Remoção avançada de nitrogênio em ETARs: Projeto de processo e análise de desempenho de biofilme puro MBBR|Estudo de caso

Projeto de engenharia e desempenho de um processo MBBR de biofilme puro para remoção avançada de nitrogênio

Com o avanço abrangente da construção da civilização ecológica da China, os padrões de descarga para estações de tratamento de águas residuais (ETARs) tornaram-se cada vez mais rigorosos. O padrão de Grau A do "Padrão de Descarga de Poluentes para Estações de Tratamento de Águas Residuais Municipais" (GB 18918-2002) exige TN menor ou igual a 15 mg/L, enquanto os padrões locais em regiões como Pequim e Shandong definem explicitamente o limite em TN menor ou igual a 10 mg/L. Esses padrões elevados vão além dos limites de qualidade da água, colocando exigências mais rigorosas na estabilidade dos efluentes. Consequentemente, existe uma necessidade premente de aumentar a capacidade de remoção de azoto dos processos de tratamento. Uma abordagem é aumentar a dosagem da fonte de carbono no processo existente para melhorar a desnitrificação, mas isto leva a elevados custos operacionais e ao aumento das emissões de carbono. Alternativamente, a adição de instalações avançadas de remoção de nitrogênio, muitas vezes empregando métodos de biofilme para enriquecer eficientemente bactérias desnitrificantes, pode melhorar a remoção de TN, reduzir a necessidade de fontes externas de carbono e diminuir as emissões de carbono. O Reator de Biofilme de Leito Móvel (MBBR), com suas vantagens de forte enriquecimento de bactérias funcionais, pequena área ocupada e operação e manutenção simples, tem sido amplamente aplicado na construção, expansão e modernização de ETARs. Pode atingir de forma estável padrões de descarga melhores do que a qualidade das águas superficiais quase Classe IV e possui potencial e vantagens significativas para a remoção avançada de nitrogênio em ETARs. Este artigo toma uma ETAR em Shandong como estudo de caso para analisar a lógica do projeto e o desempenho operacional da aplicação de um processo MBBR de biofilme puro para remoção avançada de nitrogênio, com o objetivo de fornecer uma referência técnica para a desnitrificação eficiente de águas residuais.

1. Visão geral do projeto

1.1 Introdução ao Projeto

Uma ETAR em Shandong foi construída em duas fases. A primeira fase, utilizando o processo BIOLAK, foi oficialmente comissionada em novembro de 2003, com capacidade de tratamento de 40.000 m³/d. O layout do processo BIOLAK e a área disponível para atualização são mostrados emFigura 1. Inicialmente, a qualidade do efluente atendeu ao padrão Grau B da GB 18918-2002. Até 2020, através da dosagem aprimorada da fonte de carbono e da adição de tratamento avançado, a qualidade do efluente foi melhorada para o padrão Grau A. Em 2023, após três anos de operação, a qualidade geral do efluente poderia geralmente atender ao padrão Grau A, mas enfrentou dois grandes desafios em relação à remoção de nitrogênio:

Dosagem de alta fonte de carbono: Para atingir a meta de TN menor ou igual a 15 mg/L, foi necessária uma quantidade substancial de fonte externa de carbono. Os cálculos baseados nas seções do processo mostraram uma relação C/N de até 5,9, enquanto o processo AAO na segunda fase da planta exigiu apenas uma relação C/N de 4,5–5,0 para garantir a conformidade TN estável. A grande adição de fontes de carbono também afetou negativamente o processo de nitrificação aeróbia, aumentando a demanda de oxigênio na zona aeróbia.

Fraca estabilidade de remoção de nitrogênio: Como a nitrificação e a desnitrificação ocorreram no mesmo tanque sob diferentes condições exigidas, os parâmetros operacionais precisavam de ajustes frequentes com base nas mudanças de afluentes. O controle de NH₃-N e TN era contraditório, tornando difícil manter um equilíbrio estável entre nitrificação e desnitrificação. A resistência à carga de choque do sistema foi média, levando a uma fraca estabilidade do efluente.

Portanto, foi necessária uma atualização do processo BIOLAK original, com os objetivos principais de resolver o conflito entre nitrificação e desnitrificação, reduzir os custos operacionais de remoção de nitrogênio e melhorar a estabilidade do efluente.

