Aplicação do Processo Combinado AO-Fenton-BAC no Tratamento de Drenagem Externa Circulante de Usina Hidrelétrica Descrição

Aplicação do Processo Combinado AO + Tanque de Reação Fenton + BAC para Tratamento de Drenagem Externa Circulante em Usinas de Energia

O sistema de circulação de água é um sistema de resfriamento essencial necessário para as operações da usina. Seu princípio envolve a introdução de água fria no condensador para circulação contínua para resfriar as unidades. O sistema atinge o equilíbrio através da purga contínua e do reabastecimento com novas fontes de água. Parte da água do sistema de circulação de água é aquecida e gera vapor, que é descarregado na atmosfera pela parte superior, enquanto outra parte é descarregada no meio ambiente como drenagem externa circulante da usina.

Atualmente, a maioria das usinas domésticas utiliza um processo de “pré-tratamento + ultrafiltração + osmose reversa” para tratar a drenagem externa circulante. No entanto, o processo de ultrafiltração e osmose reversa tem vários problemas: (1) Processos de pré-tratamento inadequados resultam em efeitos de pré-tratamento insatisfatórios, o que reduz a eficiência do tratamento de processos subsequentes. (2) Durante a operação, as membranas ficam frequente e severamente obstruídas por poluentes, exigindo que os operadores realizem limpeza química frequente da membrana, encurtando a vida útil da membrana, necessitando de substituição frequente da membrana e resultando em altos custos de substituição da membrana. Inibidores de incrustações e inibidores de corrosão precipitam durante a operação, obstruindo filtros de cartucho e membranas de osmose reversa, levando à limpeza química frequente da membrana e à substituição do cartucho de filtro durante a operação. Além disso, inibidores de incrustação e inibidores de corrosão reagem facilmente com íons de alta valência, afetando a formação de flocos, resultando em baixa eficácia de coagulação. (3) Os sistemas de membrana requerem elevados investimentos em construção e exigem elevado conhecimento técnico dos operadores durante a operação e manutenção.

Uma estação abrangente de tratamento de águas residuais em uma determinada usina adotou o processo combinado AO + tanque de reação Fenton + BAC para tratar a drenagem externa circulante. Este processo não só alcança boa qualidade de efluentes e operação simples, mas também reduz significativamente os custos operacionais da planta e protege o ambiente ecológico circundante.
 

1 Análise da Qualidade de Águas Residuais

A drenagem externa circulante da usina provém principalmente da água utilizada nas unidades de refrigeração através da circulação contínua no condensador. Este tipo de efluente é caracterizado por baixa concentração de matéria orgânica e baixa biodegradabilidade. Além disso, para evitar incrustações na tubulação durante a recirculação da água de resfriamento, a usina adiciona regularmente inibidores de incrustações e inibidores de corrosão à água circulante, resultando em um teor relativamente alto de nitrogênio total na água de resfriamento circulante. Outras características incluem alta salinidade, altas concentrações de íons de alta valência, como Fe³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Al³⁺, e dureza relativamente alta.

Com base nessas características das águas residuais, a estação de tratamento de águas residuais abrangente instalou primeiro um tanque AO para remover o nitrogênio amoniacal e o nitrogênio total das águas residuais. Posteriormente, foi instalado um tanque de reação Fenton após o processo de tratamento biológico para gerar oxidantes fortes através da reação química entre o peróxido de hidrogênio e o sulfato ferroso, decompondo compostos orgânicos recalcitrantes em facilmente degradáveis ​​e reduzindo a demanda química de oxigênio e fósforo total. Por fim, um tanque de sedimentação de tubo inclinado e um tanque BAC foram utilizados para remover SS e nitrogênio amoniacal, obtendo conformidade.

