Utilização de Linguagem Python para Modelagem e Simulação do Modelo de Silva e Cerqueira no Tratamento de Efluentes por Microalgas
Algoritmo. Remoção de nutrientes. Modelagem. Crescimento Microalgal.
A presença excessiva de nutrientes como nitrogênio e fósforo em corpos hídricos é alvo atual de preocupação ambiental, utilizar microalgas na remoção desses nutrientes surge como uma alternativa promissora. A aplicação de ferramentas computacionais, permite desenvolver algoritmos que avaliem o comportamento e otimizem a eficácia dessa remoção. O presente estudo realizou a modelagem cinética do crescimento microalgal através do modelo clássico de Monod e do modelo de Silva e Cerqueira, encontrando as constantes cinéticas características e permitindo a modelagem e simulação de bioprocessos de tratamento de efluentes por microalgas. Foram empregados dados de literatura para dois estudos, no primeiro foi avaliada a remoção de nutrientes (contaminantes) por Chlorella sp. para o efluente proveniente de um combinado de digestão anaeróbia e um efluente de digestão anaeróbia de um tanque de decantação primário. No segundo estudo foi avaliada a remoção de nutrientes de um efluente urbano por um mix de microalgas (Chlorella vulgaris, Scenedesmus obliquus e Chlamydomonas reinhardtii). O algoritmo adotado mostrou-se adequado em ambos os estudos. Para solução do problema proposto o algoritmo PSO (Particle Swarm Optimization) foi implementado no software Spyder (ambiente de desenvolvimento integrado de código aberto para programação em Python), e o kit de ferramentas de pesquisa PYSWARMS foi utilizada para a otimização (biblioteca). Os parâmetros do modelo foram estimados minimizando a soma dos erros quadrados calculados e para avaliar o desvio da curva simulada e dos pontos experimentais utilizou-se o conceito de erro preditivo do modelo (MPE – Model Predictive Error) (%). Para a remoção de contaminantes a equação de ordem n mostrou-se mais adequada com ordem intermediária entre 1ª e 2ª sendo utilizada (ou seja, 1 < n < 2) e com constante 0 < k < 0,2 obtendo-se MPE entre 15-28% semelhante a visto em literatura. Utilizando o Modelo de Monod o algoritmo foi capaz de determinar μmax e Ks que se mostraram nos intervalos: 0 < μmax < 4 dia-1 e 0 < Ks < 50 mg/L com MPE entre 15-28%. Essas constantes puderam ser aplicadas no modelo de Silva e Cerqueira e se estudar a delimitação de m e p, que são específicas desse modelo. De fato, o modelo se mostrou muito sensível a essas constantes, conseguindo-se delimitar um intervalo para convergência: 0 < p < 0,5 e 0 < m < 2, obtendo-se para os mesmos dados testados em Monod um MPE entre 4-15% para Silva e Cerqueira (significativamente menor). m e p mostraram influência significativa na magnitude e curvatura da curva de crescimento microalgal. Os resultados mostraram houve bom ajuste do crescimento microalgal e que é possível associar vários contaminantes a o crescimento celular de microalgas.