Produção de água de reuso a nível quaternário através da associação de processos biológicos com membrana (anaeróbio e fotobiorreator) com osmose reversa ou deionização capacitiva.
Resumo: Desde a severa crise hídrica que se instalou no Estado do Espírito Santo em janeiro de 2015, a ArcelorMittal Tubarão
(AMT), implementa um trabalho emergencial de redução do consumo de água doce na empresa. Cerca de 95% de toda
a água consumida é captada no mar, mas 5% ainda é de água (doce) proveniente do Rio Santa Maria da Vitória,
aumentando assim a pressão hídrica sobre os corpos dágua e diminuindo a disponibilidade de água para a população.
No desenvolvimento do plano diretor que busca a autonomia hídrica da AMT, a equipe técnica multidisciplinar
responsável pela proposição de alternativas para conservação da água identificou as seguintes fontes alternativas:
efluentes não tratados passíveis de reuso em unidades operacionais específicas; águas subterrâneas captadas em
novos poços; água do mar dessalinizada; efluentes externos à AMT provenientes de Estações de Tratamento de Água
e Estações de Tratamento de Esgoto sanitário. De fato, a vazão de esgoto nesta região pode superar 500 L/s, embora
a qualidade do esgoto tratado disponível esteja muito aquém da água industrial hoje suprida pela CESAN. Este projeto
explora esta última opção, objetivando desenvolver tecnologia para produção de água de reúso com elevado padrão de
qualidade a partir dos sistemas de esgotamento sanitário que atendem as regiões urbanas circunvizinhas à AMT.
Esta pesquisa possui como objetivo principal desenvolver um sistema de tratamento de esgoto sanitário com vistas à
produção de água de reúso com elevado padrão de qualidade a um consumo energético neutro, tendo como base a
associação em série de biorreatores anaeróbios com membranas (AnMBR) e fotobiorreatores com membranas (MPBR)
com tratamentos a nível quaternário com osmose reversa (RO) ou deionização capacitiva (CD).
O desafio inédito será otimizar o funcionamento isolado dos principais processos de tratamento, bem como o
funcionamento integrado do conjunto. No que tange o AnMBR, o aspecto inovador da pesquisa está na proposta do seu
funcionamento em regime de codigestão (de esgoto, do lodo mixotrófico e do rejeito concentrado do tratamento
quaternário). Quanto a MPBR, os limites do crescimento de biomassa mixotrófica com iluminação natural e separação
através de membranas serão definidos.
Os objetivos específicos são: 1 - Analisar a combinação de diferentes processos de tratamento à nível secundário,
terciário e quaternário com vistas à produção de água de reuso para os diferentes usos possíveis na ArcelorMittal
(AMT); 2 - Avaliar as combinações de tratamento que possibilitam a recuperação dos produtos nutrientes e
biocombustíveis; 3 - Avaliar as diferentes combinações de processos com vistas à otimização do consumo energético e
a redução da demanda de operação e de manutenção; 4 - Comparar a eficiência ambiental das diferentes opções de
tratamento através da Avaliação do Ciclo de Vida; 5 - Realizar a avaliação da viabilidade econômica dos sistemas de
tratamento.
Para realizar os objetivos acima citados, a metodologia aplicada consistirá de diversas etapas: 1 - Implementação do
projeto piloto; 2 - Período de partida nos sistemas, isto é, período de adaptação dos sistemas e da microbiota utilizada
nos reatores; 3 - Etapas experimentais, nas quais realizar-se-á o conjunto de análises físico-químicas e
microbiológicas, dividido em 4 subetapas com diferentes vazões de entrada e diferentes tempos de detenção hidráulica;
5 - Realização do balanço energético, com utilização do índice de retorno energético sobre o investimento (EROI); 6 -
Realização da Avaliação do Ciclo de Vida, para comparação da eficiência ambiental da ETE nexus; 7 - Avaliação da
viabilidade econômica dos projetos piloto, através de indicadores de viabilidade econômica, isto é, Valor Presente
Líquido, payback simples e descontado e taxa interna de retorno.
