VI Simpósio Ítalo Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental
X-006 – OPERAÇÃO QUASE AUTOMÁTICA DE UMA ESTAÇÃO DE
TRATAMENTO DE ESGOTO SANITÁRIO
Celso José Munaro(1)
Graduação em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), Santa Maria, RS,
Brasil, em 1987. Mestrado e Doutorado em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual de Campinas
(UNICAMP), Campinas, SP, Brasil, em 1990 e 1994, respectivamente. Desde 1992 é professor do
Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Espírito Santo (UFES). Suas áreas de
interesse envolvem controle de processos e sistemas de automação industrial.
Paulo Faria Santos Amaral
Graduou-se em Engenharia Eletrônica pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), São José dos
Campos, SP, Brasil, em 1976 e obteve os títulos de Mestre em Engenharia Elétrica pelo Instituto Nacional de
Pesquisas Espaciais (INPE) em 1979 e Doutor em Engenharia Elétrica na Escola Politécnica da USP, em
1985. É professor do Departamento de Engenharia Elétrica da UFES e suas áreas de interesse envolvem
robótica e sistema microprocessados.
Wagner Teixeira da Costa
Graduou-se em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Espírito Santo (UFES), Vitória, ES, Brasil,
em 2001 e atualmente é aluno do Mestrado em Engenharia Elétrica da UFES.
Ricardo Franci Gonçalves
Engenheiro Civil e Sanitarista – UERJ (1984), Pós-graduado em Eng a de Saúde Pública -ENSP/RJ (1985),
DEA - Ciências do Meio Ambiente - Univ. Paris XII, ENGREF, ENPC, Paris (1990), Doutor em Engenharia
do Tratamento e Depuração de Água – INSA de Toulouse, França (1993), Prof. Adjunto do DHS e do PMEA
- UFES.
Leonardo Pereira Bastos
Engenheiro Eletricista pela Universidade Federal do Espírito Santo (1997), mestrando do Programa de PósGraduação em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Espírito Santo.
Rodrigo Ramos
Engenheiro Eletricista pela Universidade Federal do Espírito Santo (1998), mestrando do Programa de PósGraduação em Engenharia Mecânica pela Universidade Federal do Espírito Santo.
Endereço(1): Av. Fernando Ferrari, s/n – Campus Universitário de Goiabeiras – Prédio CT II – Vitória – ES –
CEP: 29090-900 - Brasil - Tel: (27) 3335-2190 - e-mail: [email protected]
RESUMO
Um sistema para operação quase automática de uma ETE compacta tipo reator anaeróbio seguido de biofiltros
aerados submersos é apresentado. O termo quase é incluído porque apenas uma das operações que deve ser
realizada de forma rotineira não foi automatizada. As operações executadas bem como eventos de interesse e
medições são registrados e disponibilizados através de relatórios ao operador acessados remotamente. Falhas
em equipamento são comunicadas e sempre que possível resolvidas localmente pelo sistema. A solução
proposta reduz custos com pessoal enquanto melhora a qualidade do tratamento, pela supervisão constante do
processo.
PALAVRAS-CHAVE: Automação industrial, Tratamento de esgoto sanitário, Telemetria, Instrumentação.
INTRODUÇÃO
Novas estações de tratamento de esgoto sanitário (ETEs) compactas, combinando reatores anaeróbios e
aeróbios em série, apresentam-se como excelente alternativa para áreas urbanas de pequeno e médio porte,
tendo nível de aceitação crescente no Estado do Espírito Santo. Em menos de 2 anos foram 29 ETEs
compactas implantadas no Espírito Santo e demais Estados [1]. Sistemas de automação têm sido pesquisados e
desenvolvidos para atender as necessidades particulares neste tipo de processo, para os quais sistemas usuais
de automação industrial tornam-se inviáveis quando estações de pequeno porte são consideradas [2]. O
sistema de automação desejado deve realizar todas as operações de rotina, emitir relatórios de operação e
enviar alarmes a um operador remoto em caso de falha em algum equipamento, de modo que a ETE possa
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operar quase sem a presença de um operador. O presente artigo descreve novos resultados adicionados àqueles
apresentados em [2], permitindo verificar que apenas a remoção de sólidos no gradeamento do esgoto que
chega à ETE ainda carece da presença de um operador humano.
