03 out Avanços no Monitoramento em Tempo Real de Efluentes de Estações de Tratamento de Efluentes com Espectroscopia UV/VIS In Situ

 

Você já imaginou ter a capacidade de monitorar, de forma online e em tempo real, a carga poluente que entra em uma Estação de Tratamento de Efluentes (ETE)? Ou ter um acompanhamento contínuo da qualidade do efluente tratado da ETE? Dificuldade no monitoramento com análises pontuais dos eventuais picos de carga? Ou dificuldade em identificar anomalias na composição do esgoto bruto? Convidamos você a explorar nossas experiências práticas com sondas espectrométricas, bem como conhecer os benefícios operacionais e econômicos proporcionados por esse nível de conhecimento de uma ETE.

INTRODUÇÃO 

A eficiência de uma Estação de Tratamento de Efluentes (ETE) depende, em grande parte, do monitoramento regular dos parâmetros essenciais de tratamento. Isso não se limita apenas aos efluentes tratados, mas também se estende aos esgotos brutos que ingressam na ETE. Importante considerar que diversos fatores podem impactar diretamente na eficiência dos processos de tratamento a partir do esgoto bruto, incluindo a composição específica de cada afluente, as variações na concentração e na carga afluente, bem como a presença de substâncias atípicas ou até inibidoras.

O controle da eficiência das ETEs geralmente é realizado por meio de amostragens pontuais, com uma frequência que pode variar de acordo com a legislação local e o tamanho da ETE, indo desde uma vez por semana até uma vez por semestre. Essas análises servem para avaliar se no momento da coleta da amostra a eficiência do tratamento estava dentro dos padrões estabelecidos. No entanto, não permitem respostas operacionais imediatas, nem fornecem informações sobre a eficiência do tratamento em tempo integral, ou seja, 24 horas por dia, 7 dias por semana.

Como explicado em detalhes em nosso blog anterior, a vazão e a concentração do efluente bruto variam consideravelmente. Em geral, ETEs pequenas, com redes coletoras de menor extensão tendem a ser mais suscetíveis a essas flutuações, entretanto esse fenômeno ocorre em ETEs de todos os tamanhos. Além disso, as redes coletoras maiores tipicamente podem estar sujeitas a receber mais contribuições de esgotos de origem não doméstica, o que pode resultar em desafios operacionais a parte.

 

Figura 1: a equipe da Rotária do Brasil durante uma visita técnica à companhia de saneamento alemã “Berliner Wasserbetribe” em Berlim, para se informar sobre a prática de monitoramento das ETEs.

Figura 2: Instalação de sonda espectrométrica ISA UV/VIS pela equipe da Rotária do Brasil. Neste caso a sonda está sendo posicionada em um tanque de by-pass, ou seja, não diretamente no ambiente. 

 

No entanto, são nestes cenários de variação e de difícil monitoramento que as sondas espectrométricas UV/VIS in situ se destacam. A depender do local de instalação da sonda, elas podem desempenhar diferentes papéis em assegurar e otimizar a operação de uma ETE:

1. Localizada na Entrada da ETE/Efluente Bruto (foto 1 e 2):a sonda espectrométrica proporciona um controle preciso em tempo real das variações na composição do efluente. Isso não apenas permite a implementação de medidas operacionais adaptadas às demandas momentâneas, mas também oferece a capacidade de programar respostas específicas diante de possíveis contaminações atípicas.
2. Localizada na Saída da ETE/Efluente Tratado (também possível diretamente no efluente ou no bypass, conforme Foto 1 e 2):a sonda espectrométrica garante o monitoramento contínuo da qualidade do efluente tratado, assegurando que este esteja em conformidade com os padrões exigidos. Além disso, oferece a vantagem de introduzir alertas precoces que acionam adaptações operacionais antes que ocorra qualquer queda na eficiência do tratamento. 

 

Graças a essas opções, as sondas espectrométricas UV/VIS in situ permitem a adaptação ágil das operações às demandas reais, otimizando assim o funcionamento da ETE, garantindo sua eficiência e economizando os custos operacionais, por exemplo, relacionados à necessidade de atividade de controle, custo de energia elétrica (aeração) e ao uso de insumos químicos. 

