Aplicação do processo BIOLAK na atualização de uma estação de tratamento de águas residuais para padrões quase-classe IV
Introduzido na China no início do século XXI, o processo BIOLAK ganhou ampla aplicação no tratamento de águas residuais municipais devido à sua estrutura simples e aos baixos custos de investimento. Nos últimos anos, com o rigor dos padrões de descarga e o aumento da automação, a maioria das plantas BIOLAK existentes enfrentam atualizações. Aprimoramentos como adição de transportadores suspensos, modernização de tanques e redefinição de zonas funcionais são implementados para melhorar a remoção de nitrogênio e fósforo. Embora as plantas recém-construídas adotem predominantemente processos de A²/O e valas de oxidação, há poucos relatórios sobre o desempenho real do BIOLAK, especialmente sob rigorosos padrões de emissão. O processo BIOLAK utiliza cadeias de aeração oscilantes para criar zonas anóxicas e aeróbicas temporais, funcionando essencialmente como um processo A/O de vários-estágios. Por meio da otimização operacional, a qualidade do efluente pode atender de forma estável ao padrão de águas superficiais quase{7}classe IV.
1 Histórico do projeto
Uma estação de tratamento de águas residuais na província de Hebei utiliza o processo BIOLAK como tecnologia principal. A afluência varia de 18.000 a 22.000 m³/d, com média de 19.000 m³/d, tratando principalmente esgoto doméstico urbano e uma pequena quantidade de águas residuais de processamento agrícola. As qualidades do afluente e do efluente projetadas são mostradas emTabela 1. O padrão de descarga original era o padrão Grau A do *"Padrão de Descarga de Poluentes para Estações de Tratamento de Águas Residuais Municipais" (GB 18918-2002)*. Após uma atualização que incluiu o particionamento de uma zona anaeróbica para melhorar a desnitrificação e a desfosforização, a planta agora está em conformidade com os principais limites da área de controle dos *"Padrões de Descarga de Poluentes de Água para a Bacia do Rio Daqing" (DB13/2795-2018)*. Com exceção do nitrogênio total, todos os outros indicadores atendem aos padrões de Classe IV especificados em *"Padrões de Qualidade Ambiental para Águas Superficiais" (GB 3838-2002)*. O fluxo do processo é mostrado emFigura 1.
A planta utiliza hipoclorito de sódio para desinfecção. O lodo é desidratado por placa de alta-pressão e filtração de estrutura até um teor de umidade abaixo de 60% antes de ser transportado para co-processamento em fornos de cimento.
A contribuição de cada unidade de tratamento para a remoção de poluentes foi calculada com base no balanço de massa, com métodos específicos referenciados na literatura.
2 Medidas de Otimização de Controle Operacional
Várias medidas de otimização foram implementadas durante a operação para melhorar a estabilidade do efluente e obter economia de energia e custos.
2.1 Controle Aprimorado de Oxigênio Dissolvido (DO)
Os projetos de modernização do BIOLAK existentes geralmente observam seu zoneamento fraco como uma variante de A/O de vários-estágios, levando a uma baixa eficiência de desnitrificação. Neste projeto, embora garantindo a conformidade com o nitrogênio amoniacal do efluente, o OD máximo no final da zona de aeração foi mantido em 0,5–1,0 mg/L, inferior aos requisitos convencionais de controle de OD.
2.2 Maior monitoramento de dados de processo
Para orientar o controle de OD e a dosagem externa da fonte de carbono, o nitrogênio nitrato e o nitrogênio amoniacal foram monitorados no final da zona anaeróbica e no tanque BIOLAK para determinar as faixas de controle ideais. Durante a operação, a dosagem da fonte externa de carbono foi reduzida ou interrompida quando o nitrogênio nitrato no final da zona anaeróbica foi<2 mg/L, and increased when it was ≥2 mg/L. Similarly, blower output was reduced to lower DO to 0.5 mg/L when ammonia nitrogen at the end of the BIOLAK tank was ≤0.5 mg/L, and increased to raise DO to 1.0 mg/L when it was ≥0.5 mg/L. Adjustments to carbon source dosage and blower frequency were made every 8–16 hours, with each adjustment ranging from 5% to 15%.
2.3 Definição de metas de controle interno de efluentes
Para garantir um cumprimento estável, foram estabelecidas metas de controlo interno entre 30% e 80% dos limites de descarga, com base na dificuldade de controlar cada poluente. Exceder esses limites internos acionou ajustes imediatos nos parâmetros do processo para retornar as concentrações de efluentes a uma faixa aceitável. As metas anuais de controle interno para DQO, nitrogênio amoniacal, nitrogênio total e fósforo total foram 15 mg/L, 0,5 mg/L, 12 mg/L e 0,12 mg/L, respectivamente.
