De acordo com um estudo da Agência Alemã do Ambiente, as estações de tratamento de águas residuais são responsáveis por cerca de 1% do consumo total de eletricidade na Alemanha. O que inicialmente parece ser uma percentagem muito pequena, no entanto, oferece um potencial de economia altamente atrativo do ponto de vista das entidades exploradoras individuais de estações de tratamento de águas residuais. Um exemplo típico do potencial de poupança nas estações de tratamento de águas residuais é a aeração dos tanques. Por exemplo, as tecnologias de sobrepressores de última geração e a tecnologia de comando orientada para a necessidade podem otimizar energeticamente o processo de aeração de tanques, que consome muita energia, e aumentar significativamente a eficiência económica de um tanque de tratamento com comparativamente pouco esforço.
Este ponto de partida é particularmente interessante para as cidades e os municípios. Um olhar sobre as necessidades energéticas das entidades exploradoras de tanques de tratamento de águas residuais municipais mostra que as estações de tratamento de águas residuais das cidades e municípios representam uma parte considerável (cerca de 20%) do consumo total de eletricidade. O tratamento da água desempenha assim um papel crucial quando comparado com escolas, hospitais, sistemas de abastecimento de água ou outros consumidores de energia municipais e urbanos.
No entanto, o potencial de poupança de energia das estações de tratamento de águas residuais é frequentemente subestimado. Muitas estações de tratamento de águas residuais ainda hoje funcionam com sistemas de aeração não regulamentados e ineficientes, que são responsáveis por uma grande parte do consumo total de eletricidade. No entanto, do ponto de vista atual, a aeração não regulamentado e não orientado para a necessidade nas estações de tratamento de águas residuais está tecnicamente ultrapassada. Há vários anos que estão disponíveis no mercado sistemas altamente eficientes, tais como turbos, sobrepressores rotativos e compressores rotativos. Estes não só oferecem uma maior eficiência por si só e podem funcionar numa vasta gama de cargas parciais, como também podem funcionar em conjunto para uma eficiência global ideal. Isto torna possível responder de forma ótima às alterações de carga no perfil de procura de um tanque e reduzir de forma sustentável os custos de energia.
No nosso guia, não só discutiremos a importância da tecnologia de aeração para a eficiência económica das estações de tratamento de águas residuais, como também apontaremos o potencial das tecnologias de sobrepressores orientadas pela necessidade. Além disso, mostraremos como as entidades exploradoras de tanques de tratamento de águas residuais podem otimizar os seus tanques de aeração, desde a análise inicial até ao comando de interbloqueio.
A importância da tecnologia de aeração para a eficiência económica dos tanques de tratamento de águas residuais
Todos os anos, as estações de tratamento de águas residuais consomem uma quantidade gigantesca de eletricidade, cerca de 4400 gigawatts-hora (GWh) de energia elétrica. Este valor é aproximadamente igual à produção anual de uma central elétrica a carvão moderna e equivale a uma produção anual de CO2 de cerca de 3 milhões de toneladas. Assim, o aumento da eficiência energética das estações de tratamento de águas residuais beneficia não só as entidades exploradoras - frequentemente a cidade ou o município - mas também o ambiente.
Quando se trata de tornar os processos nas estações de tratamento de águas residuais mais eficientes em termos energéticos, a aeração é o principal foco de consideração. Em muitos casos, a necessidade de energia dos sobrepressores instalados no tanque de aeração ascende a 60 a 80% da necessidade total. Mas qual é a importância real da tecnologia de aeração para as estações de tratamento de águas residuais?
Os tanques de aeração constituem a principal fase de limpeza das estações de tratamento de águas residuais. Utilizam sistemas de aeração que introduzem oxigénio do ar no tanque para promover o crescimento de microrganismos aeróbicos. Estes microrganismos decompõem os poluentes orgânicos e formam lamas ativadas que absorvem os poluentes. Estas lamas ativadas são depois separadas das águas residuais tratadas em tanques de tratamento secundário e devolvidas ao tanque de lamas ativadas ou utilizadas como lamas de depuração. Além disso, o oxigénio introduzido é responsável pela oxidação do azoto amoniacal presente nas águas residuais em nitrato, preparando-o assim para ser removido pelos microrganismos.
