assim como o volume de lodo

produzido, e diminui a produo de maus odores devido a no liberao de gs

sulfdrico.

As caixas de gordura so unidades de tratamento preliminar e funcionam

retendo partculas menos densas que as do meio para posterior remoo. Operam

de maneira eficiente, evitam uma srie de problemas causados por esses poluentes

em sistemas de rede e tratamento de esgoto e, consequentemente, melhoram a

tratabilidade afluente.

Entretanto, o destino ou condicionamento do resduo proveniente das

caixas de gordura merece especial ateno, visto que se pode utiliz-lo como

matria-prima para processos industriais. O aproveitamento desse passivo

ambiental, que na maioria das vezes, disposto inadequadamente no meio

ambiente, vem ganhando grande interesse para produo de biodiesel. Alguns

pesquisadores passaram a estudar o assunto, j que so possuidores de um elevado

potencial de energia (BARROS; WUST; MEIER, 2008; CHAKRABARTI et al.,

2008; OLIVEIRA, 2012; PEDROSO et al., 2012; WILTSEE, 1998; WUST,

2004).

O uso desse resduo torna-se uma opo sustentvel, com melhor

destinao final, alm de economicamente vivel por reduzir custos de produo,

pela utilizao de matria-prima menos dispendiosa e, alm disso, se mostra como

um potencial promissor no abastecimento da matriz energtica brasileira.

32

Nesse contexto, o objetivo geral com o experimento constitudo por uma

caixa de gordura (CG) em escala real foi avaliar o desempenho da unidade no

tratamento da gua residuria proveniente da cozinha industrial do restaurante

universitrio (RU) da Universidade Federal de Lavras (UFLA), bem como obter

e comparar as caractersticas hidrodinmicas em duas condies operacionais: (1)

convencional por flotao gravitacional (Primeira etapa) e (2) flotao auxiliada

por difusores de ar, acionados por soprador (Segunda etapa). Os objetivos

especficos foram:

avaliar o desempenho da CG em relao eficincia de remoo de

matria orgnica, nutrientes e dos compostos orgnicos hidrofbicos por meio da

anlise das concentraes de leos e graxas (O&G), demanda bioqumica de

oxignio (DBO), demanda qumica de oxignio (DQO), slidos totais (ST),

slidos totais fixos (STF), slidos totais volteis (STV), slidos suspensos (SS),

slidos dissolvidos (SD), nitrognio total Kjeldahl (NTK), fsforo total (P total) e

detergente no afluente e efluente;

determinar e comparar o padro de escoamento (pistonado, mistura

completa ou dispersivo); o tempo de residncia hidrulica real (TRHreal); a

existncia de anomalias, como zonas mortas e curtos-circuitos; e, a disperso das

partculas;

caracterizar e quantificar os resduos de leos e gorduras a fim de

comprovar a viabilidade do seu emprego na obteno de biodiesel;

conhecer o potencial de produo, e ainda, identificar o processo mais

eficaz no aproveitamento dos resduos de leos e gorduras na transformao de

biodiesel.

33

2 REFERENCIAL TERICO

2.1 Caracterizao de leos e gorduras e impactos causados ao meio ambiente

Os leos se apresentam no estado lquido e as gorduras em estado slido

temperatura ambiente. Os leos vegetais so ricos em cidos graxos insaturados

com duplas ou triplas ligaes de carbono-carbono, enquanto as gorduras animais

possuem maior contedo de cidos graxos saturados com apenas ligaes simples

de carbono-carbono, o que ocasiona seu estado slido (GNIPPER, 2008; GOMES,

M. M. R., 2009; SEMIONATO, 2006; VEIGA, 2003).

Os leos e gorduras tm como caracterstica a apolaridade. So altamente

solveis em solventes orgnicos, como o hexano, sendo apenas levemente

solveis em gua, o que os torna de degradao difcil. So identificados

analiticamente por meio do parmetro de qualidade intitulado leos e graxas

(O&G), em que o termo graxa inclui tambm as ceras e outros componentes

encontrados em guas residurias (HAMMER, 1979; NUVOLARI, 2003;

SEMIONATO, 2006).

Alm dos restaurantes em geral, os leos e gorduras possuem as mais

diversas origens: indstrias de sorvetes, leos comestveis e enlatados, indstrias

de bebidas (refrigerantes e cervejas), pescado, abatedouros de aves, de bovinos

e/ou, sunos, laticnios e ainda, curtumes, processamento de cosmticos. Porm,

as indstrias alimentcias so as que mais contribuem com significativa carga de

O&G (MENDES et al., 2005; VEIGA, 2003).

Notadamente, em cozinhas e restaurantes, a gerao dos resduos

gordurosos ocorre em fases distintas: na preparao de alimentos, pela lavagem e

desinfeco de equipamentos e utenslios de cozinha, pisos, quebra de embalagens

e lubrificao de equipamentos somam-se aos restos de alimentos segregados; na

limpeza, se inclui a remoo de resduos orgnicos e minerais aderidos s

34

superfcies; e, na sanitizao, pela aplicao de solues alcalinas e agentes cidos

para remover resduos gordurosos e proteicos das superfcies e incrustaes

minerais (RIGO, 2004; RIGO et al., 2008; VEIGA, 2003).

