Notícia

Revista Hydro

Sistemas de ultrafiltração

Publicado em 01 agosto 2011

O uso racional e o reúso da água tornam-se cada vez mais importantes na indústria, empresa e município. A depender da reutilização, são necessárias tecnologias específicas de tratamento, e as membranas de ultrafiltração têm muito a contribuir com a geração de água de qualidade constante e de elevado valor agregado.

Parte integrante de processos industriais onde a água é componente fundamental do produto acabado, as membranas de ultrafiltração contribuem cada vez mais com o sucesso dos negócios de fabricantes de bebidas, alimentos e medicamentos. Em todos esses casos, não há espaço para meio-termo no que diz respeito à qualidade do insumo. Portanto, são as membranas as responsáveis por garantir a excelência da água e a do produto final também, seja ele um refrigerante ou um analgésico.

Tanta importância não passaria despercebida entre os possíveis fornecedores de membranas de ultrafiltração, fato que tornou a tecnologia a razão de ser de um grupo seleto de ao menos 10 grandes empresas que, sozinhas, dominam 90% desse mercado mundial. Em comum, elas avançam em áreas com acentuada demanda por sistemas de ultrafiltração, como as de potabilização de água para abastecimento, reúso de efluentes e pré-tratamento de sistemas de osmose reversa.

Países europeus, como Alemanha, França e Holanda, vêm usando a tecnologia como substituta do processo de desinfecção por cloro. Nos EUA, a indústria lidera o ranking de consumo das membranas (57%), cuja função é a remoção microbiana nos segmentos alimentício, de bebidas e farmacêutico. De acordo com um estudo da empresa norte-americana de pesquisa de mercado Frost & Sullivan, o setor municipal é o segundo maior usuário (43%) e emprega a tecnologia para a potabilização de água, provando a eficácia das membranas na eliminação de contaminantes orgânicos.

O levantamento mostra que em 2010 o mercado norte-americano de micro e ultrafiltração contabilizou US$ 299 milhões, podendo ultrapassar US? 500 milhões até 2016. Outra linha de pesquisa, conduzida pelo instituto BCC, dos EUA, aponta para números ainda mais expressivos. Neste caso, os EUA devem movimentar este ano mais de US$ 900 milhões, podendo chegar a US$ 1,2 bilhão em 2015.

Contam a favor da tecnologia, de acordo com o levantamento da Frost & Sullivan, quesitos como alta eficiência, tamanho reduzido e simplicidade de operação. "Por outro lado, como essas membranas estão sujeitas à formação de incrustações e depósitos, a mão de obra precisa ser mais qualificada", observa a analista de mercado da Frost & Sullivan, Juliana Passadore.

Na avaliação do diretor do Cirra - Centro Internacional de Referência em Reúso de Água, Ivanildo Hespanhol, estejam as membranas de ultrafiltração acondicionadas em MBRs - biorreatores a membranas, para tratamento de efluentes e esgoto sanitário, ou em vasos de pressão para tratamento de água, a questão fundamental é a busca pela qualidade. "Temos de dar um passo à frente e entender que os dias atuais pedem tecnologias mais avançadas de tratamento", diz.

Por exemplo, no modelo convencional de produção de água de abastecimento, que engloba etapas de coagulação, floculação com sulfato de alumínio e desinfecção com cloro, Hespanhol defende que não há como garantir a geração de "água segura",uma vez que essa configuração se mostra eficiente na remoção de sólidos, mas não de compostos solúveis em baixas concentrações. Entre eles estão os disruptores endócrinos, como o hormônio etinilestradiol, presente nas pílulas anticoncepcionais. "Micro-organismos como Cryptosporidium parvum e Giárdia lamblia também passam pelos filtros e não são atacados pelo cloro", observa.

Para quem imagina terem as membranas de ultrafiltração preços impraticáveis na área de potabilização, um estudo conduzido pelo Cirra (ver boxe na página 26) evidenciou que, ao se considerar a produção de água com o mesmo grau de qualidade e necessidade de implantação de sistemas complementares, a ultrafiltração se revela competitiva em relação ao sistema convencional seguido de outro de carvão ativado. Vale ressaltar que as membranas tendem a eliminar operações nas ETAs, sendo a lavagem dos filtros a principal delas.

