Estudo de caso do processo MBBR+ACCA para modernização e reconstrução de uma estação de tratamento de águas residuais urbanas
No contexto da economia em expansão da China, o ritmo da industrialização e da urbanização acelerou significativamente. Este processo é inevitavelmente acompanhado por um aumento anual--na descarga de águas residuais industriais e esgotos domésticos, exacerbando os problemas de poluição da água e impactando a construção sustentável da civilização ecológica da China. Com a implementação abrangente do Plano de Acção para a Prevenção e Controlo da Poluição da Água, foram impostos requisitos de descarga mais rigorosos às estações de tratamento de águas residuais urbanas em todo o país. Os padrões locais em algumas cidades atingiram uma qualidade de água quase{5}classe IV e, para efluentes lançados em corpos de água sensíveis, certos indicadores individuais estão gradualmente se aproximando do padrão Classe III para águas superficiais. No entanto, os poluentes residuais nas águas residuais urbanas após o tratamento biológico são principalmente compostos orgânicos não{7}}biodegradáveis com baixa biodegradabilidade. Depender apenas de tecnologias tradicionais de melhoramento biológico tornou-se insuficiente para cumprir os padrões de emissões cada vez mais rigorosos.
O coque ativado possui um sistema mesoporoso altamente desenvolvido, capaz de adsorver poluentes macromoleculares na água. Com alta resistência mecânica, estabilidade, bom desempenho de adsorção e custo relativamente econômico, tem sido amplamente aplicado no tratamento de águas residuais industriais de difícil biodegradação. Nos últimos anos, a tecnologia de filtração que utiliza coque ativado como meio também encontrou certas aplicações no tratamento avançado de estações de águas residuais municipais, alcançando bons resultados na remoção final de poluentes. Combinando um exemplo de engenharia de um projeto de modernização em uma estação de tratamento de águas residuais na província de Henan, o autor adotou o processo MBBR+ACCA (Adsorção Circulante de Coque Ativado) para atualizar o tratamento de águas residuais urbanas. Os indicadores de efluentes DQO, NH₃-N e TP atenderam ao padrão de água GB 3838-2002 Classe III, fornecendo uma referência para projetos de atualização em outras estações de tratamento de águas residuais.
1. Situação Básica da Estação de Tratamento de Águas Residuais
A capacidade total projetada desta estação de tratamento de águas residuais é de 50.000 m³/d, compreendendo uma capacidade projetada da Fase I de 18.000 m³/d e uma capacidade projetada da Fase II de 32.000 m³/d. Trata principalmente esgoto doméstico urbano e uma pequena quantidade de águas residuais industriais. Uma atualização foi concluída em 2012, com o efluente atendendo ao padrão Grau 1A do Padrão de Descarga de Poluentes para Estações de Tratamento de Águas Residuais Municipais GB 18918-2002. O processo principal é AO de vários estágios + filtro de desnitrificação + tanque de sedimentação de alta densidade. O fluxo do processo é mostrado emFigura 1.
Atualmente, a estação de tratamento de águas residuais está operando quase em plena capacidade. Com base nos dados operacionais atuais, sob boa manutenção da planta, a qualidade do efluente pode ser mantida de forma estável no padrão GB 18918-2002 Grau 1A. As concentrações de efluentes para DQO, DBO₅, NH₃-N, TN e TP variam de 21,77-42,34 mg/L, 1,82-4,15 mg/L, 0,13-1,67 mg/L, 8,86-15,74 mg/L e 0,19-0,42 mg/L, respectivamente.
