Curso de Engenharia AmbientalDisciplina de Trabalho de Graduação - 2013

Apresentação da aluna LUCIANE CAMILLO DE OLIVEIRA, para a disciplina Trabalho de Graduação, ministrada pelo Prof. Luiz Marcio Poiani e pela Profa. Adriana Cristiane Ruy.

Eficiência de Lagoa Aerada Tratando Efluentes Industriais:

Redução do Consumo de Energia Elétrica por Implantação de Inversor

de Frequência e Controle de Oxigênio Dissolvido

Banca Examinadora: TÂNIA LEME DE ALMEIDA TIAGO ALMEIDA SILVA ADRIANA CRISTIANE RUY

Eficiência de Lagoa Aerada Tratando Efluentes Industriais:

Redução do Consumo de Energia Elétrica por Implantação de Inversor

de Frequência e Controle de Oxigênio Dissolvido

Curso de Engenharia AmbientalDisciplina de Trabalho de Graduação - 2013

Sumário1. INTRODUÇÃO2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

1. A energia no Brasil e no Mundo2. Tratamento de Efluentes na Indústria3. Lagoa/Tanque de Aeração Prolongada4. Inversores de Frequência5. Consumo de Energia Elétrica nos Aeradores X Inversores

3. MATERIAIS E MÉTODOS1. Concepção do Experimento 2. Caracterizando a Lagoa/Tanque Reator3. Equipamentos4. Diagrama de Blocos

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO1. Instalação dos Equipamentos 2. Funcionamento do Conjunto Aeradores – CLP – Inversor – Controlador de O.D3. Resultados Observados

5. CONCLUSÕES E SUGESTÕES6. REFERÊNCIAS

Introdução

A eficiência energética e a utilização consciente da água, permeiam atualmente as grandes discussões a respeito do desenvolvimento sustentável.

Fazendo uma analogia entre o cenário atual do consumo de energia, de água e do tratamento de efluentes industrias no Brasil. Esse trabalho apresenta uma proposta de redução de consumo de energia elétrica nos aeradores da lagoa, mantendo a eficiência do tratamento biológico por aeração prolongada e lodos ativados, utilizando inversor de frequência, leitor de oxigênio dissolvido e controlador lógico programável.

Introdução•A energia e o

desenvolvimento humano.

•A indústria e o tratamento de efluentes Industriais.

•O alto consumo e custo de energia elétrica dos sistemas de tratamento de efluentes aeradores mecanicamente.

Figura 1.1 – Lagoa Aerada ou Tanque de Aeração (OLIVEIRA, 2013)

Revisão Bibliográfica

A energia no Brasil e no mundo

Gráfico Final Energético por Setor (Mtep) de 2006 e 2007 (MME, 2008 apud ANEEL, 2008g)

Figura 2.2– Consumo de energia elétrica per capita em 2007 (BP 2008 apud ANEEL, 2008d)

Revisão Bibliográfica

Tratamento de Efluentes na Indústria

• A água na natureza

• Alteração na qualidade de água

• Despejos ou Efluentes Industrias

• Sistemas de Tratamento de Efluentes

• Tratamentos Biológicos

• Parâmetros de Operação de Acordo com a Legislação Vigente.

Revisão BibliográficaLagoa/Tanque de Aeração Prolongada

• Oxigênio Dissolvido• Concentração de Lodo• Aeradores Mecanizados

Figura 2.10 – Fluxograma do Sistema de Aeração Prolongada (CAVALCANTI, 2009p)

Figura 2.13 - Detalhe de aeradores tipo cone e turbina (MENDONÇA, 1990 apud SALVADOR, 2010b).

Revisão BibliográficaInversores de Frequência

O inversor de frequência tornou-se uma das principais peças disponíveis para a otimização do uso de energia elétrica sem afetar os processos de produção.

Sabendo-se que na maioria dos projetos que utilizam sistemas elétricos, as estruturas apresentam-se superdimensionadas em relação à demanda real do processo, onde a justificativa apresentada, em alguns casos, é a necessidade de se primar por uma margem de segurança. Obviamente, há um gasto desnecessário com equipamentos que muitas vezes jamais serão utilizados em sua plenitude, sem falar do desperdício de energia com o pleno funcionamento dos mesmos (EUROPUMP AND HYDRAULIC INSTITUTE, 2004; GAMBICA, 2007 apud RODRIGUES, 2007b).

Revisão BibliográficaConsumo de Energia Elétrica nos aeradores x

Inversores

O custo de energia para a manutenção dos aeradores possui alto investimento tanto financeiro, quanto em demanda energética nacional..

