PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO
CURSO DE ENGENHARIA AMBIENTAL
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
ANÁLISE COMPARATIVA DE APROVEITAMENTOS E PERDAS
DE ÁGUA DOS SISTEMAS DE TRATAMENTO IMPLANTADOS
EM UMA UNIDADE DE FABRICAÇÃO E ENVASE DE
REFRIGERANTES
AUTORA: KARINE VEIL DE SOUZA
ORIENTADOR: PROF. DR. DOUGLAS JOSÉ DA SILVA
BRASÍLIA - DF
2013
KARINE VEIL DE SOUZA
ANÁLISE COMPARATIVA DE APROVEITAMENTOS E PERDAS DE ÁGUA DOS
SISTEMAS DE TRATAMENTO IMPLANTADOS EM UMA UNIDADE DE
FABRICAÇÃO E ENVASE DE REFRIGERANTES
Artigo apresentado ao curso de graduação em
Engenharia Ambiental da Universidade
Católica de Brasília, como requisito parcial
para a obtenção de Título de Bacharel em
Engenharia Ambiental
Orientador: Dr. Douglas José da Silva
Brasília
2013
Artigo de autoria de Karine Veil de Souza intitulado “ANÁLISE COMPARATIVA DE
APROVEITAMENTOS E PERDAS DE ÁGUA DOS SISTEMAS DE TRATAMENTO
IMPLANTADOS EM UMA UNIDADE DE FABRICAÇÃO E ENVASE DE
REFRIGERANTES”, apresentado como requisito parcial para obtenção do grau de Bacharel
em Engenharia Ambiental da Universidade Católica de Brasília, em 21 de junho de 2013,
defendido e aprovado pela banca examinadora abaixo assinada:
__________________________________________________
Prof. Dr. Douglas José da Silva
Orientador
Curso de Engenharia Ambiental – UCB
__________________________________________________
Prof. MSc. Willem Wily de Paula Barbosa
Examinador
Curso de Engenharia Civil – UCB
Brasília
2013
Dedico este trabalho a toda minha família, que
foi a base para esta minha realização; às
minhas amigas e amigos que me
acompanharam durante a minha jornada na
universidade; e aos meus professores que, de
alguma forma, repassaram seus conhecimentos
e experiências, fornecendo oportunidade de
sermos ótimos profissionais.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus e a toda minha família que esteve sempre ao meu lado.
Em especial, agradeço ao meu pai, Mario Jorge, que sempre me incentivou, à minha mãe,
Maria de Nazaré, que sempre me ajudou, à minha avó, Zilma Ferreira, que sempre acreditou,
à minha irmã, Tatiana, que me orientou, e a sua família, que muito me alegrou.
Agradeço também à minha tia Elizabete e toda sua família, por terem feito parte desta etapa
da minha vida.
Agradeço às amizades que construí durante os anos de estudo na universidade.
Agradeço aos meus professores da Universidade Católica de Brasília, que me instruíram
durante esta caminhada.
Agradeço aos profissionais com quem tive oportunidade de trabalhar, os quais me
proporcionaram grandes aprendizados e experiências.
Agradeço à empresa Brasal Refrigerantes S.A., por tornar possível a realização deste trabalho.
ANÁLISE COMPARATIVA DE APROVEITAMENTOS E PERDAS DE ÁGUA DOS
SISTEMAS DE TRATAMENTO IMPLANTADOS EM UMA UNIDADE DE
FABRICAÇÃO E ENVASE DE REFRIGERANTES
KARINE VEIL DE SOUZA
RESUMO
Considerando que a água é um insumo esgotável no planeta, é preciso certa preocupação e
cautela quando da escolha dos métodos de tratamento de água adotados nas indústrias que têm
como base este elemento em seus processos produtivos. Além do atendimento aos parâmetros
de qualidade da água necessários para a fabricação dos produtos, é preciso que os sistemas
implantados minimizem o consumo deste recurso durante as etapas de seu tratamento. Nesse
contexto, o presente trabalho visa comparar os valores de aproveitamento e perdas de água
nos sistemas de tratamento de água de uma empresa de grande porte do ramo de bebidas
carbonatadas. O estudo de caso foi desenvolvido na planta de uma fábrica de refrigerantes, a
Brasal Refrigerantes S.A., Brasília/DF. O objetivo deste trabalho foi apresentar uma análise
comparativa dos resultados de consumo de água durante o seu tratamento entre os sistemas de
múltiplas barreiras, osmose reversa e ultrafiltração. Foram utilizados dados primários
fornecidos pela empresa e coletadas informações in loco. Com os resultados, evidenciou-se
que o sistema de múltiplas barreiras perde maior quantidade de água em comparação aos
sistemas de osmose reversa e ultrafiltração, em especial, devido à etapa do filtro de areia, que
contribui com 60% da perda total de água durante seus processos.
Palavras-chave: Aproveitamento de água. Perda de água. Sistemas de tratamento de água.
Fábrica de refrigerantes.
SUMÁRIO
RESUMO....................................................................................................................................6
1. INTRODUÇÃO......................................................................................................................8
2. MATERIAL E MÉTODOS..................................................................................................12
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO..........................................................................................14
4. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES............................................................................24
REFERÊNCIAS........................................................................................................................27
8
1. INTRODUÇÃO
No processo de fabricação de bebidas, a água é considerada uma matéria-prima
indispensável. É o ingrediente básico na composição de refrigerantes, correspondendo a 88%
do volume total da fabricação deste produto. Dentre os demais ingredientes, o açúcar
corresponde a 8-12% e outros aditivos, como conservantes, ácidos, antioxidantes, essências,
corantes e gás carbônico, correspondem a 1-2% do volume final (LIMA; AFONSO, 2009).