Antes da atualização, a planta enfrentava os seguintes problemas: 1) Telas envelhecidas e danificadas na seção de pré-tratamento permitiam que alguns detritos flutuantes entrassem nos tanques biológicos, obstruindo facilmente as bombas e afetando o tratamento subsequente; 2) Remoção instável de NT durante as baixas temperaturas do inverno e flutuações significativas na qualidade e quantidade da água; 3) Volume insuficiente dos tanques biológicos da Fase I e divisão irracional da zona anóxica, levando a uma baixa eficiência de remoção de TN e alta dosagem química para posterior adição de fonte de carbono; 4) O sistema de aeração original utilizava sopradores centrífugos tradicionais desatualizados com alto consumo de energia; 5) Grave entupimento do meio filtrante nos filtros de desnitrificação, retrolavagem incompleta e dificuldade de operação estável; 6) Falhas frequentes nos equipamentos de mistura e agitação nos tanques de sedimentação de alta-densidade; 7) Falhas frequentes dos dois filtros-prensa de correia existentes para desidratação de lodo, alto teor de umidade do lodo desidratado, grande volume de lodo e altos custos de descarte de lodo; 8) Falta de instalações de controlo de odores para os sistemas de pré-tratamento e tratamento de lamas; 9) Sistema de controle central obsoleto com capacidade limitada de armazenamento de dados e perda da maioria das funções de operação remota.
2. Projetar a qualidade da água
Considerando anos de dados operacionais de qualidade da água da planta, com um nível de confiança de 90% e incluindo uma certa margem, foi determinada a qualidade do afluente de projeto. Com base nos requisitos de qualidade ambiental do corpo de água receptor, o efluente atualizado DQO, DBO₅, NH₃-N e TP devem atender ao padrão de água GB 3838-2002 Classe III, enquanto TN e SS aderirão ao padrão original. As qualidades do afluente e do efluente do projeto são mostradas emTabela 1.
3. Atualizando Conceito e Fluxo de Processo
3.1 Conceito de atualização
De acordo com a qualidade do efluente do projeto, esta atualização estabelece requisitos mais elevados para DQO, DBO₅, NH₃-N e TP. Considerando o processo atual da planta, as características de qualidade da água e os problemas existentes, o foco está na remoção aprimorada de DQO, NH₃-N e TP, garantindo ao mesmo tempo uma remoção estável de TN. Além disso, o espaço disponível limitado dentro da planta existente exige a exploração completa do potencial das estruturas existentes através da renovação de equipamentos, intensificação de processos e renovação, visando a remoção eficaz de DQO, NH₃-N, TN e TP. Portanto, utilizar os tanques AO originais de vários-estágios e adicionar transportadores suspensos para formar um processo MBBR de lodo ativado por biofilme híbrido-pode efetivamente melhorar a estabilidade do tratamento e a resistência à carga de choque. A longa idade do biofilme nos transportadores é adequada para o crescimento do nitrificante e para a manutenção de altas concentrações de nitrificante, aumentando significativamente a capacidade de nitrificação do sistema. O biofilme denso dentro dos transportadores tem uma longa idade de lodo, hospedando populações substanciais de bactérias nitrificantes e desnitrificantes, permitindo a nitrificação-desnitrificação (SND) simultânea e, assim, fortalecendo a remoção de TN. Portanto, o processo MBBR é-adequado para a atualização desta planta.
Com base na experiência de projetos de atualização semelhantes, para garantir a conformidade estável para COD e TP, instalações adicionais de tratamento de salvaguarda ainda são necessárias além do processo existente, juntamente com MBBR. O coque ativado, como material poroso, apresenta desempenho de adsorção mais significativo em comparação ao carvão ativado, removendo efetivamente DQO, SS, TP, cor, etc. Além disso, o coque biologicamente ativado pode utilizar microrganismos anexados para degradar a matéria orgânica, permitindo a regeneração de locais de adsorção enquanto adsorve poluentes. Este mecanismo de equilíbrio dinâmico permite a operação sustentada e estável do sistema. O processo de adsorção circulante de coque ativado (ACCA) utiliza coque ativado como meio, integrando filtração e adsorção. Ele utiliza ar comprimido para levantar e limpar o meio filtrante. Através do zoneamento-de fluxo reverso e do projeto de fluxo uniforme, ele garante contato total entre o coque ativado e as águas residuais, alcançando a melhoria máxima da qualidade da água e garantindo a conformidade estável dos efluentes.
Os equipamentos antigos e defeituosos da planta serão substituídos por equipamentos tecnologicamente avançados e{0}com eficiência energética para reduzir custos operacionais. Especificamente, as telas de pré-tratamento serão substituídas por telas finas alimentadas internamente para interceptar cabelos e fibras, evitando o entupimento das telas de retenção do transportador MBBR.
