No meio científico são bastante utilizados os modelos matemáticos para avaliar as características hidrodinâmicas de reatores, porém a literatura é pobre em informações relativas à aplicação do equacionamento matemático em regime não-permanente. Neste trabalho foi aplicado um modelo matemático simulando a hidrodinâmica de reatores tubulares com dispersão para avaliar o efeito da variação de vazão afluente sobre os parâmetros hidrodinâmicos. As simulações foram efetuadas considerando vazão e volume constantes, vazão e volume variáveis e vazão variável e volume constante. Foi investigada a influência de dois tipos de ensaios estímulo-resposta, pulso e degrau, para aplicação de modelos matemáticos e determinação das curvas de distribuição do tempo de residência (DTR) experimentais. Teoricamente ambos devem fornecer os mesmos resultados embora o ensaio em pulso costume apresentar maior sensibilidade experimental. Conforme esperado, ambos os ensaios apresentaram os mesmos resultados finais. Também foram avaliados os traçadores empregados nos dois tipos de ensaios estímulo-resposta, pulso e degrau. Foram empregados três traçadores diferentes - verde de bromocresol, azul de bromofenol e eosina Y que proporcionaram curvas com diferentes características. Como ferramenta auxiliar da modelação foram estudas a determinação das curvas DTR experimentais com auxílio de duas técnicas distintas. Para calibrar o modelo matemático proposto foram utilizados dados de reatores em escala de bancada com diferentes configurações submetidas a variações de vazões afluentes. Os dados de um reator UASB em escala piloto - submetido a variações cíclicas de vazão afluente de 40 e 60% - foram empregados para calibrar e verificar o modelo matemático proposto. Os resultados encontrados com o modelo matemático proposto nesta pesquisa demonstraram que a variação de vazão afluente não deve ser negligenciada. O modelo utilizado representou adequadamente o reator UASB. Seus resultados, quando comparados aos modelos matemáticos que não consideram a variação de vazão, mostraram que para flutuações de vazão elevadas, vazões com valores até 60% maiores do que a vazão média, os valores dos coeficientes de difusão diferem significativamente em função das hipóteses empregadas no desenvolvimento do modelo matemático. / Mathematical models for hydrodynamic characteristics evaluation of reactors are commonly used however there is a lack of information in the literature concerning the application of mathematical modeling for non-steady state flow. In this thesis, it is presented a non-steady mathematical model to simulate the hydrodynamic behavior of pipe flow reactors with diffusion in order to evaluate the effect of the variation of the influent flowrate in the hydrodynamic parameters. The simulations were performed considering constant flowrate and volume, variable flowrate and volume and, variable flowrate and constant volume. It was investigated the influence of two types of stimulus-response assays, pulse and step function, on the application of mathematical models and the determination of the experimental retention time distribution curves. Theoretically, both tests should provide the same results although the pulse stimulus assay usually presents higher experimental sensitivity. As it was expected, both tests presented the same final results. The tested tracers were also evaluated in relation to the pulse and step stimulus-response tests. Three tracers were tested (bromocresol green, bromophenol blue and eosin Y) and it was shown that they provided different curves. It was studied the construction of the experimental retention time distribution curves using two procedures as an auxiliary tool for modeling. The proposed mathematical model was calibrated with data of bench scale reactors submitted to different cyclical variations of flowrates. Moreover, data of UASB reactor in pilot scale - submitted to 40 and 60% of cyclical variations of flowrates were utilized to calibrate and verify the obtained mathematical model. The results found with the mathematical model proposed in this research showed that the variations in influent flow rate can not be neglected. The model adequately represented a pilot scale UASB reactor. The results showed that the diffusion coefficients differ significantly for high flowrate fluctuations, when compared to other mathematical models that do not incorporate variable flowrate, depending upon the hypothesis used to derive the model.

