Efeito operacional do projeto de atualização da estação de tratamento de esgoto em Tianjin
Uma estação de tratamento de águas residuais em Tianjin passou por um projeto de modernização e renovação adotando o processo Bardenpho{0}}MBBR modificado, elevando a qualidade do efluente do padrão Grau A especificado no "Padrão de Descarga de Poluentes para Estações de Tratamento de Águas Residuais Municipais" (GB 18918-2002) para o padrão Classe A do padrão local de Tianjin DB 12/599-2015. O processo do Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) envolve a adição de transportadores suspensos de MBBR ao reator, fornecendo locais para fixação microbiana e formando biofilmes anexados, aumentando assim a biomassa efetiva no sistema e conseguindo a remoção de poluentes. O processo MBBR oferece vantagens como alta carga de tratamento, forte resistência a cargas de choque, desempenho de tratamento estável, gerenciamento operacional simples e operação de processo flexível. Um número crescente de ETAR na China está a adoptar o processo MBBR para renovação. Este artigo analisa o desempenho operacional de uma ETE de Tianjin após sua modernização, com o objetivo de fornecer uma referência para projetos de modernização semelhantes.
1. Processo atual de remoção biológica de nitrogênio e fósforo
O tanque biológico original utilizava processo A²/O com capacidade de tratamento de 12.500 t/d. A idade total projetada do lodo foi de 14 dias, a concentração de sólidos suspensos em licor misto (MLSS) foi de 3.500 mg/L, a temperatura da água projetada foi de 10 graus, o rendimento do lodo foi de 0,936 kgSS/kgBOD e a carga de lodo foi 0,082 kgBOD/kgMLSS. A lâmina efetiva de água do tanque biológico foi de 6 m, com volume total do tanque de 9.052,2 m³ e tempo de retenção hidráulica total (TRH) de 17,4 horas. A distribuição do TRH foi: zona seletora 0,58 h, zona anaeróbica 1,38 h, zona anóxica 2,85 h, zona de balanço 0,92 h e zona aeróbica 11,67 h. A reciclagem do lodo foi de 100% e a reciclagem interna do licor misto foi de 300%. O tanque biológico original consistia principalmente de seções anaeróbicas-anóxicas-aeróbicas. Os parâmetros operacionais podem ser ajustados com base nas condições do afluente e nos requisitos de efluentes para obter a remoção de nitrogênio e fósforo, com a qualidade do efluente atendendo ao padrão Grau A da GB 18918-2002.
2. Visão Geral do Projeto de Modernização e Renovação
Esta atualização teve como objetivo melhorar a qualidade do efluente para atender ao padrão Classe A do padrão local de Tianjin "Padrão de Descarga de Poluentes para Estações de Tratamento de Águas Residuais Municipais" (DB 12/599-2015). O afluente projetado e a qualidade do efluente são mostrados emTabela 1. De acordo com os valores de TN do afluente e efluente do projeto, atingir um TN do efluente abaixo de 10 mg/L requer uma taxa de desnitrificação de 75,6% no sistema de tanques biológicos. O tanque biológico original usava configuração A²/O. Cálculos baseados na configuração original do tanque indicaram que a taxa de reciclagem interna precisaria aumentar dos 200% originais para 310%, juntamente com a adição de uma grande quantidade de fonte externa de carbono. Isto não só aumentaria os custos operacionais, mas também o grande volume de fluxo interno de reciclagem poderia perturbar o ambiente anóxico. Isto poderia fazer com que o TRH real na zona anóxica fosse inferior ao requisito mínimo, afetando a eficiência da desnitrificação. O processo MBBR aumenta a capacidade de desnitrificação do sistema e melhora a qualidade do efluente adicionando transportadores suspensos para aumentar a concentração de biomassa dentro do tanque, atendendo assim aos requisitos de atualização.
Sem alterar o volume do tanque biológico existente, as zonas funcionais internas do tanque biológico foram reconfiguradas. A configuração A²/O original (anaeróbica-anóxica-aeróbica) foi modificada para uma configuração de estágio Bardenpho 6-: zona anaeróbica, zona anóxica, zona de balanço, zona aeróbica, zona pós-anóxica e zona pós-aeróbica. Especificamente, a zona seletora original foi convertida em uma zona anaeróbica. A zona anaeróbica original, a zona de balanço (parte frontal) e a zona anóxica foram todas usadas como zona pré-anóxica. A metade frontal do primeiro corredor da zona aeróbica original foi ajustada para uma zona de balanço. O primeiro, segundo e terceiro corredores aeróbicos originais foram convertidos na zona MBBR, onde foram adicionados transportadores suspensos, juntamente com sistemas de triagem de entrada/saída e um sistema de aeração auxiliar de fundo. O quarto corredor aeróbico foi convertido em uma zona pós-anóxica. A zona de balanço original foi funcionalmente particionada e ajustada em zonas pós-anóxicas e pós-aeróbicas. Os parâmetros do tanque biológico reformado são mostrados emTabela 2.
