Atualização da ETAR da Mongólia Interior: Como a AAO+MBBR substituiu uma vala de oxidação DE com falha para tratar 2.000 mg/L de DQO a 0,85 RMB/m³

Em 2004, uma estação de tratamento de águas residuais em Xilinhot, na Mongólia Interior, começou a tratar 38.000 m³/d com uma vala de oxidação de DE. Foi projetado para esgoto municipal. O que obtivemos foram águas residuais de matadouros - lavagens de currais, sangue, gordura, resíduos de ossos e estrume - empurrando DQO influente para2.000mg/Le nitrogênio amoniacal para120mg/L. A vala de oxidação, alternando entre os modos aeróbico e anóxico numa cidade onde as temperaturas permanecem baixas durante todo o ano, não conseguiu acompanhar. O oxigênio dissolvido ficou abaixo de 1 mg/L. Bactérias nitrificantes nunca se estabeleceram. O efluente errou a Classe B com mais frequência do que atingiu. A atualização adicionou pré-tratamento DAF, um novo estágio biológico AAO+MBBR e tratamento avançado – e eliminou todos os quatro problemas de uma só vez. O efluente agora atende de forma estável à Classe A. Custo:0,85 RMB por metro cúbico.

1. A PLANTA ORIGINAL – E POR QUE ELA FALHOU

A planta da Fase I foi comissionada em agosto de 2004 com uma capacidade projetada de40,000 m³/d. A seção biológica utilizou o processo de vala de oxidação DE (ver Figura 1), com efluente necessário para atenderPadrão classe Bda GB 18918-2002. A vazão real através da rede de tubulações foi de aproximadamente 38.000 m³/d. O projeto original assumiu características típicas de esgoto municipal. A realidade era diferente: uma grande fração do afluente vinha dos matadouros e as concentrações de poluentes excediam enormemente a base do projeto.

Quatro problemas distintos convergiram para fazer com que a oxidação DE eliminasse o processo errado para este local:

Problema 1 - COD suprimiu a nitrificação

A DQO influente atingiu regularmente 2.000 mg/L. As bactérias heterotróficas, alimentando-se desta abundância orgânica, multiplicaram-se rapidamente e consumiram oxigénio dissolvido a uma taxa que o sistema de arejamento não conseguia igualar. DO na vala de oxidação permaneceuabaixo de 1 mg/Lpor longos períodos. Bactérias nitrificantes - autotróficas que precisam de alto teor de OD, e não de produtos orgânicos elevados - estavam carentes de oxigênio. A remoção de nitrogênio amoniacal entrou em colapso como consequência direta da sobrecarga de DQO.

Problema 2 - Resíduos de matadouro resistiram à biodegradação

As águas residuais dos matadouros são uma mistura complexa: água de lavagem dos currais que transporta estrume de porco e ração não digerida; sangue, gordura, restos de carne, resíduos de ossos, cabelos e fezes do chão de matança. As águas residuais são vermelho-acastanhadas com um odor de peixe detectável a metros de distância. Esses fluxos com alto DQO e alto teor de amônia apodrecem rapidamente. Limitado pelo volume do tanque biológico, o tempo de retenção hidráulica foi demasiado curto para que estes produtos orgânicos recalcitrantes se biodegradassem a um nível baixo. Sólidos orgânicos suspensos não retidos são descarregados com o efluente, consumindo oxigênio dissolvido na água receptora e prejudicando o ecossistema.

Problema 3 - A alternância do modo aeróbico/anóxico falhou no frio

Xilinhot tem temperaturas baixas o ano todo. O crescimento microbiano é lento; as bactérias nitrificantes são as mais sensíveis ao frio de todas. A vala de oxidação DE alterna entre condições aeróbicas (favorecendo os nitrificadores) e anóxicas (favorecendo os desnitrificadores). Sob operação aeróbica, a janela de oxigênio suficiente era muito curta para que os nitrificadores construíssem uma população viável antes que o ciclo voltasse para anóxico, suprimindo-os novamente. As bactérias desnitrificantes, adaptadas às condições anóxicas, sofreram igualmente com a ciclagem constante. O regime alternado de oxigénio, tolerável num clima mais quente, tornou-se um assassino da remoção de azoto no frio da Mongólia Interior.

Problema 4 - A aeração da superfície liberou o calor

Os aeradores de superfície funcionam maximizando a área de contato entre águas residuais e ar para impulsionar a transferência de oxigênio. A mesma área de contato também impulsiona a perda de calor. No clima de Xilinhot, cada unidade de oxigénio transferida acarretava uma penalização térmica - as águas residuais na vala de oxidação perdiam calor limitado para o ar frio, deprimindo ainda mais a já lenta cinética bioquímica.

