Censi TICT II 2015

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UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ 
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA TERRA E DO MAR 
CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL MECÂNICA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE CONTROLE 
AUTOMÁTICO PARA UM REATOR ANAERÓBIO DE LEITO 
FLUIDIZADO UTILIZANDO PET COMO MATERIAL SUPORTE 
 
 
 
por 
 
 
Rafael Censi Cardoso 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Itajaí (SC), 2015
 
 
UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ 
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA TERRA E DO MAR 
CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL MECÂNICA 
 
 
 
 
 
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE CONTROLE 
AUTOMÁTICO PARA UM REATOR ANAERÓBIO DE LEITO 
FLUIDIZADO UTILIZANDO PET COMO MATERIAL SUPORTE 
 
 
 
 
Relatório apresentado à Banca Examinadora do 
Trabalho Iniciação Cientifica Tecnológica do Curso 
de Engenharia Industrial Mecânica para análise e 
aprovação. 
 
 
 
Prof. Júlio Cesar Leão 
UNIVALI – CTTMAR 
Orientador 
 
 
Prof. Heinz Gunther Schaaf 
UNIVALI – CTTMAR 
Membro 
 
 
 Prof. Tânia Denise Pedrelli 
UNIVALI – CTTMAR 
Membro 
Itajaí (SC), 2015 
 
 
RESUMO 
CARDOSO, Rafael. Desenvolvimento de um sistema de controle automático para um reator 
anaeróbio de leito fluidizado utilizando PET como material suporte. Itajaí, 2015. 74 f. Trabalho 
de Iniciação Científica e Tecnológica (Graduação em Engenharia Industrial Mecânica) – Centro 
de Ciências Tecnológicas da Terra e do Mar, Universidade do Vale do Itajaí, Itajaí, 2015. 
 
Este trabalho científico baseia-se no desenvolvimento de um reator anaeróbio de leito 
fluidizado para tratamento de esgoto, bem como, o seu sistema de controle. Para a elaboração 
do projeto foi necessária aquisição de conhecimento do processo biológico com biomassa fixa, 
tendo como material suporte o PET granulado. Para tanto, foram descritas as principais 
características hidrodinâmicas e do processo de fluidização, tais como: tempo de detenção 
hidráulica, velocidade de fluidização, perda de carga e altura do leito expandido. Também 
foram descritos o sistema de controle e instrumentação, com seus respectivos sensores para 
mensurar: temperatura, fluxo, concentração de metano e pressão, no qual será empregado um 
microcontrolador de código aberto. 
 
Palavras-chave: Leito fluidizado. Reator anaeróbio. Sistema de controle.
 
 
ABSTRACT 
The present paper is based on the development of anaerobic fluidized bed reactor to treat 
wastewater, as well as its control system. For the project elaboration was necessary the 
acquisition of knowledge of the biological process with fixed biomass, with the support material 
granulated PET. For that, the main hydrodynamic characteristics were described and the 
fluidizing process, such as: hydraulic retention time; fluidizing velocity; pressure loss; and 
expanded bed height. The control system and instrumentation were also described with their 
respective sensors to measure: temperature, flow, methane concentration and pressure, in 
which an open source microcontroller will be used. 
 
Keywords: Fluid Bed. Anaerobic Reactor. Control System. 
 
 
 
LISTA DE ILUSTRAÇÕES 
FIGURA 1. CONVERSÃO BIOLÓGICA NOS SISTEMAS AERÓBIOS E ANAERÓBIOS ........................... 20 
FIGURA 2. VARIÁVEIS ENVOLVIDAS EM PROJETOS DE REATORES DE LEITO 
EXPANDIDO/FLUIDIZADO ................................................................................................... 24 
FIGURA 3. GRADIENTES DE CONCENTRAÇÃO DE SUBSTRATO (S) EM BIOFILMES DE DIFERENTES 
ESPESSURAS. ...................................................................................................................... 29 
FIGURA 4. CLASSIFICAÇÃO DOS BIOFILMES ............................................................................... 31 
FIGURA 5. DIAGRAMA DE BLOCOS DE UMA MALHA DE CONTROLE ............................................. 39 
FIGURA 6. VARIAÇÃO DE TEMPERATURA DE FORMA ANALÓGICA .............................................. 43 
FIGURA 7. CIRCUITO SEEBECK .................................................................................................. 45 
FIGURA 8. DESENHO DO REATOR ............................................................................................... 52 
FIGURA 9. A) TAMPA INFERIOR, B) BASES DO REATOR E BOMBA................................................ 53 
FIGURA 10. REATOR EM FASE DE MONTAGEM ............................................................................ 53 
FIGURA 11. DIAGRAMA DE ATIVIDADES - UML ........................................................................ 60 
FIGURA 12. CALIBRAÇÃO .......................................................................................................... 61 
FIGURA 13. PET GRANULADO ................................................................................................... 62 
FIGURA 14. PAINEL DE CONTROLE ............................................................................................. 64 
FIGURA 15. CURVA DE CALIBRAÇÃO ......................................................................................... 65 
FIGURA 16. SENSOR MQ4 OXIDADO .......................................................................................... 66 
FIGURA 17. REATOR EM OPERAÇÃO ........................................................................................... 67 
FIGURA 18. AMOSTRAS DO EFLUENTE BRUTO E TRATADO ......................................................... 69 
 
 
LISTA DE TABELAS 
TABELA 1. COMPOSIÇÃO TÍPICA DE ESGOTOS SANITÁRIOS ......................................................... 17 
TABELA 2. COMPOSIÇÃO DO EFLUENTE ..................................................................................... 51 
 
 
 
LISTA DE QUADROS 
QUADRO 1. ETAPAS DO TRATAMENTO DOS ESGOTOS ................................................................. 19 
QUADRO 2. ASPECTOS POSITIVOS E NEGATIVOS DE UM REATOR DE LEITO 
EXPANDIDO/FLUIDIZADO ................................................................................................... 24 
QUADRO 3. ESTÁGIOS DA FORMAÇÃO DO BIOFILME .................................................................. 30 
QUADRO 4. COMPONENTES MECÂNICOS ................................................................................... 54 
QUADRO 5. COMPONENTES ELÉTRICOS ..................................................................................... 59 
 
 
 
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS 
 
ABIPET Associação Brasileira da Industria do PET 
CAD Computer-aided design 
CEMPRE Compromisso Empresarial para a Reciclagem 
CPU Central Processing Unit 
CV Coeficiente de variação 
DBO Demanda Biológica de Oxigênio 
DQO Demanda Química de Oxigênio 
EPA Agência Americana de Proteção Ambiental 
OD Oxigênio Dissolvido 
OMS Organização Mundial de Saúde 
PET Politereftalato de etileno 
PP Polipropileno 
PVC Policloreto de vinila 
RALF Reator Anaeróbio de Leito Fluidizado 
SDF Sólidos Dissolvidos Fixos 
SDT Sólidos Dissolvidos Totais 
SDV Sólidos Dissolvidos Voláteis 
SNIS Sistema Nacional de Informações sobre Saneamento 
SSF Sólidos Suspensos Fixos 
SST Sólidos Suspensos Totais 
SSV Sólidos Suspensos Voláteis 
ST Sólidos Totais 
TDH Tempo de Detenção Hidráulica 
TICT Trabalho de Iniciação Científica e Tecnológica 
UML Unified Modeling Language 
UNIVALI Universidade do Vale do Itajaí 
 
 
 
 
LISTA DE SÍMBOLOS 
°C Grau Celsius 
A Ampere 
CO2 Dióxido de carbono 
Deq Diâmetro equivalente 
E Energia 
F Força 
g Aceleração da gravidade 
L Altura do leito 
m massa 
P Pressão 
Pa Pascal 
Q Vazão 
Re Número de Reynolds 
SÁrea transversal do leito 
SnO2 Dióxido de estanho 
tdh Tempo de Detenção Hidráulica 
V Volt 
V Volume 
z Altura do ponto x em relação ao Plano Horizontal de Referência 
α Ângulo de inclinação com o Plano Horizontal de Referência 
ΔP Queda de pressão 
ε Porosidade 
μ Viscosidade 
ν Velocidade 
ρ Densidade 
Φ Esfericidade 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
10 
 