DESCRIÇÃO DO SISTEMA DE AUTOMAÇÃO DESENVOLVIDO
O sistema de automação apresentado nesta proposta foi estudado e desenvolvido especialmente para ETEs. Os
equipamentos especificados atendem requisitos de baixo custo, proteção contra ambientes agressivos,
confiabilidade e facilidade de operação. Assim, tem-se garantido um sistema que possa ser instalado em ETEs
de pequeno porte, localizadas remotamente e operadas por pessoas que não possuam conhecimento técnico em
automação.
Biogás
Esgoto
Efluente
Elevatória
UASB
Biofiltro
Lodo
Descartado
Aerador
Lodo da Lavagem
A figura 1 mostra a estrutura geral da ETE a ser operada automaticamente.
Figura 1: Diagrama de blocos da ETE
A estação elevatória recebe o esgoto e que é bombeado para o reator anaeróbio (Upflow Unaerobic Sludge
Blanket - UASB). A elevatória também recebe o esgoto de lavagem dos biofiltros aerados submersos – BF,
que deve retornar ao UASB.
No reator UASB ocorre a remoção de matéria orgânica da ordem de 70% com o tempo de detenção hidráulico
médio de 8,0 horas. A remoção da matéria orgânica no reator ocorre com subseqüente liberação de biogás
(CH4, CO2 H2S e NH3, além de outros). O biogás é coletado em uma câmara de gás existente no interior do
reator, de onde é canalizado até a área de beneficiamento, que fica próxima ao leito de secagem. Após a
lavagem, o gás é queimado, e o calor resultante da queima poderá ser aproveitado para a higienização do lodo.
O pós-tratamento do efluente anaeróbio é realizado nos biofiltros aerados submersos, objetivando a remoção
de matéria orgânica e sólidos suspensos remanescentes, de forma a compatibilizar o efluente tratado aos
padrões de lançamento fixados pela legislação ambiental. As britas comerciais tipos três, dois, um e zero
foram utilizadas em diferentes alturas como material suporte no biofiltros. A maioria dos BFs dispõem de um
sistema de aeração artificial, sendo que na ETE compacta desenvolvida, os BFs possuem um sistema de
aeração tipo Venturi, no qual uma bomba succiona o efluente aeróbio, capta ar nas imediações dos orifícios e
injeta água e ar dissolvido na base dos biofiltros. O ar é captado nas imediações dos principais pontos de
emissão de compostos odorantes (caixa de areia, elevatória, leito de secagem) e re-introduzido nos BFs,
constituindo num processo de. A vazão de ar necessária para os BFs foi projetada a partir de uma taxa de 18
Nm3 de ar/kg de DBO5 removido. Os BFs são interligados na sua parte superior, o que permite a utilização do
efluente tratado na operação de lavagem, que é realizada em fluxo descendente sem a injeção de ar.
No sistema proposto o lodo de excesso produzido nos biofiltros é recirculado para o UASB, onde ocorre a
digestão e adensamento pela via anaeróbia. O excesso de lodo produzido no UASB, que apresenta elevado
grau de estabilização e adensamento, é descartado por gravidade e disposto em leitos de secagem para
desidratação. Assim o reator UASB é a única fonte de emissão de lodo. O lodo desidratado pode ainda ser
reutilizado, após passar por etapas de estabilização e higienização com cal, ou pasteurização.
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O sistema de automação proposto deve realizar todas as ações necessárias para garantir a correta operação da
ETE, de forma a:
• garantir a execução automática das operações normais, como lavagem dos biofiltros, descarte de lodo do
UASB, controle das bombas da elevatória e das bombas de aeração do biofiltro;
• monitorar o funcionamento dos equipamentos utilizados na automação, gerando alarmes em caso de
falhas;
• permitir, quando requisitado pelo usuário, a operação manual de todos os equipamentos da ETE, com
supervisão ou não do controlador programável;
• registrar, em intervalos de tempo pré-programados pelo usuário, a informação de vazão afluente aos
reatores UASB.