1.2 Desafios de atualização

Como o processo BIOLAK era inadequado para modificação-no tanque para melhorar o desempenho, o plano era fortalecer o tratamento construindo uma nova unidade avançada de remoção de nitrogênio. O processo BIOLAK original concentrava-se principalmente na nitrificação com a desnitrificação como secundária, enquanto o novo processo se concentraria na desnitrificação. Dadas as reais necessidades de renovação, o projeto enfrentou dois grandes desafios: terrenos disponíveis limitados para o novo processo e elevados requisitos de eficiência operacional.

Terreno disponível limitado para novo processo: A nova construção teve de ser concluída dentro do local da fábrica existente, que essencialmente não tinha terreno reservado. A construção só foi possível num cinturão verde adjacente aos tanques BIOLAK, com área disponível de 400 m². Isso significava que a pegada do novo projeto por unidade de água tratada deveria ser menor ou igual a 0,01 m²/(m³·d).

Requisitos de alta eficiência operacional: Esta não foi uma simples atualização, mas uma otimização adicional da zona funcional bioquímica. Esperava-se que a nova unidade suportasse uma carga de remoção de nitrogênio de 20 mg/L. Este processo não só teve que ser concluído em terras limitadas, mas também precisou reduzir a dosagem da fonte de carbono em comparação com a desnitrificação BIOLAK original, garantindo ao mesmo tempo um desempenho de desnitrificação estável. Assim, foram colocadas altas exigências tanto na eficiência da remoção de nitrogênio quanto na eficiência de utilização da fonte de carbono.

2. Comparação e seleção de processos

Após tratamento pelo processo BIOLAK, o efluente TN é constituído principalmente por nitrogênio nitrato. Atualmente, os processos avançados de remoção de nitrogênio utilizam principalmente métodos de biofilme, caracterizados pelo enriquecimento eficiente de microrganismos em superfícies transportadoras em um estado aderido, oferecendo eficiência de enriquecimento de bactérias funcionais significativamente maior do que os processos convencionais de lodo ativado. Os processos de biofilme podem ser divididos em tipos de leito-fixo e leito-móvel com base na fluidização do transportador, conforme mostrado emFigura 2.Filtros desnitrificantes, processos típicos-de biofilme de leito fixo, usam meios filtrantes granulares fixos como transportadores de crescimento microbiano. Ao adicionar uma fonte externa de carbono, eles aproveitam a desnitrificação do biofilme e a filtração do meio para conseguir a remoção simultânea de NO₃^--N, SS e outros poluentes. As vantagens incluem qualidade estável da água tratada, sem necessidade de clarificadores secundários e um layout compacto, tornando-os amplamente utilizados em atualizações de ETAR como uma unidade de tratamento avançada para fortalecer a remoção de NT do efluente secundário. No entanto, o foco operacional deve estar no impacto da C/N na eficiência da desnitrificação avançada. O projeto de atualização Fase I da ETAR de Pingtang, também com capacidade de 40.000 m³/d, usou um filtro desnitrificante + flotação por ar dissolvido (DAF) de alta{7}}eficiência como processo de tratamento avançado para elevar o efluente TN aos padrões de águas superficiais quase-Classe IV, alcançando uma pegada de cerca de 0,045 m²/(m³·d), economizando terra e permitindo um tratamento eficiente, mas com um C/N tão alto quanto 18h34. Para atender aos novos padrões locais para efluentes TN, a Usina de Recuperação de Água No{11}} de Chengdu adotou um tanque de sedimentação de alta-densidade e um filtro de leito-profundo desnitrificante como processo de atualização, com um C/N de 5,7, obtendo tratamento avançado sob altos padrões. A ETAR de Dingqiao, em Haining, não conseguiu cumprir os padrões de descarga de Grau A exigidos para a Bacia do Rio Qiantang. Gao Feiya et al. usou um filtro de leito-profundo desnitrificante para tratamento avançado de TN, removendo simultaneamente SS e TP, aproximando a qualidade do efluente dos padrões quase-Classe IV, mas com um alto C/N de 15,68, levando a altos custos de remoção de nitrogênio. Além disso, os processos de filtragem exigem retrolavagem regular, normalmente usando lavagem com ar-água, o que pode afetar a estabilidade operacional.