SUMÁRIO 
1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 12 
1.1 Problematização ................................................................................................................. 13 
1.1.1 Formulação do Problema ................................................................................................ 13 
1.1.2 Solução Proposta ............................................................................................................. 14 
1.2 Objetivos ............................................................................................................................. 14 
1.2.1 Objetivo Geral ................................................................................................................. 14 
1.2.2 Objetivos Específicos ....................................................................................................... 14 
1.3 Metodologia ....................................................................................................................... 14 
1.4 Estrutura do Trabalho ....................................................................................................... 15 
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ........................................................................................ 15 
2.1 Caracterização dos efluentes ............................................................................................. 16 
2.2 Tratamento de efluentes .................................................................................................... 18 
2.3 Reator anaeróbio ............................................................................................................... 21 
2.4 Reator de Leito Fluidizado ................................................................................................ 22 
2.5 Parâmetros hidrodinâmicos .............................................................................................. 25 
2.5.1 Velocidade Mínima de Fluidização ................................................................................. 25 
2.5.2 Tempo de Detenção Hidráulica ....................................................................................... 26 
2.5.3 Altura do Leito ................................................................................................................. 26 
2.5.4 Queda de Pressão ............................................................................................................ 27 
2.6 Tratamento com Biomassa Fixa ....................................................................................... 27 
2.6.1 Biofilmes .......................................................................................................................... 28 
2.6.2 Material Suporte .............................................................................................................. 33 
2.6.3 PET (Politereftalato de etileno) ...................................................................................... 35 
2.7 Sistema de Controle ........................................................................................................... 38 
2.7.1 Linguagem de Programação ........................................................................................... 39 
2.7.2 Microcontroladores ......................................................................................................... 40 
2.7.2.1 Arduino ......................................................................................................................... 42 
2.7.3 Sensor .............................................................................................................................. 42 
2.7.3.1 Sensor de Temperatura ................................................................................................. 44 
2.7.3.2 Sensor de Vazão ........................................................................................................... 46 
2.7.3.3 Sensor de Gás ............................................................................................................... 47 
2.7.3.4 Sensor de Pressão ......................................................................................................... 48 
2.7.4 Transdutor ....................................................................................................................... 48 
2.7.5 Atuador ............................................................................................................................ 49 
2.7.6 Sinais e Ruído .................................................................................................................. 49 
 
11 
 
3 MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................................................. 51 
3.1 Instalação Experimental ................................................................................................... 51 
3.1.1 Efluente ............................................................................................................................ 51 
3.1.2 Unidade Piloto de Tratamento ........................................................................................ 51 
3.1.3 Parâmetros Hidrodinâmicos ........................................................................................... 55 
3.1.3.1 Altura do Leito .............................................................................................................. 55 
3.1.3.2 Número de Reynolds ..................................................................................................... 55 
3.1.3.3 Queda de Pressão ......................................................................................................... 56 
3.1.3.4 Velocidade Mínima de Fluidização .............................................................................. 58 
3.1.3.5 Tempo de Detenção Hidráulica .................................................................................... 59 
3.1.4 Sistema de controle .......................................................................................................... 59 
3.1.4.1 Calibração .................................................................................................................... 61 
3.1.5 Material suporte .............................................................................................................. 61 
3.2 Condições experimentais ................................................................................................... 63 
4 RESULTADOS ..................................................................................................................... 63 
4.1 sistema de controle ............................................................................................................. 63 
4.2 reator .................................................................................................................................. 66 
4.3 material suporte ................................................................................................................. 68 
4.4 tratamento do efluente ....................................................................................................... 69 
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................................... 71
12 
 
1 INTRODUÇÃODesde o século XX, principalmente a partir da Revolução Industrial, houve um 
expressivo aumento quanto ao consumo de bens e a exploração de recursos naturais. Com a 
utilização das máquinas a vapor, iniciou-se um violento ataque a biomassa do planeta, sendo 
devastadas milhões de km² de florestas virgens para a manutenção da indústria de base, a 
siderurgia em especial. O crescimento populacional e o intenso processo de urbanização, aliado 
ao consumo exagerado dos recursos naturais, são a combinação ideal para o desequilíbrio 
ambiental, fenômeno que vem se agravando (FRANÇA & RUARO, 2009). 
A degradação das florestas veio acompanhada da poluição das águas com resíduos e 
produtos químicos, derivados da indústria. Com a superprodução industrial, resultado do 
desenvolvimento tecnológico, surgem outros tipos de poluição, além das águas superficiais, 
também os solos, a atmosfera e os seres vivos, dentre eles o ser humano. Hoje convivemos com 
perigos decorrentes da poluição atmosférica, do acúmulo de lixo doméstico e resíduos 
industriais, além do excesso de lixo tóxico e nuclear. 
A água é vital para o ser humano, mas o homem só se deu conta quando ela já estava 
tomada pela poluição. Com o aumento populacional e volume constante das águas ao longo dos 
anos, o mau uso se torna cada vez mais degradante e poluidor, prejudicando assim, sua 
qualidade. 
A qualidade da água é resultante de fenômenos naturais e da atuação do homem. De 
maneira geral, pode-se dizer que a qualidade de uma determinada água é função das condições 
naturais e da ocupação do solo na bacia hidrográfica (SPERLING, 1995). 
Com o avançar dos anos percebeu-se que sua contaminação afetaria todas as 
características ecológicas, atingindo as cadeias alimentares, causando inúmeras doenças, 
impossibilitando a agricultura e prejudicando os lençóis subterrâneos, pois eles são o destino 
final de todo poluente solúvel hidrográfico que tenha sido lançado no ar ou solo. 
A preocupação com o meio ambiente faz com que haja necessidade da implantação de 
novas tecnologias de tratamento de esgoto, de tal maneira que o crescimento e desenvolvimento 
urbano e industrial sejam compatíveis com a preservação dos recursos naturais (GEBARA, 
2006). 
13 
 
Em resposta a esses problemas propõem se utilização da tecnologia anaeróbia com 
biofilmes imobilizados em leitos expandidos e fluidizados. 
O objetivo dos processos de tratamento biológico de esgotos é estabilizar a matéria 
orgânica, evitando-se que este processo ocorra no corpo receptor dos despejos. Neste processo 
são reproduzidos os fenômenos observados na natureza, isto é, consiste na ação de 
microrganismos presentes no efluente, fixados em um material suporte, atuando na 
decomposição da matéria orgânica. Os reatores são projetados de modo a garantir condições 
necessárias a esses microrganismos que degradam a matéria orgânica e se proliferam no líquido, 
procurando otimizar o tratamento e minimizar custos, para alcançar a maior eficiência possível, 
respeitando-se as restrições que se impõem para a proteção do corpo receptor e pelas limitações 
de recursos disponíveis. 
O uso de sistemas automatizados em reatores biológicos é de grande importância, nas 
quais os parâmetros devem ser controlados para a manutenção do processo de degradação da 
matéria orgânica. A eficiência está diretamente ligada a capacidade de promover condições 
estáveis e mais próximo do ideal possível, evitando variações dos parâmetros fundamentais 
durante o funcionamento, tais como a temperatura, pressão e vazão. 
1.1 PROBLEMATIZAÇÃO 
1.1.1 Formulação do Problema 
A questão ambiental tem sido tema de discussão crescente no cenário mundial, 
notadamente nas últimas décadas, evidenciando a maneira com que o homem vem conduzindo 
seus modelos de estruturação social e seus processos de modernização para a busca do 
progresso. Os impactos desses fatores na utilização dos recursos naturais disponíveis aparecem 
como necessidade de compromisso com a condição ambiental do planeta para as futuras 
gerações. Deste modo, é fundamental a busca de novas tecnologias e otimização de processos, 
tais como: utilização de sistemas de controle modernos e uso de matérias primas recicladas nos 
processos industrias. 
Este trabalho científico tem como finalidade desenvolver e controlar um reator 
anaeróbio de leito fluidizado em escala reduzida e avaliar o desempenho do PET como material 
suporte para o crescimento biológico. 
14 
 
1.1.2 Solução Proposta 
Construir um reator anaeróbio de leito fluidizado em escala reduzida e desenvolver um 
sistema de controle adequado permitindo analisar o desempenho tanto do equipamento quanto 
do material suporte utilizado. 
1.2 OBJETIVOS 
1.2.1 Objetivo Geral 
Desenvolvimento de um reator anaeróbio de leito fluidizado no tratamento de esgoto, 
analisando o desempenho do PET como material suporte e implementando um sistema de 
controle que atenda às necessidades operacionais. 
1.2.2 Objetivos Específicos 
 Projetar e construir um reator anaeróbio de leito fluidizado em escala reduzida; 
 Desenvolver um sistema de controle, desde a aquisição, montagem e testes dos 
componentes do processo e da instrumentação eletrônica; 
 Implementar a estrutura de software e hardware, que possibilitará a operação do 
sistema de forma robusta; 
 Analisar os parâmetros físicos do PET como material suporte; 
 Coletar e analisar os dados de funcionamento do reator. 
1.3 METODOLOGIA 
Este trabalho científico classifica-se como uma pesquisa experimental, identificando as 
relações causais entre as variáveis envolvidas no processo e adotou-se o método indutivo. O 
trabalho será desenvolvido em duas etapas, dentro da primeira, será realizada a fundamentação 
teórica, na qual os conceitos envolvidos e as boas práticas devem ser abordados através de 
bibliografias, como artigos e trabalhos científicos, livros e ainda informações obtidas por meios 
de fabricantes e empresas reconhecidas no ramo de tratamento de águas e esgotos. 
15 
 