 

PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DA SONDA DE ESPECTROFOTOMETRIA UV/VIS 

Dentre as tecnologias disponíveis para o monitoramento online dos parâmetros de qualidade nas Estações de Tratamento de Efluentes (ETEs), os espectrofotômetros se destacam como instrumentos promissores. Já amplamente empregados em indústrias químicas e farmacêuticas, esses dispositivos oferecem resultados rápidos e de fácil interpretação.

Os espectrofotômetros operam com base no princípio óptico, medindo a absorção de uma amostra ao longo de espectro da luz ultravioleta (UV) e visível (VIS). Isso significa que, diferentemente dos fotômetros, que se baseiam na absorção de um ou alguns comprimentos específicos, os espectrofotômetros consideram o espectro completo de absorção de luz.

Conforme ilustrado na Figura 3, na abertura do sensor ótico uma fonte emite um feixe de luz direcionado a um detector localizado no outro lado da abertura. Portanto, as substâncias presentes na água absorvem a luz em diferentes comprimentos de onda e intensidades, enquanto o restante da luz é detectado por um sensor, obtendo-se assim o espectro de absorção. Por sua vez, o espectro de absorção é relacionado com os valores dos parâmetros gravados na curva de calibração, apresentando assim o resultado da leitura.

 

Figura 3: Percurso do feixe de luz no canal da sonda UV/VIS, imersa no efluente que se pretende monitorar.
Figura 4: Espectro de absorção típica de uma amostra de efluente, incluindo os ranges em que cada parâmetro costuma ter seus picos de absorção.
Fontes: GO Systemelektronik GmbH. 

 

Por meio do espectro de absorção, é possível obter uma “impressão digital” de qualquer amostra, ou seja, podem ser detectados e quantificados certos contaminantes e substâncias na água que têm a capacidade de absorver luz dentro dos espectros UV/VIS. A sonda ISA UV/VIS destaca se por oportunidade de leitura de dos grupos de parâmetros:

Para os parâmetros de medição direta da absorção de luz na faixa UV/VIS a figura 4 mostra os exemplos para os parâmetros relevantes para o tratamento de esgoto: DBO, DQO, COT, SST, nitratos e nitritos. Além disso, têm-se registros de uma ampla variedade de substâncias em água com capacidade de absorção de luz no espectro UV/VIS. Adicionalmente aos mencionados na figura 2, citam-se:

1. Compostos Orgânicos,como hidrocarbonetos aromáticos, fenóis, ácidos orgânicos, proteínas, fármacos, corantes orgânicos, agrotóxicos, entre outros;
2. Íons Inorgânicos, Nitrato, Nitrito e Sulfato
3. Metais pesados, como cobre, ferro, cromo, mercúrio, entre outros

É fundamental ressaltar que as medições ópticas realizadas por espectrofotômetros fornecem resultados que se correspondem aos resultados equivalentes obtidos por meio de análises laboratoriais. Portanto, a confiabilidade do monitoramento está intrinsecamente ligada à prévia calibração do espectrômetro, a qual deve ser adaptada às particularidades de cada efluente em análise.

 

A capacidade de detecção e quantificação de várias substâncias em meio líquido através de sondas espectrométricas UV/VIS, em tempo real e sem a necessidade de processamento de amostras em laboratório, abre um leque de oportunidades não apenas no controle operacional de ETEs, mas também em várias outras aplicações.
Isso inclui o controle de descargas de efluentes industriais, a avaliação da qualidade dos recursos hídricos e a proteção das fontes de captação de água potável, entre outras possibilidades. 

 

E COMO É O ESPECTROFOTÔMETRO UV/VIS QUE A ROTÁRIA DO BRASIL TRABALHA?

A Rotária do Brasil tem trabalhado atualmente com o Analisador ISA UV/VIS, um espectrômetro de ponta desenvolvido pela renomada empresa alemã GO-Systemelektronik (Figuras 5 e 6).

 

Figuras 5 e 6: Sonda UV/VIS modelo ISA e controlador Blue Box, da marca alemã GO Systemelektronik.

