Real time monitoring of solids by a low-cost ultrasonic sensor : signal analysis and application in full-scale activated sludge systems and UASB reactors

Abstract

Um dos ​​​​​principais aspectos para o controle operacional das Estações de Tratamento de Esgoto (ETEs) está relacionado ao gerenciamento do lodo. Os sistemas de tratamento de esgoto, aeróbios ou anaeróbios, necessitam de um controle adequado da concentração de sólidos em seus reatores. A falta desse controle pode gerar uma sobrecarga de sólidos que deteriora a qualidade do efluente tratado e, consequentemente, o corpo hídrico receptor. O monitoramento em tempo real de sólidos pelo sensor ultrassônico (sensor US) diretamente nos reatores biológicos de tratamento de esgoto é uma alternativa à medição manual e possibilita uma resposta mais rápida ao operador, menor mão-de-obra e um menor custo energético. O sensor US se baseia na técnica pulso-eco para determinação da concentração de sólidos através da atenuação do sinal ultrassônico. Para o uso mais adequado do sensor, a determinação dos fatores intervenientes a sua medição foi realizada. Testes em escala de laboratório mostraram que o tipo de sólido, temperatura e a presença de bolhas podem interferir na leitura do sensor. Para temperatura, o próprio sensor pode medi-la e corrigir sua medição, no entanto, um modelo ainda precisa ser consolidado para a compensação considerando uma coleta contínua de dados. Em testes em escala real foram avaliados primeiramente um reator UASB (Upflow Anaerobic SLudge blanket), de grande escala, porém não houve correlação de sólidos totais (ST) com a atenuação do sensor. O sensor esteve localizado na região lateral do reator UASB, possivelmente o posicionamento do sensor seja um fator importante a ser considerado, uma vez que foi testado com sucesso em um reator UASB escala demonstração, sendo posicionado ao centro do reator. O sensor foi também aplicado em duas ETEs na Holanda, em sistemas de lodos ativados. Nesse caso ele foi posicionado em unidades de carrossel e comparado com um sensor de sólidos óptico comercial. Na primeira ETE (ETE Grou), de pequeno porte, o sensor mostrou medições compatíveis com o teste gravimétrico de sólidos suspensos totais (SST) duraten o período de uma semana. As medições mantiveram compatíveis durante testes da ETE Leeuwarden, uma ETE de médio porte. Considerando um período de 5 semanas, a estimativa de SST pelo sensor ultrassônico obteve um erro relativo de 1,14% , enquanto o sensor óptico 1,02% em relação ao teste gravimétrico. Após a terceira semana, no entanto, o US sensor superestimou a concentração de SST, apresentando valores de até 0.08%, enquanto o sensor óptico e o teste gravimétrico mantiveram medições próximas de 0.3%. Esse resultado é um indicativo da necessidade de calibração mensal do sensor. Um dos principais problemas encontrados na aplicação em escala real foi o acúmulo de sólidos no tubo de suporte do sensor, notadamente fios de cabelo, que demandam uma limpeza frequente por parte dos operadores. Testes com um suporte para a superfície refletora do sinal mais limpa e com menos possibilidades de aderência dos sólidos devem ser realizados. O sensor US se mostrou uma tecnologia ainda promissora para competir no mercado com sensores de baixo custo, com a manutenção e comunicação facilitada por se tratar de uma tecnologia nacional.