As guas residurias oriundas dos estabelecimentos supracitados, por

apresentarem na composio significantes nveis de gorduras, protenas ou

particulados, so consideradas complexas (BATSTONE et al., 2000). Quando

descartadas sem tratamento nas redes de esgoto, contribuem para o aumento da

carga orgnica lanada no ambiente. Consequentemente so as principais

responsveis por alteraes dos parmetros de controle ambiental como: pH,

slidos totais, DBO e DQO (DORS, 2006). Em abatedouro de aves os lipdeos

so responsveis por mais de 67% da DQO efluente (DAMASCENO;

CAMMAROTA; FREIRE, 2012).

Os compostos gordurosos, se dispostos de forma inadequada,

impermeabilizam e contaminam os solos, podendo causar grandes danos fauna

e flora. Em corpos hdricos podem se acumular nas suas superfcies, formando um

filme sobrenadante que impede a difuso de oxignio do ar para esse meio e ao

mesmo tempo prejudica a iluminao natural. Assim, a base da cadeia alimentar

fica comprometida e causa mortandade da vida aqutica. Em processos de

decomposio, reduzem o oxignio dissolvido, pelo elevado valor de DBO e

DQO, produzindo maus odores e aspectos desagradveis (JORDO; PESSOA,

2005; MENDES et al., 2005; ROSA, 2008; ROSA et al., 2009; VEIGA, 2003).

O descarte de O&G em guas residurias na forma livre, dispersa ou

emulsificada, juntamente com os slidos em suspenso, s permitido depois que

removidos (SCHULZ, 2005). So altamente fermentveis e representam uma

fonte principal da poluio, j que 1 kg dos mesmos representa aproximadamente

2,4 a 2,8 kg da DQO (CHIABAI; REBOUAS; GONALVES, 2005). Em

indstrias e estabelecimentos alimentcios, sua concentrao pode variar dentro

de amplos limites (MENDES et al., 2005). Porm, na legislao brasileira, as

35

condies e padres para lanamento direto de efluentes em corpo receptor, de

qualquer fonte poluidora, so limitados em at 20 e 50 mg L-1 para leos minerais

e para leos vegetais e gorduras animais, respectivamente, e para o lanamento

direto quando provenientes de Sistemas de Tratamento de Esgotos Sanitrios em

at 100 mg L-1. Em ambos os casos, os materiais flutuantes devero estar ausentes

(BRASIL, 2005, 2011). Todavia, acredita-se que a concentrao limite dessas

substncias, despejadas em cursos- dgua, deva ficar na faixa de 15 e 20 mg L-1

(JORDO; PESSOA, 2005). Em unidades de tratamento biolgico,

concentraes acima de 150 mg L-1 podem prejudicar o desempenho do processo,

levando a colmatao de filtros em reatores anaerbios e aerbios, alm da

inibio do metabolismo microbiano (DURLI, 2007; SPEECE, 1996).

Alguns pesquisadores restringem ainda mais esse limite, sendo que a

partir de 65 mg L-1 seriam suficientes para ocasionar problemas digesto

anaerbia, acarretando acmulo de escumas nos digestores e inviabilizando o uso

do lodo na prtica da fertilizao (GUIMARES et al., 2002; ORSSATO;

HERMES; VILAS BOAS, 2010); e, acima de 20 mg L-1 acreditam que podem

causar a morte dos micro-organismos responsveis pelo tratamento, pois

costumam envolver os flocos biolgicos, ocasionando a morte das clulas

bacterianas por asfixia (NUVOLARI, 2003).

2.1.1 Impactos causados em unidades e sistemas de tratamento

As guas residurias ricas em O&G trazem graves consequncias,

especialmente em processos mesoflicos convencionais. Por ser tratar de

compostos muito estveis, a decomposio por bactrias em geral difcil

(CAMMAROTA; FREIRE, 2006; CHIABAI; REBOUAS; GONALVES,

2005; ORSSATO; HERMES; VILAS BOAS, 2010; ROSA, 2008; SEMIONATO,

2006; ROSA, 2008; ORSSATO et al., 2010). Assim, a reduo desses compostos

36

em unidades e sistemas de tratamento de fundamental importncia, para no

sobrecarreg-las (DURLI, 2007).

Os O&G em guas residurias de cozinhas e restaurantes, quando

descartados em elevadas temperaturas, devido aos processos de lavagem e

desinfeco, ao percorrerem as tubulaes perdem calor e se solidificam se

aglomerando nesses dutos. Como consequncia diminuem suas sees teis

causando vrios problemas de manuteno (JORDO; PESSOA, 2005;

SEMIONATO, 2006; VEIGA, 2003). Quando acima de 40C provocam a

destruio da microbiota presente nas unidades e sistemas de tratamento (VEIGA,

2003).

