Fundamentos técnicos e gerenciamento operacional de uma bacia de aeração com soprador de baixa carga-
1. Visão geral
1.1 Princípio Operacional de Bacias de Aeração com Soprador
A aeração por soprador, comumente usada na China, inclui principalmente os tipos de aeração difusa, espiral e microporosa. Uma bacia de aeração normalmente compreende um sistema de aeração, a estrutura da bacia e portas de entrada/saída, servindo como uma estrutura chave no tratamento de águas residuais com lodo ativado. Os métodos de aeração comuns são a aeração mecânica e com soprador. Os sistemas de aeração por soprador geralmente consistem em aeradores e sopradores especializados. As bacias são frequentemente divididas em vários compartimentos, cada um capaz de alimentar o afluente de forma independente. As águas residuais entram na bacia e saem pela extremidade oposta. Durante este processo, o ar é fornecido através de compressores para difusores no fundo da bacia e liberado como bolhas.
1.2 Pesquisa Relacionada sobre Bacias de Aeração com Soprador
Pesquisa de Cheng Dandan et al. descobriram que nas estações de tratamento de águas residuais municipais (ETEs) da China, os sopradores de aeração consomem aproximadamente 60% da energia total. A integração do sistema de aeração com controle inteligente de circuito-fechado PID para oxigênio dissolvido (OD) e a implementação de estratégias de economia de energia-do soprador podem efetivamente resolver o alto consumo de energia em sistemas de aeração de ETAR, reduzindo-o em mais de 30%.
Liu Xiaoqi et al. empregaram aeradores de fluxo disperso para aumentar o teor de oxigênio nas águas residuais durante o tratamento e, ao mesmo tempo, reduzir o consumo de energia. Isso também proporcionou mistura e distribuição uniforme de água-ar, reduzindo o requisito de precisão para o nivelamento da instalação do aerador.
Chang Kai et al. melhorou o desempenho do sistema de bacia de aeração convencional, modificando o modo original de coleta de ar. Eles substituíram os aeradores microporosos tradicionais por aeradores microporosos de placas de silicone com alta eficiência de transferência de oxigênio e substituíram bacias de aeração de fluxo reto-de passagem única por bacias de fluxo serpentinas de três{5}}passagens. A incorporação de um controle preciso de aeração aprimorou ainda mais o sistema, abordando questões de alto consumo de energia, baixa eficiência e baixa transferência de massa em métodos tradicionais de aeração com soprador.
1.3 Gestão Operacional de Bacias de Aeração de Sopradores
Bacias de aeração com soprador são amplamente utilizadas no tratamento de águas residuais. Seguindo o princípio de "tratamento separado para diferentes fluxos de resíduos", uma unidade de tratamento de águas residuais salinas de uma ETAR específica lida principalmente com águas residuais de dessalinização elétrica provenientes de destilação a vácuo atmosférica-, água purificada despojada, águas residuais de neutralização de alquilação e alguns sobrenadantes e efluentes de alta{2}}salinidade. Esta unidade apresenta um sistema de tratamento biológico de três-estágios, sendo a bacia de aeração do soprador o estágio secundário. Sua demanda química média influente de oxigênio (DQO) está consistentemente abaixo de 100 mg/L, classificando-o como um processo de lodo ativado de baixa-carga. Além das atualizações de equipamentos, manter a operação ideal requer controle e ajuste cuidadosos dos parâmetros do processo.
2. Visão geral das instalações
2.1 Fluxo do Processo da Unidade de Tratamento de Águas Residuais Salinas
A unidade emprega um processo de “Equalização + Separação de Óleo + Flotação em Duas{2}}Estágios + Tratamento Biológico de Três{4}}Estágios”, com efluente tratado enviado para uma unidade de polimento. O separador de óleo usa um fluxo horizontal combinado e um design de placa inclinada. Os dois estágios de flotação utilizam flotação por cavitação por ar por vórtice (CAF) e flotação por ar dissolvido pressurizado por refluxo parcial (DAF), respectivamente. Os três estágios biológicos são sequenciais: Tanque de Aeração de Oxigênio Puro III, Tanque de Aeração com Ventilador e Tanque Bioquímico Secundário (EM-BAF). O fluxo do processo é mostrado emFigura 1.
