CFD simulation and PIV validation of the gas/liquid behavior in an UASB reactor / Simulação CFD e validação PIV do comportamento gás/líquido em um reator UASB

ABSTRACT As the world population increases, the need to develop more efficient wastewater treatment systems requires the use of new technologies. Software aided project and optimization of bioreactors and bioprocesses have become a matter of interest in recent years, especially due to the advance in the state-of-the-art of computational resources. This work aimed to perform gas/liquid numerical simulations using the Fluent 16.2 software and to validate this model through Particle Image Velocimetry (PIV) and shadow imaging techniques. Eulerian-Eulerian, laminar, tridimensional and transient simulations were carried out. The results for the mass imbalance for the gas and liquid phases, gas volumetric fraction, gas velocity, bubble size, liquid magnitude and upflow velocity and the velocity profiles for the liquid phase were successfully validated against experimental data. Concerning the dispersed phase, it was found a difference of 4.37% for the gas volumetric fraction between experiments and simulations. Simulated results showed a difference for the bubble mean velocity of 1.73% when compared with shadow imaging results. No coalescence was observed along the experiments, and the flow regime was characterized as dispersed bubble flow. Regarding the liquid phase, it was found a difference of 3.2% for the mean velocity, between simulated and PIV results. Simulated and experimental velocity profiles showed a better agreement at the center of the reactor. Some differences were observed in those profiles, due to geometry simplifications assumed in order to get a better mesh. Considering the good agreement between simulation and experiments, the model was considered validated.

RESUMO Conforme a população mundial aumenta, a necessidade de desenvolvimento de sistemas de tratamento de efluentes mais eficientes requer o uso de novas tecnologias. O projeto e otimização de biorreatores e bioprocessos auxiliados por softwares têm se tornado uma questão de interesse, em especial devido ao avanço no estado da arte quando se trata de recursos computacionais. O objetivo deste trabalho foi realizar simulações numéricas gás/liquido, utilizando o software Fluent 16.2, e validar experimentalmente o modelo computacional através de técnicas de PIV e Shadow Imaging. Foram realizadas simulações laminares, tridimensionais, transientes adotando uma abordagem Euleriana-Euleriana. Os resultados para o desequilíbrio de massa para as fases gasosa e líquida, a fração volumétrica de gás, a velocidade do gás, o tamanho da bolha, a magnitude e a velocidade ascensional do líquido e os perfis de escoamento do líquido foram validados experimentalmente com êxito. Foi verificada uma diferença de 4,37% entre resultados numéricos e experimentais para a fração volumétrica de gás no reator. Quando comparados os resultados das simulações com os resultados obtidos através de Shadow Imaging, foi encontrada uma diferença de 1,73% para a velocidade média da bolha. Não foi verificada coalescência ao longo dos experimentos realizados, e o escoamento foi caracterizado como fluxo de bolhas dispersas. Em relação à fase líquida, foi encontrada uma diferença de 3,2% para a velocidade média, entre os resultados simulados e de PIV. Os perfis de velocidade simulada e experimental mostraram uma melhor concordância no centro do reator. Algumas diferenças foram observadas nesses perfis, devido às simplificações geométricas assumidas para obter uma malha melhor. Considerando a boa concordância entre resultados numéricos e experimentais, o modelo foi considerado validado.

Conservação da água aplicada a uma indústria de papelão ondulado / Water conservation applied to a corrugated packaging plant

O principal objetivo deste artigo foi estabelecer estratégias para a conservação da água em uma indústria de embalagens de papelão ondulado (PO). O uso racional e o reúso da água foram as ferramentas de conservação escolhidas para melhorar o desempenho ambiental da planta estudada. Após essas intervenções, o consumo médio de água foi reduzido em 45 por cento, e o consumo específico caiu de 213,11 para 89,41 mL de água por metro quadrado de PO. Como resultado final, além da redução no consumo de água, os efluentes tratados passaram a cumprir a legislação ambiental.

The main goal of this article was to establish water conservation strategies in a corrugated packaging plant. The rational use and reuse of water were conservation tools chosen to improve the environmental performance of this plant. After these conservative interventions, the plant average water consumption was reduced at 45 percent, and the specific consumption decreased from 213.11 to 89.41mL of water per square meters of PO. As final result, besides water consumption reduction, the wastewater streams began to comply with the environmental legislation.

Reúso da água como ferramenta de revitalização de uma estação de tratamento de efluentes / Water reuse as a wastewater treatment plant revitalization tool

O objetivo deste artigo foi avaliar o emprego do reúso de água como ferramenta de revitalização de uma estação de tratamento de efluentes (ETE). Para comprovação em um caso real, este estudo foi desenvolvido em uma indústria de embalagens de papelão ondulado, cuja ETE apresentava baixo desempenho. A identificação de oportunidades de reúso e a simulação matemática de seu impacto sobre a ETE, por meio do balanço de cargas, apontaram para o reúso do efluente de tratamento primário como oportunidade de revitalização. Por conseguinte, esse efluente foi reusado na produção de adesivo de amido, reduzindo em mais de 60 por cento a carga de DBO5 afluente ao processo de lodos ativados (59,14 para 22,15 kg/dia). Assim, a eficiência da ETE foi aumentada significativamente, resultando em uma redução substancial da carga despejada no corpo hídrico, com consequente observação dos padrões de lançamento estabelecidos pelo órgão ambiental.

