Dissertação de Mestrado

Nos dias de hoje, há uma crescente necessidade de se tratar os efluentes industriais. Muitos destes contêm substâncias agressivas ao meio ambiente que não podem ser despejadas diretamente nos corpos d'água, tais como materiais orgânicos, metais pesados e, algumas vezes, agentes patogênicos. Portanto, as indústrias precisam ter plantas de tratamento de efluentes que sejam, ao menos, capazes de fornecer o tratamento primário (remoção de material suspenso) e o secundário (remoção do material orgânico dissolvido). O uso de digestores anaeróbios para o tratamento de efluentes teve, na década de 70, um crescimento devido ao desenvolvimento do reator UASB (Upflow Anaerobic Sludge Bed ou Manta de Lodo Anaeróbio de Fluxo Ascendente), entre outros fatores. Na década de 90, outro digestor anaeróbio foi desenvolvido, o reator EGSB (Extended Granular Sludge Bed ou Leito Expandido de Lodo Granular) que resolveu alguns problemas operacionais de seu antecessor. Estes digestores anaeróbios são eficientes, principalmente quando há a necessidade de tratamento secundário do efluente. Em virtude dos complexos mecanismos presentes na digestão anaeróbia, torna-se necessária uma compreensão da cinética e da hidráulica do processo, por meio de sua modelagem matemática. A modelagem da digestão anaeróbia proposta por este trabalho começa pela estequiometria da digestão anaeróbia, que descreve as reações químicas e bioquímicas existentes na digestão anaeróbia. A partir destas, é possíveldesenvolver o modelo cinético da digestão anaeróbia, onde se determina a velocidade com que estas reações ocorrem. O passo seguinte foi o da modelagem do comportamento hidráulico (ou de escoamento) dos digestores anaeróbios, sendo que os reatores UASB e EGSB são digestores não-convencionais (a idade do lodo anaeróbio é superior ao tempo de retenção hidráulica) e, portanto, este modelo deve contemplar este fato. ) Neste trabalho, foram realizadas simulações dinâmicas dos modelos da digestão anaeróbia em reatores UASB e EGSB e os resultados foram comparados com os dados experimentais de outros autores visando a validação dos modelos propostos. A partir dos modelos matemáticos dos digestores anaeróbios, foi desenvolvida a otimização do projeto de digestores anaeróbios em estado estacionário. Objetivou-se a minimização do volume total de cada um dos digestores, sujeito a restrições de projeto e ao modelo de cada digestor, resultando em modelos de programação não-linear. Apesar de os resultados da otimização deste modelo propiciarem soluções ótimas para o projeto dos digestores anaeróbios, ela não fornece a melhor solução para o sistema completo. A modelagem de uma superestrutura de rede de digestores anaeróbios contempla a possibilidade de existirem correntes auxiliares de reciclo e bypass, misturadores e separadores e principalmente múltiplos digestores anaeróbios no processo de tratamento de efluentes. A otimização de um modelo matemático, baseado em uma representação em superestrutura, fornece a configuração ótima da rede de digestores anaeróbios. Esta também foi baseada em um modelo de programação não-linear. Os resultados foram superiores aos da otimização dos digestores anaeróbios isolados. Sistemas que contemplam redes de até quatro digestores foram sintetizados com êxito.

Nowadays, there is a growing necessity for industrial wastewater treatment. Many of the industrial effluents contain aggressive substances to the environment like organic material, heavy metals and even sometimes pathogenic agents, which cannot be discharged directly into bodies of water. Hence the need for industries to have in their facilities wastewater treatment plants that are, at least, able to provide primary treatment (removal of the material in suspension in the wastewater) and secondary treatment (removal of the soluble organic material in the wastewater). The utilization of anaerobic digesters for the treatment of effluents had experienced a significant growth during the seventies due, among many factors, to the development of the UASB (Upflow Anaerobic Sludge Bed) reactor. In the nineties, another anaerobic digester was developed and named the EGSB (Extended Granular Sludge Bed) reactor that aimed at solving some of the operating problems of its antecessor. These anaerobic digesters are mainly efficient when a secondary treatment of the effluent is required. Because of the complex nature of mechanisms that are present in the anaerobic digestion, a complete understanding of the process kinetics and hydraulics becomes necessary, through its mathematical modeling. The modeling of anaerobic digestion proposed in this work starts with the stoichiometry that enumerates the chemical and biochemical reactions that take part in the anaerobic digestion. Furthermore, it is possible to develop the kinetic model of anaerobic digestion, which determines the reaction rates. The next step is to model the hydraulic (or flow) behavior of anaerobic digesters, by considering that UASB and EGSB reactors are unconventional digesters (the anaerobic sludge age is higher than the hydraulic retention time), and therefore the model must take that feature into account. ) This work developed dynamic simulations of the models for anaerobic digestion in UASB and EGSB reactors and compared the results with experimental data obtained by other authors for the validation of the proposed models. From the mathematical models of the anaerobic digesters, the design optimization of anaerobic digesters in steady state was developed. The objective was to minimize the volume of each of the digesters subject to design constraints and to each reactor model, thus resulting in nonlinear programming models. Despite the fact that the optimization results provide optimal solutions for the design of anaerobic digesters, the approach fails to achieve the best solution for the complete system. The modeling of a superstructure of a network of anaerobic digesters contemplates the possibility of auxiliary streams for recycle and by-pass, mixers and splitters, and mainly multiple anaerobic digesters in the process of effluent treatment. The optimization of a mathematical model based on the superstructure representation generates the optimal configuration of the anaerobic digester network that was also based on a nonlinear programming framework. Superior results were obtained with respect to the optimization of single anaerobic digesters. Systems that contain networks with up to four digesters were successfully optimized.