AUTOMATIZAÇÃO EM ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ÁGUA DE CICLO COMPLETO - O CASO DA ETA CUBATÃO/S.P.

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1 AUTOMATIZAÇÃO EM ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ÁGUA DE CICLO COMPLETO - O CASO DA ETA CUBATÃO/S.P. Reynaldo Eduardo Young Ribeiro (*) Engenheiro Industrial e Sanitarista. Especialista em Water Pollution Control pelo International Center for Environmental Technology Transfer - ICETT / Yokkaichi - Japão. Mestrando em Engenharia Urbana na Universidade Federal de São Carlos - UFSCar. Gerente da Divisão de Operações da Sabesp em São Vicente/SP. João Sérgio Cordeiro Professor da UFSCar e do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Urbana; Professor convidado do Programa de Pós Graduação em Hidráulica e Saneamento da EESC/USP. Endereço (*) : Rua Bolívia 76 - ap. 52 Bairro Aparecida - Santos-SP - CEP: Tel: (013) e- mail: reynaldoeyr@sabesp.com.br RESUMO O funcionamento das ETAs Estações de Tratamento de Águas tem sido enfocado com procedimentos que não garante a qualidade dos serviços de forma adequada. Vários são os problemas que devem ser analisados pelos responsáveis pelos sistemas de saneamento e dentre eles podem ser citados: proteção dos mananciais; qualidade dos produtos químicos empregados no sistema. Geração e controle dos resíduos gerados, entre outros. A possibilidade de se ter maior controle sobre as várias etapas do tratamento é de fundamental importância para a qualidade do setor. O objetivo deste trabalho consiste em avaliar os principais resultados operacionais obtidos na ETA Cubatão em decorrência da implantação de dois tipos principais de equipamentos de controle e monitoramento local destinados à otimização do consumo de energia elétrica e aplicação de coagulante. Estes equipamentos sofreram avaliações que possibilitaram a obtenção de informações sobre o comportamento imediato nas diversas variações do processo de purificação da água que interferem na minimização de custos com insumos, confiabilidade do processo e qualidade dos equipamentos instalados. PALAVRAS-CHAVE: Estação de Tratamento de Água, Cubatão, CLP, Automatização, Supervisão. INTRODUÇÃO De acordo com TOLEDO (1986), entre as principais justificativas para implantação da automação industrial destaca-se a melhoria da qualidade final dos produtos e a redução do consumo de energia elétrica. É senso comum que a automação melhora a qualidade dos processos industriais tais como os sistemas de tratamento da água. Nesse caso, entretanto, é necessário lançar-mão sobre essa percepção do funcionamento do sistema, buscando superar algumas dúvidas que se estabeleceram entre melhoria da qualidade dos processos, a melhoria do sistema de controle e a redução da demanda de energia elétrica. Procura-se, neste trabalho, abordar, separadamente, os impactos da automação sobre a qualidade e sobre o controle do processo. É importante lembrar que a qualidade é uma propriedade inerente aos processos industriais, enquanto o controle do processo de um sistema operacional tem por finalidade acompanhar a produção, de maneira a assegurar, que a qualidade desejada, seja obtida. A automação industrial manifesta-se de forma diferenciada a partir da natureza dos processos e produtos. Nas estações de tratamento de água de processo contínuo, ela surgiu basicamente através da introdução de sistemas de

