Introdução - Tratamento de Água.

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Side stream Airlift TM MBR
SIDE STREAM AIRLIFT MBR
DESENVOLVIMENTO E APLICAÇÃO BEM SUCEDIDA DA NOVA GERAÇÃO DE MBR
Atribuição:
Marcelo Bueno 1 , Ronald van’t Oever 2 and Stephan van Hoof 3
1 Pentair Water do Brasil, Rua Mário Borin, 160, Jundiaí/SP, Brasil,
marcelo.bueno@norit.com.br
2 X-Flow BV, Marssteden 50, Enschede, The Netherlands, Ronald.vantOever@pentair.com
3 Pentair Water Process Technology BV, Marssteden 50, Enschede, The Netherlands,
Stephan.vanHoof@pentair.com
Introdução
Um das mais recentes aplicações da tecnologia de membrana é o bio-reator com membrana
(MBR). O MBR é a combinação ideal de bactérias para reduzir o material orgânico contido
no efluente e a tecnologia de membrana para remover o material partículado produzindo
assim água de alta qualidade para reuso.
A primeira geração de MBRs foi desenvolvida a cerca de 20 anos para aplicações industriais
e as membranas utilizadas eram as tubulares de fluxo cruzado para tratar efluentes
relativamente com alto teor de sólidos. O bio-reator (BR) e a planta de membrana eram
unidades de processo separadas. A vantagem do melhor controle na formação da camada
de fouling que proporcionava um fluxo constante era compensada pela complexidade e alto
consumo de energia e consequentemente não era viável para tratar efluentes municipais.
O MBR tornou-se atraente em vazões maiores com a introdução de ar usado para restaurar
o fluxo através da membrana melhorando hidraulicamente e resultando numa significante
redução do consumo de energia comparada ao MBR de fluxo cruzado. Por conseqüência, o
MBR tornou-se viável em reuso de efluentes municipais levando à 2ª geração de MBRs.
Na segunda geração de MBR as membranas são submersas no BR. Este não é um arranjo
ideal já que o BR requer uma boa transferência da massa de oxigênio utilizando “bolhas
finas” de ar, enquanto que a membrana exige “bolhas grossas” de ar para ter um fluxo
adequado e controlar o fouling na superfície da membrana. Este problema foi resolvido
separando o tanque BR do tanque de membrana submersa, assim cada um pode ser
operado em condições otimizadas. Embora os sistemas de membrana submersas na sua
segunda geração alegam ter baixo consumo de energia, pequena área de implantação e
poder ser adaptado a BRs existentes, estes não são ideal por causa do baixo controle das
variáveis operacionais, manutenção difícil, fluxo relativamente baixo e risco de biocontaminação.
Para superar as deficiências da segunda geração MBR a X-Flow desenvolveu, por mais de
7 anos, a terceira geração em MBR para reuso municipal usando sua habilidade da primeira
geração MBRs. A terceira geração usa módulos de membrana tubulares verticais colocados
fora do BR com dispersão de ar para controlar o fouling da atividade biológica na superfície
de membrana. O Airlift TM MBR é energeticamente eficiente, requer pequena área para
implantação, simples automação e manutenção, usa membranas robustas com grande vida
útil e produz água de UF de alta qualidade.
Este documento apresenta o desenvolvimento do produto através da comprovação do
conceito com planta piloto, testes em planta de demonstração para otimizações técnica e
comercial e apresentação de estudo de casos em instalações comerciais.