2 Visão Geral do Projeto

2.1 Vazão e Qualidade da Água

A vazão é de 220 m³/h. A qualidade da água afluente foi determinada com base em dados de monitoramento, e a qualidade do efluente deve atender aos padrões de descarga Classe A do "Padrão de Descarga de Poluentes para Estação de Tratamento de Águas Residuais Municipais" (GB18918-2002). Como mostrado emTabela 1, as águas residuais influentes neste projeto são caracterizadas por altos DQOcr, nitrogênio total, fósforo total e SS, com nitrogênio amoniacal e fósforo total relativamente baixos.

 2.2 Principais Desafios do Projeto

As águas residuais neste projeto circulam pela drenagem externa da usina. Os principais desafios no tratamento são os poluentes recalcitrantes, como CODcr, fósforo total e nitrogênio total nas águas residuais de produção.

(1) As águas residuais têm baixa relação B/C. Durante a operação real deste projeto, o afluente pode conter uma quantidade significativa de matéria orgânica recalcitrante que é difícil de biodegradar, com uma relação B/C de aproximadamente 0,08, que se enquadra na categoria difícil-de{4}}biodegradar. O processo de tratamento para este projeto precisa incorporar medidas avançadas de oxidação para aumentar a relação B/C e, assim, melhorar a biodegradabilidade. Isto representa um desafio fundamental no tratamento das águas residuais deste projeto.

(2) As águas residuais contêm elevados níveis de compostos orgânicos macromoleculares, que são difíceis de remover apenas através do tratamento biológico convencional. Este é outro desafio importante no tratamento das águas residuais deste projeto.

(3) Para reduzir os custos operacionais e melhorar a eficiência do projeto, o projeto deve minimizar o número de bombas utilizadas para elevar águas residuais e lamas e aproveitar ao máximo o fluxo por gravidade. Isto representa um foco principal para este projeto e é altamente significativo para a redução de custos operacionais.

2.3 Processo de Tratamento

(1) Processo de pré-tratamento. As águas residuais deste projeto contêm muitos tipos de poluentes, têm composição complexa e apresentam variação significativa de pH, tornando o tratamento abrangente difícil e caro. Um tanque de equalização foi instalado separadamente no processo de pré-tratamento para homogeneizar e equalizar a vazão, reduzindo o impacto das flutuações na qualidade da água no sistema de tratamento de águas residuais.

(2) Processo de tratamento biológico. O processo precisa ser avançado, maduro, eficiente, fácil de operar, altamente inteligente, exigir espaço mínimo e ter baixos custos operacionais. O processo "AO" foi selecionado para este projeto. Este processo é amplamente utilizado na China, apresentando tecnologia avançada e madura, alta eficiência de purificação, fabricação conveniente, baixa produção de lodo residual e qualidade confiável de efluentes.

(3) Processo de tratamento avançado. O processo “oxidação Fenton + tanque de sedimentação de tubo inclinado + BAC” foi selecionado como processo de tratamento avançado para este projeto. Este processo utiliza os fortes radicais livres oxidantes gerados pela reação de Fenton para oxidar e decompor compostos orgânicos recalcitrantes residuais, convertendo-os em compostos orgânicos que podem ser degradados por microrganismos naturais. Simultaneamente, aumenta a remoção de fósforo através de medidas químicas, servindo como salvaguarda para garantir a conformidade total do fósforo. Posteriormente, a remoção da matéria orgânica é completada através da sedimentação no tanque de sedimentação de tubo inclinado e da adsorção e biodegradação no tanque BAC, atendendo aos padrões de descarga.

(4) Processo de tratamento de lamas. O tanque de espessamento de lodo possui forte capacidade de armazenamento, baixo consumo de energia, baixos custos operacionais e operação simples. A prensa de rosca possui baixos custos de equipamento e manutenção, ocupa espaço mínimo, consome menos produtos químicos, produz baixo ruído e atinge secagem da torta de lodo entre 20% e 25%, demonstrando bom desempenho de desidratação.