Devido à mistura com esses outros elementos, a água utilizada no processo produtivo não
pode contribuir com outras substâncias que possam alterar a aparência, a estabilidade e o
sabor do produto final.
Este insumo básico da produção de refrigerantes é obtido, na maioria das vezes, por
meio do abastecimento de água nas indústrias proveniente de uma rede regional, que deve
atender aos requisitos estabelecidos pelo Ministério da Saúde, indicados na Portaria nº 2.914,
de 12 de dezembro de 2011, que dispõe sobre a potabilidade da água para o consumo humano.
A indústria também pode ser abastecida por águas subterrâneas e/ou superficiais, mediante
outorga específica que fornece o direito de uso da fonte disponível. No entanto, a água
captada, ainda que tratada, apresenta variedades na concentração de parâmetros físicoquímico e microbiológico, não sendo considerada adequada para o uso direto no processo
produtivo.
O padrão de qualidade da água para uso no processo de fabricação de bebidas deve
atender ao padrão oficial de potabilidade da água destinada à produção de bebida, cujos
requisitos são estabelecidos no § 7, do Art. 13 do Decreto nº 6.871, de 4 de junho de 2009.
Além disso, as indústrias determinam seus próprios padrões, considerando o fato de que a
água utilizada como insumo não pode provocar a alteração do sabor, do aspecto ou da
consistência de seu produto final.
Para que possa ser utilizada no processo de fabricação, a água deve receber tratamento
eficiente prévio, de forma a assegurar que as características finais do produto não sejam
alteradas, mantendo-se assim o padrão de qualidade produtiva exigido pela indústria. O
tratamento da água consiste em um conjunto de procedimentos físicos e químicos aplicados
na água para que esta fique em condições adequadas para o consumo ou para obter parâmetros
pré-estabelecidos.
9
Dessa forma, tendo em vista que a qualidade da água usada na produção de
refrigerantes tem implicações diretas na qualidade do produto final e com o intuito de
monitorar e assegurar a qualidade produtiva é recomendável que a água sofra um processo de
tratamento na própria planta industrial, antes de ser utilizada no processo de fabricação das
bebidas. Para este tratamento, existem disponíveis diversos sistemas, os quais adotam
variadas fontes e composição química da água.
Além disso, no contexto organizacional das indústrias de bebidas, é preciso destacar o
crescimento das vendas desses produtos no mercado. Com intuito de atender a essas
demandas crescentes, o fabricante tende a aumentar a capacidade de produção. Este aumento,
por sua vez, implica uma maior necessidade de insumo produtivo, ou seja, uma maior
quantidade de água tratada é necessária para atender à nova demanda produtiva. Neste
processo e visando à melhoria técnica e operacional contínua, novos sistemas de tratamento
de água, com tecnologias inovadoras, podem ser implantados de forma a atender aos padrões
de qualidade estabelecidos com maior eficiência.
São vários os tipos de sistemas de tratamento que podem atender a essa nova demanda
operacional. Entretanto, é preciso destacar que cada um possui uma capacidade de tratamento
e um consumo referente a produtos químicos e à água específicos. Além disso, é preciso
considerar que a própria água, além de insumo principal, pode ser utilizada nos processos de
retrolavagem nas etapas produtivas. Ou seja, durante o processo de tratamento, também
poderá haver o consumo de água voltado para a limpeza dos componentes do sistema,
podendo esta parcela de uso ser descartada ou reaproveitada, o que dependerá da
concentração de alguns parâmetros, como os de sólidos, por exemplo.
Como exemplo de sistema de tratamento de água tem-se o processo convencional,
comumente aplicado nas instalações industriais, por meio do qual é possível a remoção de
partículas em suspensão, micro-organismos e partículas coloidais. A remoção destas
partículas ocorre por meio dos processos de coagulação, floculação, decantação, filtração,
desinfecção e fluoretação.
Além do tratamento de água convencional, podem-se aplicar tecnologias como as de
membranas filtrantes. A tecnologia de membranas filtrantes tem viabilizado cada vez mais a
sua aplicação em pequenos e grandes sistemas de tratamento. Devido à redução do custo de
construção e operação, a tecnologia de membranas torna-se competitiva em relação aos
sistemas convencionais de tratamento. Como exemplo desta tecnologia, tem-se o sistema de
10
osmose reversa, que tem a capacidade de remover sólidos dissolvidos na água com alta
eficiência. É possível obter, de forma simples e contínua, água puríssima com salinidade
próxima à água destilada. E ainda, tem-se o sistema de ultrafiltração que, embora apresente
uma remoção completa de sólidos em suspensão e coloides, permite a passagem de sais
dissolvidos e moléculas menores (RICHTER; NETTO, 2002).
Na sequência são descritos os três tipos de sistemas de tratamento de água em
discussão, considerando suas etapas e seu funcionamento.
No sistema convencional de um tratamento de água existem cinco principais etapas: a
coagulação, a floculação, a sedimentação, a filtração e a desinfecção. O processo de
coagulação consiste na dosagem de reagente químico como o sulfato de alumínio, que resulta
na aglomeração das partículas em suspensão, formando coágulos. A água, então, passa do
coagulador para o floculador, que tem por função aumentar o tamanho dos coágulos
transformando-os em flocos maiores pelas colisões induzidas por movimentos durante o
processo. Na sedimentação, os flocos com maior densidade que a água são depositados no
fundo do tanque. As partículas que não sedimentaram, seja por seu tamanho ou por baixa
densidade, são removidas na próxima etapa, a filtração. Para a eliminação de organismos
patogênicos, a água passa por um processo de desinfecção com adição de cloro.
