Revisão sobre Economia de Energia e Redução de Carbono em Sistemas de Aeração em Estações de Tratamento de Águas Residuais
No final de 2020, a China tinha 4.326 estações de tratamento de águas residuais (ETARs) de nível municipal e superior, tratando anualmente 65,59 mil milhões de metros cúbicos de águas residuais, com um consumo anual de eletricidade de 33,77 mil milhões de kWh, representando 0,45% do consumo total nacional de eletricidade. Em 2020, o consumo unitário de eletricidade por metro cúbico de água tratada foi de 0,405 kWh/m³ para ETARs que implementam o padrão de Grau A ou superior do "Padrão de Descarga de Poluentes para Estações de Tratamento de Águas Residuais Municipais" (GB 18918-2002), e 0,375 kWh/m³ para aqueles que implementam padrões abaixo do Grau A. Estes números são significativamente superiores à média nos países desenvolvidos. Embora a concentração média de poluentes influentes nas ETAR chinesas seja inferior a 50% da dos países desenvolvidos, o consumo unitário de electricidade por poluente removido é pelo menos 100% superior. Portanto, continua a existir um potencial substancial para a poupança de energia e a redução de carbono nas ETAR da China.
As emissões de carbono das ETAR incluem emissões diretas e indiretas. De acordo com a "Especificação Técnica para Avaliação de Operação de Baixo-Carbono de Estações de Tratamento de Águas Residuais" (T/CAEPI 49-2022), as emissões diretas de carbono consistem principalmente de CH₄, N₂O e CO₂ provenientes da combustão de combustíveis fósseis. As emissões indiretas abrangem aquelas associadas à eletricidade, ao calor e aos produtos químicos adquiridos. Conforme definido pelo Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC), o CO₂ emitido pelo processo de degradação biológica no tratamento de águas residuais não está incluído na contabilização das emissões de carbono. Entre os vários elementos de emissão de carbono nas ETAR, o consumo de eletricidade contribui com a maior proporção. Jiang Fuhai et al., com base numa amostra de 10 ETAR, constataram que o peso da contribuição do consumo de eletricidade para as emissões de carbono variou entre 31% e 64%. Hu Xiang et al., analisando 22 ETARs na bacia do Lago Chaohu, relataram que as emissões de carbono provenientes do consumo de eletricidade representaram 61,55% a 73,56%. Quanto menor a concentração do afluente e mais elevado o padrão do efluente, maior será a proporção de emissões diretas de carbono, particularmente aquelas provenientes do consumo de eletricidade. Os sistemas de aeração consomem mais de 50% da eletricidade total de uma ETAR. A eficácia operacional dos sistemas de aeração impacta diretamente a remoção de nitrogênio e fósforo. A aeração excessiva leva ao consumo desnecessário de fontes endógenas de carbono nas águas residuais, reduzindo a eficiência da remoção biológica de nitrogênio e fósforo, aumentando assim a dosagem de fontes externas de carbono e produtos químicos para remoção de fósforo, o que, por sua vez, aumenta as emissões de carbono provenientes do consumo de produtos químicos. Consequentemente, a poupança de energia nos sistemas de aeração é fundamental para a redução de carbono nas ETAR, tornando a investigação sobre tecnologias de poupança de energia em sistemas de aeração altamente significativa.
1. Razões para o alto consumo de energia nos sistemas de aeração das ETAR chinesas
1.1 A carga influente real é inferior à carga de projeto
A baixa carga influente inclui baixa vazão e baixa concentração de poluentes. É a principal causa de aeração excessiva. A-aeração excessiva não apenas aumenta o consumo de eletricidade, mas também esgota excessivamente as fontes endógenas de carbono nas águas residuais e eleva as concentrações de oxigênio dissolvido em tanques anaeróbicos e anóxicos, prejudicando a remoção de nitrogênio e fósforo. Isto exige doses maiores de fontes de carbono e produtos químicos para remoção de fósforo, aumentando as emissões de carbono associadas.