A escuma, considerada matria graxa e slidos em mistura com gases,

que flutuam no lquido em tratamento (ASSOCIAO BRASILEIRA DE

NORMAS TCNICAS - ABNT, 1993) uma camada grossa composta de

materiais flutuantes, principalmente de gordura (CHERNICHARO, 2007). Sua

espessura depende mais da composio do substrato do que das alteraes na

biomassa e desempenho do reator (LAUBSCHER et al., 2001). A escuma gerada

durante o tratamento de guas residurias constituda de materiais flotveis, de

baixa solubilidade, baixo coeficiente de biodegradabilidade e elevada carga

orgnica. A escuma produzida medida que a camada formada excede a

decomposio, em um determinado tempo de referncia (JORDO; PESSOA,

2005; SEMIONATO, 2006). A elevada concentrao de micro-organismos

filamentosos tambm participa da sua formao, alm do lodo granular e

substncias mortas (LAUBSCHER et al., 2001; SOUZA, 2006).

Gorduras, leos, ceras, sabes, restos de comida, cascas de frutas e

vegetais, cabelos, papel e algodo, pontas de cigarros, materiais plsticos e

materiais similares que apresentam massa especfica menor que 1,0 g cm-3 e

usualmente perto de 0,95 g cm-3 tambm podem fazer parte da escuma

(METCALF & EDDY INC, 2003). Porm, os lipdeos so considerados os

37

causadores de ocorrncias, potencialmente graves devido ao seu baixo peso

especfico (ZEEMAN; SANDERS, 2001).

Resumidamente, a constituio e formao da escuma depende

fundamentalmente das caractersticas do esgoto bruto (SOUZA et al., 2005).

Quando acumulada em grande quantidade necessrio sua remoo fsica

imediata (LAUBSCHER et al., 2001), pois provoca a diminuio do volume til

de unidades e sistemas de tratamento de efluentes comprometendo o seu

funcionamento e os subsequentes (CHERNICHARO, 2007).

Assim, os O&G causam vrias interferncias na eficincia do tratamento,

com gerao de compostos intermedirios durante sua biodegradao, produo e

acmulo de escuma; flotao e lavagem do lodo; diminuio da carga ativa

(biomassa); toxicidade e efeitos inibitrios aos micro-organismos. Esses

problemas sero relacionados na sequncia, separadamente dentro do processo

anaerbio e o aerbio.

Em anaerobiose a escuma pode se acumular em intensidade caso no haja

uma mistura satisfatria e escapar no efluente final prejudicando sua qualidade

(SOUZA, 2006). Quando desprendida pode atingir os dispositivos de coleta de

efluente com possveis entupimentos das tubulaes de sada. A falta de controle

na sua formao, mesmo em taxas muito baixas, pode causar efeitos danosos sobre

a produo de gases (RAMAN; RANGA RAO; KISHORE, 1989).

Em relao aos problemas envolvendo o lodo, a biomassa ativa pode vir

a se incorporar na zona de digesto por flotao. No momento em que os gases

so formados com a velocidade de subida mais intensa, devido aos escoamentos

ascensionais das correntes biolgicas ou correntes hidrulicas, pode ser arrastada

para fora no efluente (HALALSHEH et al., 2005; HWU; VAN LIER;

LETTINGA, 1998; SOUZA, 2006). Essas perdas podem ocasionar reduo na

eficincia de tratamento (ROSA, 2008; VALENTE, 2010).

38

Em trabalho utilizando reator UASB, tratando gua residuria de

abatedouros de bovinos e sunos com elevados nveis de O&G (452 a 957 mg L-

1) foi observado que grnulos de lodo e blocos de biomassa tenderam a flotar

formando uma camada superficial de escuma e foram varridos para fora. Isso foi

associado inibio das bactrias metanognicas e acetognicas devido

toxicidade aguda aos cidos graxos de cadeia longa (AGCL) e adsoro

excessiva de O&G. Ambos formam uma camada hidrofbica ocasionando,

provavelmente, perda de densidade do lodo, reduo da difuso do substrato nos

grnulos e baixa acumulao de biogs. Esses efeitos so capazes de causar

problemas hidrulicos e incompleta mistura de substrato e biomassa, reduzindo

assim a produo de biogs e a taxa de converso de DQO (MIRANDA;

HENRIQUES; MONTEGGIA, 2005).

Especificamente em relao aos AGCL, produtos intermedirios gerados

na degradao de O&G, quando em maiores concentraes provocam decrscimo

da concentrao das molculas de adenosina trifosfato (ATP), utilizada como

fonte de energia pelas clulas microbianas. A atividade metanognica fica inibida

e por consequncia ocorre reduo na formao de gs metano (CAMMAROTA;

FREIRE, 2006; MENDES et al., 2005).

Nesse contexto substncias oleosas, assim como os AGCL formados,

adsorvidos na superfcie do lodo podem prejudicar a formao de gases, e o

decrscimo desses. Dentre outras consequncias provocam: limitao do

transporte dos substratos solveis biomassa, levando queda da taxa de

converso de poluentes e o seu arraste para fora do biorreator; reduo da

velocidade de transferncia de oxignio para as clulas do consrcio microbiano,

restringindo as atividades hidrolticas (CAMMAROTA; FREIRE, 2006; DORS,

2006; DURLI, 2007; HATAMOTO et al., 2007; JEGANATHAN; NAKHLA;

BASSI, 2006; OMIL et al., 2003; ROSA, 2008; RIGO, 2004; RIGO et al., 2008;

VALENTE, 2010; VIDAL et al., 2000).