2 monitoramento e automação de algumas fases do processo de tratamento. Esses sistemas se tornaram coresponsáveis pelo controle propriamente ditos do processo, controle esse executado através das operações de aquisição de dados e pela utilização de alarmes especiais. Procurando manter as variáveis do processo dentro de limites aceitáveis em torno dos pontos de operação, estabelecidos pela legislação ou pelos gestores locais, possibilitam a autorregulação destes. Estes controladores também objetivam assegurar um maior grau de confiabilidade e, no caso específico da ETA Cubatão, possibilitam o deslocamento de alguns equipamentos de coleta do laboratório, onde tradicionalmente estão localizados, para mais próximos dos sub-processos de tratamento, introduzindo-os ao longo das fases de purificação da água, o que também contribui para a agilidade da informação. Outras categorias de automação, diretamente relacionadas ao controle da qualidade, são os sistemas automáticos de informação para processamento e geração de dados estatísticos e relatórios para os gestores da estação. Estes possibilitam a obtenção de informações sobre o comportamento imediato das diversas variáveis do processo e das características da qualidade da água final, seu desempenho histórico, tendências, etc. Um problema tradicional verificado na ETA Cubatão é referente ao tempo decorrido entre a ocorrência de um problema no processo de tratamento da água, sua identificação e a tomada de ações corretivas. Devido à elevada capacidade de produção, 4,2 m³/s a automação permite que esse intervalo de tempo seja praticamente nulo evitandose o comprometimento de grandes volumes de produção. Outra constatação identificada após a instalação dos equipamentos e dos sistemas de informação é que estes implicaram em mudanças no papel das pessoas que atuam tanto na produção como no controle da qualidade, trazendo alterações significativas nas posturas profissionais, pois, com a automação, o conteúdo das tarefas dos operadores e técnicos nos processos contínuos de tratamento de água assume também, características de aferição, acompanhamento à manutenção dos equipamentos e procurando sempre manter e melhorar os índices de qualidade estabelecidos pela legislação Portaria Nº 1.469/00 MS. Ainda neste estudo verificou-se que técnicos e operadores passaram ter a maior parte da sua atenção voltada para a ocorrência de possíveis problemas com matérias-primas, mananciais e disfunções dos equipamentos. Na ultima década, com o avanço no desenvolvimento de computadores, equipamentos de automação e redução dos custos de aquisição, a gestão técnica e econômica dos sistemas de abastecimento de água têm avançado de forma significava, tendo sido instalados, no caso específico da ETA Cubatão, dois principais tipos de equipamentos: o Controlador Lógico Programável - CLP e o Software CCK. O Controlador Lógico Programável CLP Pode-se classificar o CLP como um equipamento em equilíbrio instável onde qualquer perturbação no processo gera ação do processo de tratamento de água de forma que ela volte a apresentar o desempenho esperado, isto é, que permita o resultado desejado. Uma vez efetuados os ensaios com as águas a serem tratadas, tendo-se em conta a vazão afluente à ETA, o Controlador Lógico Programável - CLP é programado para, inicialmente, indicar dosagens do coagulante nas condições intermediárias correspondentes às faixas dos parâmetros de dosagem. O caso mais crítico ocorre quando há necessidade de aumento da dosagem de alcalinizante, na forma líquida, na água bruta para ajuste do ph. No caso da ETA Cubatão, foram realizados ensaios que possibilitaram reproduzir o funcionamento das unidades de tratamento em equipamento de teste de jarros e estes ensaios foram realizados para cada vazão afluente a ETA, obtendo-se o tempo de agitação e o gradiente de velocidade condizentes com aqueles observados no tratamento. Em relação ao manancial do Rio Cubatão, cuja qualidade da água varia consideravelmente durante o decorrer ano, foram analisados os registros operacionais de anos anteriores e selecionados os principais parâmetros de qualidade das águas mais representativas de diferentes épocas.

3 Evidentemente, que, quanto maior os números de tipos de águas em estudo, mais precisos serão as dosagens de produtos químicos e os parâmetros que otimizam o processo de tratamento, sendo também, definidas faixas de variação dos parâmetros de dosagens em função das características das águas a serem tratadas. Figura Nº 1 Controlador Lógico Programável - CLP. (Sabesp.2004). Figura Nº 2 Equipamento auxiliar para monitoramento e otimização das dosagens de coagulante. (Sabesp. 2003). Consumo de Energia Elétrica De acordo com TSUTIYA (2002) o conhecimento detalhado das características do sistema tarifário constitui, de imediato, a primeira informação a ser analisada com o objetivo de se aprimorar a gestão do consumo de energia elétrica em uma ETA, pois, é necessário verificar-se a forma de cobrança e se esta é a mais adequada. A cobrança das tarifas, no caso de sistemas industriais-produtivos, pode ser feita segundo dois sistemas: o convencional, cujo total é medido ao final do mês, e a horo-sazonal (azul ou verde), conforme descrito abaixo: Tarifa Azul Modalidade tarifária estruturada para aplicação de preços diferenciados de demanda e consumo de energia elétrica de acordo com as horas de utilização no dia e os períodos do ano. Tarifa Verde Modalidade tarifária estruturada para aplicação de um preço único de demanda e de preços diferenciados de consumo de energia elétrica de acordo com as horas de utilização no dia e períodos do ano. Horário de Ponta Período de três horas contínuas estabelecidas pela concessionária de energia elétrica compreendida, diariamente, entre 17:00 e 20:00 hs de segunda feira à sexta-feira. No Estado de São Paulo esse intervalo de três horas é das 17:30 às 20:30 horas. Horário Fora de Ponta