1.1.1 Baixa vazão
Normalmente, nos primeiros anos após a construção de uma ETAR, o fluxo afluente muitas vezes não consegue atingir a capacidade projetada devido ao atraso no desenvolvimento urbano ou na construção da rede de esgotos. Além disso, em áreas ou regiões de sistemas de esgoto combinados com forte mistura de águas pluviais e esgoto, o fluxo em clima-seco é significativamente menor do que o fluxo em clima-úmido, resultando em grandes flutuações de fluxo. Isto exige uma regulação e um controlo mais precisos das taxas de arejamento; caso contrário, a-aeração excessiva durante períodos-de baixo fluxo é comum, afetando a eficiência da remoção de carbono, nitrogênio e fósforo e aumentando o consumo de eletricidade e produtos químicos.Figura 1mostra a variação no volume de tratamento de águas residuais na cidade de Changsha entre as estações seca e chuvosa. O volume de tratamento-da estação chuvosa é 30% a 40% maior do que na estação seca. As flutuações sazonais no volume de tratamento exigem um controle mais preciso do sistema de aeração.
1.1.2 Baixa Concentração de Afluentes
As concentrações reais de poluentes influentes nas ETAR municipais da China são geralmente muito inferiores aos valores projectados. No projeto de ETAR, a qualidade do afluente geralmente é baseada em projeções de médio-a-longo-prazo com redes de esgoto completas. De acordo com o "Padrão para Projeto de Engenharia de Águas Residuais Externas" (GB 50014-2021), a demanda bioquímica de oxigênio (DBO₅) de cinco-dias para águas residuais domésticas é calculada em 40–60 g/(pessoa·d), geralmente levando 40 g/(pessoa·d). Com uma descarga de águas residuais per capita de 200–350 L/(pessoa·d) na maioria das cidades, a concentração projetada de DBO₅ normalmente varia de 110 a 200 mg/L. As estatísticas mostram que 68% das ETAR na China têm uma DBO₅ influente média anual real abaixo de 100 mg/L, com 40% tendo uma média anual abaixo de 50 mg/L. Do ponto de vista da concentração de afluentes versus aeração necessária, a maioria das ETARs chinesas têm sistemas de aeração projetados com uma situação de "motor superdimensionado para um carrinho pequeno"-configurado com sopradores de-alta capacidade enquanto a demanda real de ar é baixa. Esta configuração leva facilmente à aeração excessiva e ao aumento do consumo de energia.
1.2 Configuração irracional da quantidade de equipamentos de aeração
Muitas ETARs configuraram injustificadamente o número de unidades de equipamentos de aeração por não levarem em conta condições operacionais frequentes de baixa-carga. Por exemplo, muitas ETARs de pequeno e médio- porte normalmente configuram sopradores em uma configuração de "2 tarefas + 1 em espera" (total 3) no projeto da sala do soprador, o que é ideal sob condições de fluxo e qualidade projetadas. No entanto, sob condições de carga afluente baixa, operar até mesmo um soprador em sua saída mínima pode causar-aeração excessiva e aumento do consumo de energia. Embora a instalação de unidades de frequência variável (VFDs) ou outros meios para reduzir o suprimento de ar possa evitar a-aeração excessiva, essas medidas podem desviar a operação do soprador da zona de alta-eficiência, reduzindo a eficiência e desperdiçando energia. Dadas as concentrações geralmente baixas de afluentes, estratégias como aumentar o número de sopradores e reduzir a capacidade da unidade individual devem ser consideradas para atender às necessidades de regulação da demanda de ar durante períodos de-baixa carga. Historicamente, orçamentos limitados e o alto custo de sopradores importados de alto-desempenho levaram a menos-configurações de unidades. Com o amadurecimento da tecnologia doméstica de sopradores de alto-desempenho e custos reduzidos, as condições agora são favoráveis para otimizar as configurações dos sopradores para obter economia de energia e redução de carbono.
1.3 Baixa Eficiência dos Equipamentos de Aeração
Algumas ETARs mais antigas, construídas com a tecnologia da época, empregam equipamentos de aeração de baixa-eficiência e alto{1}}consumo-de energia. Pelos atuais padrões tecnológicos e de eficiência energética, equipamentos como sopradores Roots, sopradores centrífugos multi{4}}estágios de baixa-velocidade, aeradores de disco e aeradores de escova são considerados de baixa-eficiência, normalmente variando de 40% a 65% de eficiência-15% a 40% menor que os sopradores centrífugos modernos de alta-velocidade. Além disso, em ETARs que utilizam aeração difusa de bolhas finas-em processos Anaeróbicos-Anóxicos-Óxicos (A₂/O) ou Anóxico-Óxicos (A/O), o envelhecimento ou entupimento dos difusores reduz a eficiência da transferência de oxigênio e aumenta a resistência, aumentando assim o consumo de energia do soprador.
