Simulação e calibração de reator em bateladas sequenciais (RBS) no tratamento de esgoto sanitário em escala real

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Pós-graduação em Engenharia Ambiental, Florianópolis, 2013

Entre os tipos de tratamento de esgoto baseados em processos biológicos, o mais utilizado é o de lodos ativados, o qual pode ser realizado em fluxo de batelada ou contínuo. Recentemente, os reatores em bateladas sequenciais (RBS) têm se destacado por apresentarem inúmeras vantagens como, por exemplo, baixo requisito de área, redução de custos quando comparados aos processos contínuos, e possibilidade de remoção conjunta de matéria carbonácea, nitrogênio e fósforo em um mesmo ciclo de operação. A modelagem matemática é um importante instrumento para o melhor entendimento dos processos que ocorrem em um reator biológico, assim como para a obtenção de parâmetros que permitam elaborar projetos e operar sistemas de lodos ativados. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi aplicar os principais modelos matemáticos utilizados em reatores de lodos ativados, o Activated Sludge Model No. 1 (ASM1) e suas variações, ASM2d e ASM3, para simular o comportamento de um reator em bateladas sequenciais (RBS) em escala real utilizado para o tratamento de esgoto de origem sanitária. Para isso estudou-se dois tipos de ciclos operacionais do RBS: um com apenas uma entrada de esgoto (enchimento convencional) e outro com três entradas de esgoto (enchimento escalonado). Foram realizadas análises laboratoriais das amostras coletadas ao longo dos ciclos, sendo que os dados obtidos serviram para a calibração dos modelos. Os resultados indicaram que o modelo ASM1 foi o que melhor representou o ciclo com enchimento convencional, enquanto que o modelo ASM3 foi o que melhor simulou o ciclo com enchimento escalonado. A calibração com o modelo ASM3 foi a mais simples, devido à baixa interferência simultânea nos diversos componentes simulados, além daqueles que foram calibrados. Os parâmetros que interferiram de maneira mais objetiva no resultado da simulação, e, portanto foram usados para a calibração dos modelos foram: velocidade de crescimento heterotrófico (µH); velocidade de crescimento autotrófico (µA); velocidade de armazenamento (KSTO); fator de redução hidrólise anaeróbia (?fe); velocidade de crescimento de organismos acumuladores de fósforo (µPAO); e armazenamento de organismos acumuladores de fósforo (qPHA). Os resultados obtidos com a calibração indicam que essa foi feita de maneira correta, e o procedimento aplicado poderá ser usado em muitos trabalhos de simulação <br>

Abstract: Among the types of wastewater treatment based on biological processes, the most widely used is the activated sludge, which can be performed in batch or continuous flow. Recently, sequencing batch reactors (SBR) have distinguished themselves by presenting numerous advantages such as, low area requirement, cost reduction when compared to continuous processes, and the possibility of simultaneous removal of carbonaceous matter, nitrogen and phosphorus in a same cycle of operation. Mathematical modeling is an important tool for better understanding of the processes occurring in a biological reactor, as well as for obtaining parameters to develop projects and operate activated sludge systems. In this context, the aim of this study was to apply the main mathematical models used in activated sludge reactors, the Activated Sludge Model No. 1 (ASM1) and its variations, ASM2d and ASM3 to predict the behavior of a real-scale sequencing batch reactor (SBR ) used for domestic wastewater treatment. Two operational cycles were study, one with only one wastewater input (conventional feed), and one with three wastewater inputs (step-feed). Laboratory analyses of samples collected during reactor cycles were performed, and the obtained data were used to calibrate the models. The results indicated that the ASM1 model was the best model to represent the cycle with conventional feed, while model ASM3 was the best simulating the step-feed cycle. The calibration with ASM3 was easier due to low interference components, besides those which are being calibrated. The parameters that affect more objectively the simulation result, and therefore should be used for calibration of the models, were: heterotrophic growth rate (µH), autotrophic growth rate (µA); storage rate (KSTO); anoxic growth factor (?fe); growth rate for phosphorus accumulate organisms (µPAO); and storage of phosphorus accumulate organisms(qPHA). The obtained results indicate that the calibration was well done, and the procedure can be used in many simulations researches.