TÍTULO: AUTOMAÇÃO E CONTROLE EM TANQUES DE COAGULAÇÃO E FLOCULAÇÃO EM UM SISTEMA DE TRATAMENTO DE ÁGUA INDUSTRIAL PARA REUSO.
TÍTULO:
CATEGORIA: EM ANDAMENTO CATEGORIA:
ÁREA: ENGENHARIAS E ARQUITETURA ÁREA:
SUBÁREA: ENGENHARIAS SUBÁREA:
INSTITUIÇÃO: FACULDADE DE JAGUARIÚNA INSTITUIÇÃO:
AUTOR(ES): VINICIUS BATAGLIA BRIDI AUTOR(ES):
ORIENTADOR(ES): FLÁVIA PIZZIRANI ORIENTADOR(ES):
AUTOMAÇÃO E CONTROLE EM TANQUES DE
COAGULAÇÃO E FLOCULAÇÃO EM UM SISTEMA
DE TRATAMENTO DE ÁGUA INDUSTRIAL PARA
REUSO.
AUTOMATION AND CONTROL IN COAGULATION AND FLOCULATION TANKS IN AN INDUSTRIAL WATER TREATMENT SYSTEM FOR REUSE.
Bridi, Vinicius Bataglia. Faculdade de Jaguariúna
Resumo: O constituinte mais abundante do planeta Terra é a água, mas sabe-se que menos de 3% desse volume são de água doce, e a maioria concentra-se em geleiras e neves, restando menos de 1% disponível para consumo no planeta. O Brasil é um grande beneficiado em relação à disponibilidade de água, pois possui inúmeros rios, dentre eles o maior do planeta, o Amazonas. Mas apesar de toda sua disponibilidade de água, o país ainda sofre pela falta de água em suas regiões. A indisponibilidade de água dá-se em decorrência do desperdício da população. Hoje o tratamento da água é muito importante para fazer-se o reuso, seja ele para uso em jardins, banheiros, casas e também para o descarte no corpo receptor, pois o descarte da água contaminada é prejudicial para toda flora, fauna e população. O estudo baseia-se no processo de automação e controle no tratamento da água utilizada no processo fabril em uma indústria automobilística, garantindo mais confiabilidade e qualidade do processo operacional. O controle é fundamental para o projeto, que estima melhor qualidade da água e menor desperdício dos produtos que são utilizados no tratamento.
Palavras-chaves: ETA, controle, automação, água.
Abstract: The most abundant constituent of planet Earth is water, but less than 3% of this volume is freshwater, and has a higher concentration in glaciers and snow, leaving less than 1% available for consumption on the planet. Brazil is a great beneficiary in relation to the availability of water, because it has numerous rivers, among them the largest on the planet, the Amazon. But despite its availability of water, the country still suffers from lack of water in its regions. The unavailability of water is a consequence of the despair of the population. Today, water treatment is very important for reuse, for use in gardens, bathrooms, homes and also for disposal in the receiving body, or disposal of contaminated water. The study is based on the process of automation and control in the treatment of water is not a manufacturing process in an automotive industry, ensuring more reliability and quality of the operational process. Control is critical to the design, it is estimated better water quality and less waste of products that are used in the treatment.
INTRODUÇÃO Em meio a uma das mais graves crises de abastecimento no Brasil, um relatório do governo federal mostra que 37% da água tratada para consumo é perdida antes de chegar às torneiras da população. (LOBEL, 2015). Fazendo uma comparação com outros países como Estados Unidos (EUA), que é de 12%, e França, em que o desperdício é de apenas 9%. Conclui-se que o tratamento do Brasil é desejar em relação a grandes centros mundiais, essa água desperdiçada no tratamento, faz falta e torna-se um dos fatores para crises hídricas enfrentadas pelo país.
Embora o Brasil possua 12% da água doce disponível no planeta, a oferta não é uniforme no território nacional. A maior parcela dos recursos hídricos encontra-se na Região Norte, distante dos centros urbanos onde se concentra a maioria da população brasileira e que estão, historicamente, localizados na faixa litorânea. Já não é incomum a falta de água nas grandes cidades, pela conjugação de fatores tais como o consumo intensivo e a baixa disponibilidade e hídrica, devida entre outras causas, à poluição dos mananciais. (CRIVELLA, 2007).
A água é o principal vetor de transmissão de doenças infecciosas. Dentre as instalações de saneamento ambiental, os sistemas de abastecimento de água são os que provocam maior impacto na redução das doenças infecciosas. A água contém sais dissolvidos, partículas em suspensão e microrganismos, que podem provocar doenças, dependendo de suas respectivas concentrações. (TSUTIYA, 2004)
Uma estação de tratamento de água inadequada ou com falhas no seu processo pode trazer riscos à saúde da população, o seu descarte no leito receptor contará com partículas de materiais refratários gerado no processo fabril.