instabilidade em filtros desnitrificantes, pesquisas sobre a aplicação de desnitrificação autotrófica baseada em enxofre (SAD) em filtros desnitrificantes ganharam atenção. SAD utiliza enxofre elementar ou compostos de enxofre como doadores de elétrons sob condições anaeróbicas ou anóxicas para reduzir NO₃^--N a N₂. Oferece vantagens como boa eficiência de desnitrificação, dispensa de fonte de carbono orgânico, baixo custo operacional e baixa produção de lodo. Song Qingyuan et al. estudaram o efeito da remoção de nitrogênio de um filtro SAD em efluentes secundários. Após a otimização das condições piloto, a remoção de nitrato permaneceu estável acima de 95%, mas a taxa de consumo de meio atingiu 20% anualmente, acompanhada pelo aumento da concentração de sulfato no efluente e diminuição do pH. Para evitar riscos de poluição secundária do SAD, Li Tianxin et al. meio preparado peletizando uma mistura de enxofre e pó de calcário. A adição de uma certa proporção de calcário ao leito filtrante neutralizou a acidez gerada e produziu precipitado de CaSO₄, reduzindo a concentração de sulfato no efluente e resolvendo efetivamente os problemas de produção de ácido e altos níveis de sulfato. No entanto, o calcário ocupou espaço destinado a meios doadores de elétrons dentro do sistema, enfraquecendo a capacidade avançada de desnitrificação, aumentando a dureza do efluente e aumentando os custos operacionais. A pesquisa atual sobre a tecnologia SAD é principalmente em escala laboratorial e piloto, com experiência de engenharia insuficiente para referência. Mais pesquisas aplicadas são necessárias antes da promoção{13}}em escala industrial.

O MBBR é um representante típico de processos de biofilme em leito{0}fluidizado e de uma nova tecnologia de tratamento de águas residuais que tem recebido atenção significativa nos últimos anos. Utiliza transportadores suspensos com densidade próxima à da água para enriquecer especificamente os microrganismos, formando um biofilme para obter remoção avançada de nitrogênio. Os processos-de biofilme em leito fluidizado também evitam problemas de entupimento do meio e retrolavagem. Atualmente, o biofilme MBBR puro para desnitrificação avançada de ETAR tem mais de 20 anos de experiência operacional bem-sucedida no exterior e está vendo aplicações cada vez mais amplas na China. Zheng Zhijia et al. usou um processo MBBR de biofilme puro de dois-estágios para desnitrificação avançada. Em C/N=4.0, o nitrogênio nitrato efluente do sistema estabilizou em (1,87 ± 1,07) mg/L, com uma taxa média de remoção de TN de 93,3%. Uma ETAR de zona de desenvolvimento em uma determinada cidade construiu um novo bio{15}tanque MBBR como tratamento terciário avançado para desnitrificação aprimorada. A carga de remoção de TN na seção anóxica do biofilme puro MBBR foi de 1,1 g/(m²·d), melhorando a confiabilidade da desnitrificação do sistema. Gao Yanbo et al., com o objetivo de aumentar a capacidade da planta original, construíram um novo bio-tanque MBBR de biofilme puro AO de dois estágios, alcançando TN de efluente estável abaixo de 5 mg/L com alta eficiência de desnitrificação. Assim, o processo MBBR de biofilme puro apresenta grande potencial para remoção avançada de nitrogênio em ETARs, combinando vantagens como alta eficiência de utilização da fonte de carbono, alta carga de tratamento e pequena pegada. No entanto, também impõe maiores exigências aos equipamentos, exigindo equipamentos confiáveis ​​para apoiar a operação estável do processo. Uma comparação de processos avançados comuns de remoção de nitrogênio é mostrada emTabela 1.