39

No entanto, com maior tempo de residncia hidrulica (TRH) pode haver

menor flotao do lodo j que a adsoro excessiva dos AGCL diminuda e so

mais bem biodegradados. Nesses termos, h melhor remoo de lipdeos e menor

produo de escuma (HALALSHEH et al., 2005; HWU; VAN LIER;

LETTINGA, 1998).

Em processo de tratamento aerbio a presena de O&G contribui com

30% a 40% da matria orgnica presente nos efluentes e interfere negativamente

em alguns aspectos, tais como: flotao da biomassa; aumento do tempo de

residncia hidrulica; reduo da capacidade de aeradores; desempenho das

bombas; e, ainda aumenta a demanda por produtos floculantes. Igualmente

estimulam o crescimento excessivo de micro-organismos filamentosos que, com

caractersticas fsicas ruins, intensificam a formao de escuma na superfcie da

unidade de aerao, impedindo a floculao e interferindo na sedimentao e

compactao do lodo biolgico. A escuma e o lodo quando presentes no efluente

do sistema de tratamento causam progressiva perda de eficincia de remoo da

matria orgnica (BECKER et al., 1999; CAMMAROTA; FREIRE, 2006;

MENDES et al., 2005; ROSA, 2008; TSANG; SIN; CHUA, 2008; YANG;

CHEN; CHEN, 2012).

2.2 Unidades e processos para o tratamento de efluentes com teores de O&G

Os O&G no podem ser facilmente decompostos biologicamente nem

simplesmente tratados por processos biolgicos convencionais. Por esse motivo

se torna fundamental o pr-tratamento para melhorar a tratabilidade afluente

(BECKER et al., 1999; YANG; CHEN; CHEN, 2012). Essa etapa previne uma

40

srie de problemas que, consequentemente, reduziriam a eficincia do tratamento

secundrio das estaes de tratamento (CAMMAROTA; FREIRE, 2006).

2.2.1 Caixa de gordura

A caixa de gordura definida pela ABNT (1999) como uma unidade

destinada a reter, na sua parte superior, camadas de gorduras, graxas e leos

contidos nas guas residurias. E devem ser removidas periodicamente, evitando

que escoem livremente pela rede causando sua obstruo. A sua instalao

obrigatria em todos os estabelecimentos que gerem efluentes que possam conter

leos e gorduras (VEIGA, 2003).

Em cozinhas e restaurantes, Veiga (2003) salienta ainda que a deficincia

na segregao de restos alimentares, assim como a utilizao atual de trituradores

de alimentos em pias, contribui para a reduo do tempo de residncia do efluente

em tratamento. Como consequncia direta, h o aumento da carga orgnica

lanada nas estaes de tratamento biolgico e/ou nas redes de esgotos e da a

necessidade da caixa de gordura (JORDO; PESSOA, 2005; SEMIONATO,

2006; SEMIONATO et. al., 2005).

Assim, as caixas de gordura, alm de controle peridico em termos de

manuteno, devem apresentar algumas caractersticas fsicas, tais como: boas

condies de ventilao; vedao adequada para evitar a penetrao de insetos,

pequenos animais, gua de lavagem de pisos ou de guas pluviais; capacidade de

acumulao da gordura entre cada operao de limpeza; dispositivos de entrada e

de sada convenientemente projetados possibilitando o escoamento normal do

afluente e efluente; distncias mnimas respeitadas, inclusive altura entre a entrada

e a sada suficiente para reter a gordura; e, condies de tranquilidade para

permitir a flutuao do material (ABNT, 1999; JORDO; PESSOA, 2005). Para

Borges (2009) significativa esta ltima condio, sendo a caixa de gordura do

41

tipo convencional a mais utilizada e mais simples de ser construda. Entretanto,

de acordo com a ABNT (1999), para escolas, hospitais, quartis, e tambm

cozinhas de restaurantes, elas devem ser especiais, assim como se faz essencial

um tratamento complementar quando h grande concentrao de O&G no esgoto.

Sendo assim, destaca-se a importncia da flotao (BORGES, 2009).

Na caixa de gordura, o efluente sob condies de escoamento laminar

(tranquilidade hidrulica) permite que as partculas de gordura e leo subam para

a superfcie e aproximem da extremidade de sada. Opera com base na diferena

entre a densidade da fase dispersa (substncia a ser eliminada) e contnua (meio

lquido). Quando a primeira menor a substncia flota naturalmente

(CAMMAROTA, 2011; CAMMAROTA; FREIRE, 2006).

Tais unidades, condicionadas s leis gravitacionais que regem os

fenmenos de sedimentao de slidos, em sentido equivalente, porm inverso

funcionam por flotao (IMHOFF, 1998; JORDO; PESSOA, 2005;

SEMIONATO, 2006). A principal diferena que nesse processo pequenas ou

finas partculas podem ser removidas completamente, por flotao, em menor

espao de tempo (METCALF & EDDY, INC, 2003).

