Aeração de águas residuais
Aeradores a jato
Alta eficiência e operação confiável com menor consumo de energia.
As águas residuais orgânicas altamente poluídas (ou com alta carga orgânica) requerem muito oxigênio para oxidar e degradar a fim de atender à legislação ambiental. Assim, as modernas estações de tratamento biológico de águas residuais estão constantemente buscando aumentar a altura de seus tanques para otimizar a eficiência da transferência de oxigênio para as águas residuais. As tecnologias convencionais se mostraram ineficazes para determinadas aplicações, como profundidades de bacia superiores a 6 metros; alta necessidade de oxigênio; e altas concentrações de lodo e sólidos. A solução na Europa, com transferência de oxigênio de alta eficiência e uma redução significativa do consumo de energia, tem sido o uso de aeradores a jato. Com o recente aumento no preço da energia e da eletricidade, os aeradores a jato e a aeração a jato estão começando a ganhar novos usuários em diversos setores, bem como para águas residuais sanitárias. Aeradores a jato Koerting pode ser aplicado em qualquer tipo de tecnologia de aeração de águas residuais, seja lodo ativado convencional (CAS), reator sequencial em batelada (SBR), reator biológico de membrana (MBR) ou reator biológico de leito móvel (MBBR).
A Koerting desenvolveu, por mais de 150 anos, soluções personalizadas de ejetores e sistemas de vácuo para vários setores. Nos últimos 30 anos, a Koerting desenvolveu um novo segmento de negócios: Tratamento de água e aeração de águas residuais com aeradores a jato. Essa "nova" aplicação para aeradores a jato foi desenvolvida com um parceiro, uma conhecida empresa alemã, especialmente para soluções de tratamento de águas residuais MBR. Essa empresa tinha necessidades específicas de transferir oxigênio de forma mais eficiente e sustentável em águas residuais com altas cargas orgânicas. O desenvolvimento dessa solução arrojada resultou, até o momento, em mais de 1.200 fornecimentos de sistemas de aeração de águas residuais.
Os ejetores são usados em muitas operações para o tratamento de água e efluentes, como aeração e nitrificação com aeradores a jato, enquanto os misturadores a jato são usados para equalização, homogeneização, desnitrificação, neutralização, mistura, transporte de resinas, entre outros. Seu projeto é determinado pelos tipos de fluidos motriz e de sucção, bem como pelas pressões predominantes nas três conexões do ejetor. Os ejetores são autoescorvantes, não possuem partes móveis e seu modo de operação é baseado exclusivamente nas leis da dinâmica dos fluidos. As inúmeras possibilidades de layout e disposição dos ejetores e seus diferentes métodos de operação, com entrada de ar atmosférico ou ar proveniente de sopradores, proporcionam condições ideais para aplicações em estações de tratamento de água e esgoto, grandes e pequenas.
Como funciona um aerador de jato?
O fluido motriz passa pela seção transversal do aerador a jato, conforme mostrado na figura abaixo. Ao longo desse canal, a seção transversal muda de área, de modo que a pressão no bocal diminui e a velocidade de acionamento aumenta (princípio de Bernoulli). O bocal motriz foi desenvolvido especialmente para promover a aceleração e o melhor condicionamento do fluido motriz para admitir o ar/gás sugado pela seção de sucção. A restrição em sua espiral aumenta a tensão de cisalhamento do fluido motriz, promovendo ranhuras e rotação do jato, facilitando a pulverização e, pelo efeito Venturi, a integração com o fluido de sucção. Dessa forma, provoca uma grande mistura de fluidos com alta saturação de gás no líquido.
A região com a menor pressão estática é encontrada imediatamente após o bocal motriz, onde ocorre a sucção. Assim, o fluido de sucção é adicionado e misturado com o fluido motriz, transferindo ainda mais energia cinética para o fluido de sucção e acelerando-o. Ao longo do difusor, a velocidade do fluxo diminui novamente, causando um aumento de pressão até atingir a pressão de descarga do aerador a jato. A transferência de oxigênio depende não apenas do tamanho da bolha (superfície de contato entre o gás e a água), mas também da renovação das superfícies de contato das bolhas de gás. Essa renovação ocorre por meio da recirculação constante da água residual fornecida ao aerador a jato por uma bomba centrífuga.
