Impulsionando a eficiência energética em processos de aeração de águas residuais

Impulsionando a eficiência energética em processos de aeração de águas residuais

O tratamento de água e esgoto é responsável por cerca de 2-3% do consumo de eletricidade nos países desenvolvidos, o que equivale a aproximadamente 60 terawatts-hora (tWh) anualmente. No setor de saneamento municipal, a parcela mais significativa do uso de energia ocorre na fase de tratamento biológico, normalmente variando de 50% a 60% do consumo total de uma planta.

Para contextualizar, cerca de 30% a 40% do consumo de energia numa cidade média é atribuído a operações de tratamento de águas e esgotos, sendo a aeração – a introdução de ar para promover o crescimento microbiano – responsável por até 25% deste valor.

A aeração certamente desempenha um papel crucial no processo de tratamento secundário para o saneamento municipal e industrial. Na verdade, se você não fizer a aeração da matéria orgânica que entra na planta, o processo de tratamento falhará. Mas isso coloca um fardo pesado no fornecimento de eletricidade da usina, consumindo mais da metade de toda a eletricidade que utiliza.

As estatísticas são ainda mais alarmantes sabendo que as instalações de tratamento de águas residuais raramente funcionam na sua capacidade total prevista. Na verdade, eles funcionam, em média, com apenas um terço do seu potencial. Há claramente espaço para melhorias.

Mas a boa notícia é que os arejadores podem tornar-se muito mais eficientes com a tecnologia atual. Tudo começa com o emparelhamento dos motores utilizados para acionar bombas, compressores e sopradores com inversores de velocidade variável (VSDs), também conhecidos como inversores de frequência variável (VFDs) ou, simplesmente, drives ou inversores.

Em busca da precisão na aeração de águas residuais

Mas antes de discutirmos o papel crucial dos drives, vamos explorar os desafios da aeração com mais detalhes.

Como sabemos, a aeração no tratamento de água e esgoto envolve a introdução de ar nas águas residuais para estimular o crescimento de microrganismos aeróbicos, auxiliando na decomposição da matéria orgânica e melhorando a qualidade geral da água. Este processo aumenta os níveis de oxigênio, facilita a degradação biológica e é um passo crucial para alcançar uma purificação eficaz de águas residuais.

Para realizar a aeração de forma eficiente, é necessário atingir a faixa ideal de oxigênio dissolvido nas águas residuais. Muito oxigênio dissolvido é um desperdício de energia e não tornará o processo de digestão aeróbica mais eficaz.

Na verdade, quando as plantas fazem aeração de forma excessiva em suas bacias, os micróbios recebem oxigênio em excesso e ficam cada vez maiores, havendo a necessidade de mais esgoto para se alimentarem. Não é eficiente. Da mesma forma, a falta de oxigênio também não é eficiente; as bactérias simplesmente não conseguem biodegradar a matéria orgânica recebida dentro de um tempo razoável.

O objetivo, portanto, é atingir e manter a faixa ideal de oxigênio dissolvido, o que particularmente é difícil quando há tantos fatores em jogo.

Problemas compostos com aeração de águas residuais

Muitas coisas podem perturbar os processos de aeração de uma planta. Estes incluem a variação contínua e descontrolada no volume das cargas recebidas; variação diurna devido à atividade populacional; mudanças sazonais, como chuvas fortes; e cargas industriais. Essas flutuações tornam extremamente difícil otimizar equipamentos e controle de processos e podem levar a grandes problemas para as fábricas, que podem durar desde horas até meses.

Quando confrontados com estas oscilações contínuas e descontroladas, os operadores podem muitas vezes recorrer ao sobredimensionamento do equipamento. Mas quanto maior for o maquinário, mais caro será comprar e colocar em operação. Também vai ter muito barulho – já que ser maior é útil só de vez em quando – algo extremamente ineficiente. Uma solução mais inteligente seria otimizar máquinas de tamanho adequado para lidar com as demandas flutuantes.

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A solução começa com uma unidade

Existem vários designs diferentes de aeradores para o saneamento e tratamento de água, que desempenham a função comum de criar um maior contato entre o ar e a água. Todos contêm inversores elétricos e motores para alimentar as bombas, aerador mecânico e sopradores de ar utilizados no processo de aeração.

Equipamentos sem inversor geralmente operam bombas, compressores e sopradores em velocidade máxima, mesmo quando a demanda é menor. Um pouco como pressionar o acelerador quando o pé está no freio, é um desperdício de energia e sobrecarrega desnecessariamente o equipamento. É aqui que os inversores de frequência podem mudar o jogo.