2.2 Descrição da bacia de aeração do soprador
A bacia de aeração do soprador é uma instalação reaproveitada, originalmente construída em 1995 como parte de uma unidade de tratamento de águas residuais oleosas. Ele usa um projeto tradicional de aeração de fluxo plug-com um volume efetivo de 3.888 m³ e um tempo de retenção hidráulica (HRT) atual de aproximadamente 17,6 horas. A bacia opera em dois trens paralelos, cada um com quatro compartimentos. Aeradores são instalados na parte inferior, alimentados por sopradores centrífugos para fornecer oxigênio para o metabolismo do lodo ativado. Também está equipado com dois clarificadores secundários (Φ18m x 5m).
Dentro do sistema biológico de três{0}}estágios:
- Estágio 1 (Tanque de Aeração de Oxigênio Puro III): A função principal é a remoção de COD.
- Estágio 2 (tanque de aeração do soprador): A função primária é a remoção de nitrogênio amoniacal (NH₃-N), a função secundária é a remoção adicional de DQO.
- Estágio 3 (Tanque Bioquímico Secundário - EM-BAF): Funções para polir ainda mais DQO e NH₃-N dos efluentes, garantindo a qualidade final da água.
2.3 Qualidade do afluente e do efluente da bacia de aeração do soprador
O afluente para a bacia de aeração do soprador vem do Tanque de Aeração de Oxigênio Puro III, com limites de poluentes: CODcr Menor ou igual a 300 mg/L, NH₃-N Menor ou igual a 30 mg/L, Sólidos Suspensos (SS) Menor ou igual a 50 mg/L.
Seu efluente alimenta o Tanque Bioquímico Secundário, com limites: CODcr Menor ou igual a 120 mg/L, NH₃-N Menor ou igual a 30 mg/L, SS Menor ou igual a 50 mg/L.
O efluente final do Tanque Bioquímico Secundário deverá atender: CODcr menor ou igual a 70 mg/L, Petróleo menor ou igual a 5 mg/L, NH₃-N menor ou igual a 3 mg/L.
Ao longo de 2021, o CODcr afluente médio da bacia foi de 67,094 mg/L, e o NH₃-N médio foi de 23,098 mg/L, ambos atendendo aos requisitos do projeto. No entanto, a DQO influente notavelmente baixa levou à deficiência da fonte de carbono para o lodo ativado, impactando seu metabolismo normal. Por outro lado, nitrogênio amoniacal suficiente e baixa concentração de poluentes orgânicos no licor misto favoreceram a nitrificação, que ocorreu de forma eficaz.
3. Fatores de influência operacional e medidas de controle
3.1 Impacto da Baixa Carga Afluente e Envelhecimento do Lodo
Com DQO influente de 67,094 mg/L-abaixo do limite de projeto (menor ou igual a 300 mg/L) e da demanda de carbono microbiano (aproximadamente. 100 mg/L DBO₅)-o lodo ativado apresentou deficiência de fonte de carbono. A baixa carga resultou no crescimento lento do lodo, tornando-o propenso ao envelhecimento e à formação de uma estrutura solta. O lodo envelhecido e morto formava espuma flutuando na superfície do clarificador secundário. Na falta de equipamento de coleta de escória, esta escória escoou com o efluente, causando turbidez, ultrapassando os limites de DQO e SS, e posteriormente sobrecarregando o Tanque Bioquímico Secundário a jusante, afetando a qualidade final do efluente.