O sistema de Osmose Reversa é composto por: 1) filtro de carvão ativado que retém
cloro e outros elementos, eliminando odores, cor e gosto; 2) filtro de 5 micras, para reter
resíduos sólidos maiores e retirar substâncias orgânicas; 3) lâmpada ultravioleta (UV) usada
para desinfecção da água, pois pode haver alguns micro-organismos; e 4) cilindro com
membranas de osmose reversa poliméricas resistentes. Neste sistema, pode haver adições de
produtos químicos como coagulante e anti-incrustantes com o intuito de preservar a vida útil
das membranas.
O princípio funcional da osmose reversa advém da inversão do fenômeno do equilíbrio
osmótico, que a partir da geração de uma pressão aplicada é possível induzir um solvente na
fase mais concentrada para a menos concentrada através de uma membrana semipermeável.
Separa-se, assim, o soluto (sais) do solvente (água). Um sistema de osmose reversa é
composto de elementos de membranas, vasos de pressão e uma bomba de alimentação. Os
vasos de pressão asseguram o suporte e a proteção mecânica dos elementos de membrana. A
bomba de alta pressão injeta continuamente água nas membranas com energia suficiente para
superar a pressão osmótica (SCHNEIDER; TOMOYUKI, 2001).
11
O sistema de Osmose Reversa é capaz de remover cerca de 90% do total de sólidos
dissolvidos e de tratar cerca de 75% da água utilizada no processo. A solução que alimenta o
sistema divide-se em dois fluxos, um de permeado (água dessalinizada) e outro de
concentrado (água salinizada). Embora a remoção de sólidos seja o objetivo principal do
sistema, matéria orgânica e alcalinidade também são removidas.
No sistema de Ultrafiltração, recomenda-se a utilização de um filtro como prétratamento, a fim de proteger a integridade das membranas e evitar que partículas de tamanho
superior possam ingressar ao sistema e causar corrosão mecânica, danificando suas estruturas
e diminuindo consideravelmente sua vida útil. Dessa forma, é extremamente necessária a
instalação do filtro.
O princípio de funcionamento do sistema de Ultrafiltração consiste no bombeamento
da água para dentro do interior das membranas, permeando a água através das fibras da
membrana a baixa pressão. A água permeada é coletada no tubo central de cada membrana e
enviada até o tanque de água do permeado (TEIXEIRA, 2001).
Considerando que a água é um insumo esgotável no planeta, é preciso certa
preocupação e cautela quando da escolha dos métodos de tratamento adotados nas indústrias
que têm como base este elemento em seus processos produtivos. Dessa forma, além do
atendimento aos parâmetros de qualidade necessários para a fabricação dos produtos, é
preciso que os sistemas implantados minimizem o consumo de água durante as etapas de seu
tratamento.
Nesse contexto, o presente trabalho tem como objetivo comparar o aproveitamento e a
perda de água entre os sistemas de tratamento implantados em uma fábrica de refrigerantes
localizada na cidade de Brasília/DF, utilizando-se como referência os volumes de água
descartada e reaproveitada no processo do tratamento, de forma a subsidiar a análise de
eficiência dos processos adotados.
12
2. MATERIAL E MÉTODOS
O presente trabalho constitui-se de três etapas: revisão bibliográfica, estudo de caso e
análise dos resultados.
Na revisão bibliográfica, exposta na introdução, foram apresentados os processos de
tratamento de água dos sistemas de múltiplas barreiras, osmose reversa e ultrafiltração,
adotando-se como referência livros, artigo e manuais disponíveis na literatura afim.
O estudo de caso considerou os sistemas de tratamento de água da empresa Brasal
Refrigerantes S.A., uma unidade de fabricação e envase de bebidas carbonatadas, localizada
em Brasília/DF. Durante os meses de finalização do curso e de estágio na empresa, foram
coletados dados e informações in loco, no período de fevereiro a maio de 2013. Utilizou-se o
método de observação direta do funcionamento com análise dos processos de operação,
visando ao levantamento de dados referentes ao volume de água tratada (aproveitada) e ao
volume de perda de água (descartada) durante o tratamento dos sistemas instalados e em
operação, quais sejam o de múltiplas barreiras e osmose reversa. Para tanto, foi consultado
banco de dados primário disponibilizado pela empresa, por meio do programa Excel, o qual
continha o monitoramento do volume da entrada de água nos sistemas realizado durante os
anos de 2009 a 2012. Alem disso, por meio de entrevistas não estruturadas com profissionais
responsáveis pela operacionalização dos sistemas, foram levantadas informações referentes ao
funcionamento, vazão, duração e frequência de processos.
Durante a realização deste estudo, a empresa investiu em um novo sistema de
tratamento de água, a ultrafiltração. Nesse período, foi possível acompanhar a implantação, os
primeiros testes e o início de funcionamento deste novo sistema. Por ainda estar em fase
inicial de operação, a empresa não possui dados de monitoramento referente ao tratamento de
água por este sistema. Dessa forma, para o levantamento de dados como a vazão, o volume, a
capacidade de tratamento e demais informações referentes à ultrafiltração, foi utilizado o
método de consulta ao projeto de implantação deste sistema.