O fluido motriz em aplicações de tratamento de águas residuais é normalmente a água residual recirculada por bombas centrífugas. O fluido de sucção, geralmente o ar, pode ser fornecido por um soprador/compressor ou, em alguns casos, pode ser extraído diretamente do ambiente pelo aerador de jato.
Os aeradores a jato - com a mistura constante de águas residuais - podem alcançar uma eficiência muito maior do que outros aeradores de oxigênio. Ao sair do bocal do ejetor, o fluido altamente saturado com bolhas de ar permanece como um jato no fundo do tanque (50 a 60 cm) e contempla suavemente a altura total do nível do líquido, com microbolhas em sua superfície coalescente. Com suas direções de fluxo voltadas para o fundo do tanque, os aeradores a jato Koerting utilizam totalmente a profundidade de cada tanque.
Eficiência de transferência de oxigênio e consumo de energia
Testes longos de fornecimento de oxigênio em água pura (ATV M-209) de acordo com o método de adsorção, desde o banco de dados até o projeto dos aeradores a jato Koerting. Todas as medições foram realizadas na inspeção real da planta e confirmadas em vários testes. A eficiência dessa operação resulta em uma taxa de absorção de oxigênio da água residual de até 3 kgO2 / kWh consumido com fatores de eficiência alfa x beta de 0,8 - valor padrão no projeto dos aeradores a jato Koerting.
Essa eficiência também contribui para um rápido retorno sobre o investimento devido à redução no consumo de energia (potência nos eixos da bomba e do soprador) de até 55% ou, em alguns casos, uma redução ainda maior em comparação com os sistemas de difusor devido à transferência mais eficiente de oxigênio de bolhas finas e à renovação constante da superfície. Observe que, normalmente, a redução no consumo de energia aumenta com o aumento da profundidade do tanque.
O controle da inclusão de oxigênio é obtido simplesmente alterando o volume de integração do ar. Um suprimento reduzido de ar resulta em um regime de trabalho menos intenso por parte do soprador/compressor, que trabalha com uma pressão de descarga menor, reduzindo assim o consumo de energia na operação.
A direção e a posição da saída dos aeradores a jato influenciam a área coberta, na qual as microbolhas terão um percurso um pouco mais longo para coalescer de forma completa e eficaz. Devido ao fluxo motriz e à turbulência da operação, a queda de pressão do sistema de aeração a jato é reduzida. Em outras tecnologias, existe uma alta resistência para que as bolhas de ar percorram seu caminho, bem como o fator "incrustação", que se refere à resistência adicional causada pela incrustação do tubo de ar, pelo entupimento gradual das superfícies de distribuição de ar das partículas sólidas e do óleo do soprador, bem como pela deposição de lodo e pelo crescimento microbiano nessas mesmas superfícies. Esses fatores resultam em maior perda de pressão para as tecnologias convencionais, exigindo maior pressão de descarga do soprador e, consequentemente, maior consumo de energia.
Os aeradores a jato são projetados para não exigir manutenção nos primeiros 15 anos de uso.
Além da principal vantagem de uma redução significativa no consumo de energia, há outros fatores que tornam os aeradores a jato da Koerting ainda mais competitivos em comparação com outras tecnologias.
Ao equipar um tanque ou lagoa de aeração com aeradores a jato Koerting, não há necessidade de manutenção dentro do tanque, pois os ejetores não têm peças móveis ou rotativas que possam se desgastar com a operação e precisar de reparos. A vida útil dos aeradores a jato em tanques, comprovada em inúmeras instalações em todo o mundo, é de mais de 15 anos e, em alguns casos, de mais de 25 anos. As tecnologias convencionais, como os difusores de membrana, normalmente exigem a troca dos elementos de aeração a cada 2 a 5 anos, com custo de peças sobressalentes e tempo e esforço consideráveis para manutenção.
A manutenção dos sistemas de aeração a jato ao longo dos anos de operação será realizada nos sopradores/compressores e bombas de recirculação, comumente instalados fora do tanque para facilitar essa manutenção. Dessa forma, elimina-se a necessidade de esvaziamento dos tanques.
Exemplos comparativos - Estudos de caso
Já temos instalações com 25 anos de operação sem a necessidade de troca de aeradores a jato, mesmo em aplicações difíceis de águas residuais, como lixiviados, indústria de laticínios ou papel e celulose, etc., e transferência de oxigênio praticamente inalterada desde o início da operação.