Para a segunda etapa serão realizadas a construção e operação do reator com base nos 
parâmetros do projeto, e pôr fim a coleta de dados para a avaliação do desempenho do PET 
como material suporte. 
1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO 
Este trabalho está estruturado em cinco capítulos. O Capítulo 1, Introdução, apresentou 
uma visão geral do trabalho. No Capítulo 2, Fundamentação Teórica, é apresentada uma revisão 
bibliográfica sobre: caracterização e tratamento de efluentes, reator anaeróbio e de leito 
fluidizado, parâmetros hidrodinâmicos e tratamento com biomassa fixa. Nesse capítulo, 
também é feita uma descrição de sistemas de controle assim como uma apresentação referente 
à microcontroladores e sensores. O Capítulo 3, Materiais e Métodos, apresenta a instalação e 
as condições experimentais aplicadas a este projeto. No Capítulo 4, Resultados, é apresentado 
os dados coletados durante o experimento em relação ao sistema de controle, o reator, o material 
suporte e o tratamento do efluente. Concluindo, no Capítulo 5, apresentam-se as considerações 
finais, onde são abordados os resultados do desenvolvimento do projeto. 
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 
A industrialização e o rápido crescimento demográfico urbano têm contribuído muito 
para incrementar a poluição ambiental, uma vez que as águas residuais lançadas em corpos 
d’água sem nenhum tratamento, são causa de degradação ambiental, alcançando situações 
irreversíveis (MARTINS, 2003). 
Os recursos hídricos são fundamentais para qualquer processo de desenvolvimento 
socioeconômico, e particularmente, onde, a água além de desempenhar seu papel natural de 
abastecimento das necessidades humanas, animais e produtivas,vem cada vez mais sendo 
degradada ao servir como veículo para os despejos de efluentes urbanos, industriais, agrícolas 
e extrativistas. 
Embora as fontes hídricas sejam abundantes, a demanda é frequentemente mal 
distribuída na superfície do planeta. Em algumas áreas, as retiradas são elevadas, em 
consideração com a oferta, na qual a disponibilidade superficial de água está sendo reduzida e 
os recursos subterrâneos rapidamente esgotados (COSTA, 2007). 
16 
 
Esta má distribuição dos recursos hídricos no Brasil pode ser quantificada segundo o 
relatório do SNIS (Sistema Nacional de Informações sobre Saneamento), em 2013 cerca de 
82,5% dos brasileiros são atendidos com abastecimento de água tratada, 48,6% têm acesso à 
coleta de esgoto e apenas 39% dos esgotos do país são tratados. Entretanto a Organização 
Mundial de Saúde (OMS) recomenda que ao menos 50% da população seja atendida pelo 
sistema de esgoto. 
Segundo Beekman (1996), a implantação de sistemas de reuso e reciclagem de água, 
desde que possuam viabilidade técnica e econômica, implica em significativos benefícios 
ambientas. É importante evidenciar que, além dos benefícios ambientais, a implantação de 
sistemas de reuso apresenta também expressivos impactos positivos em termos sociais e 
econômicos. 
O reuso da água pode ocorrer de forma direta ou indireta, por meios de ações planejadas 
ou não planejadas. Dessa forma, conceitua-se como reuso planejado de água o resultado da ação 
humana de forma direta ou indireta. Neste trabalho científico o reuso será de forma indireta, 
onde a água residual é lançada em águas superficiais e subterrâneas após a etapa de tratamento. 
O reuso planejado das águas implica a existência de um sistema de tratamento de 
efluentes que atenda aos padrões de qualidade requeridos pelo novo uso a que a água se destina 
(BEEKMAN, 1996). Essa modalidade de reuso pode ser denominada de reuso intencional da 
água. 
Dentre os inúmeros processos de tratamentos existentes, os processos biológicos, 
aeróbios e anaeróbios. Todos podem ser aplicados ao tratamento de efluentes, cada qual 
apresentando uma série de aspectos positivos e, naturalmente, outros aspectos negativos. 
Nesses processos são utilizados microrganismos que se proliferam na água, procurando 
otimizar o tratamento e minimizar custos, para que se consiga a maior eficiência possível, 
respeitando-se as restrições que se impõem para proteção dos corpos receptores dos despejos e 
pelas limitações de recursos disponíveis. 
2.1 CARACTERIZAÇÃO DOS EFLUENTES 
Os efluentes podem ser caracterizados pela sua origem, e formam dois grandes grupos: 
domésticos e industriais. Segundo Martins (2012), os esgotos sanitários podem causar enormes 
prejuízos à saúde, a segurança e o bem-estar do homem se não receberem tratamento adequado 
17 
 
antes do lançamento em corpos hídricos receptores. Outro aspecto de grande relevância em 
termos de qualidade biológica da água é relativo à possibilidade da transmissão de doenças. 
Nesse sentido, a disposição final inadequada de resíduos líquidos, principalmente os 
efluentes dos processos industriais e o esgoto doméstico, tem causado sérios problemas 
ambientais, especialmente nas grandes cidades. Cerca de 70.000 compostos químicos estão 
disponíveis no mercado e 500 a 1000 compostos são produzidos anualmente, os quais, de 
alguma forma, são descartados como efluentes domésticos ou industriais, sendo responsáveis 
pela contaminação dos corpos hídricos (EPA, 2014). 
Segundo Sperling (1996), cerca de noventa e nove por cento (99%) dos esgotos está sob 
a forma líquida e o restante constituído por sólidos orgânicos, inorgânicos, suspensos e 
dissolvidos, sendo necessário seu tratamento devido à presença deste 0,1% de sólidos. 
A caracterização dos efluentes se dá através de coletas de amostras representativas e 
análises destas, determinando importantes parâmetros como: pH, temperatura, DBO (demanda 
biológica de oxigênio), DQO (demanda química de oxigênio), nitrogênio orgânico e amoniacal, 
nitritos e nitratos, fósforo, alcalinidade, sólidos suspensos e dissolvidos. Dependendo do caso, 
deve-se ainda adicionar outras análises tal como de metais pesados. 
Os esgotos sanitários são constituídos basicamente de organismos patogênicos, matéria 
orgânica, nutrientes (fósforo e nitrogênio), óleos e graxas, materiais sólidos e flutuantes. De 
acordo com Metcalf e Eddy (2003), a presença destes constituintes faz com que os esgotos 
domésticos sejam caracterizados em baixa, média ou alta concentração (Tabela 1). 
Tabela 1. Composição típica de esgotos sanitários 
Parâmetros (mg.L-1) Esgotos Sanitários 
 Baixa Média Alta 
DQO total 250 430 800 
DBO 110 190 350 
ST 390 720 1230 
SDT 270 500 860 
SDF 160 300 520 
SDV 110 200 340 
SST 120 210 400 
SSF 25 50 85 
SSV 95 160 315 
Fonte: adaptado de Metcalf e Eddy (2003) 
18 
 
Nos estudos de controle de poluição das águas naturais, principalmente nos estudos de 
caracterização de esgotos sanitários e de efluentes industriais, as determinações dos níveis de 
concentração das diversas frações de sólidos resultam em um quadro geral da distribuição das 
partículas com relação ao tamanho (sólidos em suspensão e dissolvidos) e com relação à 
natureza (fixos ou minerais e voláteis ou orgânicos). Os ensaios de série de sólidos, segundo o 
Standard Methods (2015), comtemplam nove (9) frações diferentes de sólidos quantificáveis 
em uma amostra de matriz aquosa, que diferem entre si basicamente pelas suas características 
de tamanho das partículas e volatilidade. São eles: sólidos totais (ST), sólidos dissolvidos totais 
(SDT), sólidos suspensos totais (SST), sólidos fixos totais (SFT), sólidos voláteis totais (SVT), 
sólidos dissolvidos fixos (SDF), sólidos dissolvidos voláteis (SDV), sólidos suspensos fixos 
(SSF) e sólidos suspensos voláteis (SSV). 
No controle operacional de sistemas de tratamento de esgotos, algumas frações de 
sólidos assumem grande importância. Em processos biológicos as concentrações de sólidos em 
suspensão voláteis nos lodos dos reatores têm sido utilizadas para se estimar a concentração de 
microrganismos decompositores da matéria orgânica. 
De forma geral, os efluentes lançados sem qualquer tratamento atingem os grandes 
mananciais de abastecimento de água, prejudicando sua qualidade. Tal fato leva a uma cadeia 
de conflitos ambientais e sociais, cabendo aos órgãos responsáveis iniciarem uma tarefa de 
fiscalização e conscientização, e passarem a exigir o tratamento em suas respectivas fontes 
poluidoras. 
O estudo será realizado com efluentes similares aos domésticos, estes são provenientes 
de residências, edifícios comerciais, instituições e edificações que contenham instalações de 
banheiro, lavanderia, cozinhas, ou outros, em que houver utilização de água para fins 
domésticos. 
2.2 TRATAMENTO DE EFLUENTES 
A escolha e a implantação de uma estação de tratamento de efluentes tem por objetivo 
a remoção dos principais poluentes. A definição do tratamento depende das condições mínimas 
estabelecidas para a qualidade da água dos mananciais receptores (MARTINS, 2013). 
19 
 
As diferentes tecnologias que podem ser adotadas nos sistemas de tratamento para 
depuração do efluente, compreendem as seguintes etapas: preliminar, primário, secundário e 
terciário, conforme apresentado no Quadro 1. 
Quadro 1. Etapas do tratamento dos esgotos 
Nível Remoção 
Preliminar  Sólidos em suspensão grosseiros (materiais de maiores 
dimensões e areia). 
 
Primário 
 Sólidos em suspensão sedimentáveis 
 DBO em suspensão (matéria orgânica em suspensão 
sedimentáveis). 
 
Secundário 
 DBO em suspensão (matéria orgânicaem suspensão fina, não 
removida no tratamento primário). 
 DBO solúvel (matéria orgânica na forma de sólido dissolvido). 
 
