Estudo matemático da conversão biológica combinada de carbono e nitrogênio em reator de leito fixo

Abstract

As águas residuárias, quando não tratadas adequadamente, podem levar a danos aos ecossistemas. Havendo grande disponibilidade de matéria orgânica na água, haverá concomitante consumo de oxigênio o que pode ser prejudicial aos organismos aquáticos. O nitrogênio, por sua vez, quando despejado sem o devido tratamento e associado ao fósforo, resulta no processo da eutrofização. Biorreatores de biomassa imobilizada têm se mostrado efetivos para tratamento de água residuárias ricas em carbono e nitrogênio. Estudos experimentais têm sido realizados para investigar a dinâmica destes reatores, no entanto esse processo se mostra muitas vezes lento. Uma maneira de tornar a investigação mais célere é o emprego de modelos matemáticos para presumir o comportamento dos reatores de maneira a subsidiar seu dimensionamento e operação. O objetivo desta pesquisa é estudar matematicamente a conversão biológica combinada de carbono e nitrogênio em reator de leito fixo. Para tanto foi modelado em Python um reator de leito fixo de mistura perfeita com recirculação e feita uma análise de seus resultados em comparação com o trabalho de Oliveira (2020), onde foi observada uma maior velocidade de consumo de carbono e uma estabilização rápida para o nitrogênio, resultados que mostram a eficiência da modelagem matemática em relação ao reator em escala Piloto. É possível concluir que a remoção de nitrogênio está diretamente ligada a remoção de carbono, podendo encontrar problemas na remoção quando o carbono chegar a níveis críticos.

Wastewater, when not properly treated, can lead to damage to ecosystems. If there is a high availability of organic matter in the water, there will be a concomitant consumption of oxygen which can be very harmful to aquatic organisms. Nitrogen, in turn, when dumped without proper treatment, and associated with phosphorus, results in the process of eutrophication. Immobilized biomass bioreactors have been shown to be effective for treating wastewater rich in carbon and nitrogen. Experimental studies have been carried out to investigate the dynamics of these reactors, however, this process is often slow. One way to make the study abouts bioreactor faster is the use of mathematical models to predict the behavior of these reactors in order to subsidize their sizing and operation. The objective of this research is to mathematically study the combined biological conversion of carbon and nitrogen in a fixed bed reactor with perfect mixing and recirculation, to reach the results the bioreactor was modeled in python, and an analysis of the results was made with some other studies that used the same bioreactor in the literature, Where a higher rate of carbon consumption and a quick stabilization for the nitrogen was observed, results that show the efficiency of the mathematical modeling about the bench scale reactor. It is possible to conclude that nitrogen removal is directly linked to carbon removal, and may encounter problems When the carbon reaches critical levels