The objective of this article was to evaluate the water reuse as a wastewater treatment plant (WWTP) revitalization tool. To verify a real case, this study was developed in a corrugated paperboard package industry whose WWTP presented a low performance. The identification of reuse opportunities and the mathematic simulation of its impact on the WWTP, by the means of load balance, pointed out the reuse of primary treatment effluent as a revitalization opportunity. Therefore, this effluent was reused in starch adhesive production, reducing the affluent BOD5 into the activated sludge over 60 percent (59.14 to 22.15 kg/day). Thus, the WWTP performance was significantly raised, resulting in a substantial reduction in contaminant load dumped into the water body with consequent observation of the standards of effluent release environmental regulation.

Filtro anaeróbio associado à membrana de microfiltração tratando lixiviado de aterro sanitário / Anaerobic filter associated with microfiltration membrane treating landfill leachate

O objetivo deste artigo foi avaliar o desempenho de filtro anaeróbio em associação à membrana de microfiltração no tratamento de lixiviado de aterro sanitário. Os resultados obtidos indicaram que é possível tratar lixiviado com essa configuração de MBR (do inglês membrane bioreactor) com um tempo de detenção hidráulica de 2,04 dias. O valor médio da demanda química de oxigênio (DQO) foi 10.359 mg O2/L na entrada dos reatores, e a carga orgânica volumétrica aplicada aos reatores foi de 5,07 ± 2,90 kg DQO/m³.d. A eficiência média de remoção de DQO do filtro anaeróbio associado à membrana foi de 90,4 por cento contra 21,5 por cento do filtro anaeróbio. A eficiência de remoção de turbidez no filtro anaeróbio associado à membrana de microfiltração foi de 90,3 por cento, apresentando valores de saída de 2,0 ± 2,0 NTU. A velocidade ascensional foi de 0,05 m/h no filtro anaeróbio e 31,5 m/h no filtro anaeróbio associado à membrana, o que resultou em um número de Reynolds calculado de 2,9 e 1.799, respectivamente.

The objective of this paper was to evaluate the performance of anaerobic filter associated with a microfiltration membrane, treating landfill leachate. The results obtained showed that it is possible to treat wastewater using this MBR configuration with a hydraulic retention time of 2.04 days. The average values of organic volumetric load were 5.07 ± 2.90 kg COD/m³.d at the inlet of both reactors. The efficiencies of chemical oxygen demand (COD) removal were 90.4 percent to the anaerobic filter associated with microfiltration and 21.5 percent to the anaerobic filter. The turbidity removal was 90.3 percent to the MBR configuration with average values at the outlet of 2.0 ± 2.0 NTU. Values of upflow velocity of 31.5 m/h were reported in the anaerobic filter associated with microfiltration membrane and 0.05 m/h in the anaerobic filter which promoted a Reynolds number of 2.9 and 1,799, respectively.

Otimização de uma estação de tratamento de efluentes de uma indústria de embalagens de papel / Optimization of a cardboard paper factory wastewater treatment plant

Este trabalho versa sobre a utilização de uma estratégia de otimização de uma estação de tratamento de efluentes de uma indústria de embalagens de papel, com problemas de "foaming". Os resultados do diagnóstico inicial mostraram que o tratamento primário alcançou uma eficiência superior a 70 por cento na remoção de sólidos suspensos. As modificações operacionais realizadas foram limpezas das caixas de gordura, redução da geração de óleos e graxas nos pontos de geração. As modificações no processo na ETE foram à implementação da equalização da vazão de alimentação do tanque de aeração, adição de hipoclorito de sódio na entrada do sedimentador secundário, adição de ácido fosfórico para equilibrar a relação entre nutrientes e DBO5 e a manutenção de uma concentração e idade do lodo constante durante o processo.

This paper describes the strategies used to optimize a cardboard paper factory wastewater treatment plant regarding operational problems caused by the occurrence of foaming and filamentous organisms. The operational modifications involved the use of an equalization tank, the reduction of oil and grease from the industrial process, the addition of sodium hypochlorite at the inlet of the secondary settler to control filamentous organisms and phosphoric acid to correct the nutrients balance and BOD. A correct value of biomass concentration and sludge age were maintained constant all the time. The first results showed that the TSS removal efficiency in the primary settler was higher than 70 percent, followed by an improved performance of the biological reactor due to the control of filamentous organisms and better performance of the secondary settler.