Contramedida: A equipe operacional controlou a concentração de sólidos suspensos de licor misto (MLSS). Utilizando um cilindro graduado de 1.000 mL para o teste de índice de volume de lodo (SVI) de 30 minutos, eles mantiveram o SVI em torno de 20%, correspondendo a um MLSS de aproximadamente 2 g/L. Esta eficiência equilibrada de remoção de poluentes evita o envelhecimento do lodo, a flutuação e a deterioração da qualidade da água. O lento crescimento do lodo significou um desperdício mínimo e pouco frequente de lodo, permitindo às bactérias nitrificantes um tempo de residência superior ao seu tempo mínimo de geração, promovendo ainda mais a nitrificação.
3.2 Impacto do Controle do Oxigênio Dissolvido (OD)
Os microrganismos no lodo ativado são principalmente aeróbios, normalmente exigindo OD entre 1-3 mg/L. Os padrões corporativos definem a faixa de OD para bacias de aeração tradicionais de fluxo tampão em 2-4 mg/L, com a nitrificação exigindo OD geralmente não abaixo de 2,0 mg/L. A atual baixa carga influente e a redução adicional da concentração de MLSS reduziram a demanda de OD, tornando o controle um desafio. Manter a mistura completa muitas vezes elevou o OD acima de 4 mg/L, enquanto o controle do OD dentro da faixa alvo às vezes levou a uma mistura inadequada em algumas áreas, causando a sedimentação do lodo.
Além disso, o elevado teor de OD acelera a decomposição da matéria orgânica, exacerbando o envelhecimento do lodo. Portanto, na prática, o DO é controlado em torno de 3 mg/L. Além disso, todas as válvulas de ar são ajustadas aproximadamente mensalmente para melhorar a uniformidade da mistura, reativar os flocos dormentes e manter a biomassa ativa.
3.3 Impacto da Temperatura da Água
A temperatura afeta significativamente a atividade microbiana. As temperaturas adequadas promovem a atividade, enquanto as baixas temperaturas a inibem ou reduzem, e as altas temperaturas podem alterar a fisiologia ou causar a morte. Neste sistema, as bactérias termofílicas são os principais grupos funcionais. Para segurança do sistema, a temperatura é normalmente mantida entre 15 e 35 graus, embora a faixa adequada seja de 10 a 45 graus. Exceder 30 graus pode desnaturar as proteínas nitrificantes, reduzindo sua atividade. O lodo ativado contém bactérias-degradantes e nitrificantes de DQO, com a nitrificação tendo uma faixa ideal mais estreita de 5 a 30 graus.
O afluente de águas residuais salinas contém fluxos-de alta temperatura. Incidentes anteriores envolveram dias consecutivos de temperatura influente superior a 40 graus, levando à desintegração do lodo, morte de degradadores e nitrificadores de COD-e colapso do sistema. Posteriormente, um termômetro foi instalado na linha de efluentes do tanque de equalização para controlar rigorosamente a temperatura de descarga, não excedendo 40 graus, atendendo aos requisitos de temperatura do lodo. Nenhum incidente semelhante afetando a nitrificação ocorreu em 2021.
3.4 Impacto da Alcalinidade
De acordo com os padrões empresariais relevantes, ao usar lodo ativado para remoção de amônia, a relação entre alcalinidade total influente e nitrogênio amoniacal não deve ser inferior a 7,14; caso contrário, a alcalinidade deve ser complementada. Com um NH₃-N influente de projeto de 30 mg/L e uma média real de 23,098 mg/L, a alcalinidade total necessária não é inferior a 214,2 mg/L. Atualmente, a alcalinidade do afluente é insuficiente, exigindo adição diária de carbonato de sódio (Na₂CO₃) para atender às demandas do processo.
3.5 Impacto do pH e Substâncias Tóxicas
Activated sludge microorganisms thrive in a pH range of 6.5–8.5. Below pH 4.5, protozoa largely disappear, most microbial activity is inhibited, fungi become dominant, floc structure is destroyed, and sludge bulking can occur. Above pH 9, metabolism is severely affected, causing floc disintegration and bulking. Wastewater with pH >10 ou<5 should be neutralized before entering the aeration basin.
