Decantador de tubo inclinado em favo de mel para purificação de água de rio: estudo de caso de 10 anos na Wuhan Petrochemical

Decantador de tubo inclinado em favo de mel para purificação de água de rio: estudo de caso de 10 anos na Wuhan Petrochemical

Quando a Central Petroquímica de Wuhan utilizou pela primeira vez o rio Yangtze como fonte de água bruta, enfrentou oscilações sazonais extremas de turbidez e o desafio assustador de cumprir os padrões de água potável sem uma fase de filtração dedicada. Uma década depois, seu sistema integrado de floculação-sedimentação usando decantadores de tubos inclinados em favo de mel de polietileno fornece consistentemente turbidez de efluentes abaixo de 5 NTU. Veja exatamente como eles fizeram isso e o que seus dados operacionais significam para o seu próximo projeto de tratamento de água.

O DESAFIO DA ÁGUA BRUTA

A Usina Petroquímica de Wuhan extrai água bruta diretamente do rio Yangtze, onde a turbidez oscila dramaticamente entre as estações. As águas das cheias de verão transportam cargas extremamente elevadas de sólidos em suspensão, enquanto os fluxos de inverno caem para uma turbidez relativamente baixa. O sistema de tratamento original foi projetado como umprocesso integrado de remoção de areia, floculação e sedimentação, visando uma turbidez de efluente de 20 NTU para uso industrial. Foram construídas duas unidades de tratamento paralelas, cada uma medindo 30,0 m por 9,8 m e capacidade projetada de 2.000 metros cúbicos por hora. Uma unidade foi inicialmente equipada com placas inclinadas de madeira e a outra com tubos de papel alveolar. Criticamente, o sistemanão incluiu nenhuma etapa de filtração a jusante- o decantador tubular inclinado foi o único responsável por entregar a qualidade final do efluente.

PARÂMETROS DE PROJETO DE SISTEMA

Compreender a engenharia por trás deste tanque integrado revela por que ele funciona de forma tão confiável. O processo segue um caminho cuidadosamente sequenciado:Raw Water --> Coagulant Dosing --> Grit Chamber --> Flocculation --> Sedimentation --> Clear Water Tank --> Pressurization -->Rede de Distribuição. Cada estágio é dimensionado para otimizar um mecanismo de tratamento específico, e os valores do projeto foram selecionados com base em extensos testes piloto com água do Rio Yangtze.

Projeto da Câmara de Areia

A câmara de areia mede 12,0 m de comprimento e 3,0 m de largura, com profundidade efetiva de 1,5 m. No fluxo de projeto de 2.000 m³/h, isso produz uma velocidade de fluxo de0.15 m/se um tempo de retenção de aproximadamente2 minutos. Essa velocidade horizontal suave permite que areia grossa e partículas pesadas se assentem enquanto transportam sólidos suspensos mais leves para o estágio de floculação. As primeiras observações operacionais mostraram que os flocos realmente começaram a se formar aqui, o que mais tarde se mostrou significativo quando os misturadores mecânicos foram avaliados para remoção.

Sistema de Floculação em Dois Estágios

O processo de floculação emprega dois mecanismos distintos em série. Primeiro, umfloculador de pá(11,5 mx 4,0 mx 3,0 m de profundidade) com quatro estágios de mistura mecânica proporciona uma mistura inicial rápida com um tempo de retenção de 4 minutos. A intenção original era criar microflocos por meio de mistura de alta energia. A água então passa para umcanal de floculação confuso- um caminho serpentino de 82 metros de comprimento com largura de entrada de 0,6 m, expandindo-se gradualmente até uma largura de saída de 0,8 m. A 3,0 m de profundidade de água, a velocidade de entrada de 0,5 m/s diminui progressivamente para 0,3 m/s na saída, permitindo que os flocos cresçam através de cisalhamento hidráulico suave ao longo de aproximadamente13 minutosdo tempo de contato.

ESPECIFICAÇÕES DO TANQUE DE SEDIMENTAÇÃO E DO COLOCADOR DE TUBO INCLINADO

A bacia de sedimentação opera em modo ascendente com uma área superficial de 196 m²(20,0m x 9,8m). As placas inclinadas de madeira originais mediam 1.200 mm de comprimento e altura vertical de 850 mm, fixadas em uma inclinação de 60 graus com espaçamento entre placas de 40 mm. Os tubos de favo de mel de papel apresentavam umseção transversal hexagonal com diâmetro de círculo inscrito de 50 mm, comprimento do tubo de 800 mm, espessura de parede de 0,4 mm e o mesmo ângulo de inclinação de 60 graus, proporcionando uma altura vertical de 700 mm. O papel kraft foi impregnado com resina fenólica para integridade estrutural.

