Comparação de processos AO de dois-estágios e AO de três{1}}estágios: uma engenharia Perspectiva
Atualmente, a maioria das estações de tratamento de águas residuais (ETEs) na China adota processos baseados em lodo ativado-para tratamento de águas residuais. Entre eles, quase metade utiliza o processo Anóxico-Oxic (AO). O processo AO oferece vantagens como operação estável e baixo custo. No entanto, a sua eficiência total de remoção de azoto (TN), normalmente variando entre 60% e 80%, é limitada pelas taxas de reciclagem internas. Com requisitos nacionais cada vez mais rigorosos para remoção de nitrogênio, os processos convencionais de AO de estágio único muitas vezes têm dificuldade para atender às demandas de tratamento de TN. Assim, surgiram processos de AO em vários{10}estágios. Ao conectar dois ou mais estágios AO em série, o nitrato produzido no estágio aeróbio anterior fornece o substrato para a desnitrificação no estágio anóxico subsequente. Isto atinge o objetivo de reduzir a taxa de reciclagem interna e, ao mesmo tempo, melhorar a remoção geral de TN. Contudo, estágios excessivos também podem aumentar a complexidade operacional. Conseqüentemente, as configurações mais comumente aplicadas na China são atualmente os processos AO de dois-estágios e três{16}}estágios. Este artigo apresenta uma análise comparativa de processos de AO de dois- e três{19}}estágios usando uma ETE no sul da China como estudo de caso, com o objetivo de fornecer uma referência para a seleção de rotas técnicas em projetos semelhantes.
1 Visão Geral do Projeto
Uma ETAR no sul da China cobre uma área total de 8 hectares. Sua capacidade de projeto original era de 90.000 m³/d, com qualidade de efluente exigida para atender tanto ao padrão Grau A do "Padrão de Descarga de Poluentes para Estações de Tratamento de Águas Residuais Municipais" (GB 18918-2002) quanto aos "Limites de Descarga de Poluentes de Água" da província de Guangdong (DB 44/26-2001) (doravante denominado "Quase Classe V"). A planta estava operando em plena capacidade. De acordo com o planejamento relevante, era necessária uma expansão. Os futuros padrões de efluentes, com base na situação atual, precisavam considerar uma exigência de longo prazo de TN menor ou igual a 10 mg/L. Considerando de forma abrangente as reais condições do local, a escala de construção civil para esta ampliação foi fixada em 70 mil m³/d. A planta operaria a 50 mil m³/d no curto prazo e atingiria a escala de 70 mil m³/d no longo prazo, elevando a capacidade total de tratamento da planta para 160 mil m³/d. A qualidade da água afluente e efluente projetada é mostrada emTabela 1.
Devido às restrições do local, o plano preliminar para a expansão adotou a rota do processo de "AO de múltiplos-estágios + Tanque de sedimentação retangular-In Peripheral-Out de alta-Eficiência + Placa de fibra-e-Filtro de estrutura". As estruturas civis de todas as principais unidades foram construídas para a escala de 70 mil m³/d, enquanto os equipamentos foram instalados para a capacidade de 50 mil m³/d. O tanque biológico empregaria um processo AO de vários{15}estágios no curto prazo. No longo prazo, a adição de transportadores suspensos criaria um processo de lodo ativado por biofilme híbrido-para atender à demanda de expansão de capacidade de 40%. Para este projeto foram consideradas condições hidráulicas para a escala de 70.000 m³/d, enquanto o tratamento biológico foi projetado para a escala de 50.000 m³/d. Como este projeto pretendia adotar um processo de AO de vários-estágios, foi realizada uma comparação entre AO de dois-estágios e de três-estágios.