O consumo de energia das estações de tratamento de águas residuais é normalmente expresso em quilowatts-hora por ano por EP, em que EP significa equivalente de população. Normalmente, este valor diminui à medida que a dimensão da estação de tratamento de águas residuais aumenta, uma vez que podem ser exploradas economias de escala. A Agência Alemã do Ambiente fornece ordens de grandeza para o consumo de eletricidade das estações de tratamento de águas residuais que podem ser utilizadas para fins de orientação:
| EQUIVALENTE DE POPULAÇÝO | CONSUMO DE POTÊNCIA ESPECÍFICO | |
|---|---|---|
| Classe de tamanho 1 | < 1.000 | 75 kWh/(EW x a) |
| Classe de tamanho 2 | 1.000 - 5.000 | 55 kWh/(EW x a) |
| Classe de tamanho 3 | 5.000 - 10.000 | 44 kWh/(EW x a) |
| Classe de tamanho 4 | 10.000 - 100.000 | 35 kWh/(EW x a) |
| Classe de tamanho 5 | > 100.000 | 32 kWh/(EW x a) |
É interessante notar que, apesar das suas menores necessidades específicas de energia, as estações de tratamento de águas residuais das classes de tamanho 4 e 5 são responsáveis por cerca de 87% do consumo total de eletricidade. As estações de tratamento de águas residuais desta dimensão representam apenas cerca de 22% das cerca de 10.000 estações de tratamento de águas residuais, mas são responsáveis por mais de 90% dos equivalentes de população.
Numa estação de tratamento de águas residuais típica, o tratamento biológico e o tratamento secundário constituem a maior parte das necessidades energéticas. No entanto, outras etapas do processo também requerem energia elétrica:
- Limpeza biológica e tratamento secundário 67%
- Tratamento de lamas 11%
- Filtragem da floculação 8%
- Infraestruturas e outros consumidores 6%
- Sistemas de bombagem de águas residuais 5%
- Etapa de limpeza mecânica 3%
Por esta razão, a otimização energética do tratamento de águas residuais centra-se principalmente na fase de tratamento biológico. Uma análise abrangente de 85 estações de tratamento de águas residuais na Renânia do Norte-Vestefália mostrou que as medidas de otimização no tanque de aeração eram particularmente eficazes: gerando cerca de duas vezes mais poupanças do que as medidas tomadas noutros domínios.
Existem múltiplas possibilidades para otimizar técnica e energeticamente a fase de limpeza biológica. Estas vão desde a substituição do sistema de sobrepressores até à melhoria orientada da gestão operacional e à prevenção de perdas de pressão, passando por investimentos em tecnologia de bombas altamente eficientes com baixa suscetibilidade a entupimentos.
Carga base, carga de pico e carga reduzida - fornecimento quando necessário com tecnologia de ventilação moderna.
Os tanques de aeração das estações de tratamento de águas residuais municipais e industriais caraterizam-se, em grande medida, por um perfil de carga flutuante. As quantidades flutuantes de águas residuais ao longo do dia, a alteração dos níveis de precipitação, os efeitos sazonais e os diferentes graus de poluição nas águas residuais resultam num perfil de procura flutuante, que pode, por vezes, apresentar alterações súbitas de carga. Além disso, devem ser tidas em conta as diferenças de temperatura sazonais, que também têm influência na quantidade necessária de oxigénio atmosférico no tanque de lamas ativadas.
Os conceitos modernos para a aeração de tanques de lamas ativadas visam, portanto, responder ao perfil de procura flutuante de uma estação de tratamento de águas residuais com a tecnologia de aeração mais eficiente para cada caso individual. As vantagens dos turbos, dos sobrepressores de êmbolo rotativo e dos compressores de êmbolo rotativo podem, assim, ser utilizadas de forma direcionada para operar o sistema de ventilação em pontos de operação eficientes, tanto na necessidade de carga de base como na necessidade de pico e de carga baixa.
