REDUÇÃO DE CUSTOS OPERACIONAIS ATRAVÉS DE INTERRUPÇÕES PLANEJADAS DA AERAÇÃO EM SISTEMAS DE LODO ATIVADO
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- José Van Der Vinne Lisboa
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1 REDUÇÃO DE CUSTOS OPERACIONAIS ATRAVÉS DE INTERRUPÇÕES PLANEJADAS DA AERAÇÃO EM SISTEMAS DE LODO ATIVADO Adrianus van Haandel (1) Professor do Departamento de Engenharia Civil do Centro de Ciências e Tecnologia da Universidade Federal da Paraíba, PhD em Engenharia Civil/Saneamento. Paula Frassinetti Cavalcanti Catunda Professora do Departamento de Engenharia Civil do Centro de Ciências e Tecnologia da Universidade Federal da Paraíba, MSc em Engenharia Civil/Saneamento. Manoel Reis Neiva Gerente de monitoramento e controle da CETREL, MSc em Engenharia Sanitária. Laurindo Galdino Jr Engenheiro de operação da CETREL. FOTO Endereço (1) : Departamento de Engenharia Civil - Universidade Federal da Paraíba - Av. Aprígio Veloso, Bodocongó - CEP: Campina Grande - PB - Brasil - Tel./Fax: (083) ahaandel@aesa.ufpb.br. RESUMO Realizou-se uma investigação em escala real no sistema de lodo ativado operado pela CETREL, visando-se avaliar a viabilidade técnica de redução de custos operacionais, através da interrupção da aeração do licor misto nos tanques de aeração, durante as três horas diárias de tarifa alta, imposta pela companhia de energia elétrica. Estabeleceu-se experimentalmente que as interrupções diárias não afetavam negativamente a qualidade do efluente, nem propriedades importantes do lodo como atividade e sedimentabilidade. Por outro lado, devido à redução do consumo de energia durante o horário de tarifa alta, os custos operacionais diminuíram em mais de R$ 0.000,00 por ano, representando em torno de 20 por cento dos gastos com aeração. Pelo fato de ter sido demonstrado que a interrupção durante o horário de tarifa alta era viável, a CETREL pôde negociar um contrato mais favorável com a companhia de energia, no qual se conseguiu um preço mais baixo para a energia fora do horário de alta tarifa em compensação à garantia de um consumo menor, pela CETREL, dentro do horário de alta tarifa. PALAVRAS-CHAVE: Lodo Ativado, Custos Operacionais, Interrupção da Aeração, Viabilidade Técnica, Viabilidade Financeira. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 77
2 INTRODUÇÃO A CETREL é uma companhia de proteção ambiental, mantida pelo Polo Petroquímico em Camaçarí-BA. A CETREL atua nas áreas de tratamento e disposição final de águas residuárias e resíduos sólidos e de controle da poluição do ar e da água subterrânea. O tratamento da água residuária vem sendo realizado em um sistema de lodo ativado que se compõe de três tanques de aeração seguidos de decantadores/ espessadores de lodo, um digestor aeróbio de lodo e fazendas de lodo para disposição do lodo de excesso. Na época da investigação experimental, a carga orgânica afluente era em torno de 75 t DBO5/d ou 225 t DQO/d. Como na maioria dos sistemas de lodo ativado o fator principal de custo operacional se deve ao consumo mensal de energia elétrica para aeração do licor misto, na CETREL, o consumo de energia média para aeração era de KW, resultando num custo mensal de R$ , ou seja em torno de R$ 0,04 por Kg de DQO. Visando minimizar o consumo de energia pelas indústrias durante o horário de maior consumo doméstico (18:30 as 21:30 h), a companhia de energia introduziu um horário de tarifa alta: neste horário a energia se torna três vezes mais cara do que no resto do dia. Por essa razão, a CETREL realizou uma investigação experimental visando estabelecer a viabilidade técnica de reduzir o consumo de energia para aeração, durante este horário. Estabeleceu-se experimentalmente em escala real que a interrupção completa da aeração durante as três horas de tarifa alta não tinha um efeito mensurável sobre a qualidade do efluente e não prejudicava a atividade nem a sedimentabilidade do lodo. Concluiu-se então que a interrupção da aeração durante as três horas é uma ferramenta poderosa para reduzir os custos operacionais do sistema de tratamento, sem que haja repercussões negativas sobre a qualidade do efluente ou a estabilidade operacional. INVESTIGAÇÃO E RESULTADOS EXPERIMENTAIS Para avaliar a viabilidade técnica da redução ou interrupção da aeração durante as três horas diárias de tarifa alta, procurou-se verificar primeiramente se o lodo tinha condições de