Muitas estações de tratamento de águas residuais acabam por enfrentar o mesmo problema: o fluxo ou a carga de poluentes aumentam, os limites de descarga tornam-se mais rigorosos, mas há pouco espaço para outro tanque biológico. Nestas situações, a expansão da capacidade nem sempre requer grees obras civis. Ao identificar o verdadeiro gargalo do processo e melhorar a retenção de biomassa, a aeração, a clarificação, a separação por membranas ou o controle do processo, uma planta existente poderá ser capaz de tratar substancialmente mais águas residuais dentro da área atual.
Por que os tanques biológicos existentes se tornam o gargalo
Uma estação de águas residuais pode parecer “cheia” por vários motivos diferentes. Em algumas instalações, o fluxo hidráulico médio aumentou devido ao crescimento populacional, à expansão industrial ou a linhas de produção adicionais. Em outros, o fluxo permanece semelhante, mas as cargas influentes de DQO, DBO, amônia ou nitrogênio total aumentaram.
Requisitos mais rigorosos para efluentes também podem fazer com que um processo biológico existente pareça subdimensionado. Um tanque que uma vez proporcionou remoção suficiente de carbono pode não ter biomassa eficaz, capacidade de transferência de oxigênio ou tempo de retenção de sólidos suficientes para alcançar nitrificação estável ou limites de nutrientes mais exigentes.
É por isso que os engenheiros devem distinguir entre capacidade hidráulica and capacidade biológica . A capacidade hidráulica descreve quanto fluxo pode passar fisicamente pelo tanque em um tempo de retenção aceitável. A capacidade biológica descreve quanta carga poluente a população microbiana retida pode realmente remover.
| Gargalo típico | Sintoma Comum | O que isso pode indicar |
|---|---|---|
| Carregamento orgânico | DQO ou DBO de alto efluente | Biomassa ativa, oxigênio ou tempo de contato insuficientes |
| Nitrificação | Amônia de alto efluente | Baixo SRT, baixa temperatura, oxigênio inadequado ou biomassa nitrificante insuficiente |
| Aeração | OD persistentemente baixo | Capacidade insuficiente de transferência de oxigênio |
| Esclarecimento | TSS de alto efluente ou manta de lodo ascendente | Limitação de carregamento de sólidos do clarificador secundário |
| Hidráulica | TRH curta ou desempenho instável durante picos | Limitação de capacidade relacionada ao fluxo |
Um tanque biológico existente pode ser restringido hidraulicamente antes de ser biologicamente otimizado – ou sobrecarregado biologicamente mesmo quando seu tempo de retenção hidráulica ainda parece aceitável.
Aumente a biomassa sem aumentar o volume do tanque: Retrofit MBBR e IFAS
Uma das formas mais eficazes de aumentar a capacidade de tratamento biológico dentro de um tanque existente é reter biomassa mais ativa. As tecnologias de reator de biofilme de leito móvel e lodo ativado por filme fixo integrado fazem isso fornecendo suportes plásticos nos quais microorganismos podem crescer como biofilme anexado.
Em um processo convencional de lodo ativado, a quantidade de biomassa que pode ser retida está fortemente ligada à sedimentação do lodo e à operação de retorno do lodo ativado. Ao introduzir portadores de biofilme, parte da população microbiana é retida no meio independentemente do clarificador secundário.
Isto pode ser particularmente valioso para a nitrificação porque os microrganismos oxidantes da amônia crescem de forma relativamente lenta. O biofilme fornece uma superfície estável onde estes organismos podem permanecer no sistema mesmo quando a retenção de sólidos suspensos é limitada.
Em um Retrofit MBBR , a biomassa anexa pode desempenhar uma grande parte da tarefa de tratamento. Em um Retrofit IFAS , o processo de lodo ativado suspenso é retido enquanto os transportadores de biofilme adicionam uma população adicional de microrganismos anexados.
A taxa de enchimento, a geometria do transportador, a área de superfície protegida efetiva, a mistura, a aeração, as telas de retenção do meio, o suprimento de oxigênio, as características das águas residuais e a tarefa de remoção do alvo devem ser considerados em conjunto.
Taxas de enchimento excessivas podem dificultar a mistura, aumentar a demanda de ar, criar movimentos desiguais do transportador e aumentar a carga hidráulica nas telas de retenção. Portanto, um retrofit bem-sucedido começa com um cálculo de carga biológica, em vez de simplesmente encher o tanque com o máximo de meio possível.
Atualize a aeração antes de expandir o processo biológico
Algumas plantas que parecem precisar de mais volume biológico são, na verdade, limitadas pela transferência de oxigênio. Aumentar a biomassa ou carregar sem oxigênio suficiente pode piorar o desempenho do tratamento, mesmo quando o próprio reator biológico é grande o suficiente.
