I IMPLEMENTAÇÃO DE UM SISTEMA AUTOMATIZADO PARA ALIMENTAÇÃO ESCALONADA DE UM REATOR UASB COMPARTIMENTADO

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1 I IMPLEMENTAÇÃO DE UM SISTEMA AUTOMATIZADO PARA ALIMENTAÇÃO ESCALONADA DE UM REATOR UASB COMPARTIMENTADO Leonardo Henrique Novy de Castro Brito (1) Engenheiro civil pela UFMG. Mestrando em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos pela Escola de Engenharia da UFMG. Carlos Augusto de Lemos Chernicharo Engenheiro Civil e Sanitarista. Doutor em engenharia ambiental pela Universidade de Newcastle upon Tyne - UK. Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da UFMG. Endereço (1) : Av. do Contorno, o andar - sala Belo Horizonte - MG - CEP: Brasil - Tel: (31) Fax: (31) calemos@desa.ufmg.br RESUMO O presente trabalho teve como objetivo otimizar uma nova concepção de reator UASB (reator compartimentado), desenvolvido pelo Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da Universidade Federal de Minas Gerais. Nas primeiras pesquisas realizadas, o reator UASB compartimentado mostrou-se como uma nova alternativa tecnológica para o tratamento de esgotos de pequenas populações, tendo em vista os baixos custos construtivos e operacionais, além das elevadas eficiências obtidas na remoção de poluentes orgânicos. Na presente pesquisa, busca-se retratar a experiência com a implementação de um sistema automatizado para alimentação escalonada do reator, que objetivou a simulação de um hidrograma típico de vazão. Com a automação do sistema, tornou-se possível a aquisição on line de dados que relacionam a vazão desejada com a vazão real, possibilitando a produção de gráficos diários que fornecem informações importantes acerca de ocorrências na estação, principalmente durante períodos em que o sistema de tratamento não é acompanhado pelo operador. Com base nos gráficos gerados, é possível a identificação de horários de queda de energia e de entupimentos na rede, além, obviamente, da vazão efetivamente afluente ao reator. PALAVRAS-CHAVE: Automação, Reator UASB Compartimentado, Tratamento de Esgotos. INTRODUÇÃO O tratamento anaeróbio de águas residuárias tem recebido atenção especial nas pesquisas desenvolvidas no Brasil, principalmente os reatores anaeróbios de alta taxa, uma vez que estes apresentam-se como unidades compactas e com elevada eficiência de tratamento. Esta eficiência, conjugada ao pequeno porte destes reatores, decorre da possibilidade de retenção no sistema de uma biomassa ativa, com boas características estruturais e biológicas. O presente trabalho de pesquisa busca alcançar as melhores condições de operação de um reator UASB compartimentado, através da implantação de um sistema automatizado de alimentação escalonada de vazões. O reator é dotado de três câmaras de digestão, três dispositivos de coleta de gás e um compartimento único de decantação. A fundamentação conceitual desse novo reator baseia-se no fato de que as grandes variações de vazão afluentes aos reatores convencionais, sejam devidas a hidrogramas típicos horários ou a sistemas de bombeamento a montante das estações, levam à ocorrência de velocidades ascensionais bastante elevadas no interior dos reatores, particularmente nas aberturas (passagens) para os compartimentos de decantação. Tais velocidades provocam o arraste indevido de lodo do sistema, com a conseqüente perda de eficiência devido à presença de material particulado no efluente. No reator UASB compartimentado, as variações de vazão são acomodadas em uma, duas ou três câmaras de digestão, fazendo com que as variações de velocidade ascensional em cada câmara sejam muito menores, fato que, além de possibilitar a manutenção de condições otimizadas de mistura no interior das mesmas, também diminui o arraste de sólidos para o compartimento de ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 decantação. Tendo em vista estes aspectos, buscou-se uma melhoria na eficiência do sistema (devido à otimização da mistura) e a produção de um efluente mais clarificado (devido ao melhor funcionamento do compartimento de decantação). Na fase anterior de desenvolvimento