O projeto piloto será composto de uma etapa de pré-tratamento, com uma peneira auto-limpante, confeccionada em
aço inoxidável com abertura de malha de 2mm. Após o pré-tratamento, o efluente passará por um sistema de AnMBR
composto por um tanque com volume útil de 40L, dotado de uma membrana de poliamida de ultrafiltração que, de
acordo com o fabricante, o diâmetro externo de cada fibra oca pode variar entre 0,9 e 1 mm, e o tamanho médio dos
poros da superfície externa das fibras será 0,05 μm, que suporta uma condição de operação com pressão de até 5 bar,
temperatura máxima de 55°C e faixa de pH entre 2 e 13. Para realizar a remoção de nutrientes do efluente,
anteriormente à entrada do mesmo no tratamento quaternário, o sistema contará com uma etapa de MPBR composta
por um reator biológico com volume de 500L, dotado do mesmo tipo de membrana de poliamida de ultrafiltração
utilizado no AnMBR. Por fim, para a realização do tratamento quaternário, duas alternativas serão testadas: a utilização
de osmose reversa e a utilização da deionização capacitiva (CDI). A membrana de osmose reversa será fabricada com
módulo de membrana instalado verticalmente, tendo como referência a membrana GE Water and Process
Technologies (Minnetonka, MN, EUA), dotada de uma camada ativa de poliamida em um suporte de ultrafiltração de
polisulfona e possui as seguintes características: Modelo de membrana = série SC (RO); Rejeição nominal de sal,% =
98,9; Área de superfície efetiva (m²) = 0,5; Permeabilidade, (L.h−1.m−2.bar−1) = 1,4 ± 0,2; Composição química
poliamida aromática TFC / polissulfona; Natureza da superfície = Hidrofílica; Pressão máxima (bar) = 40; Temperatura
máxima (° C) = 90; intervalo de pH = 1 a 11; Material do espaçador = Polimérico. A pressão de operação desejada
sobre a membrana e a taxa de fluxo de alimentação para o módulo serão ajustadas atuando nas válvulas de
regulagem, com uma precisão de 0,5 bar e 1 L.h-1, respectivamente. Por outro lado, o modelo de CDI consistirá de
uma única célula com uma área de superfície total do eletrodo de 0,7 m2. O sistema foi dimensionado para operar com
vazões variando de 300 a 400 mL / min. Os ciclos de purificação geralmente variam de 120 a 600 s, enquanto os ciclos
de recarga estão entre 90 e 120 s. Uma sonda de condutividade será usada para monitorar a corrente tratada e, em
combinação com um CLP, é usada para controlar a operação do sistema. Os critérios de condutividade são usados
para definir o nível desejado de tratamento e recuperação de água. Assim, o sistema pode ser configurado para uma
ampla variedade de fluxos de água e critérios de tratamento. Os rejeitos concentrados dos processos de deionização
capacitiva e da osmose reversa serão reinseridos no sistema de digestão anaeróbia, principalmente para potencializar
a produção de biogás, mas também para permitir a máxima recuperação de nutrientes no sistema.
Como resultados esperados e impactos na sociedade do projeto a ser desenvolvido na ArcelorMittal Tubarão, têm-se:
maximização dos recursos hídricos disponíveis dentro dos processos desenvolvidos nas instalações industriais, além
de promover uma diminuição do impacto ambiental e uma maior eficiência energética; desenvolvimento de um modelo
de tratamento à nível quaternário para a produção de água de reuso; desenvolvimento de tecnologia de tratamento de
esgoto sanitário eficiente energeticamente; desenvolvimento de uma alternativa de tratamento que permita a
recuperação de nutrientes e de biogás; desenvolvimento de uma solução tecnológica otimizada visando minimizar os
impactos ambientais em relação à produção de água de reuso e; desenvolvimento de uma tecnologia viável
economicamente, que atenda os parâmetros de reuso industrial.
Data de início: 2018-09-01
Prazo (meses): 60
Participantes:
Papel |
Nome |
|---|---|
| Aluno Doutorado | Rodolfo dos Santos de Agostini |
| Aluno Doutorado | LUDIMILA ZOTELE AZEREDO |
| Aluno Mestrado | Constansa Valadares Tripoli |
| Colaborador | TATIANA IZATO ASSIS |
| Coordenador | Ricardo Franci Gonçalves |
