SIDE STREAM AIRLIFT MBR DESENVOLVIMENTO E APLICAÇÃO BEM SUCEDIDA DA NOVA GERAÇÃO DE MBR

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1 SIDE STREAM AIRLIFT MBR DESENVOLVIMENTO E APLICAÇÃO BEM SUCEDIDA DA NOVA GERAÇÃO DE MBR Marcelo Bueno 1, Ronald van t Oever 2 and Stephan van Hoof 3 Atribuição: 1 Pentair Water do Brasil, Rua Mário Borin, 160, Jundiaí/SP, Brasil, marcelo.bueno@norit.com.br 2 X-Flow BV, Marssteden 50, Enschede, The Netherlands, Ronald.vantOever@pentair.com 3 Pentair Water Process Technology BV, Marssteden 50, Enschede, The Netherlands, Stephan.vanHoof@pentair.com Introdução Um das mais recentes aplicações da tecnologia de membrana é o bio-reator com membrana (MBR). O MBR é a combinação ideal de bactérias para reduzir o material orgânico contido no efluente e a tecnologia de membrana para remover o material partículado produzindo assim água de alta qualidade para reuso. A primeira geração de MBRs foi desenvolvida a cerca de 20 anos para aplicações industriais e as membranas utilizadas eram as tubulares de fluxo cruzado para tratar efluentes relativamente com alto teor de sólidos. O bio-reator (BR) e a planta de membrana eram unidades de processo separadas. A vantagem do melhor controle na formação da camada de fouling que proporcionava um fluxo constante era compensada pela complexidade e alto consumo de energia e consequentemente não era viável para tratar efluentes municipais. O MBR tornou-se atraente em vazões maiores com a introdução de ar usado para restaurar o fluxo através da membrana melhorando hidraulicamente e resultando numa significante redução do consumo de energia comparada ao MBR de fluxo cruzado. Por conseqüência, o MBR tornou-se viável em reuso de efluentes municipais levando à 2ª geração de MBRs. Na segunda geração de MBR as membranas são submersas no BR. Este não é um arranjo ideal já que o BR requer uma boa transferência da massa de oxigênio utilizando bolhas finas de ar, enquanto que a membrana exige bolhas grossas de ar para ter um fluxo adequado e controlar o fouling na superfície da membrana. Este problema foi resolvido separando o tanque BR do tanque de membrana submersa, assim cada um pode ser operado em condições otimizadas. Embora os sistemas de membrana submersas na sua segunda geração alegam ter baixo consumo de energia, pequena área de implantação e poder ser adaptado a BRs existentes, estes não são ideal por causa do baixo controle das variáveis operacionais, manutenção difícil, fluxo relativamente baixo e risco de biocontaminação. Para superar as deficiências da segunda geração MBR a X-Flow desenvolveu, por mais de 7 anos, a terceira geração em MBR para reuso municipal usando sua habilidade da primeira geração MBRs. A terceira geração usa módulos de membrana tubulares verticais colocados fora do BR com dispersão de ar para controlar o fouling da atividade biológica na superfície de membrana. O Airlift TM MBR é energeticamente eficiente, requer pequena área para implantação, simples automação e manutenção, usa membranas robustas com grande vida útil e produz água de UF de alta qualidade. Este documento apresenta o desenvolvimento do produto através da comprovação do conceito com planta piloto, testes em planta de demonstração para otimizações técnica e comercial e apresentação de estudo de casos em instalações comerciais. Page 1 of 8

