Efeito das condições hidrodinâmicas no desempenho de um biorreator com membranas submersas em pressão constante

Abstract

O processo de Biorreatores com Membranas (BRM) foi desenvolvido no final da década de 1960, consistindo em um sistema que associa o tratamento biológico de efluentes com o mecanismo de separação por membranas, e apresenta vantagens com relação ao tratamento convencional, tais como maior eficiência de tratamento e um menor espaço físico de instalação para a mesma capacidade de tratamento. O fenômeno de incrustação das membranas (em inglês, fouling) representa a principal limitação desse processo, de modo que uma das condições operacionais mais importantes na prevenção da incrustação em um sistema BRM Submerso (BRMS) é a vazão de aeração. Diante desta situação, o objetivo do trabalho consiste em avaliar os efeitos das condições hidrodinâmicas no desempenho do processo, tais como vazão de aeração, densidade de empacotamento do módulo de membranas e geometria dos aeradores. O sistema utilizado no trabalho consistiu em um BRMS automatizado, operando em pressão constante e de forma contínua, durante um período de 4 dias. Os módulos foram construídos com membranas poliméricas de microfiltração do tipo fibra oca, cujo material foi a poli(éter)-imida (PEI). Três diferentes vazões de aeração foram estudadas (2, 5 e 8 L.min-1), mostrando, a partir dos resultados, que existe uma vazão de aeração limite benéfica ao sistema e que, acima deste valor, um melhor desempenho não pode ser atingido, inclusive, podendo prejudicá-lo. Para o sistema de estudo, a vazão de 5 L.min-1 apresentou o melhor desempenho, seguido de 8 e 2 L.min-1. O estudo da densidade de empacotamento do módulo mostrou que esta é uma variável que também exerce influência no desempenho do processo de BRMS. Módulos com dois diferentes diâmetros foram testados (2,54 cm e 1,91 cm); o melhor resultado foi observado no módulo de maior diâmetro. A menor densidade de empacotamento resulta em um maior espaçamento entre as fibras, provocando uma aeração mais homogênea no interior do feixe de membranas. As duas geometrias de aeração testadas (Modo 1 e Modo 2) apresentaram resultados semelhantes de fluxo permeado, indicando que o Modo 2 de aeração não melhorou o desempenho do processo como se esperava. A maior homogeneidade de aeração no interior de feixe, a partir de aeradores construídos com as próprias fibras, não foi atingida, mostrando que um novo projeto de aeradores deve ser estudado. Em todas as condições hidrodinâmicas testadas, a eficiência do tratamento foi verificada, uma vez que a remoção de matéria orgânica para COT e DQO foi de 96% e 93%, respectivamente. Propriedades do permeado, como condutividade elétrica, pH e turbidez foram mensuradas, apresentando variações menores que as medidas do efluente, revelando a capacidade que o sistema apresenta em suportar as variações na corrente de alimentação.

The Membrane Bioreactor (MBR) process was developed in the late 1960. The system consists in a combination of biological process and membrane separation mechanism, and the advantages with respect of conventional treatment are the higher treatment efficiency and a smaller area of installation for the same treatment capacity. The main limitation of this process is the membrane fouling, in a way that air flow rate represents an important operating condition to prevent the fouling formation in Submerged Membrane Bioreactors (SMBR). In this sense, the aim of this work is to evaluate the effects of hydrodynamic conditions on process performance, such as air flow rate, packing density of the membrane module and aeration geometry. The system used consists in a pilot-scale SMBR, which operates at constant pressure and continuous mode during a period of 4 days. The modules were built with hollow fiber polymeric microfiltration membrane and the material is poly(ether)imide (PEI). For the three different air flow rates studied (2, 5 and 8 L.min-1), results showed there is a limit value for this parameter, in which above this value a better performance will not be obtained, even can be worse. The air flow rate of 5 L.min-1 presented the best performance, followed by 8 and 2 L.min-1. The module packing density study for two diameters (0.75 and 1 inch), the best result was observed in the larger diameter module, because lower packing density causes more space between fibres, increasing the aeration homogeneity inside de fibre bundle. Both aeration geometry tested showed similar permeate flows, indicating the different geometry used did not affect the performance process. The aerators constructed with the hollow fibers did not promote aeration homogeneity inside the bundle, and new aeration geometry must be projected. For all hydrodynamics conditions, the system treatment was efficient in removing organical matter, since the removal for TOC and COD was 96% and 93%, respectively. Permeate properties such as electrical conductivity, pH and turbidity measurements presented minor variations than effluent properties measurements, showing the system capacity to withstand with feed stream variations.