2 Comparação de processos AO de dois-estágios e três{2}}estágios
2.1 Fluxo do Processo
O princípio fundamental do processo AO de vários-estágios é utilizar nitrato produzido no estágio aeróbio anterior para desnitrificação no estágio anóxico subsequente, reduzindo assim a taxa de reciclagem interna. Teoricamente, mais etapas levam a uma melhor remoção do NT, mas o controle torna-se mais complexo. Na prática de engenharia, AO de dois-estágios e três{4}}estágios são predominantes. Seus fluxos de processo são mostrados emFigura 1. Para um AO de dois-estágios, a reciclagem interna normalmente é projetada no primeiro estágio do AO. Para um AO de três{3}}estágios, a reciclagem interna geralmente não é empregada. As ETEs em Pequim que usam o processo AO de dois{5}}estágios incluem Qinghe (400.000 m³/d), Xiaohongmen (500.000 m³/d), Gao'antun (400.000 m³/d), Dingfuzhuang (200.000 m³/d) e Huaifang (600.000 m³/d). Esse processo oferece vantagens como equipamentos simples, baixos custos de operação e manutenção, forte resistência a cargas de choque e alta compatibilidade com outros processos, facilitando futuras atualizações para atender padrões mais elevados de efluentes. Teoricamente, um AO de três{18}}estágios em série pode eliminar a necessidade de equipamentos de reciclagem internos, permitir uma alocação mais racional de fontes de carbono e reduzir investimentos e custos operacionais. Este processo é aplicado principalmente em cenários com fontes suficientes de carbono e altas demandas de remoção de nitrogênio. Casos típicos incluem a ETAR de Qujing em Yunnan (80.000 m³/d), a ETAR Urbana do Distrito de Ninghe em Tianjin (90.000 m³/d), a ETAR de Zhangguizhuang em Tianjin (200.000 m³/d) e a Central de Recuperação de Daoxianghu em Pequim (80.000 m³/d).
2.2 Comparação de Processos
Considerando que não há terreno adicional disponível para futuras melhorias neste local, e que alguns novos projetos locais já estão implementando um padrão de TN de efluente inferior ou igual a 10 mg/L, a comparação do processo considerou um TN de efluente de tanque biológico inferior ou igual a 10 mg/L para acomodar a possibilidade de requisitos de efluentes mais rigorosos no futuro. Outros indicadores aderiram à qualidade do efluente de projeto. Com base no layout, para a escala de curto-prazo de 50.000 m³/d, o Tempo de Retenção Hidráulica (TRH) máximo para o tanque biológico foi de 18 horas. Combinando as condições reais do projeto, os resultados da simulação BioWin e a conveniência do acoplamento com transportadores suspensos, foi realizada uma comparação entre processos AO de dois-estágios e três{10}}estágios.
2.2.1 Simulação BioWin
Foi estabelecida uma TRH inicial de 18 horas e reduzida gradativamente. O TDH mínimo para atingir a exigência de TN do efluente foi de 14 horas. Para o AO de dois-estágios, os pontos de distribuição influentes foram a zona anaeróbica, a zona anóxica do primeiro-estágio e a zona anóxica do segundo-estágio. Para o AO de três{8}}estágios, os pontos influentes foram a zona anaeróbica, a zona anóxica do segundo-estágio e a zona anóxica do terceiro-estágio.
① Estudo com Razão Fixa de Distribuição de Influentes
Definindo a proporção de distribuição de influentes em 4:3:3 para ambos, as simulações compararam três esquemas: AO de dois-estágios (proporção de reciclagem de 200%), AO de três-estágios com uma taxa de reciclagem total de 200% (100% de reciclagem no primeiro estágio AO + 100% de reciclagem da terceira zona óxica para a primeira zona anóxica) e AO de três-estágios com uma taxa de reciclagem de 100% (reciclar somente na primeira etapa do AO). Os fluxos de simulação são mostrados emFigura 2.
Tabela 2mostra os resultados da simulação para uma proporção fixa de afluentes em HRT=14 h.