Enquanto o turbo, por exemplo, tem uma excelente eficiência em termos de conceção, a máquina de deslocamento positivo pode ser utilizada numa vasta gama de cargas parciais com boas eficiências. Utilizando as vantagens de ambas as tecnologias, é criado um conceito de aeração que pode ser adaptado de forma ideal aos requisitos individuais da estação de tratamento de águas residuais e que representa a melhor solução possível para o cliente.
Por este motivo, a AERZEN desenvolveu um conceito composto que permite um fornecimento de oxigénio personalizado e altamente eficiente em qualquer altura. A gama de três produtos, também conhecida pelo nome apelativo de "Performance³", permite às entidades exploradoras de estações de tratamento de águas residuais combinar a melhor eficiência possível com a máxima segurança operacional, fiabilidade e economia.
As três séries foram especialmente concebidas para o fornecimento de cargas base, de pico e baixas, de acordo com a necessidade. As séries de turbos AT e TB caraterizam-se por uma eficiência excecional em termos de design e são, por isso, utilizadas principalmente para a gama de cargas base. Para gerar cargas de pico e baixas, a AERZEN utiliza os sobrepressores de êmbolo rotativo ajustáveis da série Delta Blower e os compressores de êmbolo rotativo do tipo Delta Hybrid.
| Tecnologia | Série | Caudal | Faixa de pressão | Faixa de controlo | Turbo | AT e TB | 300 - 16.200 m³/h | 400 - 1.000 mbar | 40 - 100% Sobrepressor de êmbolo positivo | Delta Blower | 30 - 15.000 m³/h | -500 - 1.000 mbar | 25 - 100% Compressor de êmbolo rotativo | Delta Hybrid | 110 - 9.000 m³/h | -900 - 1.500 mbar | 25 - 100% |
|---|
Evoluir para um tanque de tratamento de águas residuais eficiente, passo a passo
Para que seja possível avaliar o potencial de melhoria energética da tecnologia de aeração em tanques de tratamento de águas residuais numa base sólida, é necessário, em primeiro lugar, efetuar uma análise detalhada da tecnologia de aeração existente, bem como do perfil de carga. Medições e análises exaustivas permitem identificar e quantificar o potencial das medidas de modernização energética. Com o inovador serviço AERaudit da AERZEN, é possível otimizar a utilização e a eficiência das estações de sobrepressores de uma forma orientada.
Após esta fase de análise, o conceito de ventilação é implementado com a ajuda de um comando de nível superior. Sistemas como o inovador comando de máquinas AERsmart da AERZEN são capazes de distribuir volumes de ar entre as tecnologias e as suas eficiências individuais de uma forma ideal, aumentando assim de forma sustentável a eficiência da instalação e aproximando-a do seu ideal teórico. Com a simples otimização do comando, é possível obter um potencial de poupança considerável de até 15%. Para além da série Performance³ proprietária, também podem ser controlados produtos de terceiros.
A funcionalidade única do comando de interbloqueio AERsmart é a sua capacidade de distribuir a procura de oxigénio necessária à máquina em qualquer momento, de modo a que cada ponto de carga possa ser acionado no ponto de operação mais eficiente. O controlador utiliza os respetivos mapas caraterísticos e eficiências dos sobrepressores e seleciona a combinação de tecnologias de sobrepressores que é ideal para o ponto de operação atual.
Tratamento de águas residuais que economiza recursos, usando Holzkirchen como exemplo.
O exemplo da estação de tratamento de águas residuais de Holzkirchen demonstra de forma impressionante como o tratamento exaustivo das águas residuais também pode ser efetuado de forma ecológica e conservando os recursos. A estação de tratamento de águas residuais perto de Munique é responsável por cerca de 50.000 EP e consome cerca de 500.000 kWh de eletricidade por ano. Ao integrar o sistema de comando integrado AERsmart, a estação de tratamento de águas residuais de Holzkirchen conseguiu utilizar de forma ideal as vantagens das várias tecnologias de sobrepressor. Resultado: uma poupança de energia de cerca de 10% e uma redução das necessidades anuais de eletricidade de cerca de 50.000 kWh.
