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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.18.2004.tde-26022007-170051
Document
Author
Full name
Selma Aparecida Cubas
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2004
Supervisor
Committee
Zaiat, Marcelo (President)
Aisse, Miguel Mansur
Alem Sobrinho, Pedro
Foresti, Eugenio
Rodrigues, José Alberto Domingues
Title in Portuguese
Influência do tamanho da biopartícula e da agitação no desempenho de reatores anaeróbios operados em bateladas seqüenciais, contendo biomassa imobilizada, para tratamento de águas residuárias
Keywords in Portuguese
Águas residuárias
Biomassa imobilizada
Reator anaeróbio
Reator em batelada
Tamanho de biopartículas e biorreatores agitados
Transferência de massa
Abstract in Portuguese
O reator anaeróbio em batelada seqüencial é constituído por um frasco de vidro cilíndrico de volume total de cinco litros, envolvido por uma camisa de vidro, por onde escoa a água aquecida, permitindo a operação em temperatura controlada. A biomassa encontra-se imobilizada em partículas cúbicas de espuma de poliuretano (densidade aparente de 23 kg/'M POT.3', as quais estão colocadas em um cesto adaptado dentro do frasco cilíndrico. A mistura é promovida por três impelidores de 3,0 cm de diâmetro, distanciados 4,0 cm um do outro, situados ao longo do eixo vertical no centro do reator. O desempenho dessa nova configuração de reator anaeróbio foi avaliado sob diferentes condições os efeitos de transferência de massa nas fases sólida e líquida. Todos os ensaios foram efetuados à temperatura de 30 ± 1 grau Celsius. Cada batelada compreende três etapas: alimentação, reação e descarga. Para avaliar os efeitos da transferência de massa na fase sólida foram feitos quatro ensaios utilizando-se partículas cúbicas de espumas de poliuretano com tamanhos de 0,5 cm; 1,0 cm; 2,0 cm e 3,0 cm de lado, com impelidor tipo hélice e intensidade de agitação de 500 rpm, determinada através de um ensaio preliminar. Para avaliar os efeitos da transferência de massa nas fases sólida e líquida foram feitos experimentos com quatro tipos de impelidores: hélice, turbina plana, turbina inclinada e turbina curva, com intensidades de agitação na faixa de 100 rpm a 1100 rpm. Também foram realizados ensaios hidrodinâmicos para verificar o tempo de mistura e ensaio para verificar a condição de anaerobiose no sistema. A água residuária utilizada em todos os ensaios foi sintética com concentração de 530 ± 37 mg DQO/L. Em todas as condições estudadas o reator apresentou boa eficiência de remoção da matéria orgânica, em torno de 87%. A concentração efluente de ácidos voláteis totais manteve-se em 13 ± 9 mg HAc/L, alcalinidade a bicarbonato de 223 ± 14 mg Ca'CO IND.3'/L e pH entre 6,7 e 7,2. A transferência de massa na fase sólida não foi a etapa limitante na conversão da matéria orgânica, quando partículas de 0,5 cm a 2,0 cm de aresta foram usadas no reator anaeróbio em batelada seqüencial. A resistência à transferência de massa na fase sólida somente influenciou a taxa global de reação, quando foram usados tamanhos de partículas cúbicas de 3,0 cm de aresta. A resistência à transferência de massa na fase líquida não foi somente afetada pela intensidade de agitação, mas também pela eficiência da mistura obtida por cada tipo de impelidor. A mistura do líquido dentro do reator obtida pelo impelidor turbina plana foi a mais eficiente. O uso deste tipo de impelidor resultou em menores consumos de energia e ótimo desempenho do reator com baixas taxas de agitação. Os resultados deste estudo permitiram concluir que esta nova configuração não permite a manutenção de condição de anaerobiose estrita no meio, principalmente quando altas intensidades de agitação foram aplicadas e as limitações da eficiência do processo, neste sistema, estão relacionadas principalmente as resistências à transferência de massa do que restrições cinéticas bioquímicas.