Na Tabela 2, pode-se observar que para AO de dois-estágios e de três{2}}estágios, é recomendado configurar a reciclagem interna no primeiro estágio de AO para maximizar a desnitrificação na primeira zona anóxica, utilizando a fonte de carbono no afluente bruto. Para o AO de três-estágios, a configuração da reciclagem interna do final do terceiro estágio até a primeira zona anóxica melhorou ligeiramente a remoção de TN e TP, mas a eficiência da remoção de matéria orgânica diminuiu. Esta é uma especulação atribuída ao aumento do fluxo geral no tanque biológico devido à reciclagem, que transportava oxigênio dissolvido para a zona anóxica, afetando o ambiente anóxico. Além disso, o HRT real em cada zona foi reduzido e a transição entre as condições operacionais foi acelerada, levando à redução da eficiência. Para características de afluentes como as deste projeto no sul da China, onde a concentração de TN não é muito alta, o AO de dois-estágios pode atender totalmente aos requisitos do efluente, não mostrando nenhuma vantagem distinta para o AO de três-estágios. Para cenários com alto COD e alta influência de TN, o AO de três{11}}estágios pode ser mais adequado.
② Estudo sobre ajuste de taxas de distribuição de influência
O AO de dois-estágios e de três{1}}estágios foi definido com uma taxa de reciclagem interna de 100% no primeiro estágio do AO. Foram realizados estudos sobre proporções de distribuição de influência multiponto (1:0:0, 3:7:0, 2:4:4). Aqui, 1:0:0 significa que todos os influentes entram bem na frente; 3:7:0 para o AO de três{21}}estágios significa que o influente é distribuído apenas para a zona anaeróbica e o segundo estágio do AO. Os resultados da simulação para taxas de distribuição ajustadas são mostrados emTabela 3.
Na Tabela 3 verifica-se que a relação de distribuição tem um ligeiro impacto na qualidade do efluente. A tendência geral é que, à medida que a proporção de influente distribuído para os estágios posteriores aumenta, as concentrações de efluentes TN, NH₃-N e TP aumentam, e a demanda de aeração também aumenta gradualmente. Quando a proporção de afluentes era 3:7:0, o AO de três{7}}estágios apresentou remoção de TN ligeiramente melhor e uma proporção de ar-para{9}}água ligeiramente menor do que o AO de dois-estágios. Contudo, na operação real, esta diferença é geralmente insignificante. Além disso, aumentar a proporção de influentes para estágios posteriores, embora benéfico para a utilização da fonte de carbono na desnitrificação, inevitavelmente aumenta a carga nas reações bioquímicas devido à entrada de NH₃-N, matéria orgânica e TP. Portanto, é recomendável manter a configuração de afluente multiponto e fazer ajustes em fases com base na qualidade real da água durante a operação. Vale a pena notar que, embora o AO de três{17}}estágios tenha mostrado melhor remoção de TN do que o AO de dois-estágios em uma proporção de afluentes de 2:4:4, à medida que o afluente para os estágios posteriores aumentou, o efluente NH₃-N mostrou uma tendência crescente, ponto em que o NH₃-N não conseguiu mais atender ao padrão de efluente.
③ Desempenho do tratamento de dois-estágios e três{1}}estágios AO
Uma configuração AO de três{0}}estágios foi simulada com HRT=14 h, proporções de volume iguais para cada estágio (1:1:1), 100% de reciclagem interna definida no primeiro estágio AO e uma proporção influente de 4:3:3, sob duas condições: com 100% de reciclagem e com reciclagem fechada. Uma configuração AO de dois-estágios foi simulada com HRT=14 h, 100% de conjunto de reciclagem interna e uma proporção influente de 4:3:3. Os resultados mostraram que o AO de dois{17}}estágios alcançou o TN ideal do efluente de 6,29 mg/L; o AO de três{19}}estágios com 100% de reciclagem interna na frente alcançou o segundo melhor valor, 7,51 mg/L; o AO de três-estágios sem reciclagem interna teve pior desempenho com 8,52 mg/L. Todos os três cenários poderiam atender ao requisito de verificação de efluentes (TN menor ou igual a 10 mg/L).