2. A ESTRATÉGIA DE ATUALIZAÇÃO: DAF + AAO+MBBR + REMOÇÃO DE NITROGÊNIO EM DOIS ESTÁGIOS

A atualização teve que resolver quatro restrições simultaneamente: alto DQO, alto teor de amônia, baixa temperatura e falta de terreno disponível para a construção de novos tanques. A solução foi construída em tornoTecnologia MBBR- selecionado por sua forte adaptabilidade em climas frios, tamanho compacto e capacidade de combinação com processos convencionais sem necessidade de volume adicional de tanque.

Os transportadores MBBR na zona aeróbica promovem preferencialmente o crescimento de bactérias nitrificantes, e o biofilme que se desprende dos transportadores inocula continuamente o lodo ativado suspenso com nitrificadores. Isto compensa diretamente a deficiência de nitrificação que assolou a vala de oxidação de DE original. O processo também demonstra forte tolerância a choques tóxicos – importante dada a variabilidade da descarga nos matadouros.

Cinco decisões de design definiram a atualização:

1. Pré-tratamento DAF.Uma unidade de flotação por ar dissolvido foi adicionada para remover óleo e SS da fração do abatedouro antes que ela atingisse o estágio biológico. SS e graxa de alta influência sobrecarregaram a vala de oxidação desde o primeiro dia.

2. Novo tanque AAO com porta-aviões MBBR.Um tanque primário anaeróbio/anóxico/aeróbio completamente novo foi construído, com transportadores HDPE MBBR (500 m²/m³ de área superficial específica, cilíndrico, ~20 mm de diâmetro x 10 mm de comprimento) tanto na zona anóxica (3.110 m³ de volume de transportador) quanto na zona aeróbica (6.264 m³ de volume de transportador). Projeto MLSS: 4.000 mg/L. TRH anaeróbica: 2,0 h. TRH anóxica: 6,2 h. TRH aeróbico: 12,5 h.

3. Vala de oxidação convertida em AO secundária.A vala de oxidação DE existente foi reaproveitada em um tanque anóxico/aeróbico secundário (HRT total de 12,2 horas, 6,1 horas em cada zona). Com o TN afluente atingindo 130 mg/L, um AO de estágio único não poderia atingir a remoção necessária - as taxas de recirculação interna precisariam exceder 1.000%. O AO de dois estágios torna a remoção de nitrogênio matematicamente alcançável em taxas de recirculação práticas (300% primária, 200% secundária).

4. Tratamento avançado.Um tanque de sedimentação de alta eficiência (carga superficial de 7,3 m³/m²·h, com meio decantador tubular) seguido por filtros de areia contínuos (48 unidades, AS 50020, 5,5 m² cada, área total de filtração de 288 m², taxa de filtração projetada de 5,78 m/h) foram adicionados após o clarificador secundário para polir o efluente de acordo com os padrões de Classe A.

5. Aeração inteligente e dosagem de produtos químicos.A aeração de precisão baseada em IoT e a dosagem química automatizada substituíram o controle manual baseado na experiência, eliminando a aeração excessiva e a dosagem excessiva crônicas que inflacionaram os custos operacionais da planta original.

3. CONSTRUÇÃO SEM PARADA – TRÊS DESAFIOS

A planta não pôde parar de tratar águas residuais durante a modernização. Três desafios surgiram:

Desafio 1 - Manter a conformidade durante a reconstrução do tanque.A desativação de um tanque biológico durante a estação chuvosa (julho a setembro) aumentou a carga nos tanques restantes. Solução: os tanques foram reconstruídos um por um. O antigo tanque espessante de lamas foi convertido num tanque de sedimentação temporário para recolher e devolver a água circulante secundária, evitando que esta acrescente carga à secção biológica. Os tanques de emergência foram esvaziados antes da previsão de fortes chuvas.

Desafio 2 - Sobreposição de construção e segurança.As obras civis e a instalação da tubulação de processo ocorreram simultaneamente no tanque secundário AO. Solução: foi estabelecido um protocolo estruturado de comunicação e coordenação, com planos de segurança detalhados e procedimentos de resposta a emergências definindo as responsabilidades de cada parte.

Desafio 3 - Eliminação de lodo do tanque desativado.O tanque AO secundário continha 4,5 m de água de lodo ativado mais 0,5 m de sedimento inorgânico. Solução: o novo sistema de desidratação de lamas foi comissionado antecipadamente; parte do lodo foi desidratado e parte foi transferida para semear o novo tanque primário da AAO.