Na figura 2 pode-se observar os equipamentos necessários ao acionamento e à captura dos sinais utilizados
pelo sistema de automação proposto. Na tabela 1 pode ser vista a legenda utilizada para os equipamentos
mostrados na figura 1. Os sensores de nível são instalados na elevatória, no leito de secagem, nos biofiltros e
no clarificador (reservatório de saída), sendo que há sensores redundantes para detectar uma eventual falha
nos mesmos. A medição de corrente nas bombas permite detectar se as mesmas estão operando e se esta
operação ocorre em uma faixa prevista pelo fabricante. Assim, falhas podem ser previstas antes que ocorram.
As quatro válvulas para lavagem dos biofiltros bem como a válvula para descarte de lodo do UASB foram
automatizadas utilizando um cilindro pneumático acionado por ar comprimido. A figura 3 permite ver este
acionamento em detalhe. Uma falha no acionamento é detectada através de uma micro-chave magnética. Um
compressor com reservatório garante o acionamento destas válvulas que têm 6 polegadas de diâmetro. Tal
solução representou uma redução significativa no custo das válvulas. As duas bombas da elevatória (B1 e B2)
se revezam no bombeamento do esgoto para o UASB, e, em caso de falha de uma delas, a operação continua
normalmente. As duas bombas de aeração (A1 e A2) operam de forma similar, injetando uma mistura de água
e ar na base dos biofiltros. O compressor com reservatório (C1) fornece o ar comprimido para as válvulas.
Uma eventual falha é detectada através do monitoramento de um pressostato, durante a qual nenhum
acionamento de válvula é realizado. O medidor de vazão, com registro dos dados, permite acompanhar a
quantidade de esgoto tratado na ETE, além de permitir verificar falhas no sistema de envio de esgoto à ETE.
Figura 2: Diagrama da ETE com os equipamentos da automação
Tubulação de
ar para as
válvulas
Tubulação de
ar para os BFs
Válvulas
automatizadas
dos BFs
Lodo de
lavagem
dos BFs
BF 1
C1
A1
CP1
BF 2
A2
BF 4
Ar + Água
para
aeração
P1
Casa das
bombas
UASB
para o
Leito de
Secagem
BF 3
Efluente
final
bombeado
pelas
bombas A1
e A2
Válvula
automatizada
do UASB
Elevatória
B1
N1
B2
N2
N3
CP2
Eletrodutos
Medidor
de vazão
Esgoto
afluente
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Tabela 1: Legenda para a figura 2
B1 Bomba 1 da elevatória
B2 Bomba 2 da elevatória
C1
N1
N2
N3
A1
A2
Compressor 1 para as
válvulas
Sensor de nível 1 da
elevatória
Sensor de nível 2 da
elevatória
Sensor de nível 3 da
elevatória
Bomba 1 para aeração do BF
Bomba 2 para aeração do BF
P1
V1
V2
V3
V4
V5
CP1
CP2
Painel de comando 1
Válvula automatizada do BF
1
Válvula automatizada do BF
2
Válvula automatizada do BF
3
Válvula automatizada do BF
4
Válvula automatizada do
UASB
Controlador programável 1
Controlador programável 2
As tubulações mostradas na figura 2 são utilizadas para a passagem da linha de ar comprimido e dos sinais
elétricos necessários ao sistema de controle, composto de dois controladores programáveis. O controlador
programável 1 (CP1) é instalado junto ao painel de comando com as atribuições de efetuar todas as rotinas de
controle e supervisão da ETE. Ele se comunica com o controlador programável 2 (CP2), instalado no topo da
ETE, que efetua as medições de vazão de esgoto, registra estas medidas bem como eventos importantes da
ETE (operações executas e falhas), além de permitir a comunicação remota via telefonia celular (ou rádio). A
interação local do operador com o sistema de automação é feita através de uma interface homem-máquina
(IHM), composta de um teclado e mostrador digital, podendo assim alterar parâmetros de operação da ETE,
além de iniciar operações e ligar ou desligar equipamentos. A IHM também permite informar a um operador
as operações que estão sendo executadas bem como falhas em equipamentos.