2.4 Diagrama de Fluxo do Processo

A estação de tratamento de águas residuais adota o processo "tanque AO + tanque de sedimentação secundário + tanque de reação Fenton + tanque de sedimentação de tubo inclinado + BAC + tanque de desinfecção", conforme mostrado emFigura 1.

2.5 Unidades e Funções de Processo

(1) Tanque de equalização. Reduz o impacto das flutuações de carga orgânica nos processos de tratamento subsequentes, evita que mudanças rápidas na vazão ou na qualidade da água afetem os processos de tratamento a jusante (biológicos ou químicos) e mantém um ambiente estável para microrganismos em processos de tratamento biológico e um ambiente de reação estável em processos de tratamento químico. Bombas submersíveis são instaladas no tanque para elevar as águas residuais até o tanque anóxico.

(2) Tanque AO. O tanque AO está equipado com embalagem combinada e misturadores submersíveis. A embalagem combinada proporciona amplo espaço para microorganismos desnitrificantes e microorganismos aeróbios, enquanto os misturadores submersíveis garantem distribuição uniforme de matéria orgânica na água. No tanque anóxico, a maior parte do nitrogênio amoniacal é removida. No tanque aeróbico, a maior parte da matéria orgânica é removida, o nitrogênio amoniacal é convertido em nitrogênio nitrato e um ambiente aeróbico é criado para que os organismos acumuladores de fósforo absorvam o fósforo. O lodo-rico em fósforo é finalmente removido no tanque de sedimentação secundário como lodo.

(3) Tanque de sedimentação secundário. O tanque de sedimentação secundário está equipado com um raspador de ponte móvel e bombas de lodo. Após a sedimentação, o lodo é raspado para dentro da tremonha de lodo pelo raspador da ponte móvel e depois bombeado para o tanque de lodo por bombas de lodo, reduzindo significativamente o SS nas águas residuais.

(4) Tanque de reação Fenton. Em pH baixo, o H₂O₂ é decomposto cataliticamente pelo Fe²⁺ para produzir ·OH, que pode oxidar a maioria dos compostos orgânicos na água. Também pode oxidar completamente compostos orgânicos que são difíceis de tratar com reações de oxidação química biológica ou convencional. ·OH reage com substâncias orgânicas nas águas residuais, decompondo-as em CO₂ e água, reduzindo significativamente a concentração de compostos orgânicos difíceis-de-tratar nas águas residuais e aumentando a relação B/C, melhorando assim a eficiência do tratamento do tanque BAC subsequente.

(5) Tanque de sedimentação de tubo inclinado. O empacotamento do tubo inclinado no tanque de sedimentação do tubo inclinado agrega sólidos suspensos e flocos formados no tanque de reação Fenton na superfície dos tubos inclinados. Através da gravidade, o lodo se deposita no fundo e é bombeado para o tanque de espessamento de lodo por bombas de lodo, reduzindo o SS nas águas residuais.

(6) Tanque intermediário. Garante qualidade e vazão estáveis ​​de águas residuais, garantindo filtração uniforme e estável no filtro biológico de carvão ativado e melhorando a eficiência de filtração do tanque BAC.

(7) Tanque BAC e tanque de retrolavagem. O tanque BAC contém meio filtrante de carvão ativado, que possui forte capacidade de adsorção, filtrando efetivamente substâncias nocivas e microorganismos na água e removendo sólidos em suspensão. O tanque de retrolavagem é equipado com bombas de retrolavagem para retrolavar o meio filtrante no filtro, evitando entupimento.

(8) Tanque de desinfecção. O hipoclorito de sódio é adicionado ao tanque para matar bactérias nocivas na água, reduzindo o conteúdo bacteriano nocivo das águas residuais.