Em relação à operação do processo, o licor misto da zona aeróbica é reciclado para a zona anóxica e uma fonte de carbono é adicionada dentro da zona anóxica. As bactérias desnitrificantes utilizam a fonte de carbono para a desnitrificação para remover o nitrogênio nitrato produzido na zona aeróbica. O nitrogênio nitrato residual entra na zona pós-anóxica, onde uma fonte adicional de carbono é adicionada para continuar a desnitrificação. Após a renovação, a concentração de sólidos suspensos no licor misto (MLSS) é de 4.000 mg/L, a reciclagem do lodo é de 50% a 100%, a reciclagem interna do licor misto é de 200% a 250% e o oxigênio dissolvido na zona MBBR é de 2 a 5 mg/L. O fluxograma do processo após a reforma é mostrado emFigura 1.
3. Comissionamento do Sistema Após Renovação do Tanque Biológico
Após a conclusão da reforma do tanque biológico, iniciou-se a fase de comissionamento. Lama desidratada de outra ETAR foi adicionada ao tanque biológico, aumentando rapidamente a concentração de lama para acima de 3.000 mg/L em pouco tempo. Isto encurtou o período de cultivo e aclimatação do lodo, possibilitando a rápida partida do tanque biológico e a restauração de sua capacidade de remoção de nitrogênio e fósforo. Durante o período de operação experimental, devido ao fluxo afluente e às concentrações de poluentes relativamente baixos, a carga operacional real foi inferior à carga projetada. A abordagem foi primeiro cultivar e aclimatar o lodo ativado até que o sistema biológico se estabilizasse e a qualidade do efluente atendesse aos padrões e, em seguida, adicionar transportadores MBBR para formação de biofilme.
Depois que os transportadores foram adicionados à seção aeróbica do tanque biológico, eles foram primeiramente imersos. Os microrganismos gradualmente aderiram às suas superfícies. Visualmente, a cor da superfície do transportador mudou de branco para um amarelo terroso fraco à medida que mais microrganismos se fixaram e o biofilme se tornou mais denso. A cor do portador aprofundou-se gradualmente. Dois meses após a adição do transportador, a formação de biofilme foi boa, com a superfície do transportador parecendo marrom-amarelada e a cor se aprofundando gradualmente. Quatro meses após a adição do veículo, o biofilme na superfície do veículo parecia castanho escuro e era denso. A progressão da formação de biofilme pode ser observada intuitivamente com base nas mudanças na cor do transportador, como mostrado emFigura 2. Em dezembro de 2021, o exame microscópico do lodo ativado do tanque biológico e do lodo dos transportadores revelou estruturas de flocos compactos com boas propriedades de adsorção e sedimentação. Visualmente, os transportadores mostraram formação óbvia de biofilme. O exame microscópico identificou organismos como Vorticella, Opercularia e Epistylis, com avistamentos ocasionais de alguns ciliados móveis, indicando a conclusão da fase de formação do biofilme.
4. Desempenho Operacional Após Renovação do Tanque Biológico
4.1 Desempenho de remoção de DQO e DBO após renovação
Os valores de DQO e DBO dos efluentes para 2022 são mostrados emFigura 3. A DQO do efluente variou de 10,2 a 24,9 mg/L, com média de 18,0 mg/L. A DBO do efluente variou de 2,1 a 4,9 mg/L, com média de 3,4 mg/L. Tanto o DQO quanto o DBO do efluente atenderam de forma estável ao padrão local de Classe A de Tianjin. O sistema renovado não apenas demonstrou um bom desempenho de remoção de DQO e DBO, mas também manteve níveis de DQO e DBO de efluentes estáveis e compatíveis durante a estação das cheias, mesmo quando a carga afluente real da planta atingiu 110% de sua capacidade projetada. Isto indica que o sistema possui boa resistência a cargas de choque.