Em relação ao potencial de uso dos MBRs, as notícias são igualmente promissoras, uma vez que a tecnologia gera um permeado de qualidade constante e apto para reúso. Simulação também realizada pelo Cirra com mais de 2300 indústrias paulistas, levando em conta a cobrança pelo uso da água e pelo lançamento de efluentes, demonstrou que 60% do reúso de efluentes reduz significativamente os custos associados ao pagamento pela água. Mais ainda, o estudo indicou que quando não há taxas adicionais para o transporte e disposição final de lodos resultantes do tratamento, os custos médios dos efluentes tratados variam de R$ 0,80 a R$ 1,20/m3. Valores bem mais atraentes do que os oferecidos pelo sistema público de distribuição em função da demanda mensal (próximos a R$ 10/m3), enquanto a oferta de água de reúso oscila entre R$ 1,39 e R$ 1,89/m3. "Felizmente, o custo do MBR está quase equivalente ao dos lodos ativados", diz Hespanhol.

Mercado aquecido

São razões que fazem os fornecedores de sistemas de ultrafiltração se movimentar na busca por produtos cada vez mais eficientes e indicados para aplicações bastante específicas.

Prova disso é que a Koch Membrane Systems, dos EUA, acaba de lançar a Targa II HF, membrana de fibra oca desenvolvida para uso em processos de polimento, tratamento de água de processos industriais ou no prétratamento da osmose reversa para alimentação de caldeiras de alta pressão. O produto é feito de PSE - polietersulfona, material que confere maior resistência mecânica, minimizando o risco de rompimento dos capilares ou de entupimento dos poros, e maior resistência química diante de pHs elevados. Segundo o diretor comercial para a América Latina da Koch, Sérgio Ribeiro, como as membranas Targa II HF apresentam grau de empacotamento maior, o espaço ocupado é menor. "O sistema fica em média 30% mais compacto", diz. Além disso, a operação é automatizada e preparada para lidar com variações de qualidade e vazão sem a necessidade de interferência humana, o que também reduz a probabilidade de problemas operacionais.

Nos últimos três anos, a Fluid Brasil, de Jundiaí, SP, forneceu 15 plantas de ultrafiltração, sendo a maioria delas para o pré-tratamento de osmose reversa para geração de água ultrapura destinada a caldeiras de alta pressão e cogeração de energia. No início deste ano, dois desses sistemas foram vendidos para usinas sucroalcooleiras no Estado de Minas Gerais: Bevap - Bioenergética Vale do Paracatu e CMAA - Companhia Mineira de Açúcar e Álcool. Na avaliação do diretor geral da empresa, Eduardo Rocha, "a presença das membranas de ultrafiltração em processos de clarificação de água segue uma tendência mundial". Buscando aumentar as vendas com soluções para tratamento de efluentes e reúso, a Fluid Brasil firmou parceria com a alemã Wherle, que tem experiência na área de reúso com aplicação de membranas. "Oferecemos ensaios com plantas piloto para demonstrar a eficácia do sistema proposto, mostrando os resultados que serão obtidos na prática", diz o gerente de processos Luís Guilherme Pozzani da Rocha. O primeiro MBR fornecido pela Fluid Brasil está instalado na farmacêutica Diosynth, do laboratório Merck, em Barueri, SP. O equipamento de 6 m3/h emprega tecnologia crossflow da holandesa Morit e trata o efluente da produção rico em hormônio de elevado grau de contaminação, com DQO = 27 mil mg/L e DBO = 23 mil mg/L. Fatores como o espaço reduzido na planta fabril e a possibilidade de reúso do efluente tratado contaram a favor da escolha pelo MBR.