3.2 Fluxo do Processo
O fluxo do processo atualizado é mostrado emFigura 2. Para atender aos requisitos de altura manométrica, uma nova estação de bombeamento foi adicionada. Um filtro tipo V- recém-construído serve como unidade de pré-tratamento para a subsequente adsorção de coque ativado, garantindo a estabilidade do sistema ACCA. A água bruta passa por telas e câmaras de areia para remover materiais flutuantes, cabelos e partículas antes de entrar nos tanques biológicos híbridos MBBR para melhorar a remoção de nitrogênio. O licor misturado então entra em clarificadores secundários para separação de sólidos. O sobrenadante é elevado através da nova estação de bombeamento para filtros de desnitrificação e tanques de sedimentação de alta-densidade. O efluente é então elevado pela nova estação de bombeamento para o filtro tipo V-e tanques de adsorção de coque ativado de dois-estágios para tratamento avançado, removendo ainda mais DQO, TP, SS, cor, etc. O efluente final é desinfetado antes da descarga.
4. Parâmetros de projeto das principais unidades de tratamento
4.1 Tanques Biológicos
Os tanques biológicos existentes da Fase I são divididos em dois grupos com volume de tanque relativamente pequeno, mas com estrutura sólida. Portanto, para esta atualização, embora atendendo aos requisitos de altura manométrica, as paredes do tanque foram elevadas em 0,5 m. Após a reforma, o volume efetivo total é de 10.800 m³, com TRH total de 14,4 h e TRH da zona anóxica de 6,4 h, aumentando o tempo de retenção anóxica para melhorar a remoção do NT. Os tanques biológicos existentes da Fase II têm volume efetivo de 19.600 m³, TRH total de 14,7 h e TRH de zona anóxica de 6,8 h. Este projeto envolveu a substituição dos sistemas de aeração e alguns misturadores submersíveis antigos nos tanques biológicos de Fase I e II, além da adição de transportadores suspensos e telas de retenção. Os transportadores são feitos de poliuretano ou outros materiais compósitos de alto-desempenho, com especificação cúbica de 24 mm, área superficial específica de 4.000 m²/m³ e taxa de enchimento de 20%. O AOR do sistema de tratamento biológico é de 853,92 kg O₂/h, com vazão de fornecimento de ar de 310,36 Nm³/min.
4.2 Estação de bombeamento de elevação e tanque de águas residuais
Uma nova estação elevatória de bombeamento foi construída para bombear efluentes dos tanques de sedimentação de alta-densidade para o filtro tipo V-para tratamento posterior. Um tanque de águas residuais armazena águas residuais de retrolavagem dos filtros. Bombas pequenas são usadas para bombear uniformemente as águas residuais de retrolavagem para os tanques biológicos da Fase II para evitar carga de choque. Foram instaladas três bombas de elevação secundárias (2 em espera + 1 de serviço, Q=1,300 m³/h, H=12 m, N=75 kW), com controle de acionamento de frequência variável (VFD). O tanque de águas residuais de retrolavagem está equipado com 2 bombas de transferência (1 de serviço + 1 standby, Q=140 m³/h, H=7 m, N=5.5 kW) e um misturador submersível (N=2.2 kW) para evitar sedimentação.
Filtro tipo-de 4,3 V
Um novo filtro tipo V- foi construído com dimensões estruturais de 36,9 m (L) × 29,7 m (W) × 8,0 m (H). Ele usa meio filtrante homogêneo de areia de quartzo. O filtro é dividido em 6 células dispostas em duas linhas. O tubo de saída de cada célula possui uma válvula reguladora elétrica para controlar a operação constante do nível de água. O processo de retrolavagem pode ser regulado via PLC. A taxa de filtração projetada é de 7,0 m/h, a taxa de filtração forçada é de 8,4 m/h e a área de filtração de célula única é de 49,4 m². A intensidade da água de retrolavagem é de 11 m³/(m²·h), a intensidade do ar de retrolavagem é de 55 m³/(m²·h) e a intensidade de varredura de superfície é de 7 m³/(m²·h). A duração da retrolavagem é de 10 minutos. O ciclo de retrolavagem é de 24 horas (ajustável), lavando uma célula por vez. O tamanho do meio de areia de quartzo é 1-1,6 mm com k₈₀ <1,3. São usadas placas de filtro monolíticas fundidas-no local.