2.4 Manutenção da Concentração Adequada de Lodo
O desperdício de lodo foi ajustado com base na vazão, carga e estação do ano. O tempo de retenção do lodo (SRT) foi mantido entre 15 e 25 dias, e a concentração de sólidos suspensos no licor misto (MLSS) entre 2.500 e 4.500 mg/L. Especificamente, a MLSS foi controlada em 2.500–3.500 mg/L no verão e no outono, com uma carga de lodo de cerca de 0,06 kgDQO/(kgMLSS·d), e em 3.500–4.500 mg/L no inverno e na primavera, com uma carga de lodo de cerca de 0,04 kgDQO/(kgMLSS·d).
2.5 Ajustando a Operação de Unidades de Tratamento Avançado
As baixas temperaturas no inverno afetaram a floculação e a sedimentação. A retrolavagem inoportuna de filtros do tipo V-pode levar ao aumento de sólidos suspensos no efluente e DQO. Portanto, durante a operação de inverno, a frequência de retrolavagem foi aumentada com base no desempenho da coagulação, e a descarga de lodo do tanque de coagulação-sedimentação foi intensificada para reduzir a concentração de sólidos em suspensão no efluente.
3 Desempenho do tratamento
A DQO influente anual variou de 109 a 248 mg/L, com média de 176 mg/L. A DQO do efluente variou de 9,5 a 20,1 mg/L, com média de 12,1 mg/L. Quando a DQO do efluente excedeu a meta de controle interno (15 mg/L), a frequência de retrolavagem do filtro foi aumentada para reduzir os sólidos suspensos. Recomenda-se atualizar o tanque de{10}}sedimentação de coagulação para um tanque de sedimentação-de coagulação magnética ou de alta densidade-para melhor eficiência de coagulação.
O nitrogênio amoniacal influente anual variou de 17,8 a 54,9 mg/L, com média de 31,9 mg/L. O nitrogênio amoniacal efluente variou de 0,12 a 1,30 mg/L, com média de 0,5 mg/L. Quando excedeu a meta de controle interno, a aeração foi ajustada de acordo com as medidas de otimização. A qualidade do efluente atendeu de forma estável aos principais limites da área de controle do *DB13/2795-2018* ao longo do ano.
Devido à baixa concentração da fonte afluente de carbono, o foco foi na otimização das condições do processo para melhorar a remoção de nitrogênio e fósforo, visando economia de energia e custos.
3.1 Otimização do Controle de OD e Remoção Total de Nitrogênio
O nitrogênio total (TN) influente anual variou de 20,3 a 55,6 mg/L (verFigura 2), com média de 42,1 mg/L. O TN do efluente variou de 2,5 a 14,2 mg/L, com média de 8,8 mg/L, dentro da meta do controle interno (12 mg/L). A taxa média de remoção de NT foi de 79,1%. Com uma taxa de reciclagem de lodo de 90% (sem reciclagem interna de licor misto), a eficiência teórica de desnitrificação foi de 47,4%, indicando que a desnitrificação também ocorreu em outras zonas de processo além do seletor anaeróbico. Mudanças no nitrogênio ao longo do trem de tratamento em um ciclo típico são mostradas emFigura 3.
Em um ciclo típico, o TN afluente foi de 42,0 mg/L, com a soma de amônia e nitrogênio nitrato sendo de 35,2 mg/L. Após o seletor anaeróbio, o TN foi de 16,7 mg/L, resultando em uma taxa de remoção de 43,5% via balanço de massa, consistente com o valor teórico. O tanque BIOLAK contribuiu com uma remoção de TN de 24,0%. O TN do efluente foi ainda mais reduzido no tanque de sedimentação secundário, contribuindo com uma remoção adicional de 11,3%, principalmente devido ao seu longo tempo de retenção hidráulica (8,6 horas), permitindo a desnitrificação-de origem endógena. As demais unidades contribuíram com remoção de 1,9%. O TN final do efluente foi de 8,1 mg/L, com taxa de remoção total de 80,7%.
A experiência operacional mostra que o controle de OD é crucial para a remoção de TN no processo BIOLAK. Em processos convencionais, o DO é normalmente medido no final da zona aeróbica em uma estrutura de canal onde o DO é relativamente uniforme em toda a seção-transversal. No entanto, no tanque BIOLAK, a extremidade da zona de aeração tem quase 70 metros de largura, com o OD aumentando da borda da encosta para o centro, diferindo em 0,5–1,0 mg/L. Portanto, a localização das sondas de OD requer atenção cuidadosa.
Ao controlar rigorosamente o OD máximo no final da zona de aeração BIOLAK, foi efetivamente garantido um ambiente anóxico necessário para a desnitrificação. A nitrificação e desnitrificação simultânea (SND) utilizando fontes endógenas de carbono foi alcançada, resultando na remoção eficaz de TN.