Quem também traz novidade , mas para o setor de saneamento, é a Centroprojekt, de São Paulo. Trata-se das membranas planas RW 400, da japonesa Kubota, indicadas para o tratamento esgoto sanitário, com 1,45 m2 cada e poro de 0,4 um. Segundo o gerente de processos da empresa, Paul Anthony Woodhead, as membranas ficam sobrepostas umas às outras no biorreator, permitindo o melhor aproveitamento do sistema de aeração.

As possibilidades; de tratamento de esgoto sanitário e reúso usando MBRs também chamaram atenção da Dow Water Process & Solutions, dos EUA, que mantém em estudo uma planta piloto de MBR com essa finalidade, em São Paulo. Sem dar mais detalhes, o líder de Desenvolvimento de Aplicações da divisão para a América Latina da Dow, Renato Ramos, afirma que até o momento, a maior demanda por membranas de ultrafiltração no mercado interno tem sido a área industrial, "principalmente como prétratamento da osmose reversa", diz.

Na Tech Filter, as consultas por sistemas de ultrafiltração mais do que dobraram no último ano, e a previsão é que os pedidos tenham crescimento em torno de 40% em 2011. Com sede em Indaiatuba, SP, a empresa fornece sistemas submersos e pressurizados. De acordo com o supervisor de Desenvolvimento de Produtos da empresa, Diego Mendes, a tecnologia atende com maior frequência aplicações envolvendo reúso e tratamento de água de processos industriais. "Com a ultrafiltração, é possível fazer análise muito clara da relação custo/ benefício, deixando o cliente mais seguro de sua decisão", diz o supervisor. Para uma indústria do setor petroquímico em Duque de Caxias, RJ, a Tech Filter vai fornecer dois sistemas de ultrafiltração: um MBR do tipo submerso com vazão de 60 m3/h, que vai tratar os efluentes industriais e produzir água de reúso, com a finalidade de abastecer uma planta de osmose reversa, para alimentação de caldeiras. "O espaço reduzido na planta industrial foi decisivo para a escolha do MBR", explica Mendes. O segundo sistema, do tipo pressurizado e abastecido por água captada de corpo hídrico, vai gerar 100 m3/h do insumo para fins potáveis e alimentação de processos.

No segmento residencial, a Pentair, um dos maiores grupos mundiais na área de tratamento de água, com sede nos EUA, apresenta no mercado local produtos de osmose reversa de pequeno porte e de ultrafiltração da linha CE Homespring, um purificador de água com membranas de fibra oca, capaz de remover 99,99999% das bactérias e 99,999% dos vírus. "É o primeiro produto certificado pela Water Quality Association para filtração de vírus", afirma Marcos Allil, gerente de vendas da Pentair no Brasil.

Sem perder de vista as necessidades específicas de cada segmento de mercado, a Siemens Water Technologies conta com soluções baseadas em membranas de ultrafiltração para quatro grandes setores: especializado, como o farmacêutico e de alimentos e bebidas; municipal, para tratamento de esgoto sanitário e potabilizacão; petróleo e derivados; e o mercado industrial, em que se destacam os MBRs e o potencial de reúso do efluente tratado.

E justamente os biorreatores a membranas incorporam uma das novidades mais recentes desenvolvidas pela Siemens. Trata-se de um sistema de limpeza que usa a compensação hidráulica do meio, sem aumento de consumo de energia ou água. O gerente de mercado da empresa, Roberto dos Santos, explica que sensores instalados nos tanques analisam continuamente possíveis interferências nas membranas, determinando a liberação de bolhas de ar, as quais se desprendem do fundo do reator e passam pelas membranas, retirando incrustações em sua superfície. Como vantagem, aumentam a longevidade do sistema e diminuem o risco de acúmulo de sólidos. Ao final do tratamento, obtém-se um permeado com redução de sólidos superior a 99%, turbidez < 0,2 NTU, DBO < 0,5 mg/L e sólidos suspensos totais (SST) < 0,1 mg/L.

Além disso, os sistemas ofertados pela empresa utilizam membranas de fibra oca feitas de PVDF (Poli dífluoreto de vinilideno) sem encapsulamento, ou seja, a fibra é um monólito, característica que mantém uniforme tanto a distribuição granulométrica quanto o desgaste da fibra.