Tabela 4mostra a comparação de parâmetros de projeto entre AO de dois-estágios e três-estágios. Pode-se observar que para ambos os processos o TDH necessário para atingir a exigência de TN do efluente é inferior a 18 horas. As principais diferenças entre os dois processos são as seguintes:
um. Teoricamente, o AO de três{0}}estágios tem um limite superior mais alto; ou seja, se for operado adequadamente, tanto os custos de investimento como os custos operacionais podem ser mais baixos. O AO de dois-estágios tem menos itens de equipamentos e estágios, resultando em menores custos de equipamentos e menor dificuldade de gerenciamento operacional.
b. Para este projeto específico, como o longo prazo foi considerado e o volume do tanque foi projetado para um HRT de 18-horas, o investimento civil seria idêntico se adotasse o AO de dois-estágios ou de três{4}}estágios. O custo do equipamento para o AO de três{6}}estágios é maior. Portanto, do ponto de vista do investimento, a adoção do AO em dois estágios é mais econômica.
c. Em relação aos custos operacionais, o AO de três-estágios poderia economizar aproximadamente 0,002 CNY/m³ eliminando o custo de energia de reciclagem de 100% de licor misto. Considerando a diminuição potencial na eficiência de utilização da fonte de carbono na operação real devido à alternância de condições anóxicas/óxicas no AO de três{4}}estágios, a diferença real nos custos operacionais provavelmente seria ainda menor.
2.2.2 Análise do cenário-de operadora suspensa de longo prazo
Devido aos requisitos exclusivos deste projeto, o tanque biológico precisava considerar a viabilidade e a conveniência do plano de expansão de capacidade de longo-prazo, ou seja, o impacto da adição de transportadores suspensos.
O núcleo do processo MBBR é aumentar a biomassa no reator adicionando transportadores suspensos. Estes podem ser adicionados a tanques aeróbicos, anóxicos ou anaeróbicos. Contudo, considerando a fluidização do transportador, adicioná-los a tanques anaeróbicos ou anóxicos aumentaria significativamente os requisitos de potência de mistura. Portanto, a adição aos tanques aeróbicos é preferencialmente recomendada. O volume das zonas anaeróbicas/anóxicas pode ser complementado pela partição da zona aeróbica, enquanto a deficiência no volume aeróbio é compensada pelos transportadores adicionados. Em outras palavras, o volume aeróbico insuficiente é suportado pelo aumento da área superficial dos transportadores suspensos, que é calculada com base na conversão da carga poluente para determinar a quantidade necessária de transportadores, controlando uma determinada taxa de enchimento para obter o volume adicionado.
Com base nos cálculos, se adotarmos o processo AO de dois-estágios e adicionarmos todos os transportadores suspensos à zona aeróbica do primeiro-estágio no longo prazo, a área de superfície necessária do transportador MBBR seria de 2.597.708 m², custando 12,99 milhões de CNY. Outros custos de equipamentos fixos relacionados (incluindo sistemas de fluidização MBBR, misturadores dedicados, sistemas de triagem e sistemas de controle inteligentes) seriam de 6,15 milhões de CNY. Se adotar o processo AO de três-estágios, devido a zonas mais dispersas, a zona MBBR precisaria ser dividida em duas seções (zonas aeróbicas de primeiro-estágio e segundo-estágio). Consequentemente, o custo de instalação do equipamento fixo MBBR correspondente (excluindo as próprias transportadoras) aumentaria ligeiramente para 7,77 milhões de CNY, enquanto o custo da transportadora permaneceria o mesmo. Isso significa que a adoção do AO de três{16}}estágios aumentaria o investimento futuro em modernização em 1,62 milhão de CNY e também aumentaria a complexidade da modernização. Além disso, o sistema de triagem é a área mais propensa a problemas após a adição do transportador. O AO de três-estágios adiciona uma seção extra de telas, aumentando a dificuldade operacional.