(9) Tanque de lodo e prensa de rosca. O lodo do tanque AO, do tanque de sedimentação secundário, do tanque de sedimentação de tubo inclinado e do tanque BAC é bombeado para o tanque de lodo por bombas de lodo. Após o espessamento, o lodo é bombeado para a prensa de parafuso por bombas de lodo (com adição de PAM catiônico durante a desidratação). Através do tanque espessante de lodo e da prensa de rosca, o teor de umidade do lodo é reduzido significativamente, facilitando o descarte.

2.6 Características do Processo Combinado

(1) O tanque AO tem alta eficiência de remoção de matéria orgânica, nitrogênio amoniacal e outros poluentes nas águas residuais. No tanque anóxico, as bactérias consomem compostos orgânicos contendo C para complementar sua energia e reduzir o nitrogênio nitrato retornado do tanque aeróbico em N₂, completando a desnitrificação e ao mesmo tempo removendo parte do DBO₅. As reações de hidrólise também ocorrem no tanque anóxico, aumentando a relação B/C das águas residuais e melhorando a sua biodegradabilidade. No tanque aeróbio, a maior parte da matéria orgânica e do fósforo são removidas, e o nitrogênio amoniacal é convertido em nitrogênio nitrato.

(2) O tanque de reação Fenton usa reagentes Fenton oxidantes fortes (Fe²⁺ e H₂O₂ misturados em uma certa proporção) para produzir ·OH altamente oxidante, o que proporciona bons efeitos de tratamento de oxidação. Os produtos de reação CO₂ e água não são-tóxicos e inofensivos. O processo possui boas características operacionais, velocidade e custo de tratamento relativamente baixos à temperatura ambiente, alta eficiência de oxidação, baixos custos de tratamento e pode reduzir significativamente a dificuldade de tratamento de águas residuais.

(3) Do ponto de vista empresarial, organizar primeiro o tanque AO e depois o tanque de reação Fenton reduz significativamente os custos operacionais em comparação com organizar primeiro o tanque de reação Fenton e depois o tanque AO. Se o tanque de reação Fenton fosse colocado primeiro e depois o tanque AO, a carga orgânica no tanque AO aumentaria, exigindo que ele tratasse moléculas orgânicas de alta valência formadas a partir da oxidação de compostos orgânicos recalcitrantes no tanque de reação Fenton. Isto exigiria a adição de grandes quantidades de fontes de carbono durante a operação, aumentando significativamente os custos de aquisição de fontes de carbono e os custos operacionais. Organizar primeiro o tanque AO e depois o tanque de reação Fenton permite o tratamento de matéria orgânica degradável na seção frontal e matéria orgânica recalcitrante na seção traseira, reduzindo os custos operacionais e diminuindo significativamente a concentração de matéria orgânica nas águas residuais.

(4) Considerando a elevada DQO no afluente, o BAC foi selecionado como o processo de tratamento avançado para reduzir ainda mais a matéria orgânica nas águas residuais. O carvão ativado possui uma grande área superficial específica, permitindo a adesão da matéria orgânica e dos microrganismos, ampliando seu tempo de contato e melhorando assim a eficiência da decomposição microbiana. Além do carvão ativado, o tanque também é equipado com sistema de aeração, que não só aumenta a velocidade de movimentação da matéria orgânica na água, fornece oxigênio aos microrganismos e melhora a eficiência da purificação, mas também promove o contato entre microrganismos suspensos e substâncias orgânicas no afluente, aumentando a eficiência do tratamento dos microrganismos suspensos.

2.7 Unidades e Parâmetros de Processo

As unidades de processo e parâmetros para este projeto são mostrados emTabela 2.

3 Status da Operação

Este projeto foi aprovado em junho de 2022, com todos os indicadores poluentes no efluente atendendo aos padrões de lançamento especificados, mostrados emTabela 3.

4 Custos Operacionais

Os custos operacionais totais para este projeto são mostrados emTabela 4.