Segundo o gerente da empresa, as companhias de saneamento têm muito a ganhar implantando sistemas de ultrafiltração. "Produz-se água e esgoto de melhor qualidade, com menor custo energético e geração de passivo ambiental, tudo isso ocupando espaço reduzido", diz.

Pioneirismo com MBR no setor público

Dois bons exemplos de investimento público em sistemas modernos de tratamento de esgoto doméstico estão sendo dados de forma pioneira no Estado de São Paulo pela Sabesp e Sanasa, de Campinas. Ambas abriram concorrência para contratar ETEs de MBR, somando mais de R$ 260 milhões em investimentos.

Em Campinas, entra em operação no 1- semestre o primeiro lote da licitação vencida por um consórcio entre a Odebrecht e a GE Water, para a construção da Epar - Estação de Produção de Água de Reúso de Capivari 2, composta de um módulo de membranas de fibra oca com vazão de 180 L/s. Foram investidos R$ 75 milhões, beneficiando cerca de 300 mil moradores da região sudoeste da cidade. De acordo com Rovério Pagotto, gerente do departamento de planejamento e projetos da Sanasa, pesou a favor da escolha pelo MBR o fato de ser possível obter receita com a venda de água de reúso para indústrias e também com a oferta de tratamento de efluentes das próprias indústrias locais. Ao término do tratamento no MBR, a qualidade elevada do esgoto final poderá ser atestada pela turbidez inferior a 1 NTU, redução de 99% da DBO - demanda bioquímica de oxigênio e coliformes fecais próximo a 0 em 100 ml.

A redução da área ocupada pelo sistema foi outro ponto favorável, uma vez que a Epar usou apenas 1/3 do terreno de 180 mil metros quadrados adquirido pela Sanasa há alguns anos, e que seria quase todo tomado se a autarquia tivesse optado por uma estação de tratamento convencional.

As obras do segundo lote da Epar, orçado em RS 75 milhões, já começaram, e também estão sob responsabilidade da Odebrecht e GE Water. O sistema terá a mesma vazão, totalizando 360 L/s. A segunda fase terá prazo de 18 meses de execução. O projeto completo de Capivari é para 700 L/s, com quatro módulos de MBR, e será concluído ao longo do tempo.

Já a Sabesp terá sua primeira ETE de MBR em Campos do Jordão, cidade no alto da Serra da Mantiqueira em São Paulo. É uma obra de R$ 111 milhões e será executada por um consórcio formado entre OHL, Cesb e Consultoria Elevação. De acordo com Marcelo Morgado, assessor de meio ambiente da Sabesp, o motivo que levou a companhia a selecionar a tecnologia está no fato de a ETE ter como corpo receptor o Rio Sapucaí-Guaçu, (classe 2 de baixa vazão), que fica ao lado do Horto Florestal, unidade que faz parte do Parque Estadual de Campos do Jordão. "Precisávamos de uma solução modular, que comportasse sazonalidade e que fosse robusta para carga de entrada", diz. A previsão do início da operação é para o segundo semestre de 2013.

Segundo Felipe Costa, superintendente de Empreendimentos da Diretoria de Sistemas Regionais da Sabesp, o sistema será dimensionado para atender à demanda de geração em alta temporada de 217 L/s até 2035. Para não limitar as opções tecnológicas, a Sabesp não definiu o tipo de membrana no edital, mas sabe-se que elas ficarão submersas em tanque satélite ao de aeração. O processo inclui um tanque anóxico anterior para desnitrificação.

O sistema projetado deve permitir a operação do biorreator com concentração de sólidos suspensos na faixa de 8 mil a 15 mil mg/L. Como qualidade final do efluente tratado, espera-se DBO < 5 mg/L, oxigênio dissolvido > 6 mg/L, SST < 1 mg/L, turbidez < a 1 NTU e coliformes fecais < 200 NMP/100 ml. A elevada qualidade do efluente tratado pode levar a Sabesp a oferecê-lo como água de reúso. "Não descartamos tal possibilidade, tendo em vista que há várias opções de reúso urbano numa região com pouca disponibilidade hídrica", diz o assessor.