O metabolismo microbiano aeróbico pode amortecer moderadamente as alterações de pH. Por exemplo, a utilização de compostos de nitrogênio pode diminuir o pH durante a nitrificação, enquanto a descarboxilação produz aminas alcalinas, aumentando o pH. Isso permite a aclimatação-de longo prazo a águas residuais levemente ácidas/alcalinas. A alcalinidade inerente das águas residuais também ajuda a inibir a queda do pH.
No entanto, mudanças drásticas de pH (por exemplo, influxo alcalino repentino em um sistema ácido) impactam significativamente os micróbios e podem interromper a operação. Portanto, a necessidade de neutralização depende do caso específico. Flutuações menores e consistentes de pH, especialmente com ácidos/bases fracos, podem não exigir neutralização. Flutuações maiores requerem ajuste de pH para neutro.
As bactérias nitrificantes são altamente sensíveis-ao pH, com nitrificação ideal em pH 7,2–8,0, enquanto os micróbios em geral preferem 6,5–8,5. Para águas residuais industriais específicas, os tipos de substâncias tóxicas são frequentemente fixos, mas as concentrações e os volumes de descarga flutuam. Além da equalização, os níveis de substâncias tóxicas afluentes devem ser monitorados e controlados. Após a aclimatação do lodo, deverá ser estabelecido um limite máximo de concentração do afluente com base no grau de aclimatação e na experiência operacional. A excedência prolongada requer medidas como a redução do influxo, o aumento da reciclagem do lodo ou o aumento da oxigenação para prevenir o envenenamento microbiano e a falha do tratamento. Atualmente, não foram detectadas substâncias tóxicas que causem intoxicação microbiana no afluente da bacia.
3.6 Impacto de Cargas de Choque Influentes
A DQO influente permanece estável e baixa com pequenas flutuações, e o NH₃-N e o nitrogênio total (TN) também permanecem dentro de faixas relativamente estáveis por longos períodos. A população nitrificadora permanece relativamente fixa. No entanto, devido à sua lenta taxa de crescimento, um aumento repentino e significativo no NH₃-N ou TN afluente pode saturar a capacidade de remoção da bacia, comprometendo a qualidade do NH₃-N e TN do efluente.
Teoricamente, a demanda microbiana de N e P segue uma proporção de DBO₅:N:P de 100:5:1. No entanto, o teor de N e P varia muito com o tipo de efluente industrial. Algumas águas residuais são ricas em N e P, exigindo remoção para atender aos padrões. Outros são deficientes, necessitando de suplementação para evitar a limitação do metabolismo. Para bacias operacionais que tratam águas residuais com baixo teor de N/P, níveis de afluentes de cerca de 10 mg/L de NH₃-N e 5 mg/L de fosfato podem atender às necessidades microbianas. Níveis prolongados abaixo destes requerem aumento da dosagem de N/P.
A operação diária requer monitoramento rigoroso de NH₃-N e TN em todos os fluxos influentes e no efluente do tanque de equalização, bem como nos fluxos de reciclagem dos tanques de ajuste, para evitar sobrecarregar a unidade de polimento a jusante e ameaçar a segurança da água de descarga final.
4. Conclusão
Como o principal reator de nitrificação na unidade de tratamento de águas residuais salinas, a bacia de aeração do soprador requer monitoramento diário rigoroso da temperatura da água, NH₃-N afluente e TN. O controle rigoroso da concentração de MLSS, mantendo o OD em torno de 3 mg/L e garantindo a adição adequada de alcalinidade são essenciais. Sob essas medidas otimizadas, o sistema funciona de forma estável com excelente qualidade de efluente: DQO médio de 54,213 mg/L, NH₃-N de 9,678 mg/L e SS de 23,849 mg/L, atendendo totalmente aos requisitos de afluentes do Tanque Bioquímico Secundário. Testes contínuos, resumo e otimização de múltiplos aspectos também são cruciais para garantir ainda mais a confiabilidade do equipamento e a eficiência do tratamento do sistema.