do reator UASB compartimentado, CHERNICHARO & CARDOSO (1999) obtiveram ótimos resultados com o reator operando com tempos de detenção hidráulica de 9,0 e 7,5 horas. Na presente pesquisa, buscou-se a verificação do comportamento do reator com a redução do tempo de detenção hidráulica e com a imposição da alimentação escalonada em regime hidráulico transiente. Esta foi conseguida com a implementação de um sistema automatizado de alimentação de vazões. METODOLOGIA Características do Sistema O reator UASB compartimentado, com volume útil de 9 m 3, apresenta três câmaras de digestão que operam em paralelo, três separadores trifásicos e um compartimento único de decantação. As principais características dimensionais e construtivas do reator são apresentadas na Tabela 1. Nas Figuras 1 e 2 são apresentados um corte esquemático do reator e uma vista externa da unidade. Tabela 1 - Características gerais do Reator UASB Compartimentado. Descrição No. de unidades Largura útil (m) Comprimento útil (m) Altura (m) Material Empregado Estrutura do Tanque 1 1,00 3,00 3,00 concreto armado Separador Trifásico 3 Base = 0,90 Topo = 0,20 base = 0,90 topo = 0,20 0,52 chapa metálica Câmaras de Digestão 3 1,00 1,00 1,60 chapa metálica Figura 1 - Perfil do reator UASB compartimentado. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 Figura 2 - Vista da casa de controle e do reator compartimentado. CONDIÇÕES OPERACIONAIS As condições operacionais durante as diferentes fases de funcionamento do reator são apresentadas na Tabela 2. As fases I e II correspondem ao período de desenvolvimento e teste do reator, enquanto a fase III, corresponde ao período de operação do reator com alimentação escalonada automatizada. Tabela 2 - Condições operacionais do reator. Fase Operacional I II III Tempo de detenção hidráulica (h) 9,0 7,5 5,0 Vazão mínima - Qmín. (m³/h) 0,50 0,60 0,90 Vazão média - Qméd. (m³/h) 1,00 1,20 1,80 Vazão máxima - Qmáx. (m³/h) 2,00 2,40 3,24 Velocidade superficial mínima (m/h) 0,50 0,60 0,90 Velocidade superficial média (m/h) 0,50 0,60 0,90 Velocidade superficial máxima (m/h) 0,67 0,80 1,08 Período de Monitoramento (meses) Monitoramento do sistema O monitoramento do sistema durante as três fases operacionais envolveu a avaliação dos seguintes parâmetros físico-químicos principais: temperatura, ph, alcalinidade, DQO (total e filtrada), DBO (total e filtrada), SST e SSV. As freqüências de realização das análises variaram de diárias a quinzenais. Adicionalmente, com uma freqüência mensal, análises das concentrações de ST e STV ao longo do perfil do reator (perfil de sólidos). Todas as análises foram realizadas de acordo com os procedimentos estabelecidos no Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (AWWA/APHA/WEF,1995). DESENVOLVIMENTO DA AUTOMAÇÃO DA ESTAÇÃO Para se alcançar os objetivos de alimentação escalonada em regime hidráulico transiente foi necessária a implementação de um sistema automatizado de controle de vazões. O sistema de automação era dotado de válvulas medidoras/transmissoras de vazão e válvulas atuadoras. O sistema era gerenciado por um software de controle criado especificamente para esta finalidade, sendo constituído dos seguintes componentes principais (ver Figura 3, 4 e 5):! 1 válvula medidora e transmissora de vazão, eletromagnética - sinal de corrente de 4 a 20 ma - precisão na leitura de vazão de 99,9%;! 3 válvulas atuadoras - marca Hass - modelo ECV SS 4X - orifício de ½ - potência do motor de 3,5 cv;! 1 placa de aquisição de dados com 18 canais analógicos (16 de entrada e 2 de saída) e 32 canais digitais (16 de entrada e 16 de saída) - marca Advanthec - modelo PCL 812PG;! 1 placa de emissão de dados - marca Strawberry Tree - modelo QuickLog PC; ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 ! 