1.4 Configuração irracional de misturadores em tanques biológicos
Em valas de oxidação com aeradores de superfície, o equipamento serve tanto para aeração quanto para funções de mistura/empurrão. Este é um projeto razoável sob condições de carga de projeto. No entanto, sob condições de baixa-carga, pode ser necessário reduzir ou interromper a aeração, mas para evitar a sedimentação de lodo ou a separação de líquidos-sólidos, a velocidade de fluxo suficiente deve ser mantida, forçando a operação contínua dos aeradores e causando excesso-de aeração, má remoção de nutrientes e desperdício de energia. Para uma operação com-maior eficiência energética em cargas baixas, as valas de oxidação devem ser equipadas com misturadores submersíveis adequadamente configurados.
Nos processos A₂/O e A/O, os tanques aeróbicos normalmente são totalmente cobertos com difusores-de bolhas finas sem misturadores dedicados, contando com aeração suficiente para evitar sedimentação. Sob cargas baixas, reduzir a aeração ou implementar aeração intermitente para evitar-aeração excessiva pode facilmente levar à sedimentação do lodo, afetando o tratamento. Para operar com mais eficiência em cargas baixas, os tanques aeróbicos A₂/O e A/O devem considerar a adição de misturadores apropriados.
2. Abordagens Técnicas para Economia de Energia e Redução de Carbono em Sistemas de Aeração de ETARs
2.1 Substituição por equipamento de aeração-de alta eficiência
ETEs que ainda usam equipamentos de baixa-eficiência, como sopradores Roots, sopradores centrífugos de baixa-velocidade de vários-estágios, aeradores de disco ou aeradores de escova, ou aqueles com equipamentos muito antigos e ineficientes, devem realizar avaliações de eficiência energética a partir de uma perspectiva de-economia de energia e redução-de carbono e substituí-los oportunamente por modelos novos e de alta-eficiência. Atualmente, sopradores de alta-velocidade, como sopradores centrífugos de-estágio único e alta{9}}velocidade, sopradores de rolamentos magnéticos e sopradores de rolamentos de ar usados em grandes ETEs normalmente apresentam eficiências entre 80% e 85%. No entanto, o mercado atualmente carece de produtos de sopradores centrífugos de pequena-capacidade e alta{14}}velocidade. ETARs com capacidades inferiores a 2.000 m³/d ainda dependem de equipamentos menos eficientes, como os sopradores Roots, com eficiências geralmente entre 40% e 65%, indicando um potencial significativo de melhoria. Portanto, o desenvolvimento de equipamentos de aeração de pequena-escala mais eficientes é significativo para a economia de energia e a redução de carbono em pequenas ETARs.
2.2 Conversão de aeração superficial para aeração fina-difusa em bolhas
Dada a profundidade adequada da água, a aeração difusa de{{0}bolhas finas é mais eficiente-em termos de energia do que a aeração superficial. A conversão de valas de oxidação de superfície para aeração difusa com bolhas finas pode gerar bons resultados de economia de energia. A partir de projetos de modernização implementados, tais conversões não só alcançam economias de energia significativas, mas também melhoram a eficiência da remoção biológica de nutrientes. O estudo de Chen Chao observou que após a conversão de uma ETAR, o consumo total de eletricidade diminuiu 24,7%, enquanto as taxas de remoção de nitrogênio amoniacal, DQO e fósforo total aumentaram 30,39%, 5,39% e 2,09%, respectivamente. Xie Jici et al. relataram economia de energia de 0,09–0,12 kWh/m³ após uma conversão semelhante, com melhoria significativa na eficiência da remoção biológica de nutrientes. Na aeração com bolhas-finas, a eficiência da transferência de oxigênio está linearmente correlacionada positivamente com a profundidade da água. Abaixo de uma certa profundidade crítica, a sua eficiência pode ser inferior à da aeração superficial. Geralmente, uma profundidade de água superior a 4 m é considerada uma condição adequada para converter valas de oxidação em aeração difusa com bolhas finas.