3.2 Remoção Total de Fósforo e Otimização Operacional
O fósforo total (PT) influente anual variou de 1,47 a 4,80 mg/L (verFigura 4), com média de 2,99 mg/L. O TP do efluente variou de 0,04 a 0,17 mg/L. A dosagem do agente de remoção de fósforo foi ajustada com base na meta do controle interno (0,12 mg/L). A concentração média de TP no efluente foi de 0,07 mg/L, atendendo de forma estável ao padrão de descarga, com uma taxa média de remoção de TP de 98,3%.
Mudanças no fosfato ao longo do trem de tratamento em um ciclo típico são mostradas emFigura 5.
O fosfato influente foi de 2,70 mg/L, e o fosfato de lodo de retorno foi de 0,58 mg/L, fazendo com que o fosfato teórico que entra no seletor anaeróbico seja de 1,70 mg/L. Após a liberação anaeróbica de fósforo por organismos acumuladores de polifosfato (PAOs), a concentração de fosfato atingiu 3,2 mg/L. A relação de concentração de fosfato (máxima na zona anaeróbia/afluente) foi de 1,9, indicando liberação significativa. A principal razão foi a desnitrificação eficaz sob condições de baixo OD, resultando em baixa concentração de nitrato no lodo de retorno à zona anaeróbica, mantendo um bom ambiente anaeróbio (ORP geralmente abaixo de -200 mV) e promovendo a liberação de fósforo.
Após a zona de aeração BIOLAK, ocorreu uma absorção substancial de fósforo, reduzindo a concentração de fosfato no final para 0,3 mg/L, alcançando uma eficiência biológica de remoção de fósforo de 88,9%. Após os tanques de sedimentação e estabilização, a concentração de fosfato aumentou para 0,64 mg/L. A análise sugere que isso se deveu ao longo HRT no tanque de sedimentação e ao OD estritamente controlado no tanque BIOLAK, criando uma condição anaeróbica no tanque de sedimentação e causando liberação secundária de fósforo. Após dosagem química na unidade de coagulação, o fosfato efluente foi reduzido para 0,06 mg/L. Portanto, considerando os custos econômicos e a complexidade operacional, sacrificar alguma eficiência biológica de remoção de fósforo para aumentar a desnitrificação é uma estratégia de otimização viável para plantas similares.
4 Custos Operacionais
Os custos operacionais diretos incluem eletricidade, produtos químicos e eliminação de lodo. Com base nas estatísticas anuais, o consumo específico de energia foi de 0,66 kWh/m³. Com um preço de eletricidade de 0,65 CNY/kWh (com base em uma combinação de tarifas de pico/fora de pico), o custo da eletricidade foi de 0,429 CNY/m³. Este consumo é superior de acordo com a “Norma de Avaliação da Qualidade Operacional das Estações de Tratamento de Águas Residuais Municipais”, principalmente devido à eficiência ligeiramente inferior de utilização de oxigénio do sistema de arejamento. Os custos de produtos químicos, incluindo acetato de sódio, agente de remoção de fósforo, PAM, hipoclorito de sódio e produtos químicos para desidratação, totalizaram 0,151 CNY/m³. O uso e os custos específicos são mostrados emTabela 2.
O lodo tem origem principalmente em fontes biológicas e químicas (tanque de coagulação). A filtração de placa e estrutura de alta-pressão é usada com cal e cloreto férrico como agentes condicionantes. A dosagem de cal é de cerca de 25% do peso do lodo seco. A torta desidratada tem um teor de umidade de 60%. A produção diária de lodo desidratado é de cerca de 9 toneladas, com rendimento específico de lodo seco de cerca de 0,15%. O transporte de lodo custa 250 CNY/ton, resultando em um custo de descarte de lodo de cerca de 0,118 CNY/m³. Portanto, o custo direto total de produção é de 0,698 CNY/m³.
5 conclusões
① Uma estação de tratamento de águas residuais na província de Hebei, usando o processo BIOLAK para tratar águas residuais municipais, operou continuamente durante um ano com a qualidade do efluente atendendo de forma estável aos principais limites da área de controle do *DB13/2795-2018* (padrão de águas superficiais Quasi-Class IV).
② Como uma variante do processo de A/O de vários-estágios, controlar o OD máximo no final da zona de aeração BIOLAK em 0,5–1,0 mg/L resultou em uma taxa de remoção de TN de 24,0% na zona BIOLAK e 11,3% no tanque de sedimentação. Isso alcançou a nitrificação-desnitrificação e a desnitrificação da fonte de carbono endógena simultâneas, demonstrando capacidade significativa de remoção de nitrogênio.
③ O custo operacional direto do processo BIOLAK foi de 0,698 CNY/m³. Medidas de otimização operacional, incluindo monitoramento de dados de processo e definição de metas razoáveis de controle interno, podem fornecer referências para otimizar a operação e alcançar economias de energia/custos em estações de tratamento de águas residuais semelhantes.