ESTUDO TÉCNICO-COMPARATIVO DE ESTAÇÕES DE TRATAMENTO
DE EFLUENTES DE REFINARIA DE PETRÓLEO
Costa, G. B (bolsita PRH-14-ANP)
1; Santiago, B. H
2; Castro, J. S
3; Selvam, P. P. V
4.
1, 3, 4 Depto.de Engenharia Química, GPEC, CT, UFRN, Natal/RN – CEP: 59072-970,
FONE: (084) 215-3769 email: benevides@eq.ufrn.br, www.gpecufrn.hpg.com.br
2 Depto.de Engenharia de Materiais, GPEC, CT, UFRN, Natal/RN - CEP: 59072-970,
FONE: (084) 215-3769 email: hooters@bol.com.br, www.gpecufrn.hpg.com.br
RESUMO
Sabe-se que atualmente existe à disposição diversos processos de tratamento de efluentes para a indústria de petróleo. Inserida neste conjunto de operações da indústria de petróleo, encontra-se a etapa de refino do petróleo, que gera efluentes com elevados teores de óleos e graxas (TOG). Afim de diminuir estes teores para que se enquadrem na legislação ambiental CONAMA 20, este estudo faz uma análise dos diversos tratamentos convencionais, tanto físicos como biológicos, usando os processos de: separação de óleo API, flotação, decantação, lagoas aeradas e de mistura completa. Para realização deste trabalho, foram utilizados dados obtidos da literatura técnica sobre o assunto e o software de simulação de processos químicos SuperPro Designer v 3.06. A partir dos dados obtidos para as diferentes instalações, pode se perceber que o sistema formado apenas por tratamento biológicos removeu a maior quantidade de óleo chegando a 87 %, porém este sistema, apresentou elevado custo de implementação em ralação ao sistema de tratamento físico, que utiliza flotação.
Palavras-chave: análise, tratamento biológico, tratamento físico ABSTRACT
It is known that now exists to the disposition several processes of effluents treatment for the industry of petroleum. Inserted in this group of operations of the industry of petroleum meets the stage of refine of the petroleum, that generates effluents with high level of oils and greases (TOG). Similar of reducing these levels, for they are framed in the environmental legislation CONAMA 20, this study makes an analysis of the several conventional treatments, so much physical as biological, using processes of: oil separation API, flotation, decantation, ponds aerated and of mixture it completes. For accomplishment of this work, it was used obtained data of the technical literature on the subject and the software of simulation of chemical processes SuperPro Designer v 3.06. Starting from the data obtained for the different facilities, it can be noticed that the system just formed by biological treatment removed the largest amount of oil, arriving to 87%, however this system presented high implementation cost in relation to the system of physical treatment that uses flotation.
Keyword: analysis, biological treatment, physical treatment
2
o
CONGRESSO BRASILEIRO DE
P&D EM PETRÓLEO & GÁS
1. Introdução
Em todo o planeta grandes quantidades de águas residuais são produzidas e descartadas diariamente durante o processo de produção e beneficiamento do petróleo. Estas águas possuem alto nível de poluentes orgânicos e inorgânicos que devem ser processados nas estações de tratamento de efluentes antes de serem descartadas nos oceanos. Sabe-se que as estações de tratamento de efluentes são sistemas complexos, devido ao efeito combinado das mudanças nas características do afluente (vazão e concentração de contaminantes), Lima (1996). Devido a esta complexidade os modelos de simulação estão cada vez mais sendo utilizados como ferramentas para otimizar o projeto de operação de estações de tratamento para a melhoria da qualidade dos efluentes e meio ambiente devido à evolução acelerada dos softwares simuladores de processos industriais, Nolasco e Helou (1998)
Neste trabalho estudou-se os principais processos de tratamento físico e biológico para se fazer uma comparação técnica-econômica, afim de indicarmos o melhor sistema para este tipo de indústria. No tratamento físico, estudou-se o sistema convencional composto de um separador de óleo API, seguido de flotadores a ar induzido que é bastante utilizado em diversos unidades da Petrobrás, este tipo de sistema foi o que obteve melhor desempenho tanto a nível técnico como econômico para o tratamento de águas de formação em estudos realizados por Oliveira e Oliveira (2000).