3. Abordagens Técnicas para Economia de Energia e Redução de Carbono em Sistemas de Aeração de ETARs
3.1 Substituição por equipamento de aeração-de alta eficiência
ETEs que ainda usam equipamentos de baixa-eficiência, como sopradores Roots, sopradores centrífugos de baixa-velocidade de vários-estágios, aeradores de disco ou aeradores de escova, ou aqueles com equipamentos muito antigos e ineficientes, devem realizar avaliações de eficiência energética a partir de uma perspectiva de-economia de energia e redução-de carbono e substituí-los oportunamente por modelos novos e de alta-eficiência. Atualmente, sopradores de alta-velocidade, como sopradores centrífugos de-estágio único e alta{9}}velocidade, sopradores de rolamentos magnéticos e sopradores de rolamentos de ar usados em grandes ETEs normalmente apresentam eficiências entre 80% e 85%. No entanto, o mercado atualmente carece de produtos de sopradores centrífugos de pequena-capacidade e alta{14}}velocidade. ETARs com capacidades inferiores a 2.000 m³/d ainda dependem de equipamentos menos eficientes, como os sopradores Roots, com eficiências geralmente entre 40% e 65%, indicando um potencial significativo de melhoria. Portanto, o desenvolvimento de equipamentos de aeração de pequena-escala mais eficientes é significativo para a economia de energia e a redução de carbono em pequenas ETARs.
3.2 Conversão de aeração superficial para aeração fina-difusa em bolhas
Dada a profundidade adequada da água, a aeração difusa de{{0}bolhas finas é mais eficiente-em termos de energia do que a aeração superficial. A conversão de valas de oxidação de superfície para aeração difusa com bolhas finas pode gerar bons resultados de economia de energia. A partir de projetos de modernização implementados, tais conversões não só alcançam economias de energia significativas, mas também melhoram a eficiência da remoção biológica de nutrientes. O estudo de Chen Chao observou que após a conversão de uma ETAR, o consumo total de eletricidade diminuiu 24,7%, enquanto as taxas de remoção de nitrogênio amoniacal, DQO e fósforo total aumentaram 30,39%, 5,39% e 2,09%, respectivamente. Xie Jici et al. relataram economia de energia de 0,09–0,12 kWh/m³ após uma conversão semelhante, com melhoria significativa na eficiência da remoção biológica de nutrientes. Na aeração com bolhas-finas, a eficiência da transferência de oxigênio está linearmente correlacionada positivamente com a profundidade da água. Abaixo de uma certa profundidade crítica, a sua eficiência pode ser inferior à da aeração superficial. Geralmente, uma profundidade de água superior a 4 m é considerada uma condição adequada para converter valas de oxidação em aeração difusa com bolhas finas.
3.3 Tecnologia de Aeração Intermitente
Para ETARs com baixas concentrações de afluentes, a aeração intermitente de fluxo-contínuo resolve efetivamente problemas de remoção insuficiente de nutrientes e alto consumo de energia causados pela aeração-superior. Envolve fluxo contínuo de afluentes e efluentes enquanto o sistema de aeração opera em ciclos de liga/desliga de aeração. Seguindo a pesquisa de ARAKI et al. de 1986 sobre aeração intermitente para remoção de nitrogênio em valas de oxidação, muitos estudiosos conduziram estudos experimentais. Hou Hongxun et al. conduziu um teste em-escala completa em uma ETAR de 100.000 m³/d usando aeração-intermitente de fluxo contínuo em uma vala de oxidação, alcançando um aumento de 20% na remoção total de nitrogênio, um aumento de 49% na remoção total de fósforo e uma redução de 21% no consumo total de energia da planta. He Quan et al., em um teste de vala de oxidação de ETAR de 40.000 m³/d usando um ciclo de 2-horas ligadas/2{31}}horas desligadas, descobriu que, em comparação com a aeração contínua, a aeração intermitente economizou 42% em energia de aeração, aumentou a remoção total de nitrogênio em 9,6% e a remoção total de fósforo em 6,9% sob condições de baixa-temperatura no inverno. Zheng Wanlin et al., em um teste de processo de A₂/O de ETAR de 40.000 m³/d usando um ciclo de 3{35}}horas ligado/3 horas desligado, mantiveram a qualidade estável do efluente em conformidade com o padrão, economizando 18,3% no consumo de eletricidade. Atualmente, as aplicações em grande escala de aeração intermitente de fluxo contínuo ainda são limitadas, restando vários desafios técnicos.