Os sistemas de aeração perdem desempenho com o tempo. Os difusores podem ficar sujos, a queda de pressão pode aumentar, a distribuição do fluxo de ar pode tornar-se irregular e os antigos sistemas de bolhas grossas podem exigir mais potência do soprador para transferir a mesma quantidade de oxigênio.
Altas concentrações de MLSS podem reduzir ainda mais a eficiência real da transferência de oxigênio em comparação com água limpa. A profundidade do tanque, a química das águas residuais, os surfactantes, a temperatura, a condição do difusor e o layout da aeração também afetam o oxigênio realmente disponível para os microrganismos.
Perguntas a serem verificadas antes de adicionar mais volume biológico
| Aeração Problem | Possível ação de retrofit |
|---|---|
| Alta queda de pressão do difusor | Limpe ou substitua difusores antigos |
| Baixa eficiência de transferência de oxigênio | Avalie a atualização do difusor de bolhas finas |
| Distribuição desigual de DO | Otimize o layout do difusor e a distribuição do fluxo de ar |
| Ventilador próximo da capacidade | Reduza a perda de pressão do sistema ou avalie a atualização do soprador |
| Alta energia de aeração | Melhore o controle do fluxo de ar e a eficiência da transferência de oxigênio |
Para muitas centrais existentes, restaurar ou melhorar a eficiência da transferência de oxigénio é uma das formas mais rápidas de recuperar a capacidade biológica não utilizada sem alterar a área ocupada pelo reactor.
Aumente a concentração de SRT e biomassa – mas observe o clarificador
Uma planta convencional de lodo ativado pode, às vezes, tratar carga adicional, aumentando o tempo de retenção de sólidos e mantendo mais biomassa no processo biológico. Isto pode envolver a redução do desperdício de lodo, o aumento do MLSS ou a otimização da operação de retorno de lodo ativado.
No entanto, esta estratégia tem limites práticos. Maior MLSS aumenta a massa de sólidos que deve passar pelo clarificador secundário. Também aumenta a demanda de oxigênio e pode aumentar a viscosidade do licor misto, reduzindo a eficiência da transferência de oxigênio e dificultando a separação do lodo.
Se a capacidade biológica aumentar enquanto a clarificação secundária permanece inalterada, a planta poderá apresentar mantas de lodo mais altas, transporte de sólidos, sedimentação instável ou problemas de TSS nos efluentes.
Os engenheiros devem, portanto, avaliar a taxa de transbordamento da superfície, a taxa de carregamento de sólidos, o índice de volume de lodo, a capacidade de retorno do lodo e o desempenho do pico de fluxo antes de aumentar significativamente o MLSS.
Em aplicações de clarificação adequadas, os decantadores de tubos ou módulos de lamelas podem aumentar a área de sedimentação efetiva dentro da área ocupada pelo clarificador existente. Esta abordagem pode ser atraente quando a capacidade de clarificação hidráulica é a principal restrição, embora não seja uma solução universal para todos os clarificadores secundários de lodo ativado. As características do lodo e o comportamento hidráulico devem ser avaliados primeiro.
Use o retrofit do MBR quando a separação de sólidos se tornar uma restrição de capacidade
Em algumas usinas, o reator biológico não é o principal problema. A verdadeira limitação é o clarificador secundário. Quando é necessária mais biomassa, mas a sedimentação por gravidade não consegue retê-la de forma confiável, a separação por membrana pode fornecer outro caminho de retrofit.
Um biorreator de membrana separa a água tratada do licor misto usando uma barreira física de membrana, em vez de depender da sedimentação convencional de lodo. Isso permite que a concentração de biomassa seja menos dependente do desempenho do clarificador e pode suportar uma operação MLSS mais alta em um espaço compacto.
O MBR também pode produzir efluentes com baixo teor de sólidos em suspensão e é particularmente atraente onde a reutilização de água, terras limitadas ou qualidade de descarga mais rigorosa fazem parte do objetivo de expansão.
A compensação é maior complexidade do sistema. Os módulos de membrana requerem lavagem de ar, bombeamento de permeado, controle de incrustações, limpeza química periódica, pré-tratamento e eventual substituição de membrana.
| Opção de modernização | Mais adequado quando |
|---|---|
| MBBR/IFAS | É necessária mais capacidade biológica ou biomassa nitrificante |
| Aeração Upgrade | A transferência de oxigênio está limitando a capacidade de tratamento |
| Otimização MLSS/SRT | O sistema de lodo ativado ainda tem margem operacional |
| Atualização do clarificador | A capacidade de separação hidráulica ou de sólidos é limitante |
| Retrofit MBR | É necessária alta retenção de biomassa, alta qualidade de efluentes ou redução da pegada |
Otimize o controle do processo antes de adicionar hardware
Nem todo problema de capacidade requer novos equipamentos. O mau controle do processo pode fazer com que uma planta existente pareça fisicamente subdimensionada, mesmo quando um potencial significativo de tratamento permanece não utilizado.