Quanto ao tratamento biológico sabe-se que existe uma grande variedade de sistemas utilizados para purificação de efluentes domésticos e industriais, com base na metabolização da matéria orgânica por populações mistas de microorganismos, que utilizam como fonte de nutrientes, Santiago (1985). Para compor este sistema foram utilizados lagoas aerada, lagoa de mistura completa e lagoa facultativa, em que foram dispostas com diferentes configurações e com diferentes tempos de detenção hidráulica.
Para a realização deste trabalho foram selecionada da literatura técnica dados de caracterização do efluente de uma refinaria de petróleo que possuísse tratamento biológico. Optou-se pelos dados de caracterização da refinaria de Capuava, situada no município de Mauá, São Paulo. A seleção dessa refinaria se deu pelo maior detalhamento das análises pelo autor Damato et al. (1998).
2. Metodologia
2.1. Caracterização do efluente
Foi feita uma média aritmética das quatro campanhas mostrada pela literatura de Damato et al (1998). Dentre as várias determinações físico-químicas mostradas na literatura foram retiradas para o estudo temperatura, pH e óleos e graxas (TOG), uma vez que só foi estudado a remoção do teor de TOG. A refinaria tem uma vazão de 1000 m3/h A tabela 1 mostra os valores obtidos, nas principais correntes da estação de tratamento da refinaria.
Tabela 1. Caracterização físico-química nos efluentes da refinaria da Petrobrás. parâmetro Efluente da bacia de
equalização
Efluente do flotador Efluente final
Temperatura (ºC) 40 38 26
pH 7,4 7,5 7,4
TOG (mg/L) 105,5 75 28
2.2. Impacto ambiental e Legislação Ambiental
O impacto ambiental provocado pelo descarte da água produzida é geralmente avaliado pela toxicidade dos constituintes e pelas quantidades de compostos orgânicos e inorgânicos dissolvidos. Os contaminantes presentes nas águas produzidas podem causar diferentes efeitos sobre o meio ambiente. Após o descarte, alguns destes contaminantes permanecem dissolvidos, ao passo que outros tendem a sair de solução. Acredita-se que os efeitos mais nocivos ao meio ambiente são aqueles relacionados aos compostos que permanecem solúveis após o descarte da água produzida, Oliveira e Oliveira (2000).
A legislação ambiental brasileira, CONAMA 20/86, determina que o TOG máximo para o descarte de água produzida no mar, seja de 20 mg/L.
2.3. Métodos de Tratamento
Os métodos de tratamento dos efluentes dependem de muitos fatores, incluindo os volumes envolvidos, a constituição das águas, a localização do campo e os limites da legislação ambiental vigente. Para serem viáveis, as tecnologias de tratamento devem apresentar baixo custo operacional e elevada eficiência, Oliveira e Oliveira (2000).
2.3.1. Separadores API
Os separador tipo API, um dos mais usados, quando operado adequadamente pode remover de 50 a 70 % do óleo emulsionado. O projeto de separadores de óleo pôr gravidade, como especificado pela API, é baseado na remoção das partículas de óleo livre com glóbulos maiores de 150 micra, Lima (1993).
2.3.2. Tratamento por Stripping
É empregado para transferir para a fase gasosa um componente volátil presente, inicialmente, numa mistura líquida, podendo ser ar, nitrogênio, gás natural ou vapor empregado para este fim. Tanto quanto os parâmetros físicos, a taxa e remoção dos compostos voláteis da mistura líquida para a fase gasosa são governados pela temperatura e pelas propriedades físicas das fases e dos componentes a serem removidos, Oliveira e Oliveira (2000).
2.3.3. Tratamento Biológico
Existem dois tipos de tratamento biológico; aeróbio e anaeróbio. No caso do tratamento aeróbio, é fundamental que a carga seja misturada aos nutrientes (fósforo, nitrogênio e traços de minerais) e a biocultura seja realizada em presença de excesso de ar, para que haja alta taxa de biodegradação, Oliveira e Oliveira (2000).