Title in English
Influence of bioparticle size and the agitation rate on the performance of anaerobic reactor operates in sequential batch containing immobilized biomass on the treatment of wastewater
Keywords in English
Anaerobic reactor
Batch reactor
Immobilized biomass
Mass transfer
Size of bioparticle
Stirred bioreactor
Wastewater
Abstract in English
The bench-scale anaerobic sequencing batch reactor consisted of a cylindrical glass flask with a total capacity of 5 liters. The reactor was surrounded by a water jacket that allowed the operation to proceed at a constant temperature throughout the experiment. The biomass was immobilized in 5-mm cubic particles of polyurethane foam (apparent density of 23 kg/'M POT.3') placed in a basket inside the cylindrical flask. The mixing was provided by three mechanical impellers with diameters of 3 cm, placed 4 cm apart along a vertical axis, at the center of the reactor. All experiments were conducted at the temperature of 30 Celsius degrees. Each batch consisted of three steps: feed, react and liquid withdrawal. The performance of this new reactor configuration was evaluated under different conditions of solid and liquid-phase mass transfer. In order to evaluate the effects of the solid-phase mass transfer, four experiments were carried out with cubical polyurethane foam particles of 0.5 cm, 1.0 cm, 2.0, cm and 3.0 cm side, and with propeller impellers rotating at 500 rpm, achieved by preliminary experiment. The effects of the liquid-phase mass transfer were evaluated through four experiments with four types of impellers: propeller, flat-blade, pitched-blade and curved-blade turbines, at agitation rates from 100 rpm and 1100 rpm. A hydrodynamic test was also carried out in order to verify the mixing time, energy consumption and occurrence of strict anaerobic activity in system. A low-strength synthetic substrate was used in all the experiments with a mean chemical oxygen demand (COD) of 530 ± 37 mg DQO/L. The influence of the solid and liquid-phase mass transfer on the reactor's performance was assessed by measuring COD temporal profiles along batch cycles. In all conditions studied the reactor achieved good efficiency, with mean removal of organic matter (COD) of 87%. The effluent mean TVA concentration was 13 ± 9 mg HAc/L, bicarbonate alkalinity was 223 ± 14 mg Ca'CO IND.3'/L and the pH values ranged from 6,7 e 7,2. The solid-phase mass transfer was not the limiting step in the organic matter conversion when 0.5 to 2.0-cm side bioparticles were used in the anaerobic sequencing batch reactor. Solid-phase mass transfer resistance only influenced the overall reaction rate when 3.0-cm cubic bioparticles were used. The liquid-phase mass transfer resistance was affected both by agitation and by efficiency of mixture provided by each type of impeller. Among the impellers assayed, the flat-blade one was the most efficient in providing the required mixing conditions. The use of this type impeller resulted in small energy consumption and excellent performance of the reactor with low agitation rate (N = 300 rpm). The results of this study also indicated that this new configuration did not provide conditions for the establishment of strict anaerobic conditions, mainly when high agitation rates were used. Anaerobic process efficiency limitations in this system were mainly related to mass transfer resistances rather than biochemical kinetic restrictions.
 
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SELMACUBAS_DO2004.pdf (2.19 Mbytes)
Publishing Date
2007-03-02
 
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  • CUBAS, S A, et al. Effect of Impeller Type and Stirring Frequency on the Behavior of an AnSBBR in the Treatment of Low-strength Wastewater [doi:10.1016/j.biortech.2010.08.128]. Bioresource Technology [online], 2011, vol. 102, p. 889-893.
  • CUBAS, S A, et al. Effects of Solid-phase Mass Transfer on the Performance of a Stirred Anaerobic Sequencing Batch Reactor Containing Immobilized Biomass [doi:10.1016/j.biortech.2006.05.045]. Bioresource Technology [online], 2007, vol. 98, p. 1411-1417.
  • CUBAS, S A, et al. Influence of Liquid-phase Mass Transfer on the Performance of a Stirred Anaerobic Sequencing Batch Reactor Containing Immobilized Biomass [doi:10.1016/S1369-703X(03)00145-1]. Biochemical Engineering Journal [online], 2004, vol. 17, nº 2, p. 99-105.
  • CUBAS, S A, et al. Efeitos da Intensidade da Velocidade de Agitação no Desempenho de Reatores Anaeróbios em Bateladas Seqüenciais, com Agitação, Contendo Biomassa Imobilizada. In The Second International Meeting on Environmental Biotechnology and Engineering (2IMEBE), Cidade do México, 2006. Proceedings., 2006.
  • CUBAS, S A, et al. Effects of Solid-Phase Mass Transfer on a Stirred Anaerobic Sequencing Batch Reactor Containing Immobilized Biomass. In VII Taller y Simposio Latinoamericano Sobre Digestión Anaerobia, Mérida, 2002. Memorias del VII Taller y Simposio Latinoamericano Sobre Digestión Anaerobia., 2002.
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