 

O espectrômetro ISA UV/VIS se destaca de forma significativa quando comparado a outras marcas. Isso se deve principalmente a duas características distintas que o tornam excepcional para uma ampla variedade de aplicações no monitoramento de efluentes:

1. A abertura de leitura do sensor ótico (path length) do espectrômetro ISA UV/VIS é ajustável de 0,5 a 20 mm, o que é uma característica fundamental. Dependendo do tipo de efluente, diferentes aberturas do leitor óptico são necessárias.

• Efluentes com elevadas concentrações de substâncias, como efluente bruto, exigem uma abertura pequena para permitir a penetração da luz.
• Efluentes, como efluentes tratados ou até água potável, requerem aberturas maiores para garantir a detecção eficaz das substâncias.

Um espectrômetro com uma abertura fixa do leitor óptico geralmente só pode ser usado para efluentes com concentrações correspondentes. No entanto, a abertura ajustável do espectrômetro ISA UV/VIS permite que a mesma sonda seja aplicada em uma ampla variedade de meios líquidos, abrangendo águas ultrapuras com baixas concentrações de matéria orgânica até a avaliação de efluentes industriais altamente concentrados.

2. A calibração customizável (software open access) do espectrômetro ISA UV/VIS é outra característica diferencial em relação aos demais espectrômetros disponíveis no mercado. A maioria dos espectrômetros oferece curvas pré-configuradas (globais) para a leitura de 1 a 3 parâmetros específicos. Em contraste, o espectrômetro ISA UV/VIS, por sua vez, permite a elaboração e importação de uma “calibração local” ou “calibração específica”, para a escolha de qualquer parâmetro que se pretende monitorar. Além disso, a calibração customizável permite a adaptação precisa às características de cada efluente e a compensação específica de influências perturbadoras como turbidez e coloração, garantindo resultados extremamente precisos, mesmo em condições desafiadoras. 

Adicionalmente as caraterísticas distintas de espectrômetro ISA UV/VIS permitem sua calibração além dos parâmetros que apresentam absorção direta de luz na faixa UV/VIS (conforme Figura 4) a outras, de medição indireta que podem ser relacionadas as certas alterações estáticas dos espectros da cada efluente. No contexto do monitoramento de ETEs, se pode calibrar o espectro ISA UV/VIS aos parâmetros como Nitrogênio Total e Amoniacal, Fósforo Total e Ortofosfatos, Turbidez e Alcalinidade.

 

Duas características distintas – a abertura ajustável e a calibração personalizada – tornam o espectrômetro ISA UV/VIS uma ferramenta versátil para atender a diversas necessidades de monitoramento no setor do saneamento e dos recursos hídricos e ainda permitem que o mesmo equipamento seja utilizado de maneira eficaz em diferentes cenários. 

 

 

COMO TÊM SIDO AS EXPERIÊNCIAS DA ROTÁRIA DO BRASIL NA APLICAÇÃO DAS SONDAS ESPECTROFOTOMÉTRICAS ISA UV/VIS PARA O MONITORAMENTO ONLINE IN SITU DE ETES?

Alguns podem considerar que a teoria é promissora, mas como ela se traduz na prática? Serão os resultados da tecnologia de medição online por espectrômetros realmente tão convincentes a ponto de justificar o investimento e o esforço necessários para manter esses equipamentos?

 

Certamente, a resposta depende de cada aplicação, e conforme explicado escolhemos os espectrômetros ISA UV/VIS da empresa GO Systemelektronik exatamente devido à sua versatilidade, podendo ser calibrados com uma única sonda para diversos tipos de efluentes e uma ampla gama de parâmetros diferentes.

Para que todos possam formar sua própria opinião sobre o valor dos possíveis resultados, compartilhamos a seguir alguns gráficos elaborados a partir de dados reais, coletados em cases de efluentes brutos e tratados de ETE no Brasil que dispõem de monitoramento online e in situ via sonda espectrométrica ISA UV/VIS, sendo calibrada por Rotária do Brasil.

 

Figuras 7 e 8: Instalação da sonda ISA UV/VIS dentro de tanques de amostragem (bypass) na Casa de Operação das ETEs que foram projetadas, executadas e instrumentadas pela Rotária do Brasil. 