O processo de flotao envolve trs fases: lquida, slida e gasosa. A

flotao ocorre devido ao desprendimento de pequenas bolhas de gs, produzidas

na digesto anaerbia (BORGES, 2009) ou pela induo de ar em processos

aerbios. As partculas slidas ou lquidas (suspensas ou materiais graxos ou

oleosos) so separadas da fase lquida pela combinao das bolhas, resultando

num agregado maior e mais leve, que ascende e flutua na superfcie (IMHOFF,

1998; JORDO; PESSOA, 2005; METCALF & EDDY, INC, 2003).

A condio hidrodinmica mais favorvel flotao est condicionada ao

ambiente, no momento em que propicia a coleta da partcula que foi seletivamente

hidrofobizada pela bolha. Num determinado perodo, trs eventos sequenciais

devem ocorrer: (1) coliso das partculas suspensas com bolhas de ar (2) adeso

42

das partculas s bolhas de ar, formando agregados estveis; (3) e, estabilizao,

em que o agregado formado (partcula-bolha) flutuar. Caso um dos eventos no

ocorra, o desempenho do processo ser retardado e a partcula no flotar

(RODRIGUES, 2010; RODRIGUES; LEAL, 2012).

Resumidamente, as bolhas ou microbolhas formadas ou inseridas no

lquido colidem e aderem aos flocos previamente formados, aumentando o seu

empuxo e provocando o seu deslocamento em direo superfcie em que

formada uma camada sobrenadante de material flotado (JORDO; PESSOA,

2005; PIOLTINE; REALI, 2011). Alm do escoamento vertical ascendente h,

coincidentemente, outro tipo de escoamento, o horizontal, o qual arrasta as

partculas para a sada, acompanhando o escoamento lquido. Ao penetrar na caixa

de gordura a velocidade horizontal do lquido diminuda devido ao instantneo

aumento da rea transversal. Igualmente, a gotcula de leo lentamente arrastada

e tambm impelida para cima por uma fora ascensional (GNIPPER, 2008).

Por flotao convencional (gravitacional), a caixa de gordura permite a

dissociao de parte das gorduras, leos e graxas presentes no meio lquido

quando tais substncias apresentarem densidades inferiores. Entretanto, remove

prioritariamente a frao livre e dispersa em gua (partculas grandes que flotam

rapidamente superfcie), ou seja, j estratificado da gua. medida que o

tamanho das gotas diminui essa tcnica no mais apropriada (MENDES et al.,

2005; SCHULZ, 2005; ZAWADZKI, 2011). Para emulsificados e dissolvidos, o

processo estimulado por injeo de ar no lquido pode ser mais eficiente.

Partculas mais densas tambm podem ser removidas, pois as bolhas de ar ajudam

na formao de agregados menos densos que o meio circundante, provocando um

deslocamento mais acentuado (BORGES, 2009; JORDO; PESSOA, 2005;

METCALF & EDDY, INC, 2003).

43

2.2.2 Flotao via aerao

As unidades de flotao via aerao, normalmente utilizadas em pases

mais desenvolvidos, tm como finalidade minimizar a quantidade de O&G que

adentram ao sistema de tratamento de esgoto e so alocadas antes do tratamento

biolgico nas ETE(s). Algumas podem ser ainda mais sofisticadas, com uso de

presso e descompresso sobre o lquido e o ar, capazes de melhorar a flotao

significantemente (METCALF & EDDY, INC, 2003), sendo fundamentais em

agroindstrias, como por exemplo, no caso de laticnios e outras que processam

efluentes ricos em leos e gorduras.

A flotao via aerao tem-se apresentado promissora como pr-

tratamento de efluentes contendo O&G (PALMEIRA et al., 2009; RUBIO;

SOUZA; SMITH, 2002). Porm, a opo adotada vai depender das caractersticas

da gua residuria, da qualidade requerida para o efluente, do custo e facilidade

de operao, disponibilidade de rea a ser utilizada (ROSA, 2002; RUBIO;

SOUZA; SMITH, 2002).

Existem diversos processos de flotao auxiliados por ar com diferentes

maneiras de gerar bolhas dentre as quais esto: flotao por ar induzido (FAI) ou

disperso; flotao por ar dissolvido (FAD); flotao via bocais; eletroflotao; e,

flotao por cavitao.

Os processos usuais de ar ejetado so por ar disperso ou induzido; e o por

via ar dissolvido, pressurizado ou a vcuo (RUBIO; SOUZA; SMITH, 2002).

Diferenciam-se pelo mecanismo de gerao de bolhas de ar (METCALF &

EDDY, INC, 2003).

As caractersticas referentes primeira opo na modalidade por ar

difuso, a entrada das bolhas introduzindo ar ou oxignio no lquido, se faz por

ejetores ou difusores submersos ao longo e prximos ao fundo do volume a ser

tratado. Os difusores de membrana recebem o ar e inflamam-se permitindo o

44

alargamento de minsculas aberturas para a sada do ar que transferido ao meio

lquido medida que a bolha se eleva superfcie. O sistema de tubulaes

distribuidoras e de transporte de ar, mais os sopradores, tambm so componentes

da instalao (CAMMAROTA, 2011; METCALF & EDDY, INC, 2003;

SPERLING, 1996).