Sob estas condições de projeto, a velocidade do fluxo ascendente através do decantador é2,5mm/s, com um tempo total de retenção do tanque de30 minutose um tempo de residência dentro do feixe tubular de apenas7 minutos. Esta profundidade de assentamento extremamente rasa - apenas 40-50 mm entre superfícies inclinadas - é a chave para a eficiência do decantador. De acordo com o princípio de sedimentação em profundidade rasa, a distância de sedimentação é reduzida da profundidade total do tanque até o espaçamento entre placas, encurtando drasticamente o tempo de captura de partículas enquanto mantém a mesma taxa de transbordamento.

ATUALIZAÇÃO DE MÍDIA: DO FAVO DE PAPEL AO PE PLÁSTICO

Tanto as placas inclinadas de madeira quanto os tubos de papel em favo de mel apresentaram desempenho de tratamento satisfatório durante o período operacional inicial (após 1980), com os tubos de papel em favo de mel apresentando uma ligeira borda. No entanto, a experiência de campo expôs limitações materiais críticas que levaram à decisão de atualização:

Pratos de madeiraeram difíceis de fabricar com tolerâncias consistentes e tinham uma vida útil curta devido ao persistente ciclo úmido-seco, causando empenamento e degradação biológica.Tubos de favo de mel de papelsofriam de durabilidade limitada e, mais criticamente, a impregnação de resina fenólica os tornavainadequado para aplicações de água potáveldevido à potencial lixiviação de compostos orgânicos na água tratada. Esta era uma questão inegociável, uma vez que a fábrica se comprometeu a cumprir os padrões de água potável.

Em 1984, todos os meios de sedimentação foram substituídos portubos de favo de mel de plástico de polietileno (PE). Os novos módulos compartilham a mesma geometria hexagonal e inclinação de 60 graus, mas apresentam um diâmetro de círculo inscrito maior de 60 mm, comprimento de tubo de 800 mm e espessura de parede de 0,5 mm. Os tubos alveolares PE oferecem diversas vantagens decisivas:

Primeiro, o material écertificado como não tóxico e aprovado para contato com água potável, eliminando a preocupação de contaminação que assolava os tubos de resina fenólica. Em segundo lugar, o PE resiste tanto à degradação biológica como ao ataque químico, o que significasem ciclo de substituiçãoe reduzir drasticamente os custos do ciclo de vida. Terceiro, a superfície lisa e hidrofóbica do PE exibebaixa adesão de lama, então os sólidos acumulados deslizam sob seu próprio peso, em vez de acumularem e estreitarem os canais de fluxo. Este comportamento de autolimpeza mantém uma capacidade hidráulica consistente entre os intervalos de manutenção. Quarto, a geometria do tubo hexagonal fornece umaperímetro molhado maiordo que placas planas de espaçamento equivalente, produzindo um raio hidráulico menor e, consequentemente, números de Reynolds mais baixos - significando condições de fluxo laminar mais estáveis ​​que melhoram a eficiência de sedimentação. Uma questão operacional que surgiu foi aflutuabilidade de módulos de tubo PEquando submerso; isso foi resolvido com a instalação de dispositivos de ancoragem para evitar flutuação.

MELHORIA DO SISTEMA DE DESCARGA DE LODO

O sistema original de descarga de lodo dependiaválvulas borboleta de aba manual, o que provou ser uma das dores de cabeça operacionais mais persistentes da fábrica. Estas válvulas exigiam alta intensidade de trabalho do operador, sofriam de má vedação que resultava em vazamento de água de aproximadamente10 m³/h por válvula, sofreu quebras frequentes da biela e proporcionou uma remoção de lodo geralmente deficiente. Em uma operação contínua de tratamento de água 24 horas por dia, 7 dias por semana, a descarga de lodo não confiável se traduz diretamente na deterioração da qualidade do efluente, à medida que o lodo acumulado começa a se decompor, liberar gases e ressuspender na coluna de água.