Objetivos do desenvolvimento
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Side stream Airlift TM MBR
O objetivo principal para o desenvolvimento do Airlift TM MBR foi produzir água de alta
qualidade usando degradação biológica
e filtração com membranas no mais
baixo custo total e ainda com o controle
e operação do sistema simplificado
quando comparado com MBR submerso.
Membranas posicionados ao redor do tanque
BR (Palm Island, Dubai. 17000 m³/d)
Airlift TM Conceito de Projeto
Nossos objetivos para alcançar o
objetivo principal eram:
1. Usar UF como filtração (água de alta
qualidade)
2. Operar em alto fluxo (baixo
CAPEX/OPEX)
3. Baixo consumo de energia (baixo
OPEX)
4. Membrana de vida longa (baixo
OPEX)
5. Posição do sistema de membrana fora
de tanques (fácil manutenção)
6. Área de instalação reduzida (baixo
CAPEX)
Como o BR é uma tecnologia estabelecida nas soluções MBR, focamos nossos esforços de
projeto no sistema de membrana o que levou ao desenvolvimento do sistema da UF Airlift TM
usando membranas para separar a fase líquida (efluente) do MLSS no BR.
O sistema de UF recebe MLSS do BR por meio de
uma circulação controlada por bomba centrífuga. A
bomba de circulação é usada para assegurar um
fluxo relativamente contínuo de lodo da base para o
topo das membranas
No sistema Airlift, o módulo da membrana é
montado verticalmente, é uma modificação em
relação ao convencional sistema de fluxo-cruzado
onde as membranas são usadas na horizontal.
A posição vertical permite que o fluxo seja mantido
tanto pela bomba de circulação quanto pela injeção
de ar na base do módulo da membrana, circulando o
MLSS pelo efeito do “air-lift”.
A injeção de ar fornece alta turbulência na superfície
da membrana para manter o fluxo do sistema.
O benefício apurado no modelo Airlift TM é o uso
comprovado da tecnologia de membrana tubular com
significativa redução do consumo de energia.
A produção de permeado no modelo Airlift TM é regulada por uma bomba de permeado
dedicada.
Um intermitente e curto contra fluxo vindo da bomba de contra lavagem também ajuda a
manter a taxa de alto fluxo.

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Este conceito utiliza módulos de membranas montados pela Pentair X-Flow membrana
tubular de DI 5.2 mm. As membranas são fabricadas usando PVDF na parte interna de um
tubo de poliéster e tem um poro de tamanho
máximo de 35 nanometros (0.035 µm).
Modulo de Membrana Tubular
Comprovação do Conceito
Estas membranas tem sido usadas em
aplicações industrial e municipal por mais de
20 anos e com vida útil que em algumas
aplicações superam os 10 anos.
Foram conduzidos vários estudos em plantas piloto e demonstração por mais de 5 anos,
período este para comprovar o conceito e estabelecer a capacidade do conceito.
O primeiro piloto foi operado na Áustria no final dos anos 90 em associação com
universidades locais e uma empresa de engenharia. No BR efluente municipal e inicialmente
usados os módulos piloto de membrana tubular de 75mm, mais tarde no momento em que
as condições de operação estabilizaram avançou-se para módulos comerciais de 200mm.
Mais adiante a planta foi ampliada de forma modular e otimizada. Os resultados, planilhados
abaixo, fixaram as condições de operação estabelecendo a capacidade do conceito.
Resultado dos Testes do Piloto Austríaco
Fluxo l/m2.h 45 – 60
Vazão de circulation m3/h 25
Vazão de Airlift Nm3/h 15
Fluxo de contralavagem l/m2h 350
Intervalos Filtração / contra-lavagem 7 min / 4 seg
MLSS g/l 9 – 13
Um segundo piloto foi instalado na Holanda, onde inicialmente um piloto de modulo único foi
comparado com sistemas submerso operando na mesma planta. Uma empresa holandesa
de engenharia e consultoria (DHV, Amersfoort) conduziu os testes em cooperação com a
responsável pelo tratamento de água e esgoto (Stowa).
Um rápida pilotagem nesta segunda planta e os ajustes iniciais foram estabelecidos, esta
planta na cidade de Ootmarsum no leste da Holanda possui uma ETE municipal e
incorporado um sistema Pentair X-Flow Airlift MBR de 3500 m³/d. Esta planta foi
comissionada em setembro de 2007 e abaixo estão os parâmetros de operação na época do
piloto.
Resultados do Piloto Ootmarsum
Fluxo l/m 2 .h 45 – 60
Vazão de circulation m 3 /h 20
Vazão de Airlift Nm 3 /h 10
Fluxo de contralavagem l/m 2 h 350
Intervalos Filtração / contra-lavagem 7 min / 7 seg