 
Terciário 
 Nutrientes 
 Patogênicos 
 Componentes não biodegradáveis 
 Metais pesados 
 Sólidos inorgânicos dissolvidos 
Fonte: Sperling (1996). 
Os sistemas existentes podem ser classificados basicamente, em dois grandes grupos: 
tecnologias de sistemas simplificados, e sistemas mecanizados; os processos biológicos são 
aeróbios ou anaeróbios. 
Os sistemas simplificados são aqueles que requerem menor consumo de energia, menor 
custo de implantação e de operação, mão de obra menos especializada, já os sistemas 
mecanizados utilizam de tecnologias e equipamentos de modo a garantir condições 
operacionais necessárias. 
No tratamento biológico aeróbio os microrganismos degradam as substâncias orgânicas, 
que são assimiladas como fonte de energia, mediante processos oxidativos. Já o tratamento 
anaeróbio utiliza bactérias que não necessitam de oxigênio para sua respiração na degradação 
da matéria orgânica. 
Segundo Weber (2006) o emprego de processos biológicos anaeróbios oferece várias 
vantagens em comparação aos aeróbios, podendo ser alimentado o menor consumo de energia, 
a menor produção de lodo, a necessidade de menor área para a implantação do sistema e a 
20 
 
potencialidade de uso do biogás como combustível. O reator anaeróbio de leito fluidizado 
(RALF) vem sendo objeto de intensa pesquisa, mostrando-se tecnicamente adequado. 
A Figura 1 possibilita a visualização de algumas das vantagens do sistema anaeróbio em 
relação ao tratamento aeróbio, consideravelmente no que se refere à produção de gás metano e 
à menor produção de sólidos. 
Figura 1. Conversão biológica nos sistemas aeróbios e anaeróbios 
 
Fonte: adaptado de Chernicharo (2001). 
Nos sistemas aeróbios, ocorre cerca de quarenta a setenta por cento (40 a 70%) de 
degradação biológica, com a consequente conversão em CO2. Verifica-se uma enorme 
incorporação de matéria orgânica, como biomassa microbiana cerca de cinquenta a sessenta por 
cento (50 a 60%), que vem a se constituir no lodo excedente do sistema. O material orgânico 
não convertido em gás carbônico, ou em biomassa, deixa o reator como material não degradado, 
cerca de cinco a dez por cento (5 a 10%). 
Nos sistemas anaeróbios, verifica-se que maior parte do material orgânico 
biodegradável presente no despejo é convertida em biogás cerca de setenta a noventa por cento 
(70 a 90%), que é removido da faze líquida e deixa-o na forma gasosa. Apenas uma pequena 
parcela do material orgânico é convertida em biomassa microbiana, de cinco a quinze por cento 
(5 a 15%), vindo a se constituir lodo excedente do sistema. Além da pequena quantidade 
produzida, o lodo excedente apresenta-se, usualmente, mais concentrado e com melhores 
características de desidratação. O material não convertido em biogás, ou em biomassa, deixa o 
reator com material não degradado, cerca de dez a trinta por cento (10 a 30%). 
Chernicharo (2001), afirma que a tecnologia anaeróbia, aplicada ao tratamento de 
esgotos domésticos, encontra-se consolidada, sendo que praticamente todas as análises de 
21 
 
alternativas de tratamento incluem os reatores anaeróbios como uma das principais opções, 
devido a capacidade de remoção de altas cargas orgânicas e a baixa produção de lodo. 
2.3 REATOR ANAERÓBIO 
Os reatores são equipamentos projetados de modo a garantir as condições necessárias 
para que no seu interior se processe uma reação biológica decompondo a matéria orgânica, 
evitando que este processo ocorra no corpo receptor dos despejos. A capacidade de controlar e 
monitorar os parâmetros envolvidos nesta unidade de tratamento está diretamente ligada a 
eficiência do sistema, entretanto o alto custo envolvido na implementação de um sistema 
automático, mostra-se como uma desvantagem. 
Nos reatores anaeróbios a biomassa cresce na forma de um gel, ao redor de meio sólido, 
degradando a matéria orgânica por meio da ação de microrganismo anaeróbios, sem a presença 
do oxigênio. 
Os reatores anaeróbios de leito fluidizado e expandidos possuem configurações e 
funcionamento bem semelhantes, tendo como diferença básica o grau de expansão do leito, 
representado pelo grau de fluidização. 
Se um fluido passa ascendentemente através de um leito de partículas, a uma baixa 
vazão, o fluido apenas escoa pelos espaços entre as partículas estacionadas, caracterizando 
um leito fixo. Com um aumento na vazão do fluido, partículas distanciam-se e uma pequena 
vibração e movimentações em regiões restritas são observadas, recebendo neste estado o nome 
de leito expandido. Com vazão ainda maior, atinge-se uma condição em que todas as partículas 
são suspensas pelo fluxo ascendente. Neste ponto as forças de fricção entre as partículas e o 
fluido contrabalançam o peso das partículas. A queda de pressão, através de qualquer seção no 
leito, torna-se igual ao peso do fluido e das partículas nesta seção, este leito é considerado como 
sendo fluidizado (METCALF e EDDY, 2003). 
Ambos os reatores são próprios de configuração com biomassa imobilizada em meio 
suporte por aderência dos microrganismos, porém, pelas suas características hidrodinâmicas, 
são móveis no interior. 
Nos reatores anaeróbios por batelada tratamento é realizado em um único tanque, em 
uma sequência de operações que compreende: enchimento, tratamento, sedimentação final do 
lodo biológico e esvaziamento do tanque. Apresentando vantagens em relação aos reatores 
22 
 
anaeróbios convencionais com baixa razão alimento/microrganismos e trata efluentes a altas 
taxas. 
2.4 REATOR DE LEITO FLUIDIZADO 
Segundo Gebara (2002), a fluidização tem como base fundamental a circulação de 
sólidos juntamente com um fluido (gás ou líquido), evitando a existência de alguns efeitos como 
gradientes de temperatura, de pontos muito ativos e regiões estagnadas no leito, proporcionando 
também maior contato superficial entre o sólido e fluido, facilitando a transferência de calor e 
massa. 
A fluidização teve seu início com a demonstração do processo de gaseificação em um 
leito em 1921 por Fritz Winkler, na Alemanha. Desde então tem sido utilizada de forma 
crescente nos mais diferentes processos envolvendo sólidos particulados. Encontram-se 
registros uso de reatores químicos desde a década de 30, enquanto que reatores biológicos 
tiveram seu desenvolvimento a partir da década de 40. 
A partir da década de 70, principalmente na Inglaterra e nos Estados Unidos, a aplicação 
dos reatores de leito fluidizado passou a ter um grande desenvolvimento. Um dos eventos 
reportados como marcante para desenvolvimento desse reator foi a conferência na cidade de 
Manchester em 1980, os quais eram os centros de pesquisa que vinham conduzindo 
experimentos há alguns anos. Neste evento, foi considerado como o desenvolvimento mais 
significativo no tratamento de esgoto nos últimos cinquenta anos. 
Inicialmente faz-se necessário relembrar o conceito de fluidização, neste tipo de leito, o 
fluido (líquido ou gás) é forçado a passar através de um material sólido granulado em 
velocidade suficiente para suspender o material, fazendo com que a partícula tenha 
comportamento semelhante ao do fluido. 
O leito fluidizado oferece superiores vantagens em permitir uma operação automática 
controlada, com condições isotérmicas devido à mistura homogênea dos sólidos, apresentando 
uma inercia térmica, respondendo lentamente a mudanças bruscas nas condições de operação. 
O processo adequa-se para operações em larga escala e oferece grandes taxas de 
transferência entre o fluido e as partículas sólidas, quando comparadas a outrosmeios de 
contato, devido a recirculação e a variação da velocidade na superfície dos materiais sólidos 
suspensos. 
23 
 
 
Atualmente pesquisas têm como objetivo obter estações de tratamento de efluentes 
compactas. Esses reatores permitem tratar elevadas cargas orgânicas e hidráulicas, com 
eficiência significativa em relação a remoção carbonácea e com baixos tempos de retenção 
hidráulica, reduzindo assim, as dimensões das instalações de tratamento. 
Segundo Gonçalves et al. (2001), a imobilização dos microrganismos em suportes 
inertes forma biofilmes extremamente densos e finos, permitindo: 
 Reter uma grande concentração de biomassa no interior do reator, devido à maior 
área superficial; 
 Melhorar o contato da biomassa com o substrato; 
 Operar com tempos de retenção hidráulica reduzidos; 
 Melhorar a eficiência na remoção da carga orgânica; 
 Diminuir a produção de lodo; 
 Reduzir a área necessária para as reações biológicas; 
Segundo Martins (2003), esse tipo de tratamento possui inúmeras vantagens, tais como: 
altas eficiências obtidas em pequenos tempos de retenção; reatores compactos que não exigem 
grande área para implantação; adequabilidade a diferentes efluentes; e eliminação de problemas 
operacionais. 
Como todo sistema de tratamento esse tipo de reator apresenta aspectos positivos e 
negativos. De maneira geral podem ser agrupados em: biomassa, operação e construção. Tais 
aspectos são melhor descritos na Quadro 2.
24 
 
Quadro 2. Aspectos positivos e negativos de um reator de leito expandido/fluidizado 
Aspecto Positivo Negativo 
 
 
 
Biomassa 
 Alta concentração de biomassa que 
permite tratar efluentes de cargas alta 
e baixa; 
 Espessura do biofilme pode ser 
controlada e otimizada; 
 Biomassa adapta-se aos vários 
efluentes. 
 Materiais suporte de 
custo elevado; 
 Reposição do material 
suporte devido ao 
desgaste. 
 