Dentre os diversos tratamento biológicos estudou-se os mais tradicionais, formados por lagoas que possuem fácil operação e manutenção e baixo consumo de energia, Pires (1993), além de sistemas mais sofisticados como Lodos ativados. Dentre as lagoas estudou-se as facultativas que é muito simples e constitui-se unicamente por processos naturais, elas possuem regiões aeróbicas, aeróbicas e zonas facultativas, apresentam taxas de remoção que variam de 70 a 90 % de remoção de TOG, seu único problema é o elevado tempo de detenção hidráulica que varia de 15 a 20 dias. Outro tipo de lagoa estudado foi as aeradas na qual é introduzido oxigênio mecanicamente por aeradores, fazendo diminuir o tempo de detenção hidráulica variando de 5 a 10 dias, requisitando assim menor área e portanto menor custo de implementação. Foi estudado a lagoa de mistura completa em que se diferencia da anterior por conseguir manter os sólidos suspensos e a biomassa dispersa na massa líquida, seu tempo de detenção hidráulica cai para ordem de 2 a 4 dias, ocupando assim uma menor área entre todos os sistemas compostos por lagoas, porém é a que consome maior quantidade de energia. Por último estudou-se o sistema de lodos ativados que dentre os sistemas é o que necessita de menor área por deter o menor tempo de detenção hidráulica é bem pequeno cerca de 6 a 8 horas, mas para isto ocorrer é necessário recirculação de lodo, aumentando assim a quantidade de microorganismos no tanque de aeração ou reator. Neste processo ocorre alto consumo de energia elétrica tanto para o aeração como para a recirculação de lodo.
2.4. Sistemas Estudados
A partir dos equipamentos mencionados acima foram montados 3 sistemas para operarem com o efluente acima. O primeiro sistema é formado por um Separador API, tanque de equalização para permitir uma melhor distribuição dos contaminantes em todo o efluente e flotadores a ar dissolvido que trabalham com uma taxa de reciclo de 20 % e utilizam um polieletrólito para auxiliar na remoção de óleo. Este sistema é muito utilizado em tratamento de águas de formação, figura 1.
Figura 1. sistema formado por tratamento físico convencional
O segundo sistema é o adotado pela refinaria de Capuava, seu processo consiste da união de um sistema físico como tratamento secundário usando flotadores ar dissolvido mais com um tratamento terciário biológico formado por lodos ativados do tipo convencional, que é formado pelo tanque aerado seguido de um decantador para clarificação do efluente e sedimentação do lodo que será recirculado. Este opera com idade de lodo que varia de 10 a 60 dias, figura 2.
Figura 2. Sistema formado por tratamento físico mais tratamento biológico de lodos ativados.
O terceiro sistema foi elaborado a partir de um processo de tratamento biológico convencional, consistindo de uma lagoa aerada com tempo de retenção hidráulica de 24 h e uma lagoa facultativa de tempo de retenção hidráulica de 96 h , figura 3.
Figura 3. sistema formado por tratamento biológico composto por lagoa aerada e lagoa facultativa.
3. RESULTADOS
Através da simulação pode-se observar a diminuição da concentração de TOG no decorrer do processo para cada um dos sistemas apresentados acima. Iniciou-se esta observação para o primeiro sistema onde na entrada do processo da entrada da estação, onde a concentração é de 105,5 mg/L no tanque de equalização, indo para os flotadores e seu efluente saindo com 24 mg/L, sendo a eficiência deste processo em paralelo de 86 % ,portanto não ultrapassando o permito pelo legislação do CONAMA 20.
Para o segundo sistema a concentração de 105,5 mg/L no tanque de equalização cai para 75 mg/L na saída do flotador e em seguida diminui para 28 mg/L após o tratamento biológico, a esta concentração o efluente está acima do permitido pela legislação, tendo o processo uma eficiência de 73,5 %.
No terceiro sistema utilizando tratamento biológico convencional, a uma lagoa aerada apresentou um tempo de detenção hidráulica de 24 h e uma lagoa facultativa de tempo de retenção hidráulica de 96 h Do mesmo modo do processo anterior a concentração de TOG no tanque de equalização se encontra com 105,5 mg/L, diminui para 45 mg/L ao passar pela lagoa aerada, terminando com 18 mg/L ao sair da lagoa facultativa, estando o processo dentro do limite máximo permitido pela legislação, apresentando uma eficiência de 83 % na remoção do TOG. Este resultado pode ser visto com maior clareza na figura 4.