1 microcomputador PC, 486.! A lógica do sistema desenvolvido é a seguinte:! a válvula medidora/transmissora foi instalada na tubulação de alimentação do reator (ver Fig. 4). A vazão afluente que passa pela válvula é captada por sensores eletromagnéticos que envia sinais;! os sinais (de 4 a 20 ma) enviados pela válvula passam em uma placa que os converte em sinais de tensão (5 a 14 V);! os sinais de tensão são encaminhados até a CPU, onde são inseridos no sistema através da placa de aquisição de dados. Toda a transmissão de sinais das válvulas instaladas junto ao reator, até a CPU, é realizada através de cabos do tipo "par trançado blindado com 3 pares e 6";! os sinais enviados pelas válvulas chegam ao microcomputador na forma de tensão e são convertidos em vazão através de uma curva de calibração, que pode ser representada por uma equação do tipo ax + b = 0, sendo que os parâmetros (a e b) são definidos pelo usuário do sistema, através de dados obtidos em campo (ver Figura 7);! na CPU, a partir da interface entre a placa de aquisição e o software de gerenciamento do sistema, os dados de leitura das válvulas são confrontados com aqueles previamente gravados no banco de dados do microcomputador (vazão Q no tempo T - hidrograma de vazão afluente ao reator UASB compartimentado). O software compara os dados e realiza a função de diminuir o erro entre a vazão desejada e a vazão medida pela válvula eletromagnética. Para tal, a placa de emissão de sinais envia às válvulas atuadoras comandos para abertura ou fechamento da seção das tubulações de alimentação das câmaras do reator, dependendo da necessidade de se aumentar ou diminuir a vazão Q afluente ao sistema no instante T. Para se ter uma otimização deste sistema tem que se realizar uma coleta de dados bastante criteriosa, em campo, para a realização da calibragem da válvula eletromagnética e encontrar o melhor par de constantes (Kp - constante proporcional e Ki - constante integral) responsáveis pela minimização dos erros encontrados pelo software, ou seja, pela redução ou aumento da vazão imprimida ao reator UASB compartimentado. Figura 3 - Válvula atuadora Hass - ECV 500. Figura 4 - Válvula eletromagnética. Figura 5 - Disposição geral das válvulas. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 Figura 6 -Tela do software gerenciador do sistema. Calibração da válvula eletromagnética A válvula eletromagnética funciona com a seguinte lógica:! existem, na seção da válvula, dois sensores que emitem ondas eletromagnéticas e calculam a velocidade do liquido. Como a seção é conhecida pode-se obter o volume do liquido que está passando através da válvula, por unidade de tempo;! quando os sensores encontram a velocidade do liquido, a válvula envia uma certa corrente (4 a 20 ma) para a placa de aquisição de dados. A placa converte o sinal em voltagem para que este possa ser lido pelo software. Dessa forma, quanto maior a velocidade do liquido, maior a corrente enviada. Para se obter a calibração da válvula medidora deve-se estabelecer a correspondência entre a vazão real e o sinal elétrico enviado pela válvula. Isso é conseguido com a determinação de uma reta de calibração do tipo Y= ax + b, onde Y é a vazão (m 3 /h) e X é a voltagem (volts). São adotados os seguintes procedimentos principais:! medição, em campo, de vários pares de dados que relacionam a vazão real e a voltagem lida pelo software;! representação gráfica dos pares de pontos e determinação da melhor linha de tendência, conforme mostrado na Fig. 7. Este procedimento é único e específico para cada localidade, não havendo a possibilidade de uma padronização. Calibração do Sistema Medidor de Vazão 3,500 3,000 2,500 Resultado Regressão Linear y = 1,066x - 0,3971 R 2 = 0,9934 Vazão Real (m3/h)- 2,000 1,500 1,000 0,500 Pontos Obtidos em Campo 0, ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4-0,500 Voltagem (Volts) Figura 7 - Calibração válvula eletromagnética. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 ESTRATÉGIA DE ALIMENTAÇÃO ESCALONADA Tendo em vista a concepção do reator UASB compartimentado, que considera a alimentação independente de uma, duas ou três câmaras de digestão, dependendo da vazão afluente, foi implementado, através do sistema operacional, uma rotina automatizada que garante a distribuição escalonada da vazão afluente. A lógica do sistema é que, quando a vazão afluente ao reator é baixa, apenas uma câmara de digestão do reator fica em operação. Quando a vazão afluente ao reator é intermediária, duas câmaras ficam em operação e, finalmente, quando a vazão afluente é máxima, as três câmaras entram em operação. Esta variação da quantidade de câmaras operando é conseguida através das válvulas atuadoras, implantadas junto à entrada do reator UASB, que são abertas ou fechadas de acordo com o número de câmaras que devam estar em operação, objetivando-se o enquadramento da vazão afluente em uma das três faixas:! 