 
 
Operação 
 Elevada eficiência de remoção; 
 Operação sob regimes contínuo e 
intermite; 
 Trabalham com TDH relativamente 
baixo; 
 Controle da velocidade; 
 Reposição do material 
suporte; 
 Desgaste do material 
suporte. 
 
 
 
Construção 
 Demanda por pequenas áreas e 
volumes; 
 Apresenta boa possibilidade de 
modulação; 
 Dependendo do material de execução 
o reator pode ser transportado. 
 Revestimento contra 
corrosão; 
 Dispositivo para a 
remoção de escuma. 
Fonte: Adaptado de Mendonça (2004). 
Mendonça (2004), aponta considerações a respeito do leito, da hidráulica e do processo 
com relação às variáveis envolvidas no projeto e na operação de reatores de leito 
expandido/fluidizado. A Figura 2 mostra o esquema proposto pelo autor. 
Figura 2. Variáveis envolvidas em projetos de reatores de leito expandido/fluidizado 
 
Fonte: Adaptado de Mendonça (2004). 
25 
 
Para melhor compreender esse processo biológico de tratamento de efluentes é 
necessário o conhecimento de aspectos da hidrodinâmica do sistema. Para o bom andamento 
do projeto é indispensável o conhecimento de fatores como: velocidade mínima de fluidização, 
tempo de detenção hidráulica, altura do leito, e queda de pressão. 
2.5 PARÂMETROS HIDRODINÂMICOS 
De acordo com Martins (2003), os reatores de leito fluidizado apresentam um 
comportamento hidrodinâmico muito complexo. Para assegurar sua viabilidade no tratamento 
de efluentes, alguns parâmetros operacionais devem ser assegurados de forma a condicionarem 
o desenvolvimento de biofilme. Esses parâmetros são associados as condições hidrodinâmicas 
no reator, que podem ser caracterizados pela: velocidade mínima de fluidização; tempo de 
detenção hidráulica; altura do leito; e queda de pressão. 
2.5.1 Velocidade Mínima de Fluidização 
A eficiência na utilização deste tipo de leito está diretamente relacionada a velocidade 
mínima de fluidização. Acima desta velocidade os sólidos são carregados para fora do leito; e 
abaixo desta velocidade o leito não fluidiza. 
Este é um fator relevante para o sistema, pois quando baixa, fluido percorre pequenos e 
irregulares canais, perdendo energia e pressão, sendo a perda de carga função da velocidade 
superficial, rugosidade das partículas, permeabilidade, viscosidade e densidade. Como estas 
últimas variam em função da temperatura, a velocidade mínima de fluidização também depende 
desta. Um aumento da temperatura torna o líquido menos viscoso e facilita a fluidização, 
mesmo para baixas velocidades superficiais do líquido. O aumento da velocidade oferece menor 
resistência à passagem quando atinge um valor que a ação dinâmica do fluido permite 
reordenação das partículas, já em maiores velocidades o comportamento se assemelha a um 
líquido em ebulição, as partículas deixam de estar em contato. 
Experimentalmente, é determinada pela medida da variação da perda de carga através 
do leito em função da velocidade. A perda de carga através do leito aumenta com a velocidade 
do líquido enquanto o leito é fixo, após a fluidização ela permanece constante, caracterizando 
o leito fluidizado. 
 
26 
 
2.5.2 Tempo de Detenção Hidráulica 
O Tempo de detenção hidráulica representa o tempo médio de permanência das 
moléculas de água em uma unidade de tratamento, alimentada continuamente. O tempo de 
detenção hidráulica (TDH) pode ser calculado como a razão entre o volume e a vazão 
(HEIJNEN et al., 1991). 
A proporção de moléculas de água que permanecem na unidade por tempo, maior ou 
menor que TDH teórico, indicam a existência de curto circuito e zona morta. As zonas mortas 
são os locais com TDH maior que o ideal e os curtos circuitos são os locais de TDH menor que 
o ideal. 
Quanto maior for o volume de zonas mortas, curtos circuitos e canais preferenciais, 
maior será a fração de moléculas que permanecem na unidade, durante tempo diferente do TDH. 
Nessas condições, dependendo do objetivo da unidade, os processos e operações esperados 
podem não ser eficientes. Para muitas das unidades de tratamento, a consequência desse fato é 
a queda significativa de rendimento, ou mesmo o colapso do processo no caso de alguns reatores 
biológicos. O comportamento hidrodinâmico de uma unidade alimentada com fluido em regime 
permanente depende, essencialmente, de suas características geométricas e dos dispositivos de 
entrada e saída. 
2.5.3 Altura do Leito 
A altura do leito pode ser determinada pela observação visual do leito ou pelo gradiente 
de pressão. 
O método da observação visual consiste em medir diretamente a altura do leito, no caso 
de uma coluna transparente, utilizando uma escala colocada junto ao reator, uma vez que a 
interfase do leito em fluidização com o líquido é bastante nítida na parte superior do reator. Este 
método é o mais indicado para partículas grandes e/ou pesadas. 
Quando a altura do leito não pode ser obtida visualmente, utiliza-se o método de 
gradiente de pressão, o qual é mais indicado para partículas leves e/ou pequenas, uma vez que 
a interfase sólido/líquido não é bem definida, prejudicando a leitura direta da altura do leito. 
Esse método baseia-se no fato da densidade do sólido ser maior do que a do líquido. A pressão 
varia mais rapidamente na seção trifásica (sólido-líquido-gás) do que na seção bifásica (líquido-
27 
 
gás), que fica acima do leito fluidizado. De modo geral, esse método não é indicado, já que o 
gradiente de pressão medido produz um valor da altura baseado num leito homogêneo irreal. 
2.5.4 Queda de Pressão 
A queda de pressão determina a quantidade de energia envolvida na promoção do 
contato gás-líquido, por meio do qual ocorre a transferência de massa requerida no processo 
(RIEDEL, 1995).2.6 TRATAMENTO COM BIOMASSA FIXA 
Os processos de tratamento com biomassa fixa oferecem inúmeras vantagens se 
comparados aos tratamentos biológicos convencionais tais como: entrada rápida em regime 
operacional, alta taxa de remoção volumétrica, aumento da estabilidade do processo e 
compacidade dos reatores. 
A imobilização de microrganismos possibilita operações com maiores concentrações 
bacterianas eliminando a necessidade de recirculação de lodo concentrado. O processo atinge 
assim melhor estabilidade, especialmente na ocorrência de picos de poluição não esperados. 
Segundo Martins (2003), os processos de tratamento utilizando biomassa aderida em 
meio suporte têm provado ser eficientes nos tratamentos de esgotos, por apresentar grande 
eficiência na degradação da matéria orgânica e por sua boa estabilização operacional. 
A elevada concentração de biomassa ativa permite significativa retenção de 
microrganismos no biofilme e grande eficiência na conversão de matéria orgânica 
biodegradáveis (CAMPOS & PEREIRA, 1999). Segundos os autores, a fixação de bactérias no 
meio suporte parece ocorrer em uma matriz de polímeros, principalmente polissacarídeos, que 
efetuam a aderência inicial das células à superfície do meio suporte. 
A aderência é influenciada por interações célula-célula, pela presença de moléculas de 
polímeros na superfície e pela composição do meio (SPERLING, 1996). 
A matriz de polissacarídeos envolve as colônias de bactérias, formando uma barreira às 
substâncias tóxicas, permitindo o transporte de nutrientes e promovendo a adesão nas 
superfícies porosas. Para o meio suporte, geralmente é utilizado material de elevada superfície 
28 
 
específica para a adesão da biomassa, podendo ser grãos de reduzido diâmetro ou material de 
grande porosidade. 
Nos sistemas com biomassa fixa, a densidade do conjunto meio suporte-biomassa é 
bastante diferente da densidade do líquido no reator, favorecendo a existência de gradientes de 
velocidade entre o líquido e a camada externa do biofilme. Desta forma, as células estão 
continuamente expostas a novos substratos, aumentando potencialmente a sua atividade. No 
entanto, caso a espessura seja muito elevada, o consumo do substrato ao longo deste pode ser 
tal, que as camadas mais internas sejam deficientes de substrato, diminuindo a sua atividade. 
Nestas condições a aderência com o meio suporte diminui e a biomassa pode se desprender do 
meio suporte (SPERLING, 1996). 
2.6.1 Biofilmes 
Segundo Gebara et al. (2002), as células microbianas podem se agregar na forma de 
flocos e biofilmes. Estas estruturas vêm despertando grande interesse nos processos 
biotecnológicos e no tratamento de esgotos industriais e domésticos pela facilidade de separar 
a biomassa do corpo líquido. 
O biofilme pode ser definido como uma estrutura complexa de células e produtos 
extracelulares, no qual formam-se espontaneamente grânulos densos ou crescem aderidos a 
uma superfície sólida estática ou ainda em uma superfície sólida suspensa. De acordo com 
Bishop et al. (1995), consideram que o mesmo é constituído por células vivas, células mortas e 
células fragmentadas em uma matriz de polímeros extracelulares, fixados na superfície do 
suporte. 
Algumas vantagens destacam-se no campo da biotecnologia, tais como: a capacidade de 
tratar grandes volumes de solução; a existência de uma diversidade de microrganismos na 
estrutura na biomassa; os sistemas podem ser operados com grande quantidade de biomassa, 
sem a necessidade de sedimentar a biomassa retirada. 
Os compostos necessários para o desenvolvimento bacteriano são adsorvidos a 
superfície do biofilme, sendo em seguida transportados por difusão, e metabolizados pelos 
microrganismos. 
Nos reatores aeróbios, como os de leito fluidizado, o oxigênio consumido penetra, até 
atingir valores que determinam condições anaeróbias. Podem desenvolver-se, portanto, duas 
29 
 
camadas. Os gradientes de concentração resultantes do processo (curva S) e o estabelecimento 
de camadas no biofilme são ilustradas na Figura 3. 
Figura 3. Gradientes de concentração de substrato (s) em biofilmes de diferentes 
espessuras. 
 