sobreviver durante prolongados períodos sem aeração. Também se tornou necessário demonstrar que a falta temporário de oxigênio não afetava negativamente a qualidade do efluente (expressa em termos da concentração final de sólidos em suspensão e da DBO 5 ) ou do lodo (expressa em termos da atividade e da sedimentabilidade). Estes pontos serão discutidos a seguir. Capacidade de Sobrevivência do Lodo durante Períodos sem Aeração. Antes de proceder a investigação experimental em escala real, foi verificado-se, em escala de laboratório, a capacidade de sobrevivência do lodo durante períodos sem aeração. Para tanto, foram usadas bateladas de lodo retiradas de um dos tanques de aeração. A capacidade de sobrevivência do lodo foi avaliada através da determinação da taxa de consumo de oxigênio (TCO) antes e depois do período sem aeração. A partir dos resultados dessa avaliação, 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 78
3 presumiu-se que o lodo sobrevivia mesmo tendo sido submetido a períodos sem aeração uma vez que a atividade metabólica (medida pela TCO) não tinha diminuído. O procedimento utilizado pode ser resumido como se segue: 1. Uma batelada de lodo de um dos tanques de aeração era aerada por um período de duas horas, o suficiente para metabolisar o material orgânico armazenado. Neste período a TCO diminuía para o seu valor mínimo, que correspondia à taxa de respiração endógena; 2. Sob aeração continuada, era adicionado à batelada de lodo um volume de afluente equalizado igual ao volume do lodo, determinado-se novamente a TCO. Tinha sido estabelecido anteriormente que, no caso de volume iguais de licor misto e afluente, não havia limitação do substrato, de modo que a TCO era máxima e correspondente a taxa máxima de metabolismo do lodo; 3. Minutos após a adição do afluente era interrompida a aeração por um determinado período; 4. Terminado este período a aeração era ligada, sendo determinada imediatamente o valor da TCO. A razão dos valores da TCO imediatamente antes e logo depois da interrupção da aeração foi usada como indicador da viabilidade de sobrevivência do lodo, durante o período sem a presença de oxigênio dissolvido. Na Figura 1 (a, b, c e d), observa-se os valores da TCO em bateladas de lodo, correspondentes aos períodos sem aeração de 2, 4, 6 e 8 horas, respectivamente. Os resultados mostram claramente que, mesmo após um período longo sem aeração de 8 horas, não há uma redução significante da TCO nas bateladas de lodo. Deste modo, concluiu-se que os períodos anaeróbios não afetavam a capacidade metabólica do lodo. É importante que se note que estes resultados são válidos para o lodo gerada nas condições particulares da CETREL, que trata principalmente resíduos líquidos da indústria petroquímica. Lodos gerados com outros substratos podem ter um comportamento diferente. A constatação de que a sobrevivência do lodo durante períodos sem aeração muito mais longos que a duração do horário da tarifa alta (3 horas), era uma condição necessária mas não suficiente para concluir pela viabilidade das interrupções de aeração nas horas de tarifa alta. Era preciso mostrar, também, que a qualidade do efluente e as propriedades do lodo não seriam afetadas negativamente pelas interrupções. Procedeu-se então com a interrupções diárias da aeração do licor misto para esclarecer este ponto. Aplicando-se interrupções diárias da aeração de 3 horas, determinou-se a qualidade do efluente bem como a atividade e a sedimentabilidade do lodo, comparando-se estes dados com aqueles obtidos no período anterior à introdução das interrupções. É importante observar que durante as interrupções da aeração o afluente e o lodo de retorno continuavam a entrar normalmente nos tanques de aeração, havendo também descarga de licor misto para os decantadores. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 79
4 120 Fig 1a 120 Fig 1b adicao do afluente TCO (mg/l/h) adicao do afluente 2 horas interrupcao da aeracao TCO (mg/l/h) horas interrupcao da aeracao tempo (h) adicao do afluente Fig 1c tempo (h) Fig 1d TCO (mg/l/h) horas interrupcao da aeracao TCO (mg/l/h) adicao do afluente 8 horas interrupcao da aeracao tempo (h) tempo (h) Figura 1: Efeito da interrupção da aeração de bateladas de lodo com altas concentrações de substrato sobre a taxa de consumo de oxigênio (TCO) para diferentes períodos de interrupção: 2 (1a), 4 (1b), 6 (1c) e 8 (1d) horas. QUALIDADE DO EFLUENTE Os parâmetros de maior importância para caracterizar a qualidade do efluente da CETREL são as concentrações dos sólidos totais em suspensão (STS) e do material orgânico (DBO5). 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 80