2 Objetivos do desenvolvimento O objetivo principal para o desenvolvimento do Airlift TM MBR foi produzir água de alta qualidade usando degradação biológica e filtração com membranas no mais baixo custo total e ainda com o controle e operação do sistema simplificado quando comparado com MBR submerso. Membranas posicionados ao redor do tanque BR (Palm Island, Dubai m³/d) Nossos objetivos para alcançar o objetivo principal eram: 1. Usar UF como filtração (água de alta qualidade) 2. Operar em alto fluxo (baixo CAPEX/OPEX) 3. Baixo consumo de energia (baixo OPEX) 4. Membrana de vida longa (baixo OPEX) 5. Posição do sistema de membrana fora de tanques (fácil manutenção) 6. Área de instalação reduzida (baixo CAPEX) Airlift TM Conceito de Projeto Como o BR é uma tecnologia estabelecida nas soluções MBR, focamos nossos esforços de projeto no sistema de membrana o que levou ao desenvolvimento do sistema da UF Airlift TM usando membranas para separar a fase líquida (efluente) do MLSS no BR. O sistema de UF recebe MLSS do BR por meio de uma circulação controlada por bomba centrífuga. A bomba de circulação é usada para assegurar um fluxo relativamente contínuo de lodo da base para o topo das membranas No sistema Airlift, o módulo da membrana é montado verticalmente, é uma modificação em relação ao convencional sistema de fluxo-cruzado onde as membranas são usadas na horizontal. A posição vertical permite que o fluxo seja mantido tanto pela bomba de circulação quanto pela injeção de ar na base do módulo da membrana, circulando o MLSS pelo efeito do air-lift. A injeção de ar fornece alta turbulência na superfície da membrana para manter o fluxo do sistema. O benefício apurado no modelo Airlift TM é o uso comprovado da tecnologia de membrana tubular com significativa redução do consumo de energia. A produção de permeado no modelo Airlift TM é regulada por uma bomba de permeado dedicada. Um intermitente e curto contra fluxo vindo da bomba de contra lavagem também ajuda a manter a taxa de alto fluxo. Page 2 of 8

3 Este conceito utiliza módulos de membranas montados pela Pentair X-Flow membrana tubular de DI 5.2 mm. As membranas são fabricadas usando PVDF na parte interna de um tubo de poliéster e tem um poro de tamanho máximo de 35 nanometros (0.035 µm). Estas membranas tem sido usadas em aplicações industrial e municipal por mais de 20 anos e com vida útil que em algumas aplicações superam os 10 anos. Modulo de Membrana Tubular Comprovação do Conceito Foram conduzidos vários estudos em plantas piloto e demonstração por mais de 5 anos, período este para comprovar o conceito e estabelecer a capacidade do conceito. O primeiro piloto foi operado na Áustria no final dos anos 90 em associação com universidades locais e uma empresa de engenharia. No BR efluente municipal e inicialmente usados os módulos piloto de membrana tubular de 75mm, mais tarde no momento em que as condições de operação estabilizaram avançou-se para módulos comerciais de 200mm. Mais adiante a planta foi ampliada de forma modular e otimizada. Os resultados, planilhados abaixo, fixaram as condições de operação estabelecendo a capacidade do conceito. Resultado dos Testes do Piloto Austríaco Fluxo l/m2.h Vazão de circulation m3/h 25 Vazão de Airlift Nm3/h 15 Fluxo de contralavagem l/m2h 350 Intervalos Filtração / contra-lavagem 7 min / 4 seg MLSS g/l 9 13 Um segundo piloto foi instalado na Holanda, onde inicialmente um piloto de modulo único foi comparado com sistemas submerso operando na mesma planta. Uma empresa holandesa de engenharia e consultoria (DHV, Amersfoort) conduziu os testes em cooperação com a responsável pelo tratamento de água e esgoto (Stowa). Um rápida pilotagem nesta segunda planta e os ajustes iniciais foram estabelecidos, esta planta na cidade de Ootmarsum no leste da Holanda possui uma ETE municipal e incorporado um sistema Pentair X-Flow Airlift MBR de 3500 m³/d. Esta planta foi comissionada em setembro de 2007 e abaixo estão os parâmetros de operação na época do piloto. Resultados do Piloto Ootmarsum Fluxo l/m 2.h Vazão de circulation m 3 /h 20 Vazão de Airlift Nm 3 /h 10 Fluxo de contralavagem l/m 2 h 350 Intervalos Filtração / contra-lavagem 7 min / 7 seg Page 3 of 8