A aeração é um exemplo comum. A operação contínua dos sopradores com uma saída fixa pode resultar em excesso de oxigênio durante períodos de baixa carga e oxigênio inadequado durante picos. O controle baseado em OD ou o controle de aeração baseado em amônia podem combinar melhor o fornecimento de oxigênio com a demanda biológica real.
A gestão do SRT é igualmente importante. O desperdício excessivo de lamas pode reduzir a biomassa nitrificante, enquanto o desperdício insuficiente pode criar MLSS desnecessariamente elevado e problemas de clarificação. A otimização de RAS, WAS, reciclagem interna, dosagem de carbono e aeração intermitente pode, às vezes, recuperar uma estabilidade significativa do processo.
A equalização de fluxo também pode ajudar. Uma planta pode ser capaz de tratar a carga diária em média, mas falhar durante picos curtos de fluxo ou eventos de alta resistência. A equalização redistribui esses picos ao longo do tempo, reduzindo o estresse no reator biológico e no clarificador.
Controle Biológico
SRT, MLSS, F/M, desperdício de lamas e gestão de lamas de retorno.
Controle de aeração
Controle de OD, aeração à base de amônia, balanceamento de fluxo de ar e otimização do soprador.
Controle Hidráulico
Equalização de fluxo, gerenciamento de pico de fluxo e otimização de reciclagem interna.
Monitoramento On-line
NH₄-N, NO₃-N, DO, vazão, turbidez e outros indicadores de processo.
Como identificar o verdadeiro gargalo antes de escolher um retrofit
Uma atualização bem-sucedida da capacidade da planta deve começar com uma auditoria de processo e não com a seleção de equipamentos. O objetivo é determinar exatamente o que impede a planta existente de tratar mais vazão ou carga.
Verifique o carregamento influente
Revise o fluxo médio e de pico, DQO, DBO, SST, amônia, nitrogênio total, temperatura, descargas industriais e histórico de carga de choque.
Verifique o desempenho biológico
Revise MLSS, MLVSS, SRT, relação F/M, OD, remoção de amônia, produção de lodo e desempenho do tratamento sazonal.
Verifique a capacidade de aeração
Meça o fluxo de ar, a carga do soprador, a perda de pressão do difusor, a distribuição de OD e as limitações reais de transferência de oxigênio.
Verifique o esclarecimento
Revise a taxa de transbordamento superficial, carregamento de sólidos, profundidade da manta de lodo, SVI, operação de retorno de lodo e sólidos suspensos no efluente.
Combine o retrofit com a restrição
A limitação da biomassa pode apontar para MBBR ou IFAS; limitação de oxigênio para atualizações de aeração; limitação de esclarecimento para melhorias na separação de sólidos; e pegada mais restrições de qualidade de efluentes em relação ao MBR.
Retrofit versus construção de novos tanques: como comparar a economia
O retrofit é atrativo porque reduz a construção civil, mas não é automaticamente a solução de menor custo em todas as plantas. Os tanques existentes devem ser estruturalmente sólidos, a hidráulica deve permanecer funcional e o aumento de capacidade necessário deve ser alcançável dentro das restrições do processo existente.
A construção de novos tanques pode exigir escavação, concreto armado, novas tubulações, terrenos, licenças, infraestrutura elétrica e longos períodos de construção. Também pode ser difícil operar estações onde o desvio de águas residuais ou o encerramento de estações de tratamento sejam impraticáveis.
Em vez disso, um retrofit pode envolver transportadores de biofilme, telas de retenção, substituição de difusores, modificações de sopradores, módulos de membrana, equipamentos de clarificação, bombas, controles e trabalhos de instalação temporária.
| Fator | Novo tanque biológico | Retrofit de planta existente |
|---|---|---|
| Requisito de terreno | Geralmente alto | Baixo |
| Construção civil | Significativo | Geralmente limitado |
| Período de construção | Mais longo | Muitas vezes mais curto |
| Interrupção do processo | Potencialmente significativo | Muitas vezes mais fácil de fasear |
| Capacidade de expansão final | Alto | Limitado pela infraestrutura existente |
| Requisito de engenharia | Design de novo processo | Auditoria detalhada das limitações existentes |
A economia do retrofit é muitas vezes mais forte onde a terra é cara, a expansão civil é difícil, a fábrica deve permanecer continuamente operacional e o aumento de capacidade necessário é suficientemente moderado para ser alcançado através de um inventário de biomassa mais elevado, de uma melhor transferência de oxigénio, de uma melhor separação de sólidos ou de um controlo de processo mais eficaz.