Um drive é um dispositivo que controla a velocidade e o torque de um motor elétrico variando a frequência e a tensão da energia fornecida a ele. Ele consegue isso convertendo energia CA de frequência fixa em energia CA de frequência variável usando eletrônica de potência. Isto permite um controle eficiente e preciso do motor, permitindo que o motor opere em diferentes velocidades para atender às necessidades específicas do processo de tratamento.

A capacidade de ajustar a velocidade de um motor de acordo com a demanda em tempo real é particularmente importante para a aeração de águas residuais, que, como vimos, exige que os operadores alcancem e mantenham os níveis ideais de oxigênio dissolvido, apesar de uma série de oscilações.

Enfrentando o mesmo desafio, os inversores garantem que as bombas de ar e os compressores funcionem em um ritmo mais eficiente para corresponder à vazão necessária e, juntamente com as sondas de oxigênio dissolvido, mantêm níveis precisos de oxigênio nas bacias de aeração, independentemente de fatores externos.

Estudo de caso: as armadilhas de uma abordagem liga/desliga tradicional

Aqui está um exemplo real do dia-a-dia. A estratégia de controle de aeração para um aerador de superfície em uma determinada estação de tratamento de água era daquelas bem tradicionais. Ou seja, uma combinação de sonda de oxigênio dissolvido e transmissor que mediu a quantidade de oxigênio na bacia e devolveu esses dados ao controlador. O controlador então compararia isso com a faixa ideal de oxigênio dissolvido e ligaria ou desligaria o motor online direto, dependendo dos níveis.

Não funcionou. Os dados revelaram que esta abordagem de controle liga/desliga era em grande parte incapaz de manter o nível desejado de oxigênio dissolvido e, na maioria das vezes, havia altos níveis de corrente de partida.

A fábrica optou por instalar o inversor hidráulico ABB ACQ580 para os motores para proporcionar maior flexibilidade na transferência de oxigênio, juntamente com um novo sistema de controle para melhorar a resposta do sistema à demanda de oxigênio. Isso mais do que resolveu o problema.

Resultados notáveis

A flexibilidade de um inversor em comparação com inversores de velocidade fixa resulta em consumo de energia otimizado, maior eficiência e controle preciso sobre os níveis de aeração, melhorando, em última análise, o desempenho geral do processo de tratamento de aeração.

A economia de energia é significativa. Por exemplo, vimos que o processo de aeração normalmente requer mais da metade da eletricidade consumida numa instalação típica de tratamento de esgoto. A economia de energia obtida com o uso de inversores pode chegar a 50% do custo da eletricidade.

A introdução de inversores no controle de aeração também reduz os custos com peças e manutenção, eliminando a necessidade de válvulas de controle, que são componentes de alta manutenção. Operar sopradores em pressões mais baixas também reduz o estresse e as vibrações nos componentes mecânicos do sistema.

Velocidades mais baixas do ventilador resultam em menor poluição sonora ambiental, o que é particularmente vital para aplicações que funcionam 24 horas por dia em áreas densamente povoadas.

Um passo importante para uma indústria sustentável

Com resultados como estes, não é de admirar que a indústria da água utilize agora amplamente VSDs para lidar com a aeração e muitos outros processos essenciais de tratamento e distribuição de água.

Por fim, atingir o net zero é um objetivo fundamental para a indústria da água e saneamento e a adoção de inversores de frequência na aeração é uma forma poderosa de ajudar o setor a alcançar um futuro mais sustentável e com eficiência energética.

Saiba mais sobre inversores de frequência ​​para o setor de água, aqui

Sobre o autor: James Chalmers

James Chalmers, Vice President, Global Water and Wastewater Sales, ABB Drives
James Chalmers, Vice President, Global Water and Wastewater Sales, ABB Drives
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James ingressou na ABB em 2005. Atualmente trabalha como Vice President for global water and wastewater sales na ABB Drives. Ele possui mais de 20 anos de experiência em gerenciamento de vendas, usando conhecimento para desenvolver e gerenciar novas oportunidades de negócios em todo o mundo. Ele lidera uma equipe multidisciplinar em pesquisa & desenvolvimento, operações e gerenciamento de produtos. Ele está alavancando o sucesso no desenvolvimento de novos mercados e na diversificação de produtos e serviços no cenário global de saneamento & tratamento de águas.

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