 

 

CASE 1: ISA UV/VIS MONITORANDO EFLUENTES BRUTOS NA ETE

Na Figura 9 constam os gráficos de dispersão relativos a variação da DQO, Nitrogênio total e Fósforo total no efluente bruto de uma ETE real em um mesmo mês.

 

Nos gráficos da Figura 9 se observa que, além da variação das concentrações de contribuição da ETE, inerente à própria geração de efluentes sanitários, o monitoramento da sonda ISA UV/VIS também possibilita a identificação e compreensão dos eventos de pico de carga. Nota-se que, na chuva de 35 mm registrada no dia 13, ocorre inicialmente um aumento significativo da concentração de DQO, N_total e P_total, marcado por um evento conhecido como first flush, onde nas primeiras horas de chuva ocorre a lavagem e o transporte de poluentes pela água da chuva até a ETE. Da mesma forma, nos momentos e dias subsequentes ao evento chuvoso se evidencia a redução da concentração devido diluição do efluente bruto com água da chuva (devido infiltrações na rede).

O monitoramento das concentrações dos parâmetros de entrada também pode ser associado ao monitoramento de vazão do efluente bruto, possibilitando assim a obtenção da variação da carga de entrada.

Figuras 12, 13, 14 e 15: Gráfico da carda média horário de efluente bruto de uma ETE de DQO (superior, Figuras 12 e 13) e Fósforo total (inferior, Figuras 14 e 15) em setembro (esquerda, Figuras 12 e 14) e dezembro (direita, Figuras 13 e 15).

 

O monitoramento em tempo real da DQO, em conjunto com a medição do oxigênio dissolvido nos reatores, é importante neste caso para o ajuste automatizado da aeração, de modo a corresponder à carga de entrada real da ETE, economizando energia e garantindo a eficiência constante do tratamento.

O monitoramento da carga de fósforo no efluente bruto, por sua vez, possibilita a automação da dosagem de precipitante (Cloreto Férrico) e de alcalinizante. Desta forma, promove-se o aumento da eficiência na remoção de fósforo, evitando a sobredosagem em momentos de baixa carga ou o subdosagem em picos de concentração. Isso assegura a estabilidade de operação além de possibilitar uma economia significativa de consumo produtos químicos.

Da mesma forma, o monitoramento do efluente bruto possibilita a identificação de concentrações “incomuns” ou despejos irregulares que se desviam da normalidade operacional da ETE em questão. Esses dados desses momentos podem, por sua vez, ser integrados a sistemas de alerta em tempo real e incorporados à operação da ETE para uma resposta ágil e eficiente.

 

Alguém tem conhecimento sobre quais cargas estão sendo tratadas em sua ETE?
Os Gráficos 9, 10 e 11 mostram as grandes variações nas concentrações de DQO, Ntotal e Ptotal no efluente bruto ao longo do dia e depende das condições do tempo, por exemplo. Nesta base podemos imaginar quão representativas são as amostras simples, mesmo que sejam coletadas frequentemente. A espectrometria online “torna os efluentes transparentes” e ajuda a identificar as demandas reais para as condições de tratamento, possibilitando uma série de opções para maior economia e ajustes operacionais para cada ETE.

 

CASE 2: ISA UV/VIS MONITORANDO EFLUENTES TRATADO NA ETE

O monitoramento em tempo real do efluente tratado possibilita um conhecimento completo e, consequentemente, o controle continuo da eficiência do tratamento. Isso permite também ações preventivas e precisas ao observar tendências de queda na eficiência do sistema.

Os gráficos 16 e 17 abaixo apresentam as concentrações dos parâmetros de DQO, Nitrogênio Amoniacal e Nitrato-N no efluente de uma ETE real ao longo de um período de 20 dias. Os resultados são exibidos no formato de boxplot, permitindo a visualização da média e a comparação com a mediana, bem como a identificação da faixa onde a maioria dos dados se encontra (25-75%) e os valores máximos e mínimos. Importante mencionar que a tecnologia aplicada nesta ETE é baseada em lodo ativado de aeração prolongada, utilizando o conceito de “Lagoa SBR”. Isso permite, principalmente, a oxidação completa de matéria orgânica (DBO e DQO), além dos processos de nitrificação e desnitrificação.