Precisa de mais capacidade da sua estação de águas residuais existente?
Antes de construir outro tanque biológico, avalie se o sistema existente é limitado por biomassa, aeração, clarificação, separação por membrana ou controle de processo. A NIHAO pode apoiar avaliações de atualização de capacidade envolvendo meios MBBR, difusores de aeração, decantadores de tubos e soluções de membranas MBR.
Para uma revisão inicial, forneça sua capacidade de tratamento atual e alvo, dimensões do tanque, DQO/DBO afluente, concentração de amônia ou nitrogênio total, MLSS atual, configuração de aeração, dimensões do clarificador e qualidade necessária do efluente.
Perguntas frequentes
Uma estação de águas residuais existente pode aumentar a capacidade sem adicionar um novo tanque biológico?
Sim, em muitos casos. As estratégias possíveis incluem modernização de MBBR ou IFAS, atualizações de aeração, maior retenção de biomassa, otimização de controle de processo, melhorias de clarificação e MBR. A abordagem correta depende do gargalo real do processo.
Quanta capacidade adicional um retrofit MBBR pode fornecer?
Não existe uma percentagem universal. O ganho de capacidade depende da carga do afluente, do tratamento alvo, da área de superfície do meio, da taxa de enchimento, da aeração, da temperatura, do volume do tanque existente e se o retrofit foi projetado principalmente para remoção de carbono ou nitrificação.
Qual é a diferença entre retrofit MBBR e IFAS?
O MBBR depende principalmente de transportadores de biofilme de crescimento anexado, enquanto o IFAS combina biofilme anexado com lodo ativado suspenso convencional. O IFAS é comumente considerado quando uma planta de lodo ativado existente precisa de biomassa adicional sem abandonar o atual processo de crescimento suspenso.
Como posso saber se minha planta tem limitação de biomassa ou de oxigênio?
Revise OD, carga do soprador, distribuição de oxigênio, SRT, MLSS, remoção de amônia e carga orgânica. Se houver biomassa suficiente, mas o OD permanecer inadequado, a aeração pode ser a principal restrição. Se o oxigénio for adequado mas o tratamento permanecer limitado à biomassa, o crescimento adicional anexado pode ser mais apropriado.
Posso simplesmente aumentar o MLSS para tratar mais águas residuais?
Somente dentro de limites práticos. Um MLSS mais elevado aumenta o inventário de biomassa, mas também aumenta a procura de oxigénio e a carga de sólidos do clarificador secundário. O MLSS excessivo pode levar a uma sedimentação deficiente, mantas de lodo mais altas e transporte de sólidos.
A adição de mídia MBBR aumentará a demanda de aeração?
Pode. Uma biomassa mais activa aumenta a procura de oxigénio, enquanto o movimento do transportador também requer uma mistura adequada. A capacidade de aeração deve, portanto, ser verificada sempre que o meio MBBR ou IFAS for adicionado a uma bacia existente.
Os difusores de bolhas finas podem aumentar a capacidade de tratamento de águas residuais?
Eles podem ajudar quando a transferência de oxigênio é o fator limitante. Melhorar a eficiência do difusor pode aumentar o oxigênio disponível sem aumentar o volume do tanque, embora a capacidade do soprador, os requisitos de pressão e as condições das águas residuais também devam ser avaliados.
Quando o clarificador secundário se torna o gargalo após uma atualização biológica?
Isto pode ocorrer quando um MLSS mais elevado ou um fluxo hidráulico aumentado eleva a carga de sólidos além da capacidade prática do clarificador. Os sintomas incluem uma manta de lodo ascendente, má sedimentação e elevado TSS do efluente.
Quando um retrofit do MBR deve ser considerado em vez do MBBR?
O MBR pode ser atraente quando a separação de sólidos, a pegada, a alta concentração de biomassa ou o efluente de alta qualidade são as principais restrições. MBBR ou IFAS são frequentemente mais apropriados quando o objetivo principal é adicionar capacidade biológica a um reator existente.
Que informações são necessárias para projetar uma modernização da capacidade da estação de águas residuais?
Dados úteis incluem fluxo atual e de pico, capacidade alvo, dimensões do tanque, DQO/DBO, amônia, TN, TSS, temperatura, MLSS, SRT, DO, equipamento de aeração, dimensões do clarificador, características de sedimentação de lodo e limites de efluentes exigidos.
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