J o princpio da FAD difere do FAI somente pela forma de obteno do

sistema partcula-bolha que consiste na saturao de ar solvel no lquido por

meio do aumento de presso. O ar previamente dissolvido no efluente bruto ou

numa corrente recirculada, numa cmara de presso, por meio de uma presso de

vrias atmosferas, seguido pela liberao da presso ao nvel atmosfrico. Com a

reduo da presso, o ar que se encontrava dissolvido, tende a desprender do

lquido, formando microbolhas com grande rea interfacial para coleta das

partculas em suspenso (gotculas de leo) (CAMMAROTA, 2011; METCALF

& EDDY, INC, 2003). A gua supersaturada com ar forada atravs de um

orifcio e na sua descompresso forma nuvens de microbolhas com dimetros

entre 30 e 100 m (VILAR, 2009; WAELKENS, 2010). Tambm pode ser

conduzido a vcuo, ocorrendo primeiro a saturao do efluente por ar. Aps, o

efluente conduzido a um tanque sob vcuo parcial, o que faz com que o ar

dissolvido no efluente seja instantaneamente liberado sob a forma de microbolhas.

No processo via bocais, um bocal utilizado para aspirar o gs para dentro

do tanque de flotao de uma forma similar s mquinas de flotao via ar

dissolvido. As bolhas possuem um dimetro entre 400 e 800 m.

Na eletroflotao, as microbolhas so geradas por eletrlise de solues

aquosas com a produo de gs nos dois eletrodos. Aplica-se no tratamento de

remoo em sistemas coloidais leves, como exemplo, emulsificao de leo em

gua, ons, pigmentos, tintas e fibras (VILAR, 2009).

A flotao por cavitao funciona por meio de um aerador que extrai ar

do ambiente e injeta microbolhas diretamente na gua residuria. Esse tipo de

45

flotao utilizado em indstrias alimentcias, especialmente na indstria de

laticnios, tintas e em curtumes, para remover slidos suspensos, gorduras, leos

e graxas (VILAR, 2009).

A eficincia do processo de flotao pode ser melhorada com aumento da

vazo de ar, que contribui com a maior agitao e turbulncia do sistema,

resultando no s na maior quantidade de bolhas disponveis, como tambm na

reduo do dimetro das bolhas com consequente aumento da rea superficial

disponvel para transferncia de ar (VILAR, 2009; WAELKENS, 2010). Porm,

de modo inverso, um sistema muito turbulento pode prejudicar o processo,

principalmente quando a partcula no apresenta uma boa caracterstica de

hidrofobicidade. Assim, altas taxas de aerao devem ser evitadas para prevenir a

destruio de agregados frgeis (VILAR, 2009).

O regime hidrulico predominante no recipiente tambm tem grande

influncia na transferncia de ar e consequentemente na taxa de transferncia

(SPERLING, 1996). Alm disso, outros fatores devem ser considerados no

projeto de unidades de flotao, como concentrao do material particulado,

velocidade de ascenso das partculas e a taxa de alimentao de slidos

(CAMMAROTA, 2011).

Inmeros fatores afetam a eficincia do processo de flotao, dentre os

principais esto: coliso, aderncia e reteno entre as partculas e as bolhas de

gs. Entretanto, a aerao deve ser compatvel com as caractersticas do efluente

que est sendo tratado, tanto em termos da quantidade de ar quanto em tamanho

das bolhas (SCHULZ, 2005).

2.3 Influncia da presena de detergentes na remoo de gordura

Reconhecidos como agentes ativos de superfcie, os detergentes esto

presentes em gua residuria industrial e esgoto domstico (DELFORNO, 2011).

46

Possuem propriedades que alteram a tenso interfacial quando dissolvidos em um

solvente (HENRIQUE, 2008). Como outros produtos de limpeza contm uma

participao potencial de tensoativos aninicos nas suas formulaes, como os

conhecidos sulfonatos de alquilbenzeno linear (LAS). Estes, quando adsorvidos

sobre o particulado e material orgnico do lodo so removidos como o lodo

primrio (GANIDI; TYRREL; CARTMELL, 2009; JENSEN, 1999).

Os detergentes, mesmo que biodegradveis, quando em excesso, podem

causar vrios problemas: prejudicam a eficincia de separao dos O&G da gua

formando gotculas de menor tamanho, com menor velocidade ascensional

(MENDES et al., 2005); os emulsificados podem ser carreados no efluente sem

ser tratado (CHAN, 2010; GANIDI; TYRREL; CARTMELL, 2009; JENSEN,

1999); modificam as caractersticas de sedimentao dos slidos em suspenso

(CHAN, 2010; LIMA, 2008); dependendo da frao adsorvida e do tempo de

exposio dos micro-organismos, podem inibir os processos de tratamento

biolgico, pois ao aumentar a permeabilidade celular eliminam os constituintes

essenciais das clulas (CAMMAROTA, 2011; JENSEN, 1999; LEITO et al.,

2006; MSCHE; MEYER, 2002); na interface ar-gua afeta a troca gasosa entre

meios e pode tambm gerar espuma abundante (CAMMAROTA, 2011). Uma das

formas de remoo dessas sustncias so os processos fsico-qumicos, porm a

degradao microbiana a principal via de eliminao. Entretanto, em relao aos

detergentes sintticos, nenhum organismo vivo possui necessariamente uma carga

enzimtica capaz de decomp-los (VEIGA, 2003).