Fonte: adaptado de Sperling (1996) 
De acordo com Gebara (2002), biofilmes podem se desenvolver em praticamente em 
qualquer superfície exposta a um ambiente aquoso. O desenvolvimento sobre uma superfície 
ao escoamento de um líquido é resultado de vários processos físicos, químicos e biológicos, 
tais como: 
 Transporte e adsorção de moléculas orgânicas a superfície; 
 Transporte de células microbianas para a superfície; 
 Transformações microbianas na superfície, com produção de polímeros 
extracelulares que possibilitam a aderência do biofilme. 
 Desbastamento causado pela ação de tensões de cisalhamento do escoamento. 
A adesão a superfície depende da produção de polissacarídeos que atuam como ligação 
entre os materiais. A produção do biofilme é resultado do efeito combinado da produção celular 
e polímeros extracelulares. E a taxa de produção está relacionada com a difusão de nutrientes 
no seu próprio interior, e a síntese como biomassa. Desta forma, a diminuição de oxigênio ou 
de nutrientes nas camadas internas pode afetar significativamente o processo de produção. 
Segundo Sperling (1996), junto ao desenvolvimento do biofilme, ocorre o processo de 
desbastamento, em que porções deste são retiradas pelo fluxo, em um processo que depende 
fortemente das condições hidrodinâmicas. Além do cisalhamento, pode ocorrer o 
30 
 
desprendimento de porções massivas, fenômeno atribuído pela diminuição de oxigênio e 
nutrientes, resultando na diminuição da biomassa aderida. 
De acordo com os autores Iwai & Kitao (1994), o processo de formação do biofilme 
ocorre em três estágios, cujas características são representadas no Quadro 3. 
Quadro 3. Estágios da formação do biofilme 
Espessura do 
biofilme 
Características 
 
 
Fina 
 O filme é fino e geralmente não cobre toda a superfície do meio 
suporte; 
 O crescimento bacteriano se dá segundo uma taxa logarítmica; 
 Todos os microrganismos crescem nas mesmas condições, com o 
crescimento sendo similar as de uma biomassa dispersa. 
 
 
 
 
Intermediária 
 A espessura do filme torna-se maior; 
 A taxa de crescimento bacteriano se torna constante; 
 A espessura da camada ativa permanece inalterada, 
independentemente do aumento da espessura do filme; 
 Caso o suprimento de matéria orgânica seja limitado, os 
microrganismos assumem um metabolismo suficiente apenas 
para sua manutenção, não havendo crescimento bacteriano; 
 Caso o suprimento de matéria orgânica seja inferior aos 
requisitos para manutenção, a espessura do biofilme se torna 
menor. 
 
 
Elevada 
 A espessura do biofilme atinge um valor bastante elevado; 
 O crescimento microbiano é contraposto pelo próprio decaimento 
dos organismos, pelo consumo por outros organismos e pela 
tensão de cisalhamento; 
 Partes do biofilme podem ser desalojadas do meio suporte; 
 Caso o biofilme continue a crescer, sem ser desalojado do meio 
suporte, ocorrerão entupimento do filtro. 
Fonte: Iwai & Kitao (1994). 
De acordo com o quadro a cima, as maiores taxas possíveis de remoção de substrato 
ocorrem quando a difusão está na iminência de tornar-se o fator limitante. 
A formação do biofilme é fortemente influenciada pelas condições hidrodinâmicas dos 
reatores, alterando sua massa específica e sua espessura. A condição de fluxo turbulento garante 
uma maior interação entre as partículas por meio do atrito, ocasionando o controle da espessura 
e melhorando a condição do transporte de nutrientes as regiões mais profundas através deprocessos difusivos. Além do atrito, tensões de cisalhamento entre o meio líquido e a superfície 
também provocam alterações de espessura. 
31 
 
Altas velocidades do fluxo do meio podem causar o desprendimento de grandes 
quantidades de biomassa ativa e simultaneamente o carregamento para fora do reator devido à 
alta velocidade de circulação (GEBARA, 2002). 
A escolha do material particulado é feita de acordo com as características do sistema. 
Considerações de custo e resistência mecânica, que deve ser suficiente para suportar o esforço 
de atrito no reator, limitam a escolha do material. 
De acordo com os autores Iwai & Kitao (1994), o crescimento dos biofilmes diferencia-
se em três classes, conforme a Figura 4. 
Figura 4. Classificação dos biofilmes 
 
Fonte: adaptado de Heijnen et al. (1991) 
 Classe 1: Baixo potencial de formação de biofilme e revestimento escasso e muito 
irregular. 
 Classe 2: Moderado potencial de formação de biofilme e a cobertura nas partículas 
não é homogênea. 
 Classe 3: Bom potencial de formação de biofilme e o revestimento nas partículas é 
homogêneo. 
O efeito da rugosidade é verificado pelo fato de que as partículas de classe 3 tem uma 
superfície áspera, enquanto que as partículas de superfície lisa são classe 1 ou 2. Este poder 
resulta no fato de que inicialmente os microrganismos se desenvolvem nas cavidades 
superficiais das partículas, o que as protege do efeito do atrito. Na ausência as cavidades as 
colônias estão sujeitas ao atrito líquido e consequentemente o seu desprendimento. 
Analisando-se agora o processo de desenvolvimento do biofilme com relação ao tempo 
decorrido, podem ser identificadas três fases distintas: indução, acumulação e estabilização. 
32 
 
A fase da indução se dá pelo desenvolvimento de uma camada primária em uma 
superfície inicialmente limpa. A acumulação ocorre após o período de indução, que apresenta 
um estágio de crescimento logarítmico, seguida por um período com taxa de acumulação 
praticamente constante. A fase final do processo, fase de estabilização, ocorre quando a 
produção de biofilme se iguala à quantidade retirada pelo escoamento. Portanto, durante a fase 
de estabilização, a espessura permanece praticamente constante. 
Segundo Campos & Pereira (1999), uma possível descrição para a evolução do 
desenvolvimento de biofilmes em reatores de leito expandido/fluidizado é: 
 A partícula suporte antes da partida do reator apresenta superfície isenta de 
microrganismos ou substâncias aderidas; 
 Com a partida do reator, a partícula é envolvida pela água residuária, podendo 
ocorrer em sua superfície, segundo características do material suporte, ligações 
químicas ou físicas com substâncias coloidais ou dissolvidas e deposição de 
substâncias sólidas de pequena dimensão; 
 As substâncias presentes na superfície favorecem a aproximação dos 
microrganismos, os quais liberam produtos celulares para promoverem sua fixação 
na superfície do suporte ao iniciarem a degradação das substâncias; 
 A interação substrato/produtos celulares/superfície da partícula possibilita a 
intensificação do metabolismo dos microrganismos, com consequente liberação de 
novos produtos celulares; 
 Os novos produtos celulares podem, eventualmente, servir de substrato para outros 
gêneros/espécies de microrganismos, o que favorece a aproximação e aderência 
destes. 
 Para esses autores, o biofilme tende a um crescimento até que o mesmo alcance o 
equilíbrio dinâmico aparente, devido às condições operacionais e à composição da 
água residuária. 
O aumento do conhecimento microbiológico e bioquímico nos processos de tratamento 
tem ocasionado considerável melhoria na otimização e na eficiência desses, incrementando, 
assim, sua aplicabilidade.
33 
 