4. RESULTADOS: EFLUENTE CLASSE A DO INFLUENTE CLASSE B+

4.1 Qualidade da água – antes e depois

As características do afluente são severas por qualquer padrão – uma mistura de esgoto municipal e descarga de matadouro. A Tabela 1 mostra os valores reais e de projeto em sete parâmetros, juntamente com as taxas de remoção alcançadas após a atualização.

*O limite de efluentes de NH₃-N é normalmente de 5 mg/L; 8 mg/L se aplica quando a temperatura da água está abaixo de 12 graus.

Após a atualização, todos os indicadores de efluentes atenderam de forma estável aosPadrão Classe A de GB 18918-2002, apesar das concentrações de afluentes excederem em muito a base do projeto original. A eficiência do tratamento do sistema biológico melhorou significativamente em todos os parâmetros (ver Figura 3).

4.2 Detalhamento dos custos operacionais

O custo operacional direto anual é de aproximadamente12,45 milhões de RMB, dando um custo unitário de0,8528 RMB/m³(excluindo depreciação e financiamento de equipamentos). A eletricidade domina, sendo responsável por62.4%do custo operacional - uma consequência direta da alta demanda de oxigênio do afluente concentrado e do clima frio que retarda a cinética biológica.

5. OTIMIZAÇÃO DE ENERGIA: CONTROLES INTELIGENTES SOBRE GUESSWORK MANUAL

Com a electricidade a representar 62% do custo operacional, a eficiência energética não era opcional. Três medidas foram incorporadas ao design:

1. Aeração de precisão baseada em IoT.Uma plataforma da Internet das Coisas coleta dados de OD, amônia e fluxo em tempo real e, em seguida, ajusta a saída do soprador automaticamente. Em vez de operar os sopradores a uma velocidade fixa com base na experiência do operador, o sistema fornece exatamente o ar que a biologia precisa – nem mais, nem menos.

2. Dosagem química inteligente.As taxas de dosagem de PAC, PAM e dióxido de cloro estão vinculadas ao fluxo em tempo real e à carga de poluentes, eliminando o aumento do fator de segurança que aumenta o consumo de produtos químicos em plantas operadas manualmente.

3. Modos de operação adaptativos.Durante períodos de baixa concentração de afluentes, o processo MBBR pode mudar para um modo operacional de energia reduzida – menos sopradores online, menor intensidade de mistura – sem arriscar a conformidade do efluente. O projeto do edifício também maximiza a ventilação natural para reduzir a demanda de energia HVAC.

PRINCIPAIS CONCLUSÃO

1. As valas de oxidação DE falham em climas frios com águas residuais de alta resistência.O ciclo alternado aeróbico/anóxico impede a estabilização das populações nitrificadoras ou desnitrificadoras, e a aeração da superfície custa calor. Se a sua planta tem baixa temperatura e alta amônia, a vala de oxidação DE é o processo biológico errado.

2. Os transportadores MBBR inoculam nitrificadores no lodo suspenso.Este é o mecanismo chave que compensa a deficiência de nitrificação do processo original. O biofilme nos transportadores desenvolve preferencialmente bactérias nitrificantes e semeia continuamente o licor misto - uma forma de bioaumento in-situ que não requer fonte externa de carbono.

3. O AO de dois estágios torna prática a remoção de nitrogênio de alta resistência.Com TN influente a 130 mg/L, um AO de estágio único precisaria de taxas de recirculação interna superiores a 1.000%. A divisão da carga de nitrogênio entre um tanque AAO+MBBR primário e um tanque AO secundário atinge TN Classe A (menor ou igual a 15 mg/L) em taxas de recirculação gerenciáveis.

4. O pré-tratamento DAF não é negociável quando há água residual de matadouro na mistura.O óleo e a graxa das operações de renderização obstruirão os transportadores MBBR e suprimirão a transferência de oxigênio. Remova-os antes da fase biológica ou pague a multa em eletricidade do soprador.

5. A construção sem desligamento é possível com o sequenciamento faseado do tanque.Construa primeiro o novo tanque AAO primário, comissione-o e, em seguida, coloque a antiga vala de oxidação off-line para conversão em AO secundário. O antigo tanque de espessamento de lodo pode servir como tampão temporário de sedimentação durante a transição.

6. O custo operacional de 0,85 RMB/m³ para 2.000 mg/L de afluente de DQO é competitivo.A estrutura de custos dominada pela electricidade (62%) reflecte a procura real de oxigénio destas águas residuais. O controle de aeração baseado em IoT e os modos de operação adaptativos são as alavancas que impedem que ele suba.