Alternativas já impostas a ETE’s visando economia de energia:

• Interrupção da energia nos horários de ponta

• Utilização do Inversor com CLP, ainda sem o controlador de OD

Materiais e Métodos

Concepção do Experimento

O projeto experimental foi montado na ETE da Empresa Werner Fábrica de Tecidos, cito à Rua Bingen, 1737 – Bingen, Petrópolis no Rio de Janeiro. Num trabalho conjunto da gerência da manutenção por ocasião do estágio obrigatório.

A ETE constando de lagoa aerada seguida de decantação propiciou condições adequadas à instalação do

sistema, proporcionando a observação in locuo dos resultados.

Materiais e Métodos

Pesquisa:* Projeto Original* Plantas

Avaliação das condições e parâmetros de eficiência da Lagoa

Materiais e Métodos

Vazão 120,00 m3/h

DBO5 Afluente 80,00 mg DBO/L

Sólidos Suspensos no Reator 2,50 Kg MS/m3

Carga Orgânica Total 230,40 Kg DBO/dia

Volume no Reator 1.800,00 m3

Oxigênio Necessário 5,42 Kg O2/Kg DBO

Oxigênio a Manter no Reator 2,00 ml/L

Oxigênio a Fornecer ao Reator 1.248,05 Kg O2/dia

Tempo de Aeração (Tempo de Detenção) 15,00 horas

Taxa de Transferência do Aerador 1,80 Kg O2/KWh

Vazão da Recirculação 120.00 m3/h

Excesso de Lodo 0,50 g MS/g DBO

Produção de Lodo 06 Kg MS/m3.dia

Lodo Excedente 114,97 Kg MS/dia

Vazão de Descarte 11,50 m3/dia

Relação Lodo/Afluente 0,40 %

Idade do Lodo 39,15 dias

Potência Instalada antes do Inversor 68 CV

Profundidade 3,5 m

Fonte: (PROECO, 1982 apud WERNER 2013b)

Caracterizando a Lagoa/Tanque Reator

Materiais e Métodos

Equipamentos:

• Aeradores

Aeradores superficiais, de eixo vertical, alta rotação e flutuantes

Figura 3.1 – Aerador Instalado na Lagoa (OLIVEIRA, 2013)

Materiais e Métodos

Equipamentos:

• Inversor de Frequência

O modelo utilizado na implantação, um Micromaster 440 Siemens ilustrado na Figura 3.2, tem a finalidade de substituir o sistema estrela/triângulo no intuito de suavizar a partida e controlar a velocidade nominal dos aeradores

Figura 3.2 – Inversor de Frequência Siemens Micromaster 440 (WERNER, 2013a)

Materiais e Métodos

Equipamentos:

• CLP

O CLP adquirido do fabricante Altus modelo FBS24MAR ilustrado na Figura 3.3, tem por finalidade realizar o acionamento escalonado dos motores elétricos (aeradores), em substituição a antiga lógica de comando da lagoa de aeração.

Figura 3.3 – Controlador Lógico Programável (WERNER, 2013b)

Figura 3.4 – Programação WinProladder parte 01 (ALVES, 2013 apud WERNER, 2013c)

Programação utilizada no experimento (Figura 3.4)

Materiais e MétodosEquipamentos:

• Leitor de O.D

Com a função de manter o nível de O.D adequado a mistura líquida da lagoa, o leitor envia para o inversor a partir de sinal analógico de 4 a 20 mA devidamente programado no equipamento por uma memória calibrada controlada pelo set-point enviando este sinal ligado ao analógico do inversor, mantendo a velocidade necessária à eficiência química do processo.

O leitor de O.D Digimed, implantado para funcionamento do projeto citado é composto por dois equipamentos:

Materiais e Métodos

Equipamentos:

1. Analisador de O.D (TO-401 Figura 3.7)

Figura 3.7 – Leitor de O.D (DIGIMED, 2013b)

Materiais e MétodosEquipamentos:

2. Sonda (THO-11 Figura 3.6)

As sondas de imersão para Oxigênio Dissolvido para aplicação industrial consistem tipicamente em um suporte adequado, cuja finalidade é fixar e proteger a célula industrial de Oxigênio Dissolvido modelo: DMCO2 e suas respectivas conexões.