4.4 Tanques de Adsorção de Coque Ativado
Um novo tanque de adsorção de coque ativado foi construído com dimensões estruturais de 49,5 m (L) × 30,15 m (W) × 11,0 m (H). Ele emprega uma configuração de filtragem de dois-estágios com um total de 36 células, 18 células por estágio. A taxa máxima de filtração é de 6,02 m³/(m²·h), com média de 4,63 m³/(m²·h). As dimensões de célula única-de primeiro estágio-são L×W×H=5.0 m × 5,0 m × 11,0 m, com um tempo de contato de leito vazio (EBCT) de 1,4 h. As dimensões de célula única-de segundo{18}}estágio são L×W×H=5.0 m × 5,0 m × 9,5 m, com um EBCT de 1,08 h. O sistema utiliza 2.000 toneladas de coque ativado com tamanho de partícula de 2 a 8 mm, equipado com lavadoras móveis de coque, distribuidores de água, barragens de entrada/saída, etc.
4.5 Construção de Coque Ativado
Foi construído um novo edifício de coque ativado para armazenamento de coque ativado e fornecimento aos tanques de adsorção. As dimensões estruturais são 33,5 m (C) × 13,0 m (L) × 6,5 m (A). O equipamento auxiliar principal inclui: 1 peneira vibratória de desidratação de coque ativado, 3 bombas de alimentação de coque (2 de serviço + 1 standby, Q=40 m³/h, H=25 m, N=7.5 kW), 2 bombas de descarga de filtrado (1 serviço + 1 standby, Q=120 m³/h, H=20 m, N=18.5 kW), 2 ar compressores (1 serviço + 1 standby, Q=7.1 m³/min, N=37 kW) e um tanque receptor de ar (V=2 m³, P=0.8 MPa).
4.6 Sala de desidratação de placas-e{2}}estrutura
Uma nova sala de desidratação-e{1}}de estrutura foi construída ao lado da sala de desidratação de lodo existente. Devido a limitações de espaço, foi configurado um conjunto de filtros prensa de placas-e{4}}de moldura (área filtrante de 300 m²), servindo como backup para o filtro prensa de esteira. As instalações auxiliares incluem um tanque de condicionamento (volume efetivo 80 m³). A quantidade de lodo é de 6.150 kg DS/d, com teor de umidade do lodo de alimentação espessado de 97% e teor de umidade da torta desidratada de 60%. O equipamento auxiliar principal inclui: 2 bombas de alimentação (1 serviço + 1 standby, Q=60 m³/h, H=120 m, N=7.5 kW), 2 bombas de água de prensa (1 serviço + 1 standby, Q=12 m³/h, H=187 m, N=11 kW), 1 bomba de lavagem (Q=20 m³/h, H=70 m, N=7.5 kW), 2 bombas dosadoras (1 serviço + 1 standby, Q=4 m³/h, H=60 m, N=3 kW), 1 compressor de ar (Q=3.45 m³/min, N=22 kW), 1 conjunto de tanque receptor de ar (V=5 m³, P=1.0 MPa) e 1 conjunto de unidade de preparação PAM (Q=2 m³/h, N=1.5 kW).
4.7 Sistema de Controle de Odores
Um novo sistema de controle de odor de biofiltração foi adicionado com uma vazão de ar projetada de 12.000 m³/h. Tubos de plástico reforçado com vidro (GRP) são usados para coletar e tratar odores dos sistemas de pré-tratamento e tratamento de lodo. Estruturas de aço inoxidável e placas de resistência de PC são usadas para vedar equipamentos de pré-tratamento.
4.8 Outras atualizações de instalações
- Substituída por 2 peneiras finas alimentadas internamente com abertura de 5 mm, com roscas transportadoras e tanque de água de lavagem, V=10 m³ e 2 bombas de água de lavagem (1 serviço + 1 standby, Q=25 m³/h, H=70 m, N=11 kW).
- Substituído por 4 sopradores de suspensão a ar mais eficientes, controlados por VFD (3 serviços + 1 em espera, Q=130 m³/min, P=63 kPa, N=150 kW).