4 Conjunto de horas complementares às três horas consecutivas definidas no horário de ponta. Nesse horário, incluem-se, sábados, domingos e feriados. Período Úmido Cinco meses consecutivos de dezembro de um ano até abril do ano seguinte. Período Seco Sete meses consecutivos de maio até novembro. Devem ser aplicadas, obrigatoriamente, às unidades consumidoras as condições descritas a seguir: Tarifa Azul - Tensão de fornecimento maior que 69 KW. Obrigatório a todos os consumidores. Tarifa Verde - Tensão com demanda igual ou maior que 500 KW Opcional aos consumidores quando a demanda é menor que 500 kw. No caso específico de estações de tratamento de água, e considerando que estas instalações podem ser mais ou menos complexas, depender da qualidade da água bruta, dos padrões de potabilidade a serem atendidos e da vazão a ser tratada, é recomendado o monitoramento dos principais pontos de consumo de energia elétrica, o que, no estudo de caso específico da ETA Cubatão se dá, nos seguintes pontos: bombas dosadoras de produtos químicos. equipamentos de mistura rápida. equipamentos de floculação. bombas para água de lavagem dos filtros. bombas para recalque de água de utilidades. bombas para remoção de lodo dos filtros e decantadores. Alguns equipamentos para tratamento dos lodos da ETA Cubatão possuem, inclusive, cabine primária específica para esta finalidade e são eles: bombas para recalque do lodo. bombas dosadoras para condicionamento do lodo. equipamentos de desidratação. O Controlador de Demanda de Energia Elétrica O SISTEMA CCK, controlador de demanda de energia elétrica utilizada na ETA Cubatão, é um software, composto por um conjunto de programas para microcomputadores do tipo PC ou compatível, disponível na versão WINDOWS 95/98/NT que permite a execução de funções como programação dos equipamentos, coleta e processamento dos dados armazenados, geração em telas de monitoramento em tempo real com medição de grandezas elétricas utilizadas, assim como a elaboração de relatórios analíticos, em vídeo, disco e impressora. Os diversos programas que compõem o SISTEMA CCK possuem funções definidas, todas protegidas por senha, entre as quais podemos relacionar. Comunicação. Leitura de dados. Monitoramento. Emissão de alarmes relacionados à ocorrência de eventos não. Emissão de relatório e gráficos relativos à qualidade de energia elétrica. Possui, também, diversos programas para diferentes funções que agregam ao sistema uma grande agilidade não só na gestão do consumo de energia elétrica como, também, na implementação de novas funções de interesse dos gestores da ETA.

5 O SISTEMA CCK é caracterizado na sua operação pelas seguintes funções: I - AQUISIÇÃO DE DADOS: É realizada por equipamentos instalados no campo, sendo que todos possuem uma memória de massa de trinta e cinco dias dividida em intervalos de leituras de cinco minutos e intervalos de integração de quinze minutos. Na chegada do 36 dia o primeiro dia é apagado, sendo mantido, na memória do equipamento os últimos trinta e cinco dias do registro dos dados. II - COMUNICAÇÃO: Todos os equipamentos integrados ao SISTEMA CCK estão interligados a microcomputadores utilizados pelas equipes de operação e, através de comunicação de dados, é possível a comunicação dos programas. III - LEITURA DE DADOS: Consiste na transferência da comunicação de dados das diversas memórias dos equipamentos integrados ao tratamento para os microcomputadores utilizados na operação do SISTEMA CCK, sendo os dados transferidos e armazenados na forma de banco de dados. IV - GESTÃO: A partir do banco de dados gerado, o SISTEMA CCK emite gráficos e relatórios analíticos de utilização de energia e utilidades, verificando o consumo na PONTA e FORA DE PONTA. O programa CCK mantém, também, um banco de dados para os principais equipamentos monitorados, que podem ser consultados a qualquer instante a partir da opção HISTÓRICO, e, também, na opção GRÁFICOS, onde o consumo é apresentado de forma matricial, ou através de gráficos, conforme descrito na Figura N 3. Kw Consumo de Ponta Consumo Fora de Ponta 0 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez 2002 Figura Nº 3 - Consumo de Energia Elétrica da ETA Cubatão Tarifa Horo-Sazonal. Sabesp. (2002). Essas mudanças alteram sensivelmente o papel do sistema tradicional de controle do consumo de energia elétrica nos processos de tratamento de água para abastecimento público e das pessoas que trabalham com ele, sendo que, agora, o controle operacional passa a ser mais objetivo, portanto, mais fácil de ser controlado por seus gestores em suas principais etapas, ou seja: Bombeamento de água bruta e água tratada. Coagulação e floculação. Decantação. Bombeamento do lodo e desidratação. Filtração. Quanto à qualidade dos equipamentos, estes dependem basicamente de seus fabricantes e sua capacidade de inovação, destacando-se que o avanço tecnológico sozinho não garante a qualidade, sendo importante que água de boa qualidade do ponto de vista da legislação, seja, também, adequada do ponto de vista estético do consumidor.