Abaixo estão alguns exemplos de estudos de consumo de energia
Tratamento de águas residuais em um tanque retangular com alta concentração de biomassa:
Área do tanque (m²) | 21 x 5.3 |
Profundidade do tanque (m) | 3.0 |
Volume do tanque (m³) | 339 |
Demanda de oxigênio - AOR (kg O2 / h) | 210 |
Concentração de biomassa (g / l) | 12 |
Esse exemplo mostra uma redução significativa no consumo de energia, mesmo com essa altura de nível de líquido muito abaixo do ideal. Essa alta eficiência se deve à mistura ideal do fluxo motriz, facilitando assim o contato promovido pela interface água residual - ar dentro dos aeradores a jato.
|
Tecnologia |
Aeradores a jato |
Difusores |
|
Quantidade de |
3 coletores de aeração com 16 ejetores cada |
252 difusores |
|
Fator α (alfa) considerado |
0.8 |
|
|
Volume de ar necessário (Nm³ / h) |
1700 |
5200 |
|
Consumo de energia |
|
|
|
Bombas de recirculação (kWh) |
25 |
AT |
|
Soprador (kWh) |
11.6 |
74.4 |
|
Consumo total de energia |
48.2 |
74.4 |
|
Redução do consumo (kWh /%) |
26.2 / 35.2% |
|
|
Custo total do investimento |
$ 112 515,00 |
$ 101 075,00 |
|
* incluindo bombas e sopradores |
||
|
Redução de custos operacionais |
8760 h / ano |
|
|
Eletricidade ($ 0,2 / kWh) |
$ 45 902,00 |
|
Tratamento de águas residuais em tanque circular com alta concentração de biomassa
Área do tanque (m²) | 572 (Ø 27m) |
Profundidade do tanque (m) | 7.0 |
Volume do tanque (m³) | 4,000 |
Demanda de oxigênio - AOR (kg O2 / h) | 202 – 213 |
Concentração de biomassa (g / l) | 8 – 10 |
Nesse exemplo com profundidade ideal para o uso da tecnologia Koerting, com taxa de fluxo de águas residuais e volume de tanque consideravelmente maiores do que os exemplos anteriores, há uma redução de 55% no consumo de energia para o sistema Koerting com soprador em comparação com a tecnologia concorrente. A redução do consumo de energia e dos custos operacionais nesse projeto muito interessante.
Tecnologia | Aeradores a jato | Difusores |
Fator α (alfa) considerado | 0.8 | 0.55 |
Volume de ar necessário (Nm³ / h) | 3625 | 8216 |
Consumo de energia |
|
|
Bombas de recirculação (kWh / dia) | 147 | AT |
Soprador (kWh / dia) | 329 | |
Redução do consumo (kWh /%) | 182/55 | Referência |
Redução de custos operacionais | 8760 h / ano |
|
Eletricidade ($ 0,20 / kWh) | $ 318 864,00 |
Conclusão
A Koerting continua sua herança de criar soluções inovadoras e customizadas com os melhores resultados possíveis em desempenho e redução de consumo de energia, com equipamentos robustos e duráveis. Desde a criação dos ejetores, foram desenvolvidas diversas áreas de aplicação em processos industriais e a tecnologia ambiental, incluindo a aeração de águas residuais com aeradores a jato, integra todas essas aplicações em diversos segmentos dentro de seus processos.
Conforme demonstrado nos casos acima, a tecnologia de aeração da Koerting se apresentou econômica e com potencial para reduzir significativamente o consumo de energia e o custo da unidade como um todo (com CAPEX próximo das principais tecnologias utilizadas no mercado e com OPEX e custos de manutenção muito inferiores a elas).
A experiência da Erivac e da Koerting nesse segmento não se restringe à tecnologia do ejetor, mas ao projeto completo do sistema como um todo, otimizando o projeto do equipamento, as posições e os ângulos de ataque do equipamento, a redução da queda de pressão e o desenvolvimento de bicos especiais para aplicações complexas.
Há muitas oportunidades para o uso dessa tecnologia em qualquer bacia ou tecnologia de aeração, seja no caminho da tecnologia CAS, SBR, MBR ou MBBR. Podemos aplicar nosso portfólio em vários segmentos industriais e municipais, bem como em uma variedade de opções personalizadas para tipos específicos de águas residuais.
Além do sistema de aeração, a Koerting também tem soluções igualmente benéficas em termos de CAPEX e OPEX para tanques de equalização, reatores anaeróbicos, inserção de ozônio no tratamento de água potável e flotação por ar dissolvido.