5 Benefícios Econômicos, Sociais e Ambientais

5.1 Benefícios Econômicos 

A implementação deste projecto traz benefícios económicos significativos. Primeiro, reduz os custos empresariais. Sem este projeto, o tratamento da drenagem externa circulante da central exigiria a subcontratação a entidades qualificadas. Devido à alta concentração e grande volume de drenagem externa circulante, os custos de terceirização de tratamento e transporte são elevados. A não terceirização do tratamento para entidades qualificadas resultaria em multas por parte das autoridades competentes. Portanto, a implementação deste projeto reduz significativamente os custos de tratamento de águas residuais do empreendimento e potenciais multas. Em segundo lugar, reduz os custos sociais. Se a drenagem externa circulante fosse descarregada sem tratamento, a poluição da água resultante reduziria os rendimentos agrícolas e pesqueiros, afectando o desenvolvimento da agricultura e da pesca circundantes. Assim, a implementação deste projeto reduz significativamente os custos sociais. Terceiro, reduz indiretamente as despesas médicas dos residentes. Sem este projecto, o ambiente das águas subterrâneas ficaria inevitavelmente poluído, colocando em perigo a saúde dos residentes circundantes e aumentando significativamente as suas despesas médicas. Portanto, a implementação deste projeto reduz indiretamente as despesas médicas dos residentes. Finalmente, aumenta o valor da terra. A implementação deste projeto reduz a poluição proveniente da drenagem externa circulante da central, tornando os terrenos envolventes mais atrativos para investimento e construção de fábricas.

5.2 Benefícios Sociais

A implementação deste projeto traz benefícios sociais significativos. Primeiro, protege o ambiente aquático circundante. A descarga direta da drenagem externa circulante com altas concentrações de substâncias nocivas causaria grandes danos ao ambiente aquático circundante e afetaria o ecossistema aquático. Em segundo lugar, protege a saúde dos residentes próximos e melhora a sua qualidade de vida. A alta concentração de matéria orgânica na drenagem externa circulante faria com que os rios se tornassem pretos e odoríferos se fossem descarregados. Além disso, afectaria significativamente a qualidade da água, impossibilitando a sobrevivência de animais aquáticos, como os peixes, originando peixes-com mau cheiro e afectando o ambiente e a qualidade de vida dos residentes circundantes. Portanto, a implementação deste projeto protege enormemente a saúde dos moradores próximos.

5.3 Benefícios Ambientais

A implementação deste projecto reduz significativamente a poluição dos corpos de água circundantes proveniente da drenagem externa circulante da central eléctrica e protege o ambiente de vida dos residentes próximos. Reduz CODcr anual em aproximadamente 385 toneladas, BOD₅ em aproximadamente 23 toneladas, TN em aproximadamente 150 toneladas, TP em aproximadamente 3 toneladas e SS em aproximadamente 370 toneladas.

6 Conclusão

Este caso de projeto demonstra que o processo combinado AO + tanque de reação Fenton + BAC trata efetivamente os poluentes na drenagem externa circulante das usinas de energia, alcançando uma qualidade de efluente estável que atende aos padrões de descarga especificados. A redução da DQOcr chega a 85%, a redução total de nitrogênio chega a 87% e a redução total de fósforo chega a 90%. Embora as taxas de remoção de DBO₅ e nitrogênio amoniacal não sejam altas devido às suas baixas concentrações afluentes, elas ainda atendem consistentemente aos padrões. Isso demonstra que o processo combinado AO + tanque de reação Fenton + BAC alcança efeitos de tratamento significativos e excelente qualidade de efluente para drenagem externa circulante de usinas de energia. Este processo combinado pode atingir um alto grau de automação, possui baixos requisitos técnicos e oferece operação e gerenciamento simples. Ele fornece uma referência valiosa para outros projetos que tratam da drenagem externa circulante de usinas de energia, ao mesmo tempo em que proporcionam benefícios econômicos, sociais e ambientais significativos, sendo de grande importância para o desenvolvimento sustentável e a operação de usinas de energia.