4 MLSS g/l Uma visualização da performance típica do piloto de Ootmarsum é mostrada abaixo. Gráfico de pressão tras-membrana (tmp), fluxo e permeabilidade do piloto na Holanda O terceiro piloto a ser descrito está em San Diego, California, e alcançou aprovação pela Pentair X-Flow para a parceria com a Parkson Corporation. Dados de operação típica do piloto está planilhada abaixo. Pico Média Tempo 2 horas (2xdia) Exceto durante pico Fluxo 76.5 lmh 51 lmh Vazão de Circulação 21,6 m³/h 15,9 m³/h Vazão de Airlift 10 m³/h 10 m³/h Fluxo de Contra-lavagem 408 lmh 408 lmh Tempo de Contra-lavagem 6 segundos Intervalos 10 minutos Dreno A cada 24 contra-lavagens MLSS g/l OD 1.7 mg/l Dados do relatório planta de San Diego; MWH, Oct O nível do fluxo (e potência consumida) medido na planta piloto permaneceu estável para taxa de fluxo por volta de 50 lmh e também no pico de fluxo de 75 lmh duas vezes por dia durante 2 hrs, significativamente maior que o MBR submerso. O fluxo de pico está projetado para controlar as variações diurnas que ocorrem na vazão de alimentação. Page 4 of 8

5 Visualização da performance típica do piloto de San Diego é mostrada abaixo. Gráfico da pressão trans-membrana (tmp), fluxo e permeabilidade piloto San Diego. Alguns Destaques dos Resultados Durante os últimos anos a otimização da planta reduziu o consumo de energia de Energy consumption membrane section [kwh/m3] Specific energy consumption AL-MBR under nominal conditions 0 05/09/ /10/ /12/ /02/ /03/2006 Date 13/05/ /07/ /08/ kWh/m 3 para 0.25 kwh/m 3 de água ultrafiltrada; entre os mais baixos da indústria até hoje. Otimizando o fluxo hidráulico e a taxa do fluxo de ar na distribuição do dispositivo de aeração na base da membrana, obtevese ganhos significantes em fluxo e consumo energético. Page 5 of 8

6 Melhoria na Distribuição de Ar Em busca de melhorar o processo de uma das funções críticas do sistema que é a distribuição de ar pela base da membrana tubular. Vários projetos de distribuidor de ar foram testados visando à otimização da distribuição de ar. Primeiro projeto com 3 tubos de distribuição Último projeto com aeração cilíndrica Uma importante função (patenteada) foi adicionada com o último projeto para acabar com o fouling por detritos (ex. cabelos) no módulo de membrana tubular. Usando uma drenagem do módulo de 2 a 3 vezes ao dia, qualquer formação na base do módulo é removida resolvendo desta maneira um freqüente problema encontrado no MBR submerso. Comprovação do Conceito para a Realidade de Mercado Durante mais de 7 anos o MBR Pentair Airlift TM comprovou em pilotos e em plantas de escala industrial a capacidade de usar membranas numa instalação limpa com skid de membrana facilmente operada instalada externamente ao BR. Operadores esperam operar plantas de MBR apenas pelo IHM. Agora isto é uma realidade já que, até mesmo a limpeza da membrana pode ser executada automaticamente ou com o aperto de um botão, sem ter que manusear módulos cobertos de efluente Atualmente várias pequenas plantas estão em operação nos EUA e inúmeras grandes plantas estão em construção na Europa e no Oriente Médio. As plantas operando nos EUA estão tratando efluente municipal em pequenas comunidades e fotos de duas destas plantas, operando desde de 2004 são mostrandas abaixo. Glen Meadows 380 m³/d Page 6 of 8 Saddle Ridge 190 m³/d

7 Grandes Plantas Municipais Inúmeras plantas de grande escala estão agora em construção. A instalação limpa de uma planta pode ser vista nos exemplos mostrados abaixo. Holanda: Ootmarsum, Estação de Tratamento de Efluentes Municipal 3500 m³/d Dimensionado com 6 skids idênticos para tratar variações de volume e qualidade. Acima Ootmarsum BR mostrando linhas de retorno vindo dos skids de membrana. Page 7 of 8

8 EUA Port of the Islands (760 m³/d) Millsborough, ETE Municipal (4.200 m³/d) Oriente Médio A Palm Jumeirah em Dubai é uma ilha de bens imóveis desenvolvido com fornecimento de água potável por dessalinização com OR e água de reuso m³/d com MBR Pentair X- Flow UF Airlift TM atualmente em construção. Conclusão O desafio original de encontrar um modo para aplicar membranas tubular externa nas aplicações de MBR num custo total e vida pelo menos igual ou melhor que o MBR submerso foi alcançado enquanto ainda oferece um área de implantação pequena, facilidade de automação e manutenção simples. A TERCEIRA geração de MBR é agora uma realidade comercial. Page 8 of 8