Com base numa comparação abrangente, embora o processo SAD não exija adição de fonte de carbono, a sua aplicação atual ainda não está madura e acarreta riscos de poluição secundária, pelo que não foi considerado para esta atualização. Embora os filtros desnitrificantes sejam amplamente utilizados, eles são empregados principalmente em atualizações de ETAR onde o TN afluente/efluente do projeto é frequentemente de 15/12 mg/L, lidando com uma carga de remoção de TN relativamente pequena. Como esse projeto exigia o atendimento às altas-exigências de remoção de TN de longo prazo, a operação reduziria significativamente o ciclo de retrolavagem do filtro, aumentando a dificuldade operacional e a instabilidade. O processo MBBR de biofilme puro combina vantagens como alta eficiência de utilização de carbono, sem necessidade de retrolavagem, aplicação madura e sem poluição secundária. Considerando os desafios do processo e os requisitos de renovação, o projeto finalmente selecionou a construção de um novo bio{7}}tanque MBBR de biofilme puro (doravante denominado tanque MBBR) como a solução avançada de remoção de nitrogênio para a primeira fase, projetado com um C/N=4.5 e um período de retorno do investimento planejado de 7,37 anos.

3. Novo Plano de Construção

3.1 Fluxo do Processo

O fluxo do processo de tratamento de águas residuais após a reforma é mostrado emFigura 3. O afluente da planta passa por telas finas, câmaras de vórtice de areia e tanques de sedimentação primária antes de entrar no bio{1}tanque BIOLAK para a remoção de matéria orgânica, nitrogênio amoniacal, etc. Ele é então elevado por bombas para o tanque MBBR para remoção avançada de TN. O tanque MBBR é projetado para um TN afluente de 35 mg/L e um TN efluente menor ou igual a 15 mg/L. O efluente MBBR é transportado por bombas secundárias para o tratamento avançado existente na planta para separação de sólidos-líquidos e desperdício de lodo. O efluente final é desinfetado antes de ser lançado no rio receptor. O lodo excedente é espessado, desidratado e transportado-para fora do local para descarte.

3.2 Novo Tanque MBBR

O tanque MBBR emprega processo AO, construído com tanques Lipp para montagem modular, concluído em 30 dias. O tempo total de retenção hidráulica do sistema (HRT) é de 1,43 horas. Transportadores suspensos aeróbicos e anóxicos especializados do tipo SPR-III são adicionados dentro dos tanques, com uma taxa de enchimento de 60% na zona aeróbica e 55% na zona anóxica. Os transportadores são cilíndricos achatados, com 25 mm de diâmetro e 10 mm de altura, com área superficial específica efetiva Maior ou igual a 800 m²/m³. A zona anóxica é equipada com 4 misturadores de frequência variável-dedicados-MBBR (tipo de potência química SPR), N=5.5 kW cada, proporcionando fluidização uniforme e suficiente para os transportadores. Após a maturação do biofilme, 2 misturadores são operados rotineiramente, com os outros 2 em espera quente. A zona aeróbica utiliza sopradores de parafuso para aeração. Um único soprador tem capacidade de ar de 14,50 m³/min, pressão de 90 kPa, N=22 kW. Um conjunto de difusores de tubo perfurado dedicados à zona aeróbica (tipo SPR) está instalado. Devido ao baixo volume de aeração necessário, os sopradores de Fase I existentes geralmente podem ser utilizados, com o novo soprador e os sopradores de Fase I servindo como backups mútuos. Novas telas de interceptação de materiais (tipo SPR), com 12 mm de espessura e vida útil projetada de 30 anos, são instaladas tanto nas zonas aeróbicas quanto nas anóxicas.

3.3 Novas Instalações de Apoio

• Sistema influente: O efluente do bio{0}}tanque BIOLAK é elevado para o tanque MBBR. 4 bombas de entrada são instaladas (2 em serviço, 2 em espera), cada uma com Q=840 m³/h, H=65 kPa, N=30 kW.
• Sistema de Dosagem de Fonte de Carbono: O efluente do bio{0}tanque BIOLAK Fase I contém apenas DQO que é difícil de utilizar. Para garantir a desnitrificação avançada na zona anóxica do tanque MBBR, acetato de sódio é usado como fonte externa de carbono. 4 bombas dosadoras são instaladas (2 em serviço, 2 em espera), cada uma com Q=300 L/h, H=200 kPa, N=0.37 kW.