5 Tabela 1a: Desempenho do sistema de lodo ativado antes da aplicação de períodos diários de três horas sem aeração do licor misto Mês antes da interrupção Vazão (m 3 /d) Carga Orgânica (t/d) Concentração no Efluente (mg/l) DQO DBO 5 DQO DBO 5 STS Out Nov Dez Jan Fev Mar Tabela 1b: Desempenho do sistema de lodo ativado após a aplicação de períodos diários de três horas sem aeração do licor misto Mês após a Vazão Carga Orgânica Concentração no Efluente interrupção (m 3 /d) (t/d) (mg/l) DQO DBO5 DQO DBO5 STS Abr Maio Jun Jul Ago Set Tabela 2: Dados estatísticos do desempenho do sistema de lodo ativado em termos da qualidade do efluente antes e após a aplicação de interrupções diárias da aeração, durante três horas. DQO DBO5 STS Período Média?. média? Média? mg/l % mg/l % mg/l % Período inteiro de 12 meses Seis meses anteriores às interrupções Seis meses subseqüentes às interrupções o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 81
6 ?= desvio padrão ou DQO). Na Tabela 1 a, observa-se a carga orgânica e as concentração de STS, DBO 5 e DQO no efluente durante o período de seis meses anterior ao início da operação com interrupções da aeração. A Tabela 1b mostra dados similares relativos ao período de seis meses após a aplicação das interrupções da aeração. Na Tabela 2, apresenta-se uma interpretação estatística dos dados. Pode-se observar que apesar de ter havido uma ligeira deterioração da qualidade do efluente após a aplicação das interrupções da aeração, a diferença com a qualidade antes das interrupções estatisticamente é insignificante. QUALIDADE DO LODO Supôs-se que as interrupções diárias da aeração pudessem influenciar as propriedades importantes do lodo tais como: atividade e sedimentabilidade. Por esta razão, monitorou-se os parâmetros que caracterizam estas propriedades nos períodos de seis meses imediatamente antes e logo depois do início da aplicação das interrupções. Atividade do Lodo A atividade do lodo foi avaliada a partir da taxa de consumo de oxigênio (TCO) pelo lodo. Considerou-se que a TCO de uma batelada tem um valor intermediário entre um mínimo e um máximo. O valor mínimo, TCO min se verifica quando não há disponibilidade de material biodegradável, de modo que todo o consumo de oxigênio se deve somente à respiração endógena (Marais e Ekama, 1976). O valor máximo, TCO max, se obtém quando a disponibilidade do material orgânico não limita a taxa de metabolismo pelo lodo (Dold, Ekama e Marais, 1980). A razão entre os valores extremos, isto é a proporção (TCO max /TCO min ) foi utilizada como indicador da atividade de lodo. No apêndice 1 mostra-se a relação entre a razão TCO max /TCO min e as constantes cinéticas da degradação do material orgânico. Aplicou-se o seguinte procedimento experimental para determinar a razão TCO max /TCO min : 1. Uma batelada de lodo era aerada durante duas horas, período que previamente tinha sido mostrado ser suficiente para remover o material orgânico biodegradável, de maneira que após as duas horas a TCO da batelada era igual à taxa mínima, TCO min, correspondente à respiração endógena; 2. Tendo sido determinada a TCOmin, era adicionado o afluente equalizado com um volume igual ao da batelada para se determinar a TCO max (tinha sido estabelecido anteriormente que para proporções iguais de lodo e afluente, a TCO era máxima e não limitada pela disponibilidade de substrato). O valor obtido da TCO era multiplicado por 2 para compensar a diluição do lodo pelo afluente equalizado. O valor assim obtido, TCOmax era diretamente comparável com o valor mínimo, TCO min. Os valores da TCO determinada nos itens anteriores eram usados para determinar a razão TCOmax/TCOmin. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 82