Este estudo investigou a aplicação de um AnSBBR com recirculação da fase líquida tratando água residuária a base de glicerina (efluente do processo de produção de biodiesel) para a produção de biohidrogênio, sendo o desempenho do biorreator avaliado de acordo com a influência conjunta do tempo de alimentação, do tempo de ciclo e da concentração afluente. O biorreator teve um volume de meio tratado por ciclo de 1,5 L, volume residual de meio de 2,0 L e volume de suporte inerte com biomassa de 2,1 L, sendo mantido a 30°C durante todo o estudo. O trabalho foi divido em três fases: a Fase I foi realizada para determinar os melhores parâmetros de operação do reator (tipo de inóculo, tipo de glicerina, tipo de suporte, concentração de NaHCO3 e velocidade ascensional) para dar seguimento com a Fase II que estudou apenas o efeito da concentração do afluente, tempo de ciclo e tempo de enchimento. Os parâmetros utilizados na Fase II foram: lodo de abatedouro de aves pré-tratado por HST (Heat Shock Treatment 90°C por 10 minutos) como inóculo, glicerina pura comercial para eliminar interferência de possíveis resíduos, suporte de PEBD (polietileno de baixa densidade) e 100 mg.L-1 de NaHCO3. Na Fase II, foram aplicadas 6 condições experimentais com cargas orgânica volumétrica (COVAS) de 7,7 a 17,1 gDQO.L-1.d-1, combinando diferentes concentrações afluentes (3000, 4000 e 5000 mgDQO.L-1) e tempos de ciclo (4 e 3 h), sendo o tempo de alimentação igual a metade do tempo de ciclo. Os resultados mostraram que houve baixa remoção de DQO (máximo de 38% para amostras filtradas) e que houve predomínio do ácido acético e do ácido butírico em todas as condições. O aumento da XV concentração do afluente e a diminuição do tempo de ciclo favoreceram a produtividade e rendimento molares de hidrogênio nas condições investigadas. O ensaio com melhores resultados foi com carga orgânica de 17,1 gDQO.L-1.d-1 no qual obteve-se 100,8 molH2.m-3.d-1 e 20,0 molH2.kgDQO-1, com 68% de H2 e apenas 3% de CH4 no biogás. Na Fase III, determinou-se a influência do pré-tratamento do inóculo e a viabilidade do sistema tratando glicerina bruta industrial, sendo verificado que o pré-tratamento do lodo por HST melhora ligeiramente a produtividade e rendimento do processo e o uso da glicerina bruta industrial diminuiu consideravelmente a quantidade e qualidade do biogás obtido. / This study investigated the feasibility of an AnSBBR with recirculation of the liquid phase treating glycerin-based wastewater (effluent from biodiesel production process) on biohydrogen production; the performance of the bioreactor was evaluated according the combined influence of fill time, cycle period and influent concentration. The bioreactor had 1.5L of feeding volume per cycle, 2.0 L of residual medium, 2.1 L of inert support and biomass and it was kept at 30°C. This study was divided into three phases. Phase I was conducted to determine the best operational parameters for the reactor (type of inoculum, type of glycerin, type of support for biomass, NaHCO3 concentration and upflow velocity), so Phase II would use these parameters to study only the influence of affluent concentration, cycle time and filling time. The parameters used in Phase II were: sludge from poultry slaughterhouse pretreated by HST (Heat Shock Treatment 90°C for 10 minutes) as inoculum, pure glycerin so there would be no interferences from possible residues, LDPE (low density polyethylene) support, 100 mg.L-1 of NaHCO3 and 10.6 m.h-1 of upflow velocity. Phase II was operated under six conditions with different AOLRS ranging from 7.7 to 17.1 gCOD.L-1.d-1, obtained by the combination of different influent concentrations (3000, 4000 and 5000 mgCOD.L-1) and cycle periods (4 and 3 h), the filling time was equal to half of the cycle lenght. The results showed low COD removal (maximum of 38% for filtrated samples) and high concentrations of acetic acid and butyric acid in all conditions. Increasing the affluent concentration and decreasing the cycle length improved the molar productivy and hydrogen yield in the XVII investigated conditions. The condition with better results was the one operated with 17.1 gCOD.L-1.d-1 of AVOL, it reached 100.8 molH2.m-3.d-1 and 20.0 molH2.kgCOD-1, with 68% of H2 and only 3% of CH4 in its biogas. Phase III determined whether there is a real influence on the pretreatment of the sludge and the feasibility of this system treating industrial glycerin, the results show that the pretreatment of the sludge by HST slightly improves the productivity and the process yield and the wastewater made from industrial glycerin substantially decreased the quantity and the quality of the biogas generated.