Para processos de A₂/O que usam aeração de bolhas-finas, dois fatores limitam a ampla aplicação de aeração intermitente. Primeiro, sopradores centrífugos de alta-velocidade geram ruído agudo e-decibéis altos na inicialização; ciclos frequentes para operação intermitente criam poluição sonora. Em segundo lugar, ciclos freqüentes de partida-parada para sopradores de rolamentos magnéticos/a ar fazem com que os rolamentos sem{6}}contato entrem repetidamente em contato com a carcaça, causando facilmente danos ao rolamento, aumento das taxas de falha e redução da vida útil.
Ao aplicar aeração intermitente a valas de oxidação ou processos de A₂/O, deve-se garantir velocidade de mistura suficiente durante períodos sem{0}}aeração, potencialmente exigindo misturadores adicionais para evitar a sedimentação do lodo. As concentrações de nitrogênio amoniacal podem aumentar rapidamente durante a não-aeração, arriscando excedência instantânea. Portanto, são necessárias mais pesquisas para definir e ajustar cientificamente os ciclos de aeração, melhorando melhor a economia de energia e a remoção de poluentes, evitando ao mesmo tempo a excedência instantânea do nitrogênio amoniacal.
A preocupação das ETAR sobre a potencial excedência instantânea do azoto amoniacal é uma grande barreira à ampla aplicação de arejamento intermitente. Em Janeiro de 2022, o Ministério da Ecologia e Ambiente emitiu uma consulta sobre um projecto de alteração à GB 18918-2002, propondo principalmente adicionar limites máximos permitidos para medições únicas. Estes limites de medição únicos propostos são significativamente superiores aos limites médios diários originais, enquanto as médias diárias permanecem inalteradas. Por exemplo, para o padrão Grau A, uma única medição abaixo de 10 mg/L (15 mg/L abaixo de 12 graus) seria aceitável se a média diária permanecesse abaixo de 5 mg/L (8 mg/L abaixo de 12 graus). Se implementada, esta alteração poderá ajudar a resolver preocupações regulamentares relativas à excedência instantânea da aeração intermitente, facilitando a sua aplicação em processos de valas de oxidação.
3.4 Tecnologia de Aeração Precisa
As taxas de fluxo das ETAR e as concentrações de afluentes flutuam significativamente, mesmo ao longo do dia, causando uma procura de ar variável. Depender apenas do ajuste manual-com base na experiência dificulta o controle preciso e pode comprometer a estabilidade da qualidade do efluente. Com os avanços em big data e inteligência artificial, surgiu o conceito de aeração precisa. A tecnologia de arejamento precisa tem sido aplicada em algumas ETAR, conseguindo normalmente poupanças de energia de 10% a 20% nos sistemas de arejamento. A combinação de aeração precisa com outras modificações do processo pode produzir melhores resultados. Zhu Jie et al. implementou modernização precisa de aeração em uma ETAR de processo de A/O de vários-estágios, alcançando 49,8% de economia de energia no sistema de aeração. A aeração precisa e inteligente representa importantes direções futuras para economia de energia e redução de carbono. Existem limitações atuais na capacidade-em tempo real e na precisão da aquisição e análise de dados para esses sistemas. Mais avanços tecnológicos são necessários para controle-preciso de sopradores e válvulas em tempo real e distribuição precisa de ar.
4. Conclusão
A poupança de energia nos sistemas de aeração é fundamental para a redução de carbono nas ETAR. A principal razão para o alto consumo de energia nos sistemas de aeração das ETEs chinesas é a baixa carga influente, que facilmente leva à-aeração excessiva, ao desperdício de eletricidade e ao aumento das emissões de carbono provenientes de energia e produtos químicos. Outros motivos incluem equipamentos antigos/de baixa{3}}eficiência e configuração inadequada de equipamentos de aeração e mistura. Meios eficazes para obter economia de energia e redução de carbono incluem a substituição de equipamentos de aeração de baixa-eficiência por equipamentos de aeração de alta-eficiência, a conversão de superfície em aeração difusa de bolhas-finas e a aplicação de tecnologias como aeração-intermitente de fluxo contínuo e aeração precisa.