7 Na Figura 2 observa-se diagramas estatísticos de valores da razão TCOmax/TCOmin para lodos dos tanques TA 1 e TA 2, durante os seis meses subseqüentes à introdução das interrupções da aeração. Os resultados levam às seguintes conclusões: 1. Havia grandes flutuações da razão TCOmax/TCOmin nos dois tanques, tanto antes como depois da aplicação das interrupções da aeração. Estas flutuações possivelmente devem ser atribuídas ao fato que ocasionalmente ocorria entrada de material tóxico que afetava o valor de TCO max e, por vezes, também de TCO min. 2. A razão TCOmax/TCOmin no tanque TA2 era consistentemente menor que aquela do tanque TA 1 embora ambos fossem operados sob condições virtualmente idênticas (idade de lodo, tempo de permanência, razão F/M, temperatura). 3. Os valores da razão TCO max /TCO min nos tanques de aeração não mudaram significativamente após a aplicação das interrupções da aeração do licor misto. porcentagem igual ou mais TA1 Antes das interrupcoes Apos as interrupcoes 8,1 7, ,5 18,6 20, razao TCOmax/TCOmin (-) porcentagem igual ou mais TA2 Antes das interrupcoes Apos as interrupcoes 5,8 9, ,5 12,2 16, razao TCOmax/TCOmin (-) Figura 2: Diagrama estatístico de valores experimentais da razão TCO max /TCO min antes e depois da aplicação de interrupções diárias da aeração durante três horas nos tanques TA 1 (esq.) e TA 2 (dir.) Sedimentabilidade do Lodo A sedimentabilidade do lodo foi determinada seguindo o procedimento de White (1975) e Catunda et al. (1989), no qual o lodo a ser examinado é colocado em um cilindro transparente. A velocidade de sedimentação do lodo é medida pela taxa de deslocamento da interface que se desenvolve entre o sobrenadante clarificado e o lodo sedimentando. Mostrou-se que a equação de Vesilind (1972) pode ser usada para quantificar a influência da concentração sobre a velocidade de sedimentação: v = v o * exp (-kx t ) (1) 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 83
8 onde: v X t k,vo = velocidade de sedimentação do lodo (zonal); = concentração do lodo; = constantes características da sedimentabilidade. A partir de um grande número de experimentos, estabeleceu-se que as constantes k e v o eram relacionadas com o índice volumétrico de lodo, IVL. Encontrou-se as seguintes equações empíricas para os lodos dos tanques TA1 e TA2, antes e após a aplicação das interrupções da aeração. Ao determinar o IVL e quando necessário, o lodo era diluído para que o volume no fim do teste não fosse mais que % do volume inicial. Com este providência, o IVL se tornou independente da concentração do lodo. Antes das interrupções media -se: k = 0, ,6*10-3 *IVL (R 2 = 0,93; n = 50) e v o = 16,7-0,068*IVL (R 2 = 0,81; n = 50) Após as interrupções: k = 0,083 +0,003*IVL (R 2 = 0,88; n = 34) e v o = 20-0,105*IVL (R 2 = 0,78; n = 34) Tabela 3: Valores do índice volumétrico de lodo e o seu desvio padrão nos tanques TA 1 e TA 2 antes e depois da aplicação de interrupções diárias da aeração durante três horas. TA 1 TA 2 antes depois antes depois IVL (ml/g) Desvio padrão? (%) Número de testes O valor de IVL determinado para os lodos dos tanques TA 1 e TA 2 variava acentuadamente com o tempo, provavelmente devido a variações bruscas das características do afluente. A Tabela 3 mostra os valores médios de IVL nos dois meses antes do inicio das interrupções da aeração e nos dois meses subseqüentes a estas. A partir de uma análise estatística dos dados experimentais, chegou-se à conclusão que os valores do IVL e das constantes características da sedimentabilidade de lodo não foram afetados pelas interrupções diárias da aeração durante três horas. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 84
9 DISCUSSÃO A maneira mais simples de avaliar a economia que se realiza pela introdução de interrupções da aeração durante o horário de tarifa alta, é considerar a demanda de energia constante e que não há redução de consumo de energia mas simplesmente uma mudança no horário do consumo. Na época da investigação o preço de energia, para a CETREL, nos horários de baixa e alta tarifa, eram R$ 0,07 e R$ 0,21 por kwh, respectivamente. Neste caso, pode-se determinar a redução de custos da seguinte maneira: 1. Antes da aplicação das interrupções, a energia era consumida a uma taxa constante e com um custo de R$ 0,07 por kwh durante as 21 horas por dia de tarifa baixa e de R$ 0,21 por kwh durante o horário de alta tarifa, tendo-se portanto um custo diário de C a = 21c n P + 3c h P = 21*0,07P +3*0,21P = 2,10P (2) onde: Ca = custo diária antes das interrupções (R$/d); P = potência aplicada (kw); c n = custo por kwh durante o horário normal (R$ 0,07); c h = custo por kwh no horário de pico (R$ 0,21); 2. Após a introdução das interrupções não há redução do consumo total de energia, de maneira que o consumo diário de 24P se dá nas 21 horas de