Avaliação de sistemas de medição para controle de processo em tempo real em uma estação de tratamento de esgoto sanitário que utiliza reatores UASB

Orientador: Prof. Dr. Miguel Mansur AisseCoorientador: Prof. Dr. Mauricio Pereira CantãoTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Ambiental. Defesa : Curitiba, 26/02/2019Inclui referências: p.145-154Resumo: Uma tecnologia bastante empregada para o tratamento de esgoto sanitário é o reator UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket). O trabalho buscou a avaliação de sistemas de medição para controle de processo em tempo real numa Estação de Tratamento de Esgoto (ETE) sanitário que utiliza reatores UASB. Os objetivos específicos foram: 1) avaliar o sensor na medição da DQO e dos SST, do esgoto sanitário em uma ETE que emprega reatores tipo UASB; 2) avaliar os sensores na medição do biogás, gerado de esgoto sanitário, em uma estação de tratamento que emprega reatores tipo UASB; 3) avaliar os métodos de caracterização metrológica, incluindo a análise de incertezas da medição do esgoto e biogás; 4) avaliar economicamente o uso do sensor de DQO e SST. Os trabalhos foram desenvolvidos em uma ETE de médio porte localizada na cidade de Curitiba-PR, que conta com uma vazão de projeto de 420 L/s, correspondente a uma população de 235.000 habitantes. Foram avaliados o uso do sensor ultrassônico na medição de vazão de esgoto, o uso do sensor de espectroscopia UV-Vis (sonda) na medição da DQO e dos SST, o uso de sensores de medição, quantitativa e qualitativa, do biogás (vórtice, dispersão térmica, infravermelho não dispersivo, eletroquímico),foram avaliadas as principais características metrológicas, incluindo a análise das incertezas dos sensores Os resultados foram analisados por meio da estatística descritiva, utilizaram-se o R2, RMSEREL, RSR e o teste de t-Student presumindo médias equivalentes, com nível de significância de 0,05, teste bilateral. A sonda para medir DQO e SST demonstrou que a calibração local linear foi a que melhor se adaptou ao afluente e efluente do UASB. Constatou-se que existe um aumento nos erros de medição na operação contínua da sonda, o que indica uma perda na efetividade do equipamento de medição e a necessidade de uma limpeza manual periódica, a cada 3 dias nas condições estudadas. Na medição de vazão de biogás, os dois medidores testados não apresentaram diferenças estatisticamente significativas, porém o medidor de dispersão térmica mostrou-se mais sensível para vazões menores. Foram obtidos picos de vazão de biogás diferentes daqueles já relatados em outros estudos, a vazão descreveu curvas padrão com período de 24 horas, as vazões máximas ocorreram tipicamente entre às 0 e 3 horas do dia e aproximadamente às 15 horas e as mínimas entre às 6 e 9 horas. Durante o período de estudo, a vazão média de biogás disponibilizada pelos reatores UASB foi de (36,46 ± 12,35) Nm3 h-1. Foram apresentados os comportamentos no tempo de diferentes parâmetros do esgoto, como a carga orgânica de entrada e de saída e a carga orgânica removida na ETE. A carga orgânica removida, em média de 48%, apresentou correlações com os parâmetros: vazão de biogás, percentual de CH4, percentual de CO2 e concentração de H2S. Foram calculadas as incertezas para cada sensor utilizado segundo as diretrizes reportadas no GUM. As principais contribuições à incerteza da sonda baseada em espectroscopia UV-Vis estão associadas às incertezas tipo B, especificamente ao certificado de calibração e às referências históricas. Para os medidores de vazão de biogás, as principais contribuições estão associadas à repetibilidade e às incertezas oriundas do certificado. No entanto, no medidor de vazão de esgoto obteve-se que a maior contribuição percentual da incerteza ocorre para a análise estatística da série de observações (incertezas tipo A). Constatou-se que o medidor de qualidade de biogás teve como principais contribuições à incerteza, aquelas associadas à reprodutibilidade e às incertezas oriundas do certificado, durante a mensuração de CH4 e CO2; concluise que a prioridade de melhoria de incerteza para o equipamento durante a mensuração de O2 e H2S reside na reprodutibilidade e repetibilidade. Demonstrou-se, por meio do cálculo do VPL e por custo unitário de análise, que existe a possibilidade da viabilidade econômica do sistema de medição pela técnica espectrométrica, quando se compara com a máxima frequência de análise empregada na ETE para um período de 