Figura 4. Comparação do decaimento do TOG nos 3 sistemas.
A partir das simulações dos processos, obtemos os valores de custos de instalação da unidade, do custo operacional e da eficiência dos três processos. Estes dados são mostrados na tabela 1.
Tabela 1. Custos dos processos de tratamento e eficiência da remoção do TOG
processo Custos Eficiência de Remoção
(%)
Instalação U$ Operação (U$/ano)
Sistema 1 3816000 756000 77
Sistema 2 8945200 2036000 73,5
Sistema 3 7512000 1457000 87
Outros processos pesquisados na literatura como a adsorção em carvão ativado (GAC), aliado ao processo de oxidação por ar úmido, consegue uma eficiência na remoção na concentração de TOG em quase 100 %, porém os custos de instalação e operação, é de 5 vezes e 15 vezes, respectivamente, maiores do que o sistema 1.
4. CONCLUSÕES
• A utilização do simulador de processos, “SuperPro Designer” facilitou a modelagem com ótima estimativa das concentrações de TOG, mostrando que os modelos estão bem ajustados.
• O sistema 1 apresentou os menores custos, porém, a sua remoção não é suficiente para diminuir a concentração de TOG suficiente para se enquadrar na legislação.
• Com os resultados da tabela 1 podemos observar que os custos do sistema 3 chegam a ser duas vezes maiores que o tratamento pelo sistema 1, sendo então o sistema 1 mais aconselhável para a remoção de óleos com baixos teores de fenóis.
• O sistema 2 foi o que apresentou os maiores custos de instalação e operação e obteve a menor eficiência dentre os três processos para efluente com este nível de teores de óleos e graxas.
• A partir do levantamento da aplicabilidade e desempenho dos diferentes processos avaliados, ficou evidenciado que somente a combinação entre os mesmos pode conduzir ao total enquadramento dos efluentes às exigências ambientais. Este fato é percebido no sistema 3 no qual foi o único que gera um efluente com o nível de TOG dentro do permitido pelo CONAMA 20.
5. AGRADECIMENTOS
A Agência Nacional de Petróleo -ANP- PRH14 e ao Conselho Nacional de Pesquisa – CNPq, pelas bolsas de pesquisa.
6. BIBLIOGRAFIA
Lima, A. F., Caracterização e estudo cinético da bioconversão da matéria orgânica dissolvida em efluente da Petrobrás no Rio Grande do Norte. Dissertação (Mestrado em ciências da Engenharia Química) 136p. Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 1996.
Mustafa, G. S., Santana, E. M., Reutilização de Efluentes Líquidos em Indústria Petroquímica. Engenharia Sanitária e Ambiental, Rio de Janeiro, vol. 5, Nº 3 e 4, p.113-118, jul/dez 2000.
Damato, M., Sobrinho, P. A., Morita, D. M., Estudo da Influência do Nível de Tratamento de Efluente de Refinaria de Petróleo na Remoção de Hidrocarbonetos Aromáticos Polinucleares e na toxicidade aguda para Daphni Símilis. XXVI Congresso Interamericano de Ingeniería Sanitária y ambiental, 1-5 de Noviembro de 1998.
Nolasco, D., Helou, L. C., Emprego de Modelos Dinâmicos em Projetos e Otimização de Estações de Tratamento de Águas Residuárias. Engenharia Sanitária e Ambiental, Rio de Janeiro, vol. 3, Nº 3 e 4, p.103-112, Out/Dez 1998. Oliveira, R. C. G., Oliveira, M. C. K., Remoção de Contaminantes Tóxicos dos Efluentes Líquidos Oriundos da
Atividade de Produção de Petróleo no Mar. Bol. Tec. PETROBRÁS, Rio de Janeiro, 43 (2): 129-136, abr/jun. 2000. Pires, P. R. F. (1993). Tratamento de Efluentes de refinaria de petróleo em lagoas aeradas em série. R. J. 1993.
122p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – UFRJ – COPPE.
Santiago, V. M. J, Tratamento Biologico em Efluente de Refinaria – Estudo em Escala Piloto, 13º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, 1885.