MLSS g/l 10 – 14
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Uma visualização da performance típica do piloto de Ootmarsum é mostrada abaixo.
Gráfico de pressão tras-membrana (tmp), fluxo e permeabilidade do piloto na Holanda
O terceiro piloto a ser descrito está em San Diego, California, e alcançou aprovação pela
Pentair X-Flow para a parceria com a Parkson Corporation. Dados de operação típica do
piloto está planilhada abaixo.
Pico Média
Tempo 2 horas (2xdia) Exceto durante pico
Fluxo 76.5 lmh 51 lmh
Vazão de Circulação 21,6 m³/h 15,9 m³/h
Vazão de Airlift 10 m³/h 10 m³/h
Fluxo de Contra-lavagem 408 lmh 408 lmh
Tempo de Contra-lavagem 6 segundos
Intervalos 10 minutos
Dreno A cada 24 contra-lavagens
MLSS 10 – 11 g/l
OD 1.7 mg/l
Dados do relatório planta de San Diego; MWH, Oct. 2006
O nível do fluxo (e potência consumida) medido na planta piloto permaneceu estável para
taxa de fluxo por volta de 50 lmh e também no pico de fluxo de 75 lmh duas vezes por dia
durante 2 hrs, significativamente maior que o MBR submerso. O fluxo de pico está projetado
para controlar as variações diurnas que ocorrem na vazão de alimentação.

Visualização da performance típica do piloto de San Diego é mostrada abaixo.
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Gráfico da pressão trans-membrana (tmp), fluxo e permeabilidade – piloto San Diego.
Alguns Destaques dos Resultados
Durante os últimos anos a otimização da planta reduziu o consumo de energia de
Energy consumption
membrane section [kWh/m3]
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
Specific energy consumption AL-MBR
under nominal conditions
0
05/09/2005
25/10/2005
14/12/2005
02/02/2006
24/03/2006
Date
13/05/2006
02/07/2006
21/08/2006
0.55kWh/m 3 para
0.25 kWh/m 3 de água
ultrafiltrada; entre os
mais baixos da
indústria até hoje.
Otimizando o fluxo
hidráulico e a taxa do
fluxo de ar na
distribuição do
dispositivo de
aeração na base da
membrana, obtevese
ganhos
significantes em fluxo
e consumo
energético.

Melhoria na Distribuição de Ar
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Em busca de melhorar o processo de uma das funções críticas do sistema que é a
distribuição de ar pela base da membrana tubular. Vários projetos de distribuidor de ar foram
testados visando à otimização da distribuição de ar.
Primeiro projeto com 3 tubos de distribuição Último projeto com aeração cilíndrica
Uma importante função (patenteada) foi adicionada com o último projeto para acabar com o
fouling por detritos (ex. cabelos) no módulo de membrana tubular. Usando uma drenagem
do módulo de 2 a 3 vezes ao dia, qualquer formação na base do módulo é removida
resolvendo desta maneira um freqüente problema encontrado no MBR submerso.
Comprovação do Conceito para a Realidade de Mercado
Durante mais de 7 anos o MBR Pentair Airlift TM comprovou em pilotos e em plantas de
escala industrial a capacidade de usar membranas numa instalação limpa com skid de
membrana facilmente operada instalada externamente ao BR.
Operadores esperam operar plantas de MBR apenas pelo IHM. Agora isto é uma realidade
já que, até mesmo a limpeza da membrana pode ser executada automaticamente ou com o
aperto de um botão, sem ter que manusear módulos cobertos de efluente
Atualmente várias pequenas plantas estão em operação nos EUA e inúmeras grandes
plantas estão em construção na Europa e no Oriente Médio.
As plantas operando nos EUA estão tratando efluente municipal em pequenas comunidades
e fotos de duas destas plantas, operando desde de 2004 são mostrandas abaixo.
Glen Meadows 380 m³/d Saddle Ridge 190 m³/d

Grandes Plantas Municipais
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Inúmeras plantas de grande escala estão agora em construção. A instalação limpa de uma
planta pode ser vista nos exemplos mostrados abaixo.
Holanda: Ootmarsum, Estação de Tratamento de Efluentes Municipal 3500 m³/d
Dimensionado com 6 skids idênticos para tratar variações de volume e qualidade.
Acima – Ootmarsum BR mostrando linhas de retorno vindo dos skids de membrana.

EUA
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Port of the Islands (760 m³/d) Millsborough, ETE Municipal (4.200 m³/d)
Oriente Médio
A Palm Jumeirah em Dubai é uma ilha de bens imóveis desenvolvido com fornecimento de
água potável por dessalinização com OR e água de reuso 17.000 m³/d com MBR Pentair X-
Flow UF Airlift TM atualmente em construção.
Conclusão
O desafio original de encontrar um modo para aplicar membranas tubular externa nas
aplicações de MBR num custo total e vida pelo menos igual ou melhor que o MBR submerso
foi alcançado enquanto ainda oferece um área de implantação pequena, facilidade de
automação e manutenção simples.
A TERCEIRA geração de MBR é agora uma realidade comercial.