Para as figuras ilustrativas com a representação esquemática dos sistemas de
tratamento de água, foi utilizado o programa Simatic STEP 7, um software para programação
de controladores lógicos programáveis (CLPs), do qual foram extraídas as imagens contidas
neste estudo. Utilizado amplamente na automação industrial, entre as funções principais do
programa têm-se: configuração de hardware, estabelecimento de comunicação, programação,
13
teste, comissionamento e serviço, documentação e arquivamento, ou funções operacionais
e/ou de diagnóstico.
Para obtenção do resultado da perda anual de água no sistema de tratamento de
múltiplas barreiras, calcularam-se, por meio dos dados fornecidos pela empresa, os volumes
de água descartados em metros cúbicos (m³) durante o processo de retrolavagem das etapas
dos filtros de areia e filtros de carvão e de descarte da etapa do floculador. Para estes cálculos,
foram aplicadas as Equações 1 e 2, respectivamente.
(1)
Na Equação 1, Vf equivale ao volume de perda de água em m³/ano das etapas dos
filtros de areia e carvão, Q representa a vazão em m³/hora, t refere-se ao tempo de duração do
processo de retrolavagem que evolva o descarte e q, à quantidade de retrolavagem realizada
ao ano.
(2)
Na Equação 2, Vl equivale ao volume de perda de água em m³/ano da etapa do
floculador, v representa o volume em m³ por descarte e q, a quantidade de descartes ao ano.
Somando-se os valores obtidos com a aplicação das Equações 1 e 2, obteve-se o
volume total de perda de água (Vmb) pelo sistema de múltiplas barreiras (Equação 3).
(3)
Para obtenção do volume de água total de entrada do sistema de osmose reversa, foi
utilizado o banco de dados existente na empresa, do qual se obteve o volume total de água
envasada (produto final), durante os anos de 2009 a 2012. Considerando que a água tratada
utilizada para produção representa 75% do total de água de entrada no sistema, aplicou-se a
Equação 4 para o cálculo do volume de água total de entrada utilizada por este sistema.
14
(4)
Na Equação 4, Vor equivale ao volume de água total de entrada do sistema de osmose
reversa e Vae, ao volume do produto, água envasada.
Para o cálculo da perda de água pelo sistema de ultrafiltração, considerou-se somente a
etapa do filtro de carvão, aplicando-se a Equação 1.
Para o cálculo da perda financeira à qual a indústria está sujeita devido ao volume de
água descartado e não aproveitado pelos sistemas de tratamento existentes, foram consultados
o volume mensal de água consumido e o valor mensal pago à rede de abastecimento de água
local. Para tanto, aplicou-se a Equação 5.
(5)
Na Equação 5, Cp equivale ao custo anual referente à perda anual de água, cm referese ao gasto mensal com água na indústria e vm, ao volume de água consumido no mês.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Brasal Refrigerantes S.A. possui um sistema de tratamento de água de múltiplas
barreiras, o qual abastece tanto a fabricação direta dos refrigerantes quanto os demais
processos ligados a esta atividade fim da indústria. Outro sistema de tratamento de água,
osmose reversa, opera somente quando há envase de água engarrafada. Além desses, a
indústria recentemente investiu em um novo sistema para o tratamento de água, almejando
substituir o sistema de múltiplas barreiras e o sistema de osmose reversa. Trata-se da
ultrafiltração, que, durante a elaboração deste estudo, se encontrava em processo de instalação
e testes para poder entrar em operação na indústria em substituição aos sistemas existentes.
A água utilizada nos sistemas é fornecida pela empresa responsável pelo
abastecimento da cidade, a Companhia de Saneamento Ambiental do Distrito Federal (Caesb).
15
Esta água é tratada segundo os parâmetros estipulados pela Portaria nº 2.914, de 12 de
dezembro de 2011, do Ministério da Saúde. A água direcionada para os sistemas de
tratamento é monitorada por dois hidrômetros, o que possibilita obter a vazão de entrada de
água tratada fornecida pela Caesb. Outra parte da água utilizada no sistema é oriunda de
reaproveitamento: após a água passar por alguns processos, no Rinser, desaeradores, Blender
e retrolavagens que envolva a produção das bebidas, ela é recuperada. Já o monitoramento da
água oriunda do reaproveitamento ocorre a partir de hidrômetros estrategicamente instalados,
os quais são monitorados para obtenção dos dados.
Conforme Figura 1, toda água consumida na fábrica, após passar pelos medidores de
vazão, é armazenada na caixa d’água 2, de onde prossegue para os três sistemas de
tratamentos sob análise, apresentados na sequência. A água que alimenta os sistemas, Caesb 1
e Caesb 2, chega com vazão de 50 m³/hora e 30 m³/hora, respectivamente. É acondicionada
no tanque de recalque, com capacidade de armazenamento de 60 m³, e, posteriormente, é
direcionada ao reservatório, caixa d’ água 2, com capacidade de armazenamento de 500 m³.
O sistema de múltiplas barreiras em operação inicia-se na etapa de Floculação. No
floculador é realizada a dosagem de sulfato de alumínio dando início à coagulação; na
sequência, segue-se para o processo de floculação, que consiste na aglomeração e decantação
das partículas desestabilizadas; e, por fim, é adicionado o cloro para o processo de
desinfecção. Após passar pelo floculador, a água é destinada aos filtros de areia responsáveis
por reterem flocos que sejam leves demais para se assentar no processo de floculação; após, é
direcionada para as caixas 5, 4 e 3, estas interligadas por válvulas de passagem. A água que
sai da caixa 3 é direcionada aos filtros de carvão ativado, responsáveis por remover o cloro e
as substâncias que produzem gosto e odor. Por fim, a água é direcionada para o filtro polidor,
responsável por eliminar minúsculas partículas que ainda possam existir após passar pelos
demais processos, para seguir para produção da bebida.
