Modelagem hidro-bioquímica de reatores anaeróbios: aplicação da dinâmica de fluidos computacional e da dinâmica de sistemas

• Autor(a) principal: Rocha, Vinícius Carvalho
• Data de Publicação: 2017
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: por
• Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
• Texto Completo: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18138/tde-20062017-103746/
• topic: Alkalinity modeling; CFD; CFX TM; CFXTM; DFC; Integrated model of anaerobic processing; Modelagem de alcalinidade; Modelo integrado de processamento anaeróbio; Simulação e validação; Simulation and validation; Vensim PLE®; Vensim PLE®

Modelos matemáticos são representações ou interpretações simplificadas da realidade ou uma representação de um fragmento de um sistema. As simulações destes fenômenos auxiliam na tomada de decisão da parte interessada, ou seja, aqueles que trabalham em uma área. A modelagem de um sistema de processos anaeróbios, como o tratamento de um efluente em reatores UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), auxilia os gestores destes sistemas na operação e no controle de estabilidade. O modelo ADM1 (Anaerobic Digestion Model Nº 1), criado pela IWA em 2002, simula o comportamento da digestão anaeróbia. Entretanto, este modelo não considera a hidrodinâmica do sistema como fator relevante no desempenho do processo. O estudo do comportamento do escoamento de efluente no interior de um reator é possível através de ensaios de hidrodinâmica. Estes são conduzidos, majoritariamente, por meio de experimentos laboratoriais que se utilizam de traçadores que, por sua vez, podem resultar em custos elevados. A Dinâmica de Fluidos Computacional (DFC) é uma área na mecânica dos fluidos que utiliza análises numéricas e algoritmos para solucionar e analisar problemas relacionados com escoamento de fluidos. Os softwares de DFC que resolvem estes algoritmos podem ser utilizados na simulação dos ensaios de hidrodinâmica. Foi utilizado nesta tese o pacote de DFC Ansys®, em que o software CFXTM foi o escolhido para realizar as simulações de escoamento. Um dos objetivos desta tese foi a validação desta simulação por meio de ensaios de laboratório e ensaios virtuais em um reator UASB em escala de bancada (1,5 L). Resultou-se, dessa comparação, em dados estatisticamente similares (teste U de Mann-Whitney), proporcionando validação do método. Após esta validação, simulou-se o mesmo tipo de ensaio para um reator UASB em formato de \"Y\" (escala piloto; 119,3 L). Foram simuladas três condições operacionais, em que se variou a vazão de alimentação, sendo esta função da carga orgânica volumétrica aplicada ao lodo (COV). As COV foram 7,5, 12,5 e 17,5 kgDQO m-3d-1. Obteve-se N-CSTR (número de reatores de mistura completa em série) igual a 11, 10 e 10 unidades para cada condição, respectivamente. A ferramenta de Dinâmica de Sistemas utiliza-se de uma abordagem de entendimento de modelos complexos e, por meio de ciclos de retroalimentação (feedback) e estoques e fluxos (stocks and flows), demonstra que modelos aparentemente simples podem ser muito complexos. Existem vários softwares de Dinâmica de Sistemas e neles podem ser implementados os mais variados modelos. Utilizando o software Vensim PLE®, modelou-se a digestão anaeróbia do ácido acético por meio de equações baseadas no modelo de cinética enzimática de Monod e no modelo de digestão anaeróbia ADM1. Considerou-se as taxas de consumo de substrato e crescimento de biomassa bacteriana, a inibição causada pelo pH e a quantidade de alcalinizante necessária para atingir o pH desejado deste meio. De forma complementar, integrou-se um modelo de cálculo de alcalinidade do meio e, desta forma, foi possível determinar as concentrações de cada espécie que confere alcalinidade ao meio, considerando o equilíbrio do carbonato. Denominou-se esta modelação (DFC e dinâmica de sistemas) de Modelo Hidro-bioquímico do processamento anaeróbio. Os resultados obtidos por Del Nery et al. (2016) corroboraram com os obtidos nesta tese.