5 anos e uma taxa de 10%. Além disso, a pesquisa serviu para discutir benefícios dos sistemas de medição. PALAVRAS-CHAVE: Análise de Incertezas, Biogás, Espectroscopia UV/VIS, Sensores de Qualidade/Composição de Biogás, Sensor de DQO.Abstract: One technology used to treat sewage is UASB (Upflow anaerobic sludge blanket). The work sought the evaluation of measurement systems for real time process control in a sewage treatment plant (ETE) using UASB reactors. The specific objectives were: 1) to evaluate the sensor in the measurement of COD and TSS of sanitary sewage in an ETE that uses reactors of the UASB type; 2) to evaluate the sensors in the measurement of biogas, generated from sanitary sewage, in a treatment plant that uses UASB type reactors; 3) to evaluate the methods of metrological characterization, including the analysis of the uncertainties of the measurement of sewage and biogas; 4) to economically evaluate the use of COD and SST sensors. The works were developed in a medium-sized ETE located in the city of Curitiba- PR, which has a project flow of 420 L / s, corresponding to a population of 235 thousand inhabitants. The use of the ultrasonic sensor in the measurement of sewage flow, the use of the UV-Vis spectroscopy sensor (probe) in the COD and SST measurement, the use of quantitative and qualitative biogas measurement (vortex, thermal dispersion, infrared dispersive, electrochemical), the main metrological characteristics were evaluated, including the analysis of sensor uncertainties. The results were analyzed through descriptive statistics, using R2, RMSEREL, RSR and Student's t-test, assuming equivalent means, with significance level of 0.05, bilateral test. The probe for the measurement of COD and SST showed that the local linear calibration was the one that best adapted to the UASB effluent and effluent. It has been found that there is an increase in measurement errors in the continuous operation of the probe, which indicates a loss in the effectiveness of the measuring equipment and the need for periodic manual cleaning every 3 days under the conditions studied. In the measurement of the biogas flow, the two meters tested did not show statistically significant differences, but the thermal dispersion meter showed to be more sensitive for smaller flows. Biogas flow peaks different from those reported in other studies were obtained, the flow described standard curves with a 24 hour period, peak flows typically occurred between 0 and 3 hours per day and approximately 15 hours and the minimum between 6 and 9 hours. During the study period, the average flow of biogas available in the UASB reactors was (36.46 ± 12.35) Nm3 h-1. The temporal behavior of different sewage parameters, such as the inlet and outlet organic load and the organic load removed in the TEE, were presented. The organic load removed, on average 48%, showed correlations with the parameters: biogas flow, percentage of CH4, percentage of CO2 and concentration of H2S. The uncertainties were calculated for each sensor used according to the guidelines reported in the GUM. The main contributions to the uncertainty of the probe based on UV-Vis spectroscopy are associated with type B uncertainties, specifically the calibration certificate and historical references. For biogas flowmeters, the main contributions are associated with the repeatability and uncertainties arising from the certificate. However, in the sewer meter it was obtained that the largest percentage contribution of the uncertainty occurs for the statistical analysis of the series of observations (uncertainties type A). It was verified that the biogas quality meter had as main contributions the uncertainty, those associated to the reproducibility and the uncertainties of the certificate, during the measurement of CH4 and CO2; It is concluded that the priority to improve the uncertainty of the equipment during measurement of O2 and H2S lies in reproducibility and repeatability. It was demonstrated, through the calculation of the NPV and the unit cost of analysis, that there is the possibility of the economic viability of the measurement system by the spectrometric technique when compared with the maximum frequency of analysis used in the ETE for a period of 5 years. years and a rate of 10%. In addition, the research served to discuss the benefits of measurement systems. KEY WORDS: Uncertainty Analysis, Biogas, UV / VIS Spectroscopy, Quality/Composition Sensors, COD sensor