2.6.2 Material Suporte 
Em reatores de leitos fluidizados, vários fatores devem ser considerados na seleção do 
material suporte, influenciando tanto no processo biológico como na operação do sistema. Além 
das diversas características físicas e químicas a serem consideradas para o material, o custo é 
um fator importante. Dependendo da aplicação, o material pode ser específico, influenciando 
significativamente na economia do sistema. 
De acordo com Siqueira (2008), o melhor material suporte a ser utilizado para 
imobilização microbiana será aquele que obter eficiências de remoção de substrato para a 
mesma carga orgânica aplicada, mesmo tipo de substrato e nas mesmas condições de operação. 
Outras características desejáveis para os materiais suportes são: possuírem grande área 
superficial específica, possibilitarem a colonização acelerada dos microrganismos, serem 
estruturalmente resistentes, além de biológicos e quimicamente inertes e com preços reduzidos. 
Os meios suportes aplicados nas estações de tratamento de esgotos são, geralmente, 
materiais granulares de origem mineral. Isto se dá, devido a predominância quase que exclusiva 
deste tipo de suporte em reatores durante a década de 80, quando as primeiras experiências em 
escala real ocorreram. Grãos de argila calcinada, xisto expandido (rocha argilosa), materiais 
arenosos, pozolana (rocha vulcânica) e carvão ativado são também exemplos, sendo alguns, 
objetos de patente industrial. Além destes é registrada a utilização de blocos cerâmicos, conchas 
de ostras e de mexilhões, anéis de plástico, cilindros vazados, blocos modulares de PVC, 
granito, esferas de polietileno, bambu e poliuretano. (CHERNICHARO, 1997). 
A utilização de material suporte com características adequadas torna possível o aumento 
do tempo de permanência da biomassa ativa no reator e do contato entre o microrganismo e o 
líquido a ser degradado (CABELLO, 2009). 
Materiais sintéticos tais como poliestireno, polipropileno, poliuretano, PVC e plástico 
com peso específico variando entre 0,03 e 0,9 g/cm3 começaram a ser utilizados em escala 
industrial a partir dos anos 90. Considera-se o custo destes materiais mais elevado do que os de 
origem mineral. Entretanto, este custo adicional pode ser compensado por uma menor demanda 
energética para fluidização, devido à proximidade das densidades do fluido e o material sólido. 
De acordo com Martins (2003), as partículas poliméricas, com densidades próximas a 
da água, de modo geral, são submetidas a tratamentos químicos com o intuito de modificar suas 
34 
 
características superficiais, de modo a favorecer um melhor crescimento e adesão microbiana, 
resultando em biofilmes menos espessos e mais densos, diminuindo, portanto, o seu arraste no 
interior do reator. Esse tratamento químico pode ser realizado, por exemplo, com soluções 
ácidas. 
O tamanho do material suporte tem influência na disponibilidade de área superficial 
para a aderência dos microrganismos, assim como nas características de fluidização e na 
transferência de massa. Quanto maior o diâmetro, menor a superfície específica e, dependendo 
do tipo do material, maior a velocidade superficial para obter-se a expansão desejada, em 
consequência, maior consumo de energia. 
Outro fator relevante que tem influência em relação a hidrodinâmica do leito é a 
densidade. De modo geral, o material das partículas é poroso, sendo preenchido pelo líquido e 
pelos microrganismos, reduzindo a densidade original. O controle operacional fica cada vez 
mais difícil quanto mais próximo for o valor da densidade da partícula colonizada com a do 
líquido, uma vez que, experimentalmente pode ser comprovado que as velocidades superficiais, 
necessárias para diferentes graus de expansão do leito, são bem próximas. 
Na fase inicial da colonização, a rugosidade da superfície da partícula é relevante para 
que a aderência e a fixação dos microrganismossejam viabilizadas e mantidas, tendo em vista 
as forças de cisalhamento provocadas pelo líquido. As superfícies mais rugosas são mais 
indicadas por causa da melhor aderência dos microrganismos em poros, que de certa forma, 
minimizam os efeitos dos choques e esforços do meio líquido. São importantes o conhecimento 
e a determinação dos fatores que afetam a concentração de polissacarídeos no biofilme, como 
uma medida da adesão bacteriana (GONÇALVES, 2001). 
De modo geral, o material suporte deve possuir propriedades fundamentais para maior 
eficiência do processo, tais como: estado de superfície poroso, permitindo melhor adesão da 
biomassa; elevada superfície específica; boa resistência mecânica; e tamanho ideal para as 
condições de funcionamento do reator. 
Nos reatores, até então os materiais de origem mineral são os mais utilizados. Por outro 
lado, a utilização de materiais sintéticos, principalmente materiais reciclados, vem gerando 
novas pesquisas e conquistando espaço. Segundo WOLFF (1997), os materiais poliméricos 
granulares apresentam algumas vantagens como: 
35 
 
 Compatibilidade com o crescimento do biofilme (não tóxico e fácil adesão 
bacteriana); 
 Área superficial suficiente para a colonização; 
 Densidade ligeiramente maior que a da água; 
 As características físicas (densidade, diâmetro) são conservadas quando ocorre o 
crescimento microbiano; e 
 Apresentam baixo custo e boa resistência mecânica. 
2.6.3 PET (Politereftalato de etileno) 
O Politereftalato de etileno, um derivado do petróleo, é o mais importante membro da 
família dos poliésteres, grupo de polímeros termoplásticos, descoberto na década de 30 pelo 
pesquisador W.H. Carothers, da Du Pont. No entanto, somente na década de 40, o PET foi 
desenvolvido pelos químicos ingleses Whinfield e Dickson. As pesquisas que levaram à 
produção em larga escala do poliéster começaram somente após a segunda grande guerra, nos 
anos 50, em laboratórios dos Estados Unidos e Europa. Baseavam-se, nesta época, totalmente 
nas aplicações têxteis. No início dos anos 70, o PET começou a ser utilizado pelas indústrias 
de embalagens (VALT & NETO, 2002). 
Segundo esses autores, o PET chegou ao Brasil em 1988 e seguiu uma trajetória 
semelhante ao resto do mundo, sendo utilizado primeiramente na indústria têxtil. Apenas a 
partir de 1993, passou a ter forte expressão no mercado de embalagens, notadamente para os 
refrigerantes. 
O Politereftalato de etileno é um dos termoplásticos mais produzidos no mundo, 
utilizado em fibras têxteis, em embalagens processadas por injeção-sopro, filmes e polímeros 
de engenharia. O sucesso da aplicação do PET deve-se a sua excelente resistência a tração e ao 
impacto, resistência química, propriedades de barreira a gases, capacidade de processamento, 
brilho e estabilidade térmica. 
Devido à grande quantidade e variedade das aplicações dos polímeros e o seu tempo de 
degradação relativamente longo, eles são considerados os grandes vilões ambientais por 
ocuparem uma boa parte do volume dos aterros. No entanto, os problemas ambientais não são 
causados pelos polímeros e sim pelo seu descarte de forma inadequada. A reciclagem 
sistemática dos polímeros é a solução para minimizar esse impacto ambiental. 
36 
 
Entre as possíveis alternativas para a destinação final de resíduos podem-se destacar a 
deposição em aterros e a reciclagem que, além de reduzir a necessidade de criação de novos 
aterros, possibilita a redução da utilização de novos recursos naturais não renováveis (MODRO 
et al. 2009). 
Para Manzini & Vezzoli (2002), a grande solução para os resíduos sólidos é aquela que 
prevê a máxima redução da quantidade de resíduo na fonte geradora. Quando os resíduos não 
podem ser evitados, deverão ser reciclados por reutilização ou recuperação, de tal modo que 
seja o mínimo possível o que tenha como destino final os aterros sanitários. 
Milhões de dólares são gastos em logística, distribuição e marketing visando estimular 
um aumento do consumo. Entretanto, o fluxo inverso, que faz confluir o material usado dos 
lares para as instalações de reciclagem não foi pensado, na maioria das cadeias produtivas. 
Diferente do que acontece com as latinhas de alumínio, ainda não há uma cultura para a 
reciclagem de garrafas PET. Entretanto, quando devidamente separadas, as embalagens PET 
proporcionam para a cadeia de reciclagem o segundo melhor rendimento no comércio de sucata. 
Sua reciclagem, utiliza apenas 30% da energia necessária para a produção da resina virgem, e 
tem a vantagem de poder ser reciclado várias vezes. 
De acordo com Paoli et al. (2009), a reciclagem de polímeros é classificada em quatro 
categorias: primária; secundária; terciária; e quaternária. Tanto a reciclagem primária como a 
secundária também são conhecidas como reciclagem mecânica, o que diferencia uma da outra 
é que na primária utilizam-se polímeros pré-consumo e na secundária, polímeros pós-consumo. 
A reciclagem terciária também é chamada de química e a quaternária de energética. 
No Brasil a principal reciclagem praticada é a mecânica, esse processo, a partir de 
garrafas, produz flocos ou grãos e geralmente consistem nas seguintes etapas: seleção; 
trituração, moagem; lavagem; separação por diferença de densidade; secagem e extrusão 
(opcional). Após a secagem dos flocos, o material pode ser extrusado e transformado em grãos 
para várias aplicações. Este passo é crítico, pois durante o processo de fusão do material para 
produção dos grãos, a presença de pequenas quantidades de contaminantes pode causar a 
degradação, diminuindo a qualidade e limitando as suas aplicações. 
Os principais contaminantes do PET, listados pelo CEMPRE (2005) são: cola, outros 
plásticos, em especial o PVC (Policloreto de Vinila), metais, areia e terra, além de ferrugem. 
Outro problema, é a recorrência de embalagens multicoloridas entre vários produtos embalados 
37 
 