0 a 0,9 m 3 /h: 1 válvula aberta e 1 câmara de digestão em operação;! 0,9 a 1,8 m 3 /h: 2 válvulas abertas e 2 câmaras de digestão em operação;! 1,8 a 3,24 m 3 /h: 3 válvulas abertas e 3 câmaras de digestão em operação. O software de controle permite, ainda, a alteração dos limites de vazão, para que o sistema reconheça e identifique a vazão desejada no tempo t e o número de válvulas devem estar trabalhando, ou seja, quantas câmaras de digestão devem estar em operação. Deve-se ressaltar que quando duas ou três válvulas atuadoras estão em operação, essas trabalham juntas, ou seja, a vazão que passa pela válvula medidora é distribuída igualmente para as duas ou três câmaras em funcionamento. Isto se consegue através de uma mesma abertura da seção para as válvulas que estão em operação. A cada semana é feito um rodízio das câmaras para que uma mesma câmara não esteja sempre em operação recebendo a vazão mínima. RESULTADOS E DISCUSSÃO Todas as leituras realizadas pelo sistema operacional são armazenadas na CPU e processadas posteriormente em outro computador. São feitas coletas de dados em intervalos de 1 minuto. Os dados coletados são: data, hora, vazão esperada (hidrograma de vazão desejado) e vazão real. A Figura 6 mostra a formatação e os tipos de resultados armazenados pelo software. Após o processamento dos resultados armazenados pelo sistema operacional pode se obter, com certa facilidade, diversas informações sobre o que ocorreu durante o período monitorado. São produzidos gráficos diários (ver Figura 8) que fornecem informações acerca de: queda de energia, entupimentos na rede, vazão que efetivamente afluiu ao Reator UASB, entre outras. Hidrograma de Vazão Vazão (m3/h) Real Esperado 0:00 1:25 2:50 4:15 5:40 7:05 8:30 9:55 11:20 12:45 14:10 15:35 17:00 18:25 19:50 21:15 22:40 Hora Figura 8 - Monitoramento de vazões afluente ao Reator UASB. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 Com base no hidrograma real proporcionado pelo sistema de automação (mostrado na Figura 8), pode-se observar:! o programa supervisório foi capaz de aproximar, com relativa precisão, o hidrograma de vazões previsto para alimentação do reator. Em termos de vazão média, era desejada uma vazão média de 1,8 m3/h e obteve-se 1,83 m3/h;! ocorrência de entupimento nas válvulas atuadoras no período próximo às 7 horas;! quedas de tensão na área da ETE, às 8:42 h e no período compreendido entre 23:50 e 00:00 h. A implementação do regime de fluxo transiente da vazão afluente ao reator UASB tornou possível uma maior aproximação às condições de operação de sistemas de tratamento de esgotos em escala real. PROBLEMAS OPERACIONAIS Devido à má operação das unidades de tratamento preliminar da ETE Nova Vista e ao grande aporte de sólidos grosseiros ao reator, observou-se a ocorrência constante de entupimentos nas válvulas de medição e atuadoras, o que levou, em primeira instância, à substituição da válvula de medição, que na concepção inicial do projeto era uma válvula que funcionava com o princípio de turbina. Uma grande quantidade de sólidos prendia-se ao eixo da turbina, fazendo com que a mesma fosse diminuindo a sua rotação real até parar. Essa válvula medidora foi substituída por outra de funcionamento eletromagnético, de seção livre, munida de sensores instalados externamente à seção de medição, sem contato com o liquido. Com esta medida, houve uma sensível redução no número diário de interrupções para manutenção do sistema. As válvulas atuadoras, apesar da redução da freqüência de entupimentos, continuaram a ser o motivo de paralisações do sistema, comprometendo significativamente os objetivos da pesquisa. Para