Neste sistema, são realizados processos de retrolavagem nas etapas do filtro de areia e
filtro de carvão. A retrolavagem é a passagem da água através do filtro em sentido contrário
ao fluxo de filtragem com o objetivo de remover partículas orgânicas e inorgânicas retidas no
meio filtrante. Além da retrolavagem, tem-se ainda, como limpeza e manutenção, o processo
de abertura do dreno de saída abaixo do floculador, que tem como finalidade descartar
partículas depositadas no fundo do tanque.
16
Na Figura 1, com o ilustrativo do sistema de tratamento de múltiplas barreiras, é
possível visualizar o fluxo do tratamento, a partir das setas, iniciando pela representação das
tubulações da entrada de água da Caesb e finalizando nos filtros de carvão ativado.
Figura 1- Sistema de Múltiplas Barreiras
A capacidade de tratamento de água por este sistema limita-se ao tanque floculador,
que possui vazão máxima de 90 m³/h. Os filtros de areia 1 e 2, ilustrados na Figura 1,
possuem vazão de 100 m³/h e 45 m³/h, respectivamente. Os reservatórios de armazenamento
da água são as caixas 5, 4 e 3, com capacidade de 200 m³, 300 m³ e 300 m³, respectivamente.
A vazão dos filtros de carvão ativado 1, 2, 3, 4, e 5 são, respectivamente, de 100 m³/hora, 100
m³/hora, 65 m³/hora, 30 m³/hora e 10 m³/hora.
O tanque floculador, indicado na Figura 1, opera com capacidade de 80 m³ e, quando
se encontra saturado de partículas depositadas no fundo, o dreno de saída do rejeito é aberto,
descartando-se a lama formada por essas partículas para a estação de tratamento de dejetos
industriais. Nesta etapa, há um volume aproximando de descarte de 2% do volume total do
tanque. A periodicidade desse processo ao ano foi obtida a partir dos resultados das análises
laboratoriais: quando são apresentados resultados de sólidos suspensos acima de 12% do
volume da amostra, a equipe operacional aciona um plano de ação para o descarte do fundo
17
do tanque, o qual é registrado. Ao longo de um ano, verifica-se uma frequência aproximada
de 96 descartes, o que equivale a uma média de oito descartes de lama ao mês.
Após passar pelo floculador, a água é bombeada para os filtros de areia 1 e 2,
responsáveis por deter os flocos não retidos no processo anterior. Os filtros de areias passam
por processo de retrolavagem; a água utilizada no processo de retrolavagem não se
reaproveita, devido à alta concentração de impurezas, sendo descartada para estação de
dejetos industriais. Para os filtros de areia foram monitoradas a duração, a periodicidade e a
vazão da retrolavagem, a fim de se obter o volume total de água descartada por este processo.
A duração para a retrolavagem em um filtro é de aproximadamente 10 minutos, sendo
necessária a repetição do processo diariamente ou no intervalo de 1 dia, com vazão de 100
m³/hora e 45 m³/hora para cada filtro. Neste caso, eram feitas retrolavagens intercalando-se os
dois filtros, o que resultou em uma média de aproximadamente 274 retrolavagens ao ano em
cada filtro de areia.
No filtro de carvão, também há o processo de retrolavagem, sendo que uma parte
dessa água é descartada, direcionada para estação de tratamento de dejetos industriais e a
outra parte é reaproveitada, voltando ao ponto de partida do tratamento. Por fim, a água é
direcionada para os filtros polidores, sendo posteriormente utilizada nos processos de
fabricação do refrigerante. Para os filtros de carvão, onde uma parte é descartada e a outra
reaproveitada, foram monitorados o tempo que ocorre o descarte de água, a periodicidade e a
vazão de cada filtro, obtendo-se, assim, o volume total descartado de água. A retrolavagem é
feita em aproximadamente 15 minutos, sendo descartado todo o líquido que escoa durante os
primeiros 10 minutos e aproveitado apenas o escoado nos 5 minutos subsequentes. Esse
processo é realizado em cada filtro de carvão ativado duas vezes por semana ou a cada 5 a 6
dias. Dessa forma, totalizou-se uma média de 84 retrolavagens ao ano em cada filtro de
carvão ativado, com uma vazão não excedente ao limite máximo da bomba de cada filtro.
Com os dados e informações obtidos e após os cálculos e as análises efetuadas
(aplicação das Equações 1, 2 e 3), foi possível avaliar os consumos de água durante o seu
tratamento na unidade de fabricação e envase de bebidas carbonatadas estudada.
A Figura 2 apresenta o volume de água utilizado no sistema de múltiplas barreiras
durante o período de 2009 a 2012, cujo valor foi estipulado considerando-se a água
consumida durante seu tratamento.
