Caracterização do escoamento de bolhas em um biorreator com membrana de fibra oca

Abstract

O uso de biorreatores com membrana para o tratamento de efluentes vem crescendo com os anos, principalmente para o tratamento de esgoto municipal. Isto gera uma necessidade de realização de estudos para maior compreensão e otimização desse processo. Um dos parâmetros operacionais estudados é a aeração, pois demanda a maior quantidade de energia e é utilizada como mitigador do acúmulo de incrustação na superfície da membrana. Além disso, as bolhas são provedoras do oxigênio para a biomassa, além de mantê-la em suspensão. O objetivo desse trabalho é estudar o processo de formação de bolhas em um biorreator com membrana de fibra oca utilizando um fluido newtoniano e um não newtoniano. Para tal foi utilizado um biorreator cilíndrico de bancada com um módulo de membrana de fibra oca. Para simular a viscosidade do lodo foi utilizada uma solução de goma xantana, como fluido não newtoniano, e água destilada como fluido newtoniano. Para a aeração foram utilizados três tipos de aeradores, duas placas circulares de vidro sinterizado com diferentes tamanhos de poros e pedra porosa de aquário. As bolhas foram capturadas utilizando uma câmera fotográfica e analisadas utilizando 5 parâmetros: área, circularidade, diâmetro de Feret, diâmetro mínimo de Feret e quantidade. A análise de imagens para obtenção destes parâmetros foi feita utilizando o programa ImageJ. Os resultados mostraram que com o aumento da viscosidade do meio contínuo as bolhas se tornam mais uniformes, mas há formação de macro bolhas. Com o aumento da viscosidade há uma diminuição na quantidade de bolhas formadas, mas por sua vez essas são maiores. Ao comparar o mesmo sistema com e sem a presença do módulo de membrana foi observada uma diferença no processo de formação das bolhas. Assim sendo é importante considerar a presença da membrana quando se estuda o comportamento e formação das bolhas em biorreatores com membrana.

The use of membrane bioreactors for the treatment of effluents has been growing over the years, mainly for the municipal sewage treatment plants. This generates a need to carry out studies for greater understanding and optimization of this process. One of the operational parameters studied is aeration, because it demands the greatest amount of energy and is used to mitigate of the accumulation of scale on the surface of the membrane. In addition, the bubbles provide the oxygen to the biomass, in addition to keeping it in suspension. This work is aimed to study the process of bubble formation in a hollow fiber membrane bioreactor using a Newtonian and a non-Newtonian fluid. For this purpose, a cylindrical bench bioreactor with a hollow fiber membrane module was utilized. To simulate the sludge viscosity a solution of xanthan gum, as non-Newtonian fluid, and distilled water as Newtonian fluid were considered. Three types of aerators were used for aeration: two circular sintered glass plates with different pore sizes and porous aquarium stone. The bubbles were captured using a photographic camera and analyzed through five parameters: area, circularity, Feret diameter, Feret minimum diameter and quantity. The image analysis to obtain these parameters was done by the ImageJ software. The results showed that with increasing viscosity of the continuous medium the bubbles become more uniform, but there is formation of macro bubbles. With increasing viscosity, decrease in the quantity of bubbles formed was observed, however, the formed bubbles had larger dimensions. Comparing the same system with and without the presence of the membrane module, difference in the formation process and the behavior of the bubbles was detected, and therefore, the presence of membranes in bioreactors should be considered.