A remoo aerbia considerada, por vrios pesquisadores, como a que

mais facilmente degrada os detergentes, ou por oxidao, ou adsoro no lodo e

nos slidos suspensos. Em processos anaerbios, a degradao bastante

limitada, podendo ocorrer somente em determinadas condies, ou seja, com a

limitao de enxofre, temperaturas termoflicas e, por meio de um consrcio de

bactrias especficas (DUARTE et al., 2010; GANIDI; TYRREL; CARTMELL,

47

2009; LEITO et al., 2006; MSCHE; MEYER, 2002; SCOTT; JONES, 2000).

Todavia, estudos tm sido realizados em reatores anaerbios considerando a

degradao satisfatria (DELFORNO, 2011), podendo melhorar a

biodegradabilidade com reduo de DBO5 total e solvel e minorar o problema

de gerao de resduos slidos (CAMMAROTA; FREIRE, 2006; DAMASCENO;

CAMMAROTA; FREIRE, 2012).

Cabe destacar que os padres para lanamento de efluentes lquidos, de

forma direta ou indireta, nos cursos-d'gua do estado de Minas Gerais contendo

substancias tensoativas que reagem com azul de metileno de 2 mg L-1 de LAS,

exceto para sistemas pblicos de tratamento de esgotos sanitrios (CONSELHO

ESTADUAL DE POLTICA AMBIENTAL - COPAM/ CONSELHO

ESTADUAL DE RECURSOS HDRICOS DE MINAS GERAIS - CERH-MG,

2008).

2.4 Hidrodinmica das unidades e sistemas de tratamento

Estudos hidrodinmicos so essenciais para avaliar o potencial de

desempenho, e assim, garantir a melhoria dos processos e deteco de problemas

em unidades ou sistemas de tratamento de gua residuria. Em projetos permitem

definir se os critrios adotados no dimensionamento so de fato adequados e se

cumprem na realidade (FERREIRA, 2012).

Dentre as caractersticas hidrodinmicas esto o transporte hidrulico de

materiais e a velocidade das reaes ocorrentes internamente no volume de

tratamento durante a permanncia da gua residuria. Esses so responsveis

pelas mudanas na composio e concentrao de compostos. Entretanto, a

maneira e a eficincia com que tais mudanas acontecem so em funo do tipo

de escoamento e do padro de mistura (SPERLING, 1996).

48

O tipo de escoamento pode admitir como condies: a aplicao

intermitente (batelada) ou contnua; e o padro de mistura se caracteriza por meio

de dois modelos de escoamento ideais conhecidos como, pistonado e mistura

completa. Esses servem para configurar os extremos de uma ampla faixa, dentro

da qual, na prtica, as unidades reais de tratamento de gua residuria se

enquadram (LOURENO, 2006; LOURENO; CAMPOS, 2009).

Na prtica, os escoamentos reais (no ideais) geralmente se comportam

de maneira diferente desses dois modelos idealizados de escoamento, pois

apresentam desvios, devido disperso de partculas e fenmenos atpicos

(anomalias) de escoamento, ocorrentes dentro do volume de tratamento e

decorrentes de uma mistura ruim (CARVALHO et al., 2008).

O curto-circuito hidrulico resultante da estratificao das partculas do

fluido e ocorre quando essas escoam sem percorrer todo o volume da unidade de

tratamento, podendo indicar deficincia de projeto. Como consequncia o tempo

de residncia real diminuido. J a zona morta ou regio estagnada se relaciona

s caractersticas fsicas da unidade, com ocorrncia em cantos, abaixo de

vertedores e no lado interno de curvas. Equivale a regies isoladas ou inacessveis,

em que o fluido fica aprisionado sem interagir com as regies ativas. Ambos os

fenmenos contribuem com a reduo do tempo de residncia efetivo

(GUTIERREZ, 2008; LEVENSPIEL, 2000; SASSAKI, 2005; SPERLING,

1996).

O caminho preferencial, anomalia de escoamento que pode causar curtos-

circuitos hidrulicos d-se quando grandes quantidades de partculas do fluido

escoam em tempo menor que outras; o reciclo, por exemplo, est relacionado com

a recirculao de parte do fluido para a entrada da unidade de tratamento. A

retromistura, outra irregularidade que representa o movimento de parcelas do

fluido na direo contrria ao escoamento principal (COTA, 2011; GUTIERREZ,

49

2008; SASSAKI, 2005); e, por fim a disperso, o transporte longitudinal do

material devido turbulncia e a difuso molecular (SPERLING, 1996).

Cabe ressaltar que estudos cientficos mostram que a condio de mistura

interfere na eficincia do tratamento. Para tanto, uma mistura adequada promove

um bom transporte de massa ou substrato, calor aos micro-organismos, mantm a

uniformidade, alm de outros fatores ambientais, e assegura o uso efetivo de todo

volume da unidade de tratamento (CAPELA et al., 2009; MATANGUE, 2011).