 

Figura 16: Gráfico box-plot com monitoramento de DQO no efluente tratado de uma ETE (tecnologia Lagoa-SBR/Lodo ativado aeração prolongada).

Observa-se na Figura 16 que, para os resultados de DQO, a média e a mediana estiveram próximas na maior parte dos dias, sem a presença significativa de eventos de pico. No mês em questão, a média de DQO no efluente tratado foi de 66 mg/L (calculado neste caso com base nos resultados online da sonda ISA UV/Vis).

Para acompanhar o processo de nitrificação na ETE, é possível monitorar geralmente o parâmetro nitrato (NO₃-N) no efluente tratado com as sondas espectrométricas, uma vez que ele possui um espectro característico de absorção, como mostrado na Figura 4. Além disso, conforme ilustrado na Figura 17, é possível calibrar a sonda ISA UV/VIS também para medir o parâmetro de nitrogênio amoniacal (NH₄-N), obtendo resultados absolutamente impressionantes e convincentes em sua precisão:

 

Figura 17: Gráfico box-plot com monitoramento de Nitrogênio Amoniacal e Nitrato-N no efluente tratado de uma ETE (tecnologia Lagoa-SBR/Lodo ativado aeração prolongada).

É possível notar na Figura 17, somente por meio do monitoramento do efluente tratado com a sonda ISA UV/VIS, durante o mês em questão, uma diminuição gradual da eficiência do processo de nitrificação, evidenciada tanto pelo aumento progressivo do nitrogênio amoniacal quanto pela redução gradual do nitrato. Isso claramente indica limitações no processo de nitrificação. Da mesma forma, após as medidas tomadas a partir dos dias 18 e 19, o processo de nitrificação foi retomado a níveis satisfatórios, com a elevação gradual dos níveis de nitrato e a redução dos níveis de nitrogênio amoniacal.

Neste caso, de processo aeróbios de tratamento, a oportunidade de monitorar a estabilidade na eficiência de remoção de matéria orgânica (DQO) além de compostos nitrogenados, permite o controle sobre a demanda real a oxigênio (tempo e força de aeração), resultando em economia de energia e melhoria na eficiência do tratamento. Os resultados do efluente tratado podem ser integrados aos sistemas de alarme da ETE para uma indicação prévia de qualquer tendência a irregularidade, permitindo ação imediata na prevenção do problema.

 

As vantagens da oportunidade de monitoramento online do efluente tratado para parâmetros -chave de qualidade, como DQO, DBO, nitrogênio amoniacal e nitrato, vem como turbidez ou SST, provavelmente são evidentes. No entanto, é importante destacar que o uso desta tecnologia de monitoramento não se limita as grandes ETEs, pelo contrário, as ETEs de menor porte, para as quais a presença de operadores 24/7 não é viável, podem ser monitoradas e controladas remotamente com grande eficácia por meio das sondas espectrométricas. 

 

CONCLUSÃO

Demonstramos que a tecnologia de espectroscopia UV/VIS e, especificamente, a sonda espectrométrica ISA UV/VIS, se mostrou uma ferramenta versátil para atender a diversas necessidades de monitoramento em tempo real de vários parâmetros, tanto no efluente bruto) quanto no efluente tratado de uma ETE, trazendo uma série de benefícios notáveis para a operação de sistemas de saneamento.

A combinação com uma automação inteligente contribui para a estabilidade na eficiência dos processos de tratamento e, ao mesmo tempo, para uma maior eficiência energética, permitindo economia de recursos e redução de custos operacionais. Além disso, permite a identificação precoce de possíveis problemas no processo, garantindo um tratamento mais consistente e confiável.

Além de seu papel fundamental no saneamento, essa tecnologia também tem potencial para aplicação em outros campos, como o monitoramento ambiental de corpos receptores, rios, captações de água potável e muito mais.

Nós oferecemos nossos serviços de calibração e manutenção desses excelentes equipamentos de medição espectrométrica ISA UV/VIS e estamos ansiosos para explorar novas áreas de aplicação e enfrentar novos desafios junto com nossos clientes.