Figura 3: Detalhe do acionamento pneumático das válvulas
A comunicação remota descrita foi implementada via telefonia celular, dado seu baixo custo. Um telefone
celular convencional pré-pago foi instalado no interior do controlador programável 2, se comunicando com
este via saída serial RS232. Um programa é instalado em um computador conectado a uma linha telefônica via
modem. Ao ser executado, este programa disca o número do telefone celular, se conecta ao controlador
programável e a partir de então, passa-se a ter acesso à operação da ETE como se estivesse conectado
localmente. O sistema de telemetria está funcional para o sistema digital utilizado pela empresa Telefônica
Celular (CDMA), uma das operadoras de telefonia celular do estado do Espírito Santo. É exigência para o
funcionamento do sistema de telemetria que o sinal no local da ETE seja digital e tenha uma boa intensidade.
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OPERAÇÃO DA ETE AUTOMATIZADA
Resultam do sistema de automação descrito:
•
Automação das operações:
-
lavagem dos biofiltros (BFs), em intervalos pré-programados;
controle das duas bombas da elevatória (B1 e B2), com alternância de funcionamento das mesmas,
visando o equilíbrio do número de horas de trabalho;
controle das duas bombas de aeração (A1 e A2), com alternância de funcionamento das mesmas, evitando
que um deles não venha a funcionar quando necessário.
•
Supervisão dos equipamentos com possibilidade de detecção de falhas:
-
bombas de aeração (A1 e A2);
bombas da elevatória (B1 e B2);
válvulas automatizadas dos biofiltros (V1, V2, V3 e V4);
válvula automatizada do UASB (V5);
chaves-bóia (N1, N2, N3 e N4);
compressor utilizado na automação das válvulas automatizadas.
•
Disponibilização de três opções de funcionamento do sistema de automação:
-
quase automático, com todas as operações sendo realizadas automaticamente;
supervisão, registrando as medições de vazão de esgoto e os eventos ocorridos, mas não efetuando
controles, com exceção da alternância das bombas da elevatória;
manual, com todos os sistemas de automação desligados e as operações sendo realizadas manualmente
por um operador.
-
No modo de operação quase automático, cabe ao operador efetuar a limpeza periódica do gradeamento e a
substituição de algum equipamento defeituoso. Deve ainda se dirigir à ETE toda vez que houver falhas de
operação, comunicadas via ligação telefônica.
Para operar no modo manual, uma chave localizada no painel deve ser acionada. Todos equipamentos passam
a ser acionados diretamente pelo operador.
CONCLUSÃO
Em laboratório, todos os algoritmos de controle e de detecção de falhas foram testados e apresentam-se
funcionando. Esses algoritmos são os programas que são executados nos controladores programáveis CP1 e
CP2. Na ETE experimental da UFES, fez-se o teste em campo dos controladores e automatizou-se a válvula
de descarte de um dos BFs. Na ETE comercial de Canivete, em Linhares - ES, um controlador programável
está instalado e operando há um ano. Este controlador efetua medições da vazão afluente e possui
implementada a telemetria utilizando um telefone celular digital pré-pago. Possíveis problemas em bombas
podem ser detectados e um operador pode ser contatado através de uma ligação telefônica feita pelo próprio
controlador.
Todos os equipamentos foram aprovados nos testes de confiabilidade, facilidade de operação e resistência ao
ambiente agressivo. Assim, no aspecto técnico, a automação completa de uma ETE está pronta. No momento,
aguarda-se apenas financiamento para sua implementação em uma ETE comercial.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1.
BF,S.S.,SANT´ANA,T.D., WANKE,R.,DA SILVA, G.M., SALIM, F.P.C., NARDOTTO,
J.I.,NETTO, E.S.,PEGORETTI, J.M. Novas ETEs compactas associando reatores anaeróbios e aeróbios
em série. XXVII CONGRESSO INTERAMERICANO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E
AMBIENTAL. João Pessoa, PB, 2001.
2.
MUNARO,C.J., BASTOS,L.P. Sistema de Automação de baixo custo para estações compactas de
tratamento de esgoto sanitário. XXVII CONGRESSO INTERAMERICANO DE ENGENHARIA
SANITÁRIA E AMBIENTAL. João Pessoa, PB, 2001.
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