Segundo Anderson (1997), entre 1980 e 1995 ocorreram 90 surtos de doenças transmitidas pela água na Suécia, envolvendo 50 mil pessoas com dois óbitos. De acordo com Lahti (1995), entre 1980 e 1992 houve 24 surtos na Finlândia, atingindo 7700 pessoas. As causas dos surtos nesses países foram identificadas por falhas na desinfecção da água.
As indústrias são grandes consumidores de água, seja utilizando-a como matéria prima, lavagem de máquinas, fluido de aquecimento e/ou refrigeração no processo de produção. A água é contaminada por material refratário, carvão, óleo. Atualmente devido a visitas técnicas que foram realizadas em empresa do ramo de autopeças na cidade Mogi Guaçu para saber como são as estações de tratamentos de reuso, como os operadores trabalham e o que são utilizados no processo e depois disso concluiu-se que nas indústrias automobilísticas, o tratamento da água utilizado no processo fabril é feito manualmente e não existe um controle que mantém o tratamento o tempo todo o mesmo, não garantindo qualidade e confiança no tratamento. Além da qualidade, o gasto com os produtos químicos utilizados não são controlados, aumentando o custo do processo.
Contudo, segundo Maia (2013) seu artigo que fala sobre automação para tratamento de água por floculação e flotação utilizando-se de CLP e programação em ladder no RSLOGIX, com supervisório de controle no programa RSview3.2 o que nesse caso facilitou-se a comunicação entre eles pois pertencem ao mesmo fabricante, a Rockwell. O tratamento utilizou-se de sensores e válvulas solenoides, além dos motores misturadores. Esse artigo apresentou-se gasto excessivo na construção final do projeto, o autor conclui que era necessário um estudo mais detalhado do processo para economizar em gasto que foram desnecessários como os sensores de níveis que podem ser descartados em tanques que atuam sobre a gravidade, nunca excedendo seu nível.
Frente a estes acontecimentos o objetivo do projeto é a criação de controle e automação em uma estação de tratamento de água para reuso em jardins e sanitários de indústria automobilística. O processo é dividido em tanque de captação, precipitação que irá equalizar o pH entre 10 e 10,5 para quebra das partículas de sujeira sendo necessário
o controle do mesmo, o tanque de coagulação onde são adicionados ácido para água retornar-se ao seu pH, além de sulfato de alumínio e polímero catiônico controlados por volume e que servem para que as partículas se tornem mais densas que a água. Após esses processos a água passa pelo tanque de floculação, nesse é adicionado polímero aniônico que de alto peso molecular ajuda no aumento da densidade das partículas, facilitando na decantação que é o próximo tanque do processo, antes do tanque de água tratada. Esse artigo detalhará o controle nos processos de coagulação e floculação nessa sistema automático de tratamento de água.
Na coagulação substâncias coagulantes são adicionadas na água com a finalidade de reduzir as forças eletrostáticas de repulsão, que mantém separadas as partículas em suspensão, as coloidais e parcela das dissolvidas. Desta forma, eliminando-se ou reduzindo-se a "barreira de energia" que impede a aproximação entre as diversas partículas presentes, criam-se condições para que haja aglutinação das mesmas, facilitando sua posterior remoção por sedimentação e/ou filtração. O coagulante utilizado será o Sulfato de Alumínio, sais que, em solução, liberam espécies químicas de alumínio ou ferro com alta densidade de cargas elétricas, de sinal contrário às manifestadas pelas partículas presentes na água bruta, eliminando, assim, as forças de repulsão eletrostática originalmente presentes na água bruta. (FEC, UNICAMP 2001).
A floculação consiste na aglutinação de partículas que, por possuírem dimensões reduzidas e baixa densidade, apresentam dificuldade de sedimentação. Esta aglutinação ocorre devido à ação de um agente floculante de natureza inorgânica ou polimérica, que ao entrar em contato com as impurezas contidas no efluente a ser tratado, mistura-se, formando estes aglomerados. Essa mistura é realizada por agitação mecânica, o que facilita a união entre as partículas e a substância floculante, fazendo com que surjam substâncias de maiores dimensões e que, por isso, possam ser separadas do líquido com maior facilidade pela ação da gravidade. Como etapa posterior, as partículas já floculadas sedimentam para a parte inferior do líquido, e assim promovendo a separação entre o efluente e as impurezas. (PEREIRA, 2009).
