A proposta deste trabalho foi a concepção de um modelo para o dimensionamento otimizado de sistemas para tratamento de água baseados na tecnologia de Ultrafiltração com membranas de fibra-oca pressurizadas. O modelo relaciona o comportamento das membranas com a qualidade da água bruta através de resultados de ensaios em unidade piloto ou de bancada e equações de bloqueio de poros. A validação desta relação foi realizada através da análise dos dados de uma planta piloto operada em dois períodos distintos em regimes de fluxo variando de 60 a 70L/m².h e alimentada com água bruta proveniente de um manancial de superfície. Os resultados apontaram para a predominância do mecanismo de obstrução através da formação de torta e indicaram uma boa aderência das equações do modelo físico à realidade observada. Variáveis econômicas foram incorporadas ao modelo de forma a permitir a otimização através da busca do mínimo custo total de propriedade. Uma análise de sensibilidade demonstrou que os parâmetros de projeto mais impactantes no custo total, quantidade de membranas, duração do ciclo de filtração e duração do ciclo de contralavagem, podem variar seu peso em diferentes regiões do mundo influenciando o dimensionamento. Outras variáveis de projeto como a vazão de ar de limpeza demonstraram ser pouco significantes para a redução do custo total. A otimização do modelo foi realizada através de um algoritmo de busca numérica para as variáveis de duração do ciclo de filtração e quantidade de membranas, os resultados a partir das informações colhidas na planta piloto levaram a um projeto arrojado, porém dentro das recomendações gerais dos fabricantes de membranas. Como conclusão é possível afirmar que o modelo de dimensionamento do projeto é capaz de reduzir os custos totais de uma estação de tratamento de água baseada na tecnologia de ultrafiltração além de demonstrar potencial para a otimização dinâmica de plantas já instaladas. / The goal of this work was the development of an optimal design model for water treatment plants based in the pressurized hollow-fiber ultrafiltration membrane technology. The model uses operational data from pilot plants or bench scale units as input and pore blocking equations to predict the behavior of the membranes. The correlation between the fouling model adopted and the pilot plant results was evaluated using a pilot plant operated in two different time frames with flux rates from 60L/m²h to 70L/m²h and fed with raw water from a lake. The results from this validation have shown that the major fouling mechanism is the cake filtration and the theoretical curves had a good fitting with the operational data. To allow the cost optimization, economic variables were added to the model. A sensitivity analysis demonstrated that the most significant design parameters on the overall cost were the membrane area, the duration of the filtration cycle and the duration of the backwash cycle. According to the analysis, since the costs of the commodities and membranes are different from a region to the other, the optimal system design will also be different. Other design parameters like the membrane aeration rate have shown almost no impact on the total operating cost. The model optimization for the membrane quantity and the filtration cycle duration was based on bi-dimensional discrete numeric algorithm. The results from the optimization using the pilot plant data were compatible with the typical ranges and limits proposed by the membrane manufacturers. The design model proposed was able to reduce the total costs of new plants and demonstrated a good potential for the dynamic optimization of existing plants.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-11082011-122538 |
| Date | 20 May 2011 |
| Creators | Peig, Daniel Brooke |
| Contributors | Mierzwa, José Carlos |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | Dissertação de Mestrado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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