solucionar o problema foi instalado um pré-filtro na tubulação de recalque do esgoto para o reator, com a função de complementar a remoção de sólidos não retidos no tratamento preliminar da ETE Nova Vista, tendo em vista o funcionamento deficiente do mesmo. O pré-filtro (ver Fig. 9) foi instalado com uma malha de ½ polegada, tendo solucionado em grande parte os problemas de entupimento das válvulas atuadoras. Na rotina de operação do reator foi inserida a atividade de limpeza do filtro, com freqüência de duas vezes por semana. A ocorrência de entupimento constitui um grande problema para esse tipo de sistema automatizado, tendo em vista que quando uma válvula entope, ainda que parcialmente, isso ocasiona uma menor vazão afluente à câmara de digestão correspondente. Para compensar essa redução de vazão, o sistema operacional abre a seção das válvulas em operação, impondo uma maior vazão às outras válvulas e sobrecarregando as demais câmaras. Com isso, são verificadas altas velocidades ascensionais no interior das mesmas e uma grande perda de sólidos no efluente final, deteriorando a qualidade do mesmo. Figura 8 - Pré Filtro do reator UASB. Outro problema ocorrido refere-se ao arranjo das válvulas no sistema de alimentação do reator, dotado de apenas uma tubulação de chegada, com 2 polegadas de diâmetro, que se ramifica em três tubulações de ¾ de polegada de diâmetro. Esse arranjo implica em que a primeira câmara, mais próxima a chegada do esgoto, receba uma parcela maior de vazão, tendo em vistas as condições mais favoráveis de pressão. Tal problema operacional foi notado através de uma maior produção se sólidos na primeira câmara, após o término de um ciclo do rodízio entre as câmaras em operação. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

8 CONCLUSÃO O sistema de automação da estação piloto constituiu-se em uma ferramenta importante para o desenvolvimento de trabalhos de pesquisa similares, tendo em vista que o controle mais preciso das vazões garantem maior confiabilidade aos dados reais observados na estação experimental. Com a automação do sistema, tornou-se possível a aquisição on line de dados que relacionam a vazão desejada com a vazão real, possibilitando a produção de gráficos diários que fornecem informações importantes acerca de ocorrências na estação, principalmente durante períodos em que o sistema de tratamento não é acompanhado pelo operador. Com base nos gráficos gerados, é possível a identificação de horários de queda de energia e de entupimentos na rede, além, obviamente, da vazão efetivamente afluente ao reator. Para se minimizar a ocorrência de problemas com o funcionamento do sistema de alimentação automatizado, tornase necessário a observância de alguns aspectos, notadamente em sistemas em escala piloto:! a implantação de um eficiente sistema de remoção de sólidos finos e grosseiros, a fim de reduzir ao mínimo o aporte desses, ao sistema, e os problemas de entupimento das válvulas;! a utilização de medidores de vazão de seção livre, a exemplo dos eletromagnéticos;! a implantação de uma rotina adequada de manutenção e limpeza dos equipamentos instalados. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. AWWA/APHA/WEF (1995). Standard methods for the examination of water and wastewater. 19 th edition. Washington. 2. CARDOSO, M.R; CHERNICHARO, C.A.L. & VON SPERLING, M. (1998). Avaliação de desempenho de um reator UASB compartimentado aplicado ao tratamento de esgotos tipicamente domésticos. In: Anais do VIII Simpósio Luso-Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental. pp , ABES/APRH - João Pessoa/PB, Brasil. 3. CHERNICHARO C. A. L. (1997). Princípios do Tratamento Biológico de Águas Residuárias - Volume 5: Reatores Anaeróbios, Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da Escola de Engenharia da UFMG, 245 pp. 4. CHERNICHARO, C.A.L. & CARDOSO, M.R. (1999). Development and evaluation of a partitioned UASB (upflow anaerobic sludge blanket) reactor for the treatment of domestic sewage from small villages. Water Science and Technology, 40, 8, pp ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8