- Substituiu o meio filtrante nos filtros de desnitrificação existentes por 1.800 m³ de meio cerâmico (tamanho de partícula 3-5 mm).
- Substituídos 2 agitadores de mistura nos tanques de sedimentação de alta-densidade (velocidade 60-80 rpm, N=5.5 kW), 4 agitadores de floculação (velocidade 10-20 rpm, N=2.2 kW) e os decantadores tubulares (260 m²).
- Substituiu o filtro-prensa de correia por uma correia de 2 m de largura e compressor de ar correspondente, 1 conjunto.
- Utilizando a sala de controle central original, equipamentos atualizados, instrumentos e controle centralizado estabelecido, foi estabelecido um sistema de comunicação de dados em toda a fábrica para alcançar a comunicação de dados entre a sala de controle central e as subestações, bem como a automação do controle do processo de produção.
5. Desempenho operacional e indicadores{1}econômicos técnicos
5.1 Desempenho Operacional
Após a conclusão deste projeto de atualização, todas as unidades de tratamento passaram a operar de forma estável. Os dados de monitoramento da qualidade da água afluente e efluente para 2023 são apresentados emTabela 2.
Conforme mostrado, as concentrações médias de efluentes para DQO, NH₃-N, TN, TP e SS foram 11,2, 0,18, 8,47, 0,15 e 2,63 mg/L, com taxas médias de remoção de 95,16%, 99,45%, 77,31%, 94,75% e 97,38%, respectivamente. O DQO efluente, NH₃-N e TP atenderam consistentemente ao padrão de água GB 3838-2002 Classe III.
O projeto atualizado está em operação há quase dois anos. Os resultados indicam que o processo MBBR+ACCA é estável, eficiente e produz efluentes de alta-qualidade, demonstrando forte resistência a cargas de choque e condições de-baixa temperatura. Mesmo com uma temperatura mínima da água no inverno de 9,4 graus e flutuações significativas na qualidade da água, a qualidade do efluente permaneceu estável e atendeu aos padrões de descarga. Antes e depois da atualização, a dosagem da fonte de carbono não aumentou, mas a remoção de NT foi significativamente melhorada. Isto ocorre porque, por um lado, os microrganismos nitrificantes ligados aos transportadores MBBR crescem e acumulam-se num ambiente aeróbico estável, levando a uma nitrificação mais completa. Por outro lado, o nitrato foi posteriormente removido nos tanques MBBR atualizados e nos tanques anóxicos. O sistema ACCA final atua como uma salvaguarda, adsorvendo e removendo ainda mais DQO, TP, SS, etc. recalcitrantes, tornando a qualidade do efluente mais estável. Além disso, após a implementação do projeto, a planta pode produzir água recuperada de alta-qualidade, estabelecendo as bases para a reutilização futura da água.
5.2 Indicadores-econômicos técnicos
O investimento total para este projeto foi de 86.937.600 RMB, compreendendo custos de construção e instalação de 74.438.500 RMB, outras despesas de 7.593.500 RMB, custos de contingência de 4.101.600 RMB e capital de giro inicial de 804.000 RMB. Após a operação estável do sistema, o custo adicional de eletricidade para toda a planta é de 0,11 RMB/m³, o custo do coque ativado é de 0,39 RMB/m³, resultando em um aumento total nos custos operacionais de aproximadamente 0,50 RMB/m³.
6. Conclusão
- Este projeto implementou renovação de equipamentos, intensificação de processos e renovação na estação de tratamento de águas residuais existente e adicionou tratamento avançado, melhorando a eficiência de remoção de DQO, NH₃-N, TN e TP.
- Após a atualização, usando o processo principal "MBBR+ACCA", o DQO do efluente, NH₃-N e TP melhoraram de forma estável do Grau 1A para o padrão Classe III de águas superficiais, e a remoção de TN foi significativamente melhorada.
- A prática mostra que esse processo opera de forma estável e eficiente, é resistente a choques de carga, produz efluentes de{0}alta qualidade e acrescenta um custo operacional de aproximadamente 0,50 RMB/m³. Pode servir de referência para projetos de modernização e iniciativas de reutilização de água em outras estações de tratamento de águas residuais.