18
Figura 2 – Consumo de água durante o tratamento pelo sistema de múltiplas barreiras
500.000,00
490.000,00
480.000,00
m³ de água
470.000,00
460.000,00
450.000,00
440.000,00
430.000,00
420.000,00
410.000,00
400.000,00
2009
2010
2011
2012
Perda
11.776,17
12.587,37
11.811,50
9.260,20
Aproveitada
477.622,42
480.974,24
447.205,98
434.253,59
No sistema de múltiplas barreiras, têm-se três processos em que há perda de água:
durante a retrolavagem dos filtros de areia, a retrolavagem do carvão ativado e na abertura do
dreno de saída do floculador. Nas informações relacionadas nas Tabelas 1 e 2, têm-se o valor
de contribuição de cada um desses processos no cômputo da perda total de água durante o
tratamento por este sistema (Tabela 1), bem como o percentual desta contribuição em relação
à água de entrada (Tabela 2):
Tabela 1 – Entrada de água e volume de perda total e por etapa no Sistema de Múltiplas Barreiras
Ano
2009
2010
2011
Total de Entrada para MB (m³)
2012
489.398
493.561
459.017
443.513
Perda no Floculador (m³)
152
163,2
144
155,2
Perda no Filtro de Areia (m³)
7202
7951
7347
4905
Perda no Filtro de Carvão Ativado (m³)
4422
4473
4321
4200
11.776
12.587
11.811
9.260
Total de perdas (m³)
19
Tabela 2 – Porcentagem do volume de perda total e por etapas no Sistema de Múltiplas Barreiras
Ano
2009
2010
2011
2012
Floculador (%)
0,03
0,03
0,03
0,03
Filtro de Areia (%)
1,47
1,61
1,60
1,11
Filtro de Carvão Ativado (%)
0,90
0,91
0,94
0,95
Perda total (%)
2,41
2,55
2,57
2,09
Com relação ao descarte de água, tem-se que o floculador contribuiu com
aproximadamente 1,4%, os filtros de areia contribuíram com aproximadamente 60% e os
filtros de carvão ativado, com aproximadamente 38,6% do volume total da perda monitorada.
Na Figura 2, observa-se que, no ano de 2011, houve uma diminuição brusca na quantidade de
água consumida, o que decorreu da substituição de uma lavadeira utilizada no processo de
produção de refrigerantes por outra com menor consumo de água. Observa-se, ainda, que no
ano de 2012 a quantidade de perda de água foi menor que a dos anos anteriores (diferença de
cerca de 2500 m³ de volume de água do ano anterior, 2011). Este fato pode ser explicado pela
desativação de duas etapas do sistema de múltiplas barreiras, um filtro de areia e um filtro de
carvão.
Nos anos de 2009, 2010, 2011 e 2012 obteve-se, respectivamente, cerca de 2,40%,
2,55%, 2,57% e 2,09% de descarte de água, do total da água de entrada no sistema. Como
exposto anteriormente, o processo de retrolavagem dos filtros de areia é o principal
responsável por esta perda de volume de água, com cerca de 60% do volume total.
O sistema de osmose reversa, que opera somente para o envase de água engarrafada,
conforme a Figura 3, recebe a água bombeada da caixa 2, que segue para o filtro de carvão(1),
local em que são retidas substâncias que interferem no gosto e odor da bebida. Durante o
percurso da saída do filtro de carvão, a água recebe produtos químicos como anti-incrustante
para reduzir a colmatação da membrana pela adição de sulfatos; passa por filtros de 25 micra,
para retenção de partículas; depois recebe soda cáustica para estabilizar o pH entre 6 e 7; e
passa pelo filtro de 5 micra. Então a água é direcionada para a desinfecção, etapa onde passa
por lâmpadas ultravioletas para eliminação de microrganismos. Em seguida, passa pelas
membranas de osmose reversa, processo de remoção de sólidos/sais minerais presentes na
água. Ao final deste sistema, têm-se duas saídas de água: uma concentrada, água com alto teor
de sais, que é direcionada para o tanque de recalque, no início do sistema, destinada para
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reaproveitamento; e outra permeada, água dessalinizada, que é direcionada para o tanque de
água permeada, o qual será utilizado exclusivamente para o envase de água engarrafada.
Na Figura 3, com o ilustrativo do sistema de tratamento de osmose reversa, o sentido
do fluxo do tratamento é direcionado pelas setas. Destaca-se que a tubulação de cor amarela
representa a saída de água concentrada das membranas de osmose reversa para o tanque de
recalque, início do sistema.
Figura 3 - Sistema de Osmose Reversa
O sistema de osmose reversa consegue obter uma vazão de 60 m³/h, considerando que
para a vazão do permeado obtêm-se 45 m³/hora e para o concentrado, 15 m³/hora. Para o
armazenamento do permeado, tem-se um tanque ao final do tratamento com capacidade de
armazenamento de 6 m³.
Neste sistema, cerca de 75% da água passa pela membrana, onde os sais contidos na
água são retidos, para ser destinada para fabricação do produto final (envase da água
engarrafada). Os 25% considerados como a água salinizada, o concentrado, são direcionados
novamente ao início do sistema para o tanque de recalque, para serem diluídos para
diminuição da concentração de sais e posterior retorno ao tratamento.
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Apesar de se ter o mesmo processo de filtração pelo carvão ativado número 1 existente
no sistema de múltiplas barreiras, não se considerou a perda neste processo devido à
frequência de sua utilização para o envase de água engarrafada ser mínima em comparação
com a utilização no sistema de múltiplas barreiras, destinado ao processo de produção de
refrigerantes. Logo, com a aplicação da Equação 4, têm-se a quantidade de água filtrada
chamada de permeada, esta destinada ao produto final, e a quantidade de água rejeitada,
chamada de concentrado, sendo esta reaproveitada, voltando para o tanque de recalque no
início do sistema. Na Figura 4, têm-se os dados coletados referentes aos volumes de água
concentrada e permeada ao longo do período de 2009 a 2012.