com PET, denotando um foco gerencial muito mais centrado na ampliação do consumo do que 
na responsabilidade ambiental. 
Segundo a Associação Brasileira da Indústria do PET (2014), a indústria de reciclagem 
de polímeros no Brasil é constituída por cerca de 490 empresas recicladoras, 80% delas 
concentradas na região Sudeste. O maior impedimento para o crescimento da reciclagem no 
Brasil é a alta carga tributária que incide sobre a matéria-prima reciclada. Entretanto, é uma das 
mais desenvolvidas no mundo, a nona edição do censo aponta crescimento de 12% na 
reciclagem de PET e relata que foram coletadas 331 mil toneladas de embalagens PET, 
confirmando que a reciclagem de PET chega a 840 mil toneladas apresentando um aumento de 
8% desde 2011. A ABIPET e Petroquímica Suape (2013) levam em consideração para esta 
estimativa, eventos internacionais importantes como a Copa do Mundo e as Olímpiadas, 
durante este período. 
Cerca de 57,1% do PET consumido no Brasil são reciclados, entretanto, mesmo sendo 
um dos maiores recicladores do mundo, evidencia-se que 42,9% desse resíduo não são 
reciclados. Senso o descarte pós-consumo realizado em aterros, implicando em sérios 
problemas ambientais (ABIPET, 2012). 
Ao se recuperar, reciclar ou reutilizar um produto, que seria eliminado de forma 
adequada ou não, reduzem-se as fontes de poluição, os impactos ambientais e também o uso de 
recursos naturais, ao mesmo tempo em que se proporciona a preservação ambiental, a proteção 
do meio ambiente e a melhoria da qualidade de vida da população. 
Neste contexto, Gonçalves & Tommaselli (2015), afirmam que utilizar os resíduos de 
PET em outras áreas industriais é um dos métodos mais aceitáveis para a coleta e tratamento de 
resíduos. 
Em relação à utilização do PET como materialsuporte em reatores biológicos de leito 
fluidizado, há ausência de obras relevantes na literatura científica. A avaliação do desemprenho 
do PET é dependente de alguns parâmetros. Entretanto, para a coletas desses, faz-se necessário 
a utilização de um sistema de controle que possibilite mensurar as relevantes variáveis do 
processo.
38 
 
2.7 SISTEMA DE CONTROLE 
Com a necessidade do aumento da produtividade, no início do século XX, surgiram 
diversas inovações tecnológicas como, por exemplo: máquinas modernas capazes de produzir 
com maior rapidez e precisão em relação ao trabalho manual; utilização de fontes alternativas 
de energia, como o vapor em substituição de energia muscular e hidráulica. Com o advento da 
computação eletrônica, a tecnologia da automação passou a contar com computadores, 
servomecanismos e controladores programáveis. 
Ogata (2010), afirma que o controle automático é um componente importante e 
intrínseco em sistemas espaciais, sistemas robóticos, modernos sistemas de manufatura e 
quaisquer operações industriais que envolvam, por exemplo, o controle de temperatura, pressão, 
umidade, viscosidade, vazão. Os instrumentos de medições e controle permitem manter 
constantes as variáveis do processo, objetivando a melhoria da qualidade e a segurança. 
De acordo com Negri (2004), quase toda planta industrial precisa de algum tipo de 
controlador para garantir uma operação segura e economicamente viável. No nível mais 
simples, uma planta pode consistir basicamente de um motor elétrico acionando um ventilador 
para controlar a temperatura de uma sala. No extremo oposto, uma planta pode ser um reator 
nuclear para produção de energia para milhares de pessoas. Os processos industriais podem 
facilmente impressionar pela sua complexidade. Entretanto, muitos processos podem ser 
simplificados através da divisão em sub-processos menores. Estes podem ser classificados em 
três categorias, tais como: monitoração; sequenciamento e; malha de controle. 
O subsistema monitoração mostra os estados do processo para o operador e destaca as 
condições anormais que necessitam que seja tomada alguma ação. Os valores mensurados de 
temperatura, pressão, vazão, e entre outros, são exibidos para o operador através de indicadores, 
medidores, gráficos de barras ou nas telas do computador. Os sinais também podem ser tratados 
para as condições de alarme do processo através de lâmpadas e sinais sonoros. Muitos sistemas 
de monitoração também registram o consumo de matérias primas e energia com a finalidade de 
contábeis. O sistema também pode criar advertências automáticas quando os componentes 
críticos precisam ser substituídos. 
A grande maioria dos processos podem ser descritos através de uma sequência pré-
definida de ações que devem ser executadas em uma determinada ordem. Nestes sistemas, não 
é possível definir uma combinação de entradas, resultando em determinadas saídas, estas são 
39 
 
dependentes de uma sequência de entradas já ocorridas. Os subsistemas de sequenciamento têm 
uma série de vantagens sobre os sistemas baseados em condições momentâneas das entradas, 
como ocorre na lógica combinatória, facilitando o diagnóstico de falha em um transdutor. 
Muitos subsistemas manipulam as variáveis analógicas como temperatura, vazão ou 
pressão, as quais devem ser mantidas automaticamente em um determinado valor desejado ou 
seguir o valor de outro sinal. A Figura 5 apresenta um diagrama de blocos deste sistema. 
Figura 5. Diagrama de blocos de uma malha de controle 
 
Fonte: adaptado Ogata (2010) 
A variável de processo chamada de PV (Process Value) deve ser mantida no valor 
desejado denominado de SP (Setpoint). 
A variável é medida por um transdutor e comparado com o valor do SP, gerando um 
sinal de erro. Este sinal é passado para o algoritmo de controle que calcula o sinal de saída para 
o atuador com objetivo de corrigir a variável do processo, ajustando o atuador até eliminar o 
sinal de erro. 
O sistema deve ser alimentado com os parâmetros essenciais para o funcionamento, tais 
informações iniciais são descritas geralmente em um software dedicado à programação. Estas 
sequências de ações indicadas ao sistema devem ser escritas em uma linguagem de 
programação compatível, para que a comunicação aconteça de forma efetiva. 
2.7.1 Linguagem de Programação 
Para a elaboração de um sistema de controle, faz-se necessário o conhecimento do 
processo como um todo. E para a organização das atividades envolvidas, uma programação de 
fácil compreensão torna inteligível este trabalho, que de modo geral, é complexo. Nesse 
contexto, adota-se neste projeto a utilização da Linguagem de Modelagem Unificada. 
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A UML é uma linguagem visual para especificar, construir e documentar os artefatos 
dos sistemas. A palavra visual na definição é um ponto chave, pois trata-se de uma notação 
diagramática padrão, de fato, para desenhar ou representar figuras relacionadas a software. 
O Diagrama de atividade é um diagrama definido pela UML, e representa os fluxos 
conduzidos por processamentos. É essencialmente um gráfico de fluxo, mostrando o processo 
de controle de uma atividade para outra. Comumente isso envolve a modelagem das etapas 
sequenciais em um processo computacional. 
Os diagramas de atividade não são importantes somente para a modelagem de aspectos 
dinâmicos de um sistema ou um fluxograma, mas também para a construção de sistemas 
executáveis por meio de engenharia de produção reversa. 
2.7.2 Microcontroladores 
Na década de 70, começaram a ser utilizados microprocessadores em computados para 
uma melhor eficiência no processamento de dados. Com base na arquitetura de um 
microprocessador e seus periféricos, foi criado um componente que, fisicamente integrados em 
uma única unidade, comportava todo um sistema equivalente, surgindo assim o 
microcontrolador. 
Como usuários, muitas vezes as automações que nos cercam nem são percebidas, 
mesmo com o uso cada vez maior destas tecnologias. Já os pesquisadores, engenheiros, 
cientistas e técnicos que projetam e implementam estas automações precisam não só conhecer 
bem o componente eletrônico em questão, mas também as linguagens e ferramentas de 
programação adequadas ao desenvolvimento de suas aplicações, diferenciando as 
características das linguagens e conhecendo as ferramentas de programação e compiladores 
existentes (OLIVEIRA, 2012). 
Com o passar dos anos e com os avanços da tecnologia, os microcontroladores 
tornaram-se uma das melhores relações custo/benefício em tratando-se de soluções que 
demandam processamento, baixo custo de hardware e pequena necessidade de espaço físico. 
A utilização de componentes eletrônicos (tais como sensores, atuadores eletromecânicos 
e circuitos de controle) no controle e acionamento de sistemas mecânicos não é recente. No 
entanto, foi o atual desenvolvimento dos circuitos integrados miniaturizados que possibilitou a 
produção em larga escala e baixo custo de microprocessadores dedicados. 
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De acordo com Souza (2005), trata-se de um pequeno componente eletrônico, dotado 
de uma memória programável, utilizado no controle de processos lógicos. Afirma ainda que 
“em uma única pastilha de silício encapsulada, existem todos os componentes necessários ao 
controle de um processo”. Dessa forma, o microcontrolador está provido internamente de 
memória de programa, memória de dados, portas de entrada e saída, contadores, comunicação 
serial, conversores analógico-digitais entre outros. 
Deste modo, eles estão presentes em quase tudo o que envolve a eletrônica, diminuindo 
o tamanho, facilitando a manutenção e gerenciando tarefas internas de aparelhos 
eletroeletrônicos.