A aplicação do controle e da automação terá como objetivo melhorar a qualidade da água que operado manualmente acontece casos de excessos ou falta de produtos químicos. O excesso desses produtos acarreta um gasto final maior, e a falta desses produtos a qualidade final da água não suficiente para ser considerada tratada, tendo que refazer todo o processo novamente. Casos que com o controle serão resolvidos, pois será controlada a quantidade suficiente desses produtos químicos para o processo.
2. Desenvolvimento
Este projeto desenvolverá um sistema de controle de malha fechada, separados em dois tanques de tratamento da água, o primeiro para coagulação com três bomba dosadoras que irão aplicar Sulfato de Alumínio, Ácido clorídrico e polímero catiônico, todos controlados com os sinais recebidos por uma sonda de pH que ficará dentro do tanque e um sensor de fluxo conectado na tubulação de entrada do tanque; e o segundo de floculação com uma bomba dosadora controlando a vazão de polímero aniônico após receber sinais de um sensor de fluxo, este também conectado a na tubulação de entrada do tanque. O controlador do processo será o Arduino UNO, este irá receber os sinais e em cima de sua programação controlar as variáveis de saída que nesse caso será apenas a vazão dos produtos para o tratamento da água.
2.1 Sistema de controle
Na engenharia de controle são desenvolvidos dois estudos de casos, o controle de malha aberta e o controle em malha fechada, apresentado na figura 1.
Ogata (1998), ao comparar os dois sistemas de controle, destaca vantagens do controle em malha fechada pelo fato de que o uso da realimentação torna a resposta do sistema relativamente insensível a perturbações externas e a variações internas dos parâmetros do sistema.
FIGURA 1: Controle de malha fechada. Desenvolvimento próprio.
No controle em malha fechada, informações sobre como a saída de controle está evoluindo são utilizadas para determinar o sinal de controle que deve ser aplicado ao processo em um instante específico. Isto é feito a partir de uma realimentação da saída para a entrada. Em geral, a fim de tornar o sistema mais preciso e de fazer com que ele reaja a perturbações externas, o sinal de saída é comparado com um sinal de referência (chamado no jargão industrial de set-point) e o desvio (erro) entre estes dois sinais é utilizado para determinar o sinal de controle que deve efetivamente ser aplicado ao processo. (SILVA, 2000)
2.2 Arduino UNO
A placa arduino UNO, figura 2, será o controlador do projeto, por possuir baixo custo comparado a CLP’s e controladores e possuir software gratuito para programação, não precisando pagar por licenças mensais. Ele será responsável por receber os sinais da sonda medidora de pH e do sensor de fluxo, controlando as bombas dosadoras. Todo controle é realizado através do software arduino utilizando a linguagem de programação C/C++, outro motivo a qual o controlador foi o escolhido, a linguagem C/C++ é de fácil programação. A placa Arduino UNO possui 14 pinos que podem ser usados como entrada ou saída digitais. Estes Pinos operam em 5 V, onde cada pino pode fornecer ou receber uma corrente máxima de 40 mA. Cada pino possui resistor de pull-up interno que pode ser habilitado por software.
FIGURA 2: Recursos do arduino UNO. Embarcados
2.3 Medidor de pH
A primeira variável a ser controlada pelo arduino no processo será o pH da água, para esse controle faz-se uso de um medidor de pH de eletrodo de vidro.
O eletrodo de vidro (Figura 3) é um bulbo construído em vidro especial contendo uma solução de concentração fixa (0,1 ou 1 M) de ácido clorídrico (HCl) ou uma solução tamponada de cloreto em contato com o eletrodo de referência interno, normalmente constituído de prata revestida de cloreto de prata, que assegura um potencial constante na interface da superfície interna do sensor com o eletrólito. O elemento sensor do eletrodo, situado na extremidade do bulbo, é constituído por uma membrana de vidro que, hidratada, forma uma camada de gel, externa, seletiva de íon hidrogênio. Essa seleção é, de fato, uma troca de íons sódio por íons hidrogênio os quais formam uma camada sobre a superfície do sensor. Além disso, ocorrem forças de repulsão de ânions por parte do silicato, negativamente carregado, que está fixo no sensor. Ocorre, na camada externa do sensor, a geração de um potencial que é função da atividade do íon hidrogênio na solução. O potencial, observado, do eletrodo de vidro depende dessa atividade na solução {Hs+} e da atividade do íon hidrogênio no eletrólito {He+}. (OLIVEIRA, 2004).