Figura 3.6 – Sonda (DIGIMED, 2013a)

Materiais e Métodos

Figura 3.8 – Diagrama de Blocos do Projeto (WERNER, 2013e)

Diagrama de Blocos da Ordem de Controle do Sistema

Resultados e Discussões

Instalação dos Equipamentos

Cálculo da Potência dos Aeradores

Controle da Velocidade dos Aeradores a partir de Leitor de O.D

Resultados e Discussões

Instalação dos equipamentos

• Testes com o inversor

• Montagem dos quadros elétricos

• Funcionamento do conjunto Aeradores-CLP-Inversor-Controlador de O.D

Figura 4.1 – Registro da Instalação do Inversor de Testes (WERNER, 2013f)

Figura 4.2 – Quadro Elétrico 1 (WERNER, 2013g) Figura 4.3 – Quadro Elétrico 2 (WERNER, 2013h)

Figura 4.4 – Comando de Controle dos Aeradores ETE_Motores (ALVES, 2013 apud WERNER 2013i)

Resultados e Discussões

Figura 4.7 – Lagoa Aerada (WERNER, 2013l)

Procedimento de Cálculo para a Quantidade de Aeradores

Resultados e DiscussõesProcedimento de Cálculo para a Quantidade de

Aeradores

P= potencia requerida no processoO2= oxigênio a fornecer ao reatorN = Taxa de transf. de oxigênio dos aeradores. O2=1.248,05 Kg O2/dia = 52,002 Kg O2/hVolume da Lagoa = Q x t = 1.800m3 x 0,625 dias = 1.125m3

P’ = 10(w/m3) x Vol = 10 x 1,125 = 11,250 Kw Adotando-se o maior dos valores e como P>P’, Toma-se P = 28,89 Kw.Sendo 1CV = 0,74 Kw, P = 39,04 CV

Resultados e DiscussõesControle da Velocidade dos Aeradores a partir do

Leitor de O.D

Resultados e Discussões

Figura 4.8 – Gráfico da Redução de Consumo de Energia Elétrica (WERNER, 2013m)

Consumo/mensal (Kwh)0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

90008424

453660 Hz s/Inversor50 Hz c/Inversor

Conclusões

A análise in locuo do projeto de redução de consumo de energia elétrica, a partir de leitor de O.D e inversor de frequência instalados na lagoa aerada do sistema de tratamento biológico de efluentes, concluiu ser possível:

A Mitigação de Impacto Ambiental pela melhoria na qualidade da água lançada no curso d’ água;

A Redução de 46,22 % do consumo de energia elétrica dos motores de aeração.

A contribuição para a redução de demanda na matriz energética do governo federal através do plano de eficiência energética.

Sugestões

Em virtude das considerações acima é recomendável que se amplie a pesquisa, realizando testes de eficiência da lagoa, a partir de análises laboratoriais de cada parâmetro individualmente, a fim de estabelecer padrões ainda mais excelentes de redução do consumo de energia elétrica dos aeradores implantados.

Referências Bibliográficas1. BRANCO, A M.B. Energia no Brasil e no mundo. In:

GOLDEMBERG, J. (Org.). Política energética e crise de desenvolvimento: a antevisão de Catullo Branco. São Paulo: Paz e Terra, 2002.

2. SILVA. T.A. Economia de energia elétrica com a utilização de inversores no sistema de umidificação da retorção da Werner Fábrica de Tecidos. SENAI, Rio de Janeiro, 2012.

3. AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELETRICA (Brasil), Atlas de energia elétrica do Brasil: ANEEL, 2008. 236 p.: il. Parte 1 – Energia no Brasil e no mundo. Disponível em <http://www .aneel.gov.br/visualizar_texto.cfm?idtxt=1689> Acesso em 11 abril 2013.

4. BRAGA, B.; et al. Introdução à engenharia ambiental. 2.ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2005.

5. CAVALCANTI, J.E.W. A. Manual de tratamento de efluentes industriais. 2. ed. São Paulo, 2009.

6. WERNER, Projeto Estação de Tratamento, Tanque de Aeração. PROECO, 1982.

7. WERNER, Acervo Particular. 2013

Referências Bibliográficas7. WERNER, Acervo Particular. 2013 8. SALVADOR, Nemésio Neves Batista. Alternativas de

Tratamentos de Esgotos Sanitários. São Carlos, 2011.9. DIGIMED. Manual de instruções analisador de oxigenio

dissolvido. 10. ALTUS. Manual de instruções controlador logico programável.11. RODRIGUES, W. Critérios para o Uso Efieciente de Inversores

de Frequência em Sistemas de Bombeamento de água. Tese de Doutorado – UNICAMP, São Paulo, 2007. Disponível em: <http://www.bibliotecadigital.unicamp.br/document/?code=vtls0 00419830>. Acesso em: 17 maio 2013.

12. RODRIGUES, W. Critérios para o Uso Efieciente de Inversores de Frequência em Sistemas de Bombeamento de água. Tese de Doutorado – UNICAMP, São Paulo, 2007. Disponível em: <http://www.bibliotecadigital.unicamp.br/document/?code=vtls0 00419830>. Acesso em: 17 maio 2013.

13. PESTANA, M; GANGHIS, D. Tratamento de Efluentes. CEFET, Bahia, 2010. Disponível em: < http://www.ebah com.br /content/ABAAABNckAI/apostila-tratamento-efluentes> Acesso em: 10 maio 2013.