Em junho de 1988, as válvulas manuais foram substituídas porválvulas de gaveta pneumáticasem todos os pontos de descarga. O sistema pneumático eliminou totalmente o vazamento de água, fornecendo força de vedação positiva, operação simplificada para uma única ação de controle e melhorou drasticamente a eficácia da descarga de lodo, permitindo a evacuação rápida e de alto volume antes que o lodo pudesse compactar. Modificações adicionais incluídasaumentando a altura da tremonha de lodo de 800 mm para 1.200 mmpara proporcionar maior volume de armazenamento e instalação de duas válvulas de descarga adicionais no tubo perfurado de coleta de lodo para uma evacuação mais uniforme da tremonha. Essas mudanças ampliaram o ciclo operacional entre limpezas completas de tanques de semanas para aproximadamentetrês meses.

OTIMIZAÇÃO DE DOSAGEM QUÍMICA

O sistema de dosagem de coagulante passou por quatro melhorias interligadas que transformaram coletivamente a economia e a confiabilidade do tratamento. Primeiro, oa concentração da solução coagulante foi padronizada para aproximadamente 5%(abaixo da faixa anterior de 5-10%). Esta concentração mais baixa e consistente garantiu que os tubos de dosagem permanecessem totalmente inundados em todas as vazões, evitando o bloqueio de ar que interrompia intermitentemente a alimentação do coagulante. Em segundo lugar, após extensos testes comparativos, a plantamudou de sulfato de alumínio bruto para cloreto de alumínio básico (PAC). O sulfato de alumínio original exigia altas dosagens, produzia resultados inconsistentes sob diversas condições de água bruta e, durante os períodos de alta turbidez do verão, os operadores recorriam ao cloreto férrico - que, embora eficaz, era tão corrosivo que danificava tubulações e equipamentos. O PAC provou ser superior em todas as estações: requisitos de dosagem mais baixos, custo de consumo reduzido, qualidade estável do efluente e cor da água tratada visivelmente melhor.

Terceiro, todas as tubulações de dosagem foramsubstituído por tubos de plástico, eliminando os problemas de corrosão de materiais mistos que afetaram a instalação original de tubulações de plástico, ferro fundido e aço. Em quarto lugar, e talvez de forma mais perspicaz, omisturadores mecânicos de quatro estágios foram totalmente removidos do tanque de floculação. Os operadores observaram que os flocos já formados na câmara de areia eram quebrados pelos agitadores mecânicos de alto cisalhamento, desfazendo a própria coagulação que deveriam promover. Após a remoção dos misturadores, os flocos cresceram progressivamente e de forma estável no canal de floculação defletido apenas através de cisalhamento hidráulico suave, melhorando significativamente a eficiência da coagulação e, ao mesmo tempo, reduzindo o consumo de energia.

RESULTADOS DO TRATAMENTO: DADOS DE DESEMPENHO

Depois de implementar o conjunto completo de melhorias, o sistema de tratamento alcançou resultados que excederam as especificações originais do projeto de nível industrial. No fluxo de projeto de 2.000 m³/h, a turbidez do efluente permaneceuconsistentemente abaixo de 5 NTU desde 1984, atendendo ao Padrão Nacional de Água Potável da China (GB 5749-85). Quando levado a condições de sobrecarga de 3.000 m³/h (50% acima do projeto), o sistema ainda mantém a turbidez do efluente abaixo de 15 NTU. A turbidez da água bruta flutua sazonalmente, mas a turbidez da água tratada permanece dentro da faixa da água potável de qualquer maneira.

A análise da qualidade da água confirma a capacidade do sistema de produzir água potável a partir de águas superficiais:

Os benefícios económicos da troca de coagulante são igualmente impressionantes. Numa comparação lado a lado durante junho de 1988, com uma produção de água de aproximadamente 170 mil toneladas por mês, a dosagem de PAC foi apenas11,4mg/Lcomparado com25,6mg/Lpara sulfato de alumínio - umRedução de 55,5% no consumo de produtos químicos. O consumo mensal de coagulante caiu de 4,5 toneladas para 2,1 toneladas:

Nota: A produção mensal de água foi de aproximadamente 170 mil toneladas. O consumo de energia também diminuiu notavelmente após a remoção dos misturadores mecânicos, embora os números exatos não tenham sido quantificados no estudo de caso publicado.

DESAFIOS RESTANTES E ATUALIZAÇÕES PLANEJADAS

A equipe da fábrica de Wuhan identificou três áreas para melhorias adicionais que são igualmente relevantes para qualquer pessoa que opere hoje em dia os decantadores de tubos inclinados. Primeiro,monitoramento manual de turbidezcriou um atraso de resposta entre a detecção de alterações na qualidade da água e o ajuste da dosagem do coagulante. A solução considerada foi um sistema de controle automático de dosagem usando medidores de turbidez on-line para fornecer feedback em tempo real para ajuste da taxa de alimentação do coagulante. Isto representa o próximo passo lógico para qualquer planta que já tenha otimizado seus subsistemas mecânicos e químicos.