Figura 4 - Água permeada e concentrada, sistema de osmose reversa.
9000
8000
7000
m³ de água
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
2009
2010
2011
2012
Concentrado
2073
1794
1590
1301
Permeado
6219
5383
4769
3904
Com relação a este sistema, na Tabela 3, têm-se as seguintes informações quanto ao
consumo de água durante os anos monitorados:
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Tabela 3 – Relação do volume do permeado e concentrado no Sistema de Osmose Reversa
Ano
2009
2010
2011
2012
Permeado (m³)
6219
5383
4769
3904
Concentrado (m³)
2073
1794
1590
1301
Total de Entrada OR (m³)
8292
7177
6359
5205
Ressalta-se, como colocado anteriormente, que não foram consideradas as perdas
envolvidas no processo por osmose reversa, pois para este cálculo seria necessário considerar
a parcela de perda deste sistema na etapa da filtração por carvão ativado, etapa esta
pertencente também ao sistema de múltiplas barreiras, o qual possui maior percentual de
participação devido aos objetivos de cada um desses sistemas, quais sejam, a osmose reversa
destina-se somente ao envase de água engarrafada enquanto que as múltiplas barreiras, a
todos os processos de produção de refrigerantes.
No sistema de ultrafiltração, conforme a Figura 5, a água bombeada da caixa 2 é
direcionada para um filtro onde são retirados sólidos mais grosseiros. Após, a água passa
pelas membranas de ultrafiltração e recebe, na saída, uma adição de cloro para desinfecção.
Esta água é armazenada em um tanque de onde será bombeada para a caixa 5, passando,
então, para as caixas 4 e 3. Por gravidade, passa pelos filtros de carvão, finalizando o
tratamento pelos filtros polidores.
Neste sistema, há eliminação de todos os sólidos em suspensão, que são retidos sobre a
superfície da membrana. Os sólidos retidos formam uma espécie de “torta” sobre a superfície.
Estes sólidos devem ser periodicamente removidos por meio da retrolavagem, durante a qual
a direção do fluxo é invertida. A retrolavagem é realizada com água ultrafiltrada e não
necessita adição de produtos químicos.
Devido ao fato de que algumas substâncias poderem ficar aderidas na superfície da
membrana por meio de adsorção, é necessário periodicamente recorrer à aplicação de
retrolavagem com produtos químicos Clean Enhanced Backwash (CEB). O método CEB é de
curta duração (tipicamente 10 – 15 minutos) e de baixo consumo de químicos.
Logo, têm-se duas maneiras de proceder a retrolavagem, com e sem a utilização de
produtos químicos. O Backwash é a retrolavagem sem adição de produtos químicos, utiliza-se
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somente água. Já a CEB é a retrolavagem com utilização de produtos químicos, como
hidróxido de sódio, ácido clorídrico e hipoclorito de sódio.
Na Figura 5, como o ilustrativo do sistema de tratamento de ultrafiltração, pode-se
visualizar o sentido do fluxo do tratamento a partir do direcionamento das setas. Ressalta-se
que a tubulação em amarelo representa a água utilizada para o processo de retrolavagem,
processo este que pode ser com ou sem adição de produtos químicos.
Figura 5 - Sistema de Ultrafiltração
A planta, apresentada na Figura 5, foi desenvolvida e projetada para tratar água e,
assim, obter inicialmente uma vazão de 100 m³/h. O equipamento pode ser facilmente
ampliado para obter uma vazão de 200 m³/h, mediante a adição de um segundo trem de
membranas e instalação de uma segunda bomba de alimentação. Para o armazenamento da
água tratada, o tanque de água ultrafiltrada possui uma capacidade de 80 m³.
Considerando a intenção da indústria de substituir as etapas de floculação e filtração
por areia do sistema de múltiplas barreiras pelo sistema de ultrafiltração, para avaliação deste
processo considerou-se somente a perda de água existente na filtração por carvão ativado,
etapa esta comum ao sistema de múltiplas barreiras e que será mantida neste sistema a ser
implantado. Dessa forma, utilizando-se as informações constantes na Tabela 2, tem-se que os
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filtros de carvão ativado contribuíram com aproximadamente 0,90% de descarte de água do
volume total da água de entrada no sistema de múltiplas barreiras.
Devido ao fato de o sistema de ultrafiltração ainda não estar instalado e operando, o
descarte de água utilizada no processo de retrolavagem com produtos químicos (CEB) não
pode ser confirmado. A água utilizada para o Backwash é reaproveitada voltando para o
tanque recalque no início do sistema, já a água utilizada pela retrolavagem com produtos
químicos passará por uma análise e, a partir dos resultados, será verificada a possibilidade de
seu reaproveitamento. Porém, o que tudo indica é que será possível a reutilização desta água
processada, devido à baixa quantidade consumida de produtos químicos nesse processo.
A frequência da realização do processo de retrolavagem por Backwash será de uma
retrolavagem a cada 60 minutos de funcionamento do sistema de ultrafiltração. Considerando
que a relação das retrolavagens será de uma retrolavagem com produtos químicos para cada
56 Backwahs, logo a frequência de realização da retrolavagem com produtos químicos será de
2 a 3 dias, aproximadamente. Dessa forma, totalizar-se-á uma média de 12 processos de
retrolavagem com produtos químicos (CEB) por mês.
4. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
Analisando a perda de água durante o tratamento na planta industrial entre os três
sistemas de tratamento, foi identificado maior volume de perda deste recurso principalmente
no sistema de múltiplas barreiras, o que pode ser explicado devido, principalmente, à etapa
dos filtros de areia. Por ser uma etapa que demanda uma maior frequência de limpeza, os
filtros de areia contribuem com o maior descarte de água durante todo o sistema (60% da
perda total). A capacidade de vazão do tratamento por múltiplas barreiras é limitada à
capacidade de vazão do floculador, cujo valor equivale a 90m³/h.
Em termos volumétricos, a indústria Brasal Refrigerantes S.A. perde por ano uma
média de 11.000 m³ de água durante o tratamento de água por este sistema convencional.
Observou-se que parte desta perda ocorre durante os processos de retrolavagem de etapas
deste sistema. Considerando que o custo do m³ da água na indústria é da ordem de R$ 7,12,
tem-se uma perda financeira anual de R$ 78.350,00 aproximadamente (aplicação da Equação
5), devido ao descarte da água durante o seu tratamento.
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O sistema de tratamento por osmose reversa pode ser considerado um sistema quase
fechado, em que não há perda/descarte de água durante sua operação, visto que a água
utilizada no sistema é destinada ao produto (água engarrafada) ou reaproveitada. No entanto,
este sistema não atende à necessidade de produção de refrigerante na indústria, pois o
tratamento de água realizado pela osmose reversa retira sais minerais além do necessário para
este tipo de bebida. Dessa forma, é aplicável somente ao envase de água engarrafada. Além
disso, este sistema possui uma capacidade de vazão limitada a 60m³/h, valor este aquém do
demandado pelos processos produtivos da indústria.
Com a ultrafiltração substituindo as etapas de floculador e dos filtros de areia do
sistema de múltiplas barreiras, obtém-se menos perda de água durante seu processo. Neste,
somente é considerado o descarte de água dos filtros de carvão, equivalente a 0,9% do volume
de entrada de água do sistema. Com a implantação deste sistema, a fábrica substituirá a etapa
dos filtros de areia, considerada a principal contribuinte do volume de descarte de água
durante a retrolavagem no sistema de múltiplas barreiras. Além disso, a ultrafiltração resultará
no aumento da capacidade de vazão hoje instalada na indústria. Com este processo, a vazão de
água tratada será de aproximadamente 150m³/h, vazão esta superior, portanto, aos dois
sistemas existentes.
Pelos resultados demonstrados, espera-se que, com a implantação do novo sistema de
ultrafiltração, o qual substituirá duas etapas do sistema de múltiplas barreiras, a indústria
obtenha melhores resultados em questão à redução do descarte de água durante seu tratamento
e, consequente, redução de custos, ou seja, em termos numéricos e financeiros espera-se uma
redução de 2,40% para 0,9% de descarte de água e economia ao ano de R$ 47.000,00
aproximados.
Além da economia financeira apresentada, a empresa ainda estará preservando o uso
racional da água. Sendo este um recurso natural essencial à vida e de uso limitado.
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Comparison between the consumption of water systems water treatment unit in
manufacturing and bottling of soft drink
Abstract: Considering that water is an exhaustible input on the planet, it takes a certain
concern and caution when choosing methods of water treatment adopted in industries that are
based on this element in their production processes. In addition to meeting the quality
parameters of the water needed for the manufacture of products, it is necessary that the
systems in place to minimize the consumption of this resource during the stages of their
treatment. In this context, this study aims to compare the values of water efficient use of water
and loss water in water treatment systems for a large company in the business of carbonated
beverages. The case study was developed in the plant of a Manufactures soda, Brasal soda
drinks SA, Brasilia / DF. The purpose of this study was to present a comparative analysis of a
study comparing water consumption during treatment between systems by multiple barriers,
reverse osmosis and ultrafiltration. Were used primary data provided by the company and
information collected in loco. The results showed that the system uses multiple barriers and a
larger amount of water compared to the systems by reverse osmosis and ultrafiltration,
especially during the step of sand filters, which contributes 60% of the total loss of water
during their processes.
Keywords: Efficient use of water. Water loss. Water treatment systems. Manufactures soda
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REFERÊNCIAS
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abastecimento por filtração em múltiplas etapas. Rio de Janeiro: ABES, 1999. 114 p.
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Produção. Disc. Scientia.: Série: Ciências Naturais e Tecnológicas, Rio Grande do Sul, v. 8,
n. , p.39-54, 2007. Disponível em:
<http://sites.unifra.br/Portals/36/tecnologicas/2007/Conservacao.pdf>. Acesso em: 17 maio
2013
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ago., 2009. Disponível em: <http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc31_3/10-PEQ-0608.pdf>. Acesso em:
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Ltda., 2007. 576 p.
RICHTER, Carlos. A.; NETTO, José. M. A. Tratamento de água: tecnologia atualizada.
São Paulo: Edgard Blucher, 2002.332p.
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de Água, Esgoto e Água de Reúso. São Paulo: Abes, 2001. 234 p.
TEIXEIRA, Maria M. D. C. G. R.. Ultrafiltração no Tratamento de Água para Consumo
Humano. 2001. 117 f. Dissertação (Mestre) - Universidade Nova De Lisboa, Lisboa, 2001.
Disponível em: <http://w3.ualg.pt/~mribau/Textos/TeseMSc_M_R_Teixeira.pdf>. Acesso
em: 17 maio 2013.