tarifa baixa, de modo que durante este período a potência aplicada aumenta por de fator de 24/21, enquanto que não há consumo durante o horário da alta tarifa. Portanto: C b = 21*c n *24/21*P = 1,68 P onde: C b = custo diário da aeração após a introdução das interrupções (R$/d) Agora calcula-se a redução dos custos como: R = 1- (C b /C a ) = 1 - (1,68/2,10) = 0,20. Conclui-se, portanto, que apesar do consumo total permanecer constante, as interrupções da aeração durante o período de tarifa alta leva a uma redução de custos de aeração de 20 %. No caso da CETREL, nos 6 meses que precederam à introdução das interrupções, o custo de aeração era de R$ por mês, de modo que se realizou uma redução de 0,2* = R $33.0 por mês ou de R$ anualmente. Na realidade a redução de custos foi até maior que a quantia calculada acima por duas razões: 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 85
10 (1) Nas horas após a interrupção da energia não se aumentou o número de aeradores em operação, embora havia uma demanda maior de oxigênio. Por esta razão na realidade houve uma redução de consumo de energia; (2) Tendo-se demonstrada a viabilidade técnica de reduzir o consumo de energia durante o horário de alta tarifa, a CETREL ficou numa posição favorável de renegociar o seu contrato com a companhia de energia. No novo contrato foi possível obter uma redução do preço durante o horário de baixa tarifa, em contrapartida a uma garantia de consumo baixo durante o horário de alta tarifa. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 86
11 CONCLUSÕES Obteve-se uma redução de mais de vinte por cento dos custos de energia para aeração no sistema de lodo ativado operado pela CETREL, através da interrupção total da aeração durante as três horas de tarifa alta de energia elétrica. A interrupção da aeração durante três horas por dia não levou a uma deterioração da qualidade do efluente em termos da concentração de sólidos em suspensão e de material orgânico (DBO 5 ou DQO). Do mesmo modo as interrupções não influenciaram as propriedades mais importantes do lodo: a sua atividade e a sua sedimentabilidade permaneceram sem modificações após a introdução das interrupções diárias. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Catunda P.F.C., Souza J. T. e Van Haandel A.C.(1989): Determinação da sedimentabilidade de lodo ativado. 14 Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e ambiental, Belém-Pará 2. Dold, P.L., Ekama, G.A. e Marais, G.v.R. (1980)." A General Model for the Activated Sludge Process", Prog.Wat.Tech., 12, Ekama, G.A. e Marais, G.v.R. "Sludge Settleability Secondary e Settling Tank Design Procedures". Water Pollution Control (1986) 1, Marais, G.v.R. e Ekama, G.A. (1976). " The Activated Sludge Process Part I: Steady State Behaviour", Water S.A., 2, (4), Vesilind, P.A. " Theoretical Considerations: Design of Prototype Thickeners from Batch Settling Tests". Water and Sewage Works 115, 1968 (302). 6. White, M.J.D. (1985). " Settling of Activated-Sludge". Technical Report TR11, Water Research Centre, Stevenage, England. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 87
12 APÊNDICE 1 Pode-se associar a TCO máxima e mínima de bateladas de lodo à cinética do metabolismo bacteriano da seguinte maneira: (1) A taxa de consumo de oxigênio para a respiração endógena é dada como (Marais e Ekama,1976): TCOen = p(1-f)bhxa onde: TCO en = taxa de respiração endógena; p = razão DQO/SSV para lodo (= 1,5 mgdqo.mg -1 SSV); f = resíduo endógeno (= 0,2 ); b h = constante de decaimento bacteriano (=0,24*(1,03) (t-20) ; X a = concentração de lodo ativo (massa viva). (2) Supondo-se válida da cinética de Monod para o metabolismo então a taxa de consumo de oxigênio para a respiração exógena pode ser expressa como: TCOex = (1-pY)KmS/(S+Ks) Xa onde: TCO ex = taxa de respiração exógena; Y = coeficiente de rendimento (= 0,45 mgssv.mg -1 DQO); K m = constante de utilização específica de substrato; K s = constante de meia saturação; S = concentração do substrato. A taxa máxima de respiração exógena se obtém quando S>>Ks, isto é S/(S+Ks)»1. Neste caso: TCO ex,max = (1-pY)K m X a O valor de TCO max é igual à soma das TCOs para respiração endógena e exógna, de modo que: R = TCOmax/TCOmin = (TCOex,max +TCOen)/TCOen = [(1-pY)K m +p(1-f)b h ]/[p(1-f)b h ] 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 88
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