Antes do tanque de coagulação, a água enfrentou o processo de precipitação, detalhado em outro artigo, nesse processo elevou-se o pH entre 10 e 10,5 para ocorrer a quebra das partículas que fazem parte da água, como o material refratário. O medidor de pH será colocado dentro do tanque de coagulação para receber o valor atual do pH da água e enviar para o arduino que irá controlar a dosagem. O pH que precisou ser elevado no 1º reator para a precipitação, pelo Hidróxido de Cálcio deve-se ser estabelecido nos padrões da água (pH entre 7 e 7,5) pelo Ácido Clorídrico (HCl).
Um dos fatores que afetam a medição de pH é a temperatura, porém neste caso o tratamento irá trabalhar em temperatura ambiente, não sendo necessário o controle da temperatura no processo.
Outro fator é o medidor apresentar tensão muito baixa, na casa de milivolts, impossibilitando a leitura na entrada analógica no arduino UNO, que apenas consegue ler entrada com tensões de -5V a 5V, como especificado a cima, não diferenciando as tensões em milivolts. Esse caso é resolvido utilizando um circuito amplificador, que transformará a tensão gerada pelo eletrodo na tensão de trabalho do arduino.
2.4 Circuito para pH
Como apresentado no tópico anterior, o eletrodo medidor de pH gera uma saída em milivolts (mV) para cada valor de pH, conforme tabela 1, retirada do manual do phmetro. Essa tensão gerada o arduino não consegue identificar em suas entradas.
VOLTAGEM (mV) pH VOLTAGEM (mv) pH 414.12 0 -414.12 14 354.96 1 -354.96 13 295.80 2 -295.80 12 236.64 3 -236.64 11 177.48 4 -177.48 10 118.32 5 -118.32 9 59.16 6 -59.16 8 0 7 0 7
TABELA 1: Tensão gerada pelo eletrodo por cada valor de pH. Autor.
Para esse caso é necessário o uso de um circuito amplificador não inversor de tensão que é conectado junto ao medidor de pH pelo conector BNC. O circuito amplificador receberá o sinal em milivolts, e gerará uma saída em entre – 5 V e 5 V, tensão essa que o arduino consegue identificar em suas entradas. Para cada valor pH uma tensão diferente, é nesse caso que o arduino conseguirá saber qual o pH momentâneo no processo. Segundo Malvino (1987) o amplificador operacional é um amplificador com ganho elevado, tendo dois terminais na entrada, um terminal inversor ‘-‘ e outro terminal não inversor ‘+’. A tensão na saída dá-se pela diferença entre essas entradas, multiplicado pelo ganho em malha aberta.
Figura 5: Ligação entre medidor de pH, adaptador de tensão e arduino. dfrobot.
2.4 Sensor de Fluxo
O Sensor de Fluxo de Água YF-S201 (Figura 6) possibilita medir fluxo de água em projetos eletrônicos. Instalado em linha com a tubulação para medição da quantidade de água que circula por ele, enviando pulsos PWM para o Arduino.
FIGURA 6: Sensor de Fluxo. baudaeletronica
Localizado entre as tubulações na entrada dos tanques de coagulação e floculação, o sensor será utilizado para a medição de vazão da água por minuto para que a aplicação de Sulfato de Alumínio, polímero catiônico e polímero aniônico sejam corretos, os mesmo são dosados pelo volume da água. Seu funcionamento é bem simples, em sua estrutura há uma válvula em formato de cata-vento com um imã acoplado que trabalha em conjunto com um sensor hall para enviar um sinal PWM. Através destes pulsos é possível mensurar a vazão de água, sendo que cada pulso mede aproximadamente 2,25mm. E cada vazão possui a frequência gerada em sua saída. Segue abaixo, tabela 2, entre fluxo e frequência retirados do datasheet do equipamento.
VAZÃO (L/H) FREQ. (HZ) 120 16 240 32.5 360 49.3 480 65.5 600 82 720 90.2
TABELA 2: Tabela de fluxo e frequência. Autor.
3. CONCLUSÃO
Para desenvolvimento do projeto foram realizadas pesquisas e análises de similares sobre as atuais tecnologias encontradas em sistemas de tratamento de água, e também sobre modelos que não fazem uso das novas tecnologias. As visitas técnicas na indústria automobilística foram fundamentais para o projeto possuir detalhes melhores, como os produtos que são usados em uma estação de tratamento de água e como os operadores agem no processo. Após essas pesquisas o próximo passo foi estudar a malha de controle, suas variáveis de processo, variáveis controladas e as variáveis de distúrbio, com isso definiu-se o modelo de controlador e os sensores que serão operados. Após todas as pesquisas realizas o sistema proposto estabelece redução de custo com os produtos químicos que serão utilizados com quantidade necessária para o tratamento, não havendo excesso e nem a falta o que ocasionaria uma má qualidade na água tratada, não podendo ser utilizada para reuso.
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