4.2 Desempenho de remoção de TN e NH₃-N após reforma
Os valores de efluente TN e NH₃-N para 2022 são mostrados emFigura 4. O NT variou de 3,72 a 8,74 mg/L, com média de 6,43 mg/L. NH₃-N variou de 0,02 a 1,25 mg/L, com média de 0,12 mg/L. Durante a operação no inverno, devido às temperaturas mais baixas, as taxas de nitrificação e desnitrificação diminuíram. Na prática, a concentração de lodo foi aumentada para acima de 6.000 mg/L. Operar com alta concentração de lodo é benéfico para melhorar a resistência do sistema biológico às cargas de choque, especialmente em baixas temperaturas. A sinergia entre a alta concentração de lodo e o biofilme ligado aos transportadores MBBR potencializa o efeito de tratamento do sistema biológico.
Os portadores de MBBR proporcionam um ambiente favorável para comunidades microbianas, apoiando o seu crescimento e reprodução. Após aclimatação e maturação, a capacidade de nitrificação e desnitrificação do biofilme se fortalece. Os microrganismos fixam-se e crescem em camadas na superfície do transportador, aumentando a densidade da zoogloea e formando estruturas de lodo grandes, densas e rapidamente estáveis. Ao enfrentar mudanças externas na qualidade da água, os microrganismos na superfície do transportador secretam substâncias poliméricas extracelulares (EPS) para auto-proteção, reduzindo assim o impacto de mudanças repentinas na qualidade da água nos microrganismos da-camada interna.
Nas ETEs que empregam o processo MBBR, foram observados fenômenos simultâneos de nitrificação e desnitrificação (SND) na zona transportadora aeróbica. Testar os valores de TN do afluente e do efluente da zona transportadora aeróbica revelou uma diferença de 2–6 mg/L. Essa diferença foi mais pronunciada, principalmente quando o oxigênio dissolvido no tanque aeróbio foi controlado abaixo de 2 mg/L, indicando SND mais significativo sob condições de baixo oxigênio dissolvido. O TN efluente do tanque de sedimentação secundária atendeu integralmente aos padrões, ou seja, a remoção do TN foi concluída dentro da etapa de tratamento biológico. Na operação real, o filtro desnitrificante-de leito profundo funciona como um processo de proteção. Em condições normais, funciona como um filtro regular para garantir que os indicadores SS atendam aos padrões.
4.3 Desempenho de Remoção para TP e SS Após Renovação
Os valores de TP e SS do efluente para 2022 são apresentados emFigura 5. O PT do efluente da ETE variou de 0,04 a 0,22 mg/L, com média de 0,10 mg/L. O SS do efluente variou de 1 a 4 mg/L, com média de 2,2 mg/L. Após a atualização, o TP do efluente do tanque de sedimentação secundária ficou em torno de 1,0 mg/L e SS em torno de 26 mg/L. Ao adicionar cloreto férrico e PAM no tanque de sedimentação de alta-eficiência para melhorar a coagulação e através de purificação adicional no filtro-de leito profundo desnitrificante, o efluente TP e SS atendeu de forma estável ao padrão local de Classe A de Tianjin, e o valor da cor foi significativamente reduzido.
5. Conclusão
Para atender ao padrão local Classe A de Tianjin, o processo A²/O original na ETE foi transformado em uma configuração Bardenpho de cinco-estágios, incorporando o processo MBBR na seção aeróbica para melhorar a remoção biológica de nitrogênio, reduzindo TN e NH₃-N dos efluentes. Durante a época de cheias com caudal de sobrecarga, todos os indicadores cumpriram os padrões de forma estável, demonstrando boa resistência ao impacto. Após a renovação do tanque biológico, a taxa de reciclagem interna foi de 200% a 300%, a reciclagem de lodo externo foi de 50% a 100%, a concentração de lodo foi de 4.000 a 6.000 mg/L, o oxigênio dissolvido na zona aeróbica foi controlado em 3–5 mg/L, e o oxigênio dissolvido na zona anaeróbica foi controlado em 0,2–0,5 mg/L. Em 2022, a qualidade do efluente da ETE foi: DQO 10,2–24,9 mg/L, média 18,0 mg/L; DBO 2,1–4,9 mg/L, média 3,4 mg/L; NH₃-N 0,02–1,25 mg/L, média 0,12 mg/L; TN 3,72–8,74 mg/L, média 6,43 mg/L; TP 0,04–0,22 mg/L, média 0,1 mg/L; SS 1–4 mg/L, média 2,2 mg/L. Todos atenderam de forma estável ao padrão Classe A do padrão local de Tianjin "Padrão de Descarga de Poluentes para Estações de Tratamento de Águas Residuais Municipais" (DB 12/599-2015).