De forma geral, os modelos reais so de difcil modelagem hidrulica,

sendo frequentemente realizadas aproximaes na determinao de dois atributos

importantes: coeficiente de remoo de substrato; e, o nmero de disperso

(SPERLING, 1996). Na maioria das vezes um grau intermedirio com

escoamento disperso parece o mais adequado para representar o regime real de

escoamento (CAMPOS, 1990; LEVENSPIEL, 2000; SPERLING, 1996).

Por meio da modelagem hidrodinmica pode-se estabelecer os regimes de

escoamento e o tipo de mistura predominante, obtendo-se meios de se quantificar

possveis problemas decorrentes de falhas operacionais, de concepo de projeto

relacionadas aos aspectos construtivos (geometria) da unidade. Por conseguinte,

a determinao do tempo de residncia real (TRHreal), parmetro fundamental para

o correto entendimento do comportamento das unidades de um sistema de

tratamento deve ser realizado por meio de estudos com traador, auxiliando de

forma significativa a determinao do modelo cintico a ser estabelecido

(DANTAS; MELO; NETO, 2000; FERREIRA, 2012; LOURENO; CAMPOS,

2009; MENDONA, 2002; MOTERANI, 2010).

2.4.1 O uso de traadores em ensaios hidrodinmicos

A condio necessria para estabelecer o comportamento hidrodinmico

de partculas durante o seu escoamento o conhecimento da distribuio do tempo

50

de residncia. Tal avaliao baseia-se no mtodo de estmulo e resposta, com

injeo de traador no afluente (entrada) e, na imediata determinao de sua

concentrao no efluente (sada). A injeo pelo mtodo em pulso ou aplicao

instantnea, habitualmente utilizada, ocorre de uma s vez e no menor intervalo

de tempo possvel. Verifica-se como o fluido na unidade responde ao estmulo, e,

por meio da anlise da resposta obtm-se a informao desejada (LEVENSPIEL,

2000; METCAF; EDDY, INC, 2003).

Segundo Loureno e Campos (2009) o uso de traador pode ser aplicado

a qualquer tipo de volume de controle, qumico, fsico-qumico ou biolgico,

desde que seja compatvel e inerte ao meio sob investigao, evitando a soro.

Consideram esse estudo fundamental na obteno do tempo de residncia

hidrulica real (TRHreal), especialmente em sistemas de tratamento de guas

residurias. Todavia, o traador deve possuir caractersticas especficas, ou seja,

concentrao conhecida; estabilidade e compatibilidade ao meio no qual ser

injetado; apresentar densidade prxima ao meio; deteco precisa e quantificao

em concentraes mnimas; ser se possvel atxico; no deve interagir com as

substncias a serem tratadas e to pouco com os componentes da unidade; deixar

resduo; e, no pode modificar ou desvirtuar a hidrodinmica do fluido avaliado

(LEVENSPIEL, 2000; METCAF; EDDY, INC, 2003).

Usualmente as pesquisas sobre o tema fornecem informaes sobre a

teoria de traadores e alguma discusso dos resultados. Entretanto, quanto aos

tipos de substncias a serem empregadas, apenas algumas sugestes so

fornecidas, tais como: fluorescena, rodamina, rodamina WT, cloreto de sdio

(NaCl), cloreto de ltio (LiCl), cloreto de hidrognio (HCl) e o cido benzoico

(DANTAS; MELO; NETO, 2000). Esses autores comentam sobre resultados

satisfatrios com o uso de sais de metais alcalinos como, por exemplo, o NaCl.

No caso do LiCl, mesmo sendo indicado como traador ideal, concentraes

51

superiores a 2 g L-1, mesmo com exposies temporrias, podem causar inibio

da atividade metanognica (CHERNICHARO, 2007; SILVA et al., 2009).

Loureno (2006) e Loureno e Campos (2009) utilizaram o LiCl em reator

anaerbio de manta de lodo (Upflow Anaerobic Sludge Blanket UASB), em

escala laboratorial, alimentado continuamente por gua residuria de suinocultura.

O preparo do traador seguiu a metodologia de Campos (1990) e foi aplicado em

pulso, quando o reator apresentava condies permanentes (estabilidade). A

concentrao utilizada foi de 100 mg L-1 do on Li+. A coleta das amostras (3 mL)

foi realizada na sada do reator em intervalos constantes de 12 minutos e durante

124 horas, de forma ininterrupta. No foi mencionado qualquer problema com

relao ao tipo de traador empregado.

Matangue (2011) determinou os parmetros hidrodinmicos em reator

anaerbio compartimentado (RAC) e de manta de lodo (UASB) operados em

srie. Utilizou como traadores o KCl e o LiCL com gua limpa e, em gua

residuria da suinocultura, respectivamente.

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TESE Desempenho de caixa gordura empregada no tratamentorepositorio.ufla.br/bitstream/1/2242/1/TESE_Desempenho de caixa... · poluidoras, ofereceu menor custo de implantação e maior