Pela comparação acima, devido ao particionamento excessivo no AO de três-estágios, com cada partição tendo um volume semelhante, sua dificuldade de retrofit é maior do que a do AO de-dois estágios. A construção, a complexidade operacional e a adição de equipamentos de triagem também resultam em investimentos maiores do que o AO de dois{3}}estágios. Portanto, a adoção do AO de dois-estágios é mais propícia ao acoplamento futuro com portadoras suspensas.
2.3 Resultado da Comparação
Com base na análise acima, os processos AO de dois-estágios e de três{1}}estágios podem atingir a meta de TN de efluente menor ou igual a 10 mg/L. Sob as condições de limite deste projeto, o-espaço limitado, a necessidade de maximizar o volume do tanque-a curto prazo e o plano-de longo prazo para adicionar transportadores suspensos-os dois-estágios AO apresentam vantagens em termos de investimento a curto-prazo e conveniência de gerenciamento/manutenção de equipamentos. Também oferece maior compatibilidade para retrofit futuro com transportadores suspensos, resultando em menor investimento geral e redução de retrofit e dificuldade operacional. Portanto, após consideração abrangente, o processo AO de dois-estágios foi recomendado para esse projeto.
3 Desempenho Operacional
O investimento total estimado para este projeto é de 304,5721 milhões de CNY, com custos de construção de 243,6019 milhões de CNY, traduzindo-se em um custo unitário de construção de 3.480,03 CNY/m³. O custo de tratamento é de 1,95 CNY/m³ e o custo operacional é de 1,20 CNY/m³.
Para este projeto, o tanque biológico tem um TRH total de 18 horas (compreendendo: zona anaeróbica 2 h, zona anóxica de primeiro-estágio 3,5 h, zona aeróbica de primeiro-estágio 7,5 h, zona de desgaseificação 0,5 h, zona anóxica de segundo-estágio 2,5 h, zona aeróbica de segundo-estágio 2 h), com profundidade efetiva de água de 8,6 m. É implementada uma tomada de água seccional ajustável, permitindo ajustes na proporção de distribuição de afluentes em incrementos de 20%, conforme necessário. Na operação real, a concentração de sólidos suspensos de licor misto (MLSS) no tanque biológico varia de 3.500 a 4.000 mg/L, a taxa de retorno de lodo varia de 40% a 100% e a taxa de reciclagem interna do licor misto varia de 100% a 200%. A qualidade real do afluente e do efluente é mostrada emTabela 5, que se alinha basicamente consistente com os resultados da simulação.
4 Conclusão
Usando uma ETAR no sul da China como estudo de caso, uma comparação técnica e econômica entre processos de AO de dois-estágios e três{1}}estágios foi conduzida com o auxílio da simulação BioWin. O AO de dois-estágios, com menos itens de equipamentos e estágios, menores custos de equipamentos e menor dificuldade de gerenciamento operacional, é mais adequado para condições no sul da China, onde o TN influente não é muito alto. Para o AO de três-estágios, a configuração da reciclagem interna do final do terceiro estágio até a primeira zona anóxica afetou negativamente a eficiência de remoção de TN, aumentou a dificuldade de gerenciamento operacional e aumentou os custos de investimento. O projeto atende simultaneamente aos requisitos de tratamento de curto-prazo de 50.000 m³/d e TN menor ou igual a 10 mg/L, enquanto a escala-de longo prazo de 70.000 m³/d pode ser alcançada através do acoplamento com transportadores suspensos. Os resultados operacionais reais são amplamente consistentes com os resultados da simulação BioWin, com um TN médio de efluente de 6,86 mg/L, atendendo aos requisitos do projeto.