Segundo,crescimento de algas em superfícies expostas de tubos em favo de melreduziu progressivamente a área transversal efetiva dos canais de fluxo. A penetração da luz solar na bacia de colonização promoveu a colonização de biofilme e algas, o que não apenas restringiu o fluxo, mas acabou obstruindo completamente os tubos. A solução proposta foi a pré-cloração da água bruta a montante do decantador para controlar o crescimento biológico antes que ela pudesse se estabelecer nas superfícies do tubo. Terceiro, apesar das melhorias na descarga de lamas,tremonhas ainda acumulavam lodo compactadoque não puderam ser removidos durante os ciclos normais de descarga, necessitando de desligamento completo do tanque e limpeza manual a cada três meses. A resposta da engenharia foi instalar bicos de pulverização internos que utilizariam água pressurizada para lavagem durante o ciclo de descarga de lodo, eliminando a necessidade de paradas periódicas.

PRINCIPAIS LIÇÕES PARA PROJETO DE COLOCADOR DE TUBO INCLINADO

A década de dados operacionais de Wuhan se resume em quatro princípios que devem orientar qualquer projeto de assentamento de tubos inclinados:

1. Obras de design integrado.O conceito de tanque (integrado) de floculação-sedimentação (integrado), quando dimensionado adequadamente, pode produzir água potável de qualidade confiável a partir de águas superficiais sem uma etapa de filtração a jusante. O segredo é acertar os parâmetros hidráulicos de cada estágio: velocidade do fluxo na câmara de areia (0,15 m/s), tempo de retenção na floculação (17 minutos no total) e velocidade do fluxo ascendente no decantador (2,5 mm/s). Desviar-se destes valores compromete toda a cadeia de tratamento.

2. A seleção de materiais tem consequências em cascata.Os tubos alveolares de plástico PE oferecem a melhor combinação de desempenho de tratamento, durabilidade, segurança da água potável e simplicidade de manutenção em comparação com placas de madeira ou tubos de papel impregnados de resina. O maior perímetro molhado, a superfície autolimpante e a vida útil indefinida justificam o investimento inicial muitas vezes através de manutenção reduzida e desempenho de tratamento consistente.

3. A confiabilidade da descarga de lodo determina a consistência do efluente.Um sistema de descarga de lodo confiável e fácil de operar não é opcional – é o subsistema mecânico mais importante para manter um desempenho de sedimentação consistente. As válvulas manuais provocam a fadiga do operador e a remoção inconsistente de lodo, o que se traduz diretamente na qualidade variável do efluente. A descarga pneumática ou automatizada deve ser considerada padrão, e não opcional, para qualquer decantador de operação contínua.

4. A otimização do coagulante proporciona o retorno mais rápido.A mudança do sulfato de alumínio para o PAC produziu uma redução de 55% no custo de produtos químicos apenas como benefício imediato. Os efeitos a jusante – menor produção de lamas, melhor cor da água, desempenho mais consistente em variações sazonais de turvação – multiplicam o retorno económico. Combinar o PAC com uma infraestrutura de dosagem adequadamente projetada (tubulação de plástico, concentração consistente, tubos de fluxo total) garante que esses benefícios sejam obtidos continuamente.

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Com base em décadas de experiência em engenharia de tratamento de água, fornecemos uma linha completa de produtos e serviços de decantadores de tubo inclinado em formato de favo de mel, adaptados aos seus objetivos de qualidade e tratamento de água bruta:

NossoMeio de tubo de favo de mel hexagonal de PE e PVCestão disponíveis em diâmetros de célula de 25 mm, 35 mm, 50 mm, 60 mm e 80 mm, permitindo selecionar a área de superfície de sedimentação ideal e a carga hidráulica para sua faixa específica de turbidez de água bruta. Para aplicações de tratamento de águas superficiais visando a qualidade da água potável, a faixa de diâmetro de 50-60 mm (correspondendo à especificação Wuhan) fornece o melhor equilíbrio entre eficiência de sedimentação e resistência ao entupimento.

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Referência: Decantador de tubo inclinado Tang TQ Honeycomb para purificação de água de rio [J]. Refino de Petróleo, 1989(4): 1-6.