6 RESULTADOS O principal benefício técnico, funcional e operacional nos processos industriais de tratamento da água para abastecimento público decorrente da introdução de equipamentos de controle automatizado são a possibilidade de um melhor acompanhamento das variações destas condições e, em particular, das que seguem abaixo: Funcionamento uniforme dos equipamentos mesmo sob condições severas de variação da qualidade da água bruta. Redução da quantidade de energia elétrica usada para a mesma quantidade de água tratada e ao final, uma representativa redução de custos. Iniciar uma discussão sobre automatização funcional dos equipamentos utilizados em estações de tratamento de água, objetivando não só a produção de água dentro dos padrões previstos na legislação, como também a minimização de problemas operacionais. Essas mudanças alteram também, as tarefas individuais dos funcionários permitindo a estes atuarem em realidades mais complexas, sendo que, agora passam a ser mais estimulados e, portanto, mais exigidos em suas competências, ou seja: Visão Sistêmica. Capacitação Técnica. Envolvimento com outras áreas. CONCLUSÓES E RECOMENDAÇÕES A maior parte das empresas e órgãos públicos do setor de saneamento brasileiro ainda investe de forma tímida na modernização de seus equipamentos, principalmente naqueles destinados à automatização dos processos de purificação da água, por motivos que variam desde a inexistência de estratégias empresariais destinadas a estas finalidades até a deficiência na capacitação técnica de seus colaboradores. A questão da implantação de equipamentos automatizados traz inúmeros benefícios, como os descritos abaixo: Rápida identificação dos problemas operacionais. Aumento da confiabilidade no processo de tratamento. Maximização dos resultados empresariais devido à redução dos custos com insumos (produtos químicos, energia elétrica, multas devidas à concessionária de energia elétrica, etc). Finalmente, recomenda-se que os equipamentos de maior potência em uma ETA de Ciclo Completo sofram efetiva gestão do consumo de energia elétrica destacando-se os de maior potência, ou seja: Bombas para a lavagem dos filtros Bombas para remoção do lodo Bombas para a recuperação da água de lavagem dos filtros. Estações elevatórias de água bruta e água tratada. A utilização de mão-de-obra específica da produção (operadores, técnicos e engenheiro de produção) para o acompanhamento do desempenho técnico e funcional dos equipamentos existentes na ETA Cubatão foram incorporados, em 2003, ao processo de Normas ISO gerando também, a possibilidade de implementação das melhores práticas disponíveis no mercado para esta finalidade. BIBLIOGRAFIA BASTOS. R. K. X. et al. Avaliação do desempenho de Estações de Tratamento de Água - Desvendando o Real. Trabalho apresentado no 21º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental. Rio de Janeiro. ABES

7 MINISTÉRIO DA SAÚDE. Brasília. DF. Portaria Nº 1.469/00 de MINISTÉRIO DO MEIO AMBIENTE. Brasília. DF. Resolução Nº 20. CONAMA. Conselho Nacional de Meio Ambiente LEME, F. P. Teoria e Técnicas de Tratamento de Água. Rio de Janeiro. ABES TOLEDO, J.C. Qualidade e Controle da Qualidade Industrial: Conceitos, Determinantes e Abordagens. Dissertação de Mestrado em Engenharia de Produção Universidade Federal do Rio de Janeiro TSUTIYA, Milton T. Redução do Custo de energia elétrica em sistemas de abastecimento de água. Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental ABES. São Paulo ULLER, M. C. (org). Garantia de Qualidade para Industrias Químicas e de Processo Sociedade Americana para o Controle da Qualidade/ Divisão de Industrias Químicas. Editora Qualitymark. Rio de Janeiro VITERBO JR, E. (org) - Garantia de Qualidade para Indústrias Químicas e de Processo - Sociedade Americana para o Controle da Qualidade - Divisão de Industrias Químicas. Ed. Qualitymark - Rio de Janeiro.1992.