Sistemas de grande porte

A Petrobras é um dos maiores usuários dos sistemas de ultrafiltração no país atualmente. Por exemplo, na Revap, a quarta maior refinaria da empresa localizada no Vale do Paraíba, em São José dos Campos, SP, existe uma unidade de ultrafiltração submersa de 600 m3/h combinada com outra de osmose reversa e polimento com leito misto de resinas de troca iônica, para produção de água desmineralizada destinada à alimentação de caldeiras de alta pressão.

Um dos maiores sistemas industriais do mundo de MBR será construído no Comperj - Complexo Petroquímico do Rio de Janeiro. Até o momento não foi divulgado o nome do vencedor do fornecimento, que deverá escolher entre as tecnologias especificadas na licitação para o MBR (Koch, Norit, GE e Kubota). Num primeiro momento, a vazão do sistema era de 2200 m3/h, mas foi reduzida para 800 nr/h. De acordo com Rubens Francisco Júnior, superintendente de tecnologias da Haztec, uma das participantes da concorrência, uma série de fatores contribuiu para a mudança no projeto. Primeiro, porque o complexo vai incorporar gás do pré-sal como matéria-prima, levando à redução do consumo de água e geração de efluente. Também não será mais a água de lavagem dos filtros da ETA Guandu que vai alimentar a ETA do Comperj, como inicialmente previsto. Em acordo selado com a Cedae, será instalado um sistema de ultrafiltração terciária de cerca de 1000 m3/h na ETE Alegria, próxima ao complexo, que produzirá água de reúso com preço mais competitivo para o Comperj.

Na avaliação do superintendente, a tendência de uso de biorreatores a membrana peias indústrias só tende a crescer. A Haztec conta com uma unidade de MBR para recuperação de chorume no aterro Nova Iguaçu, pertencente à empresa. Com vazão de 600 m3/dia, o sistema emprega membranas crossflow da Norit e possui etapa de polimento em membranas de nanofiltração da Dow, para remoção de sais bivalentes e matéria orgânica.

Outra possibilidade expressiva de uso de membranas de ultrafiltração, de acordo com o superintendente, é como pré-tratamento da osmose reversa em sistemas de dessalinização. "Temos feito cotações para indústrias situadas ao longo do litoral", diz.

Estudos com membranas de ultrafiltração

Atualmente, o Cirra - Centro Internacional de Referência em Reúso de Água, uma entidade sem fins lucrativos vinculada à Escola Politécnica da USP, em São Paulo, abriga diversas linhas de pesquisa envolvendo membranas para tratamento de águas de abastecimento e águas residuárias. Uma delas, com financiamento na Fapesp, envolve a produção de membranas de micro (poros de 0,1 a 0,5 u.m) e ultrafiltração (poros de 0,001 a 0,1 u.m) através do processo de inversão de fases, utilizando polissulfona como matéria-prima. De acordo com Ivanildo Hespanhol, diretor-presidente do centro, as membranas já passaram pela etapa de síntese e de caracterização. A próxima fase, que se iniciará em alguns meses, está associada ao desenvolvimento da engenharia de processo com a produção de skids, permitindo a operação de sistemas de tratamento. Dentro de um convênio entre Finep, Infraero e USP, o Cirra também instalou uma unidade piloto de ultrafiltração no Aeroporto Internacional de Guarulhos para tratamento dos esgotos domésticos gerados no local, com o objetivo de reúso para fins não potáveis no próprio sítio aeroportuário. Outras unidades de MBR e de MBBR acopladas com sistemas de micro e ultrafiltração foram implantadas em duas empresas, para estudo de tratabilidade de efluentes e para se fazer um comparativo entre os sistemas de aeração convencionais e os de oxigênio puro.

Já envolvendo o segmento de água, outro estudo comparativo entre os sistemas de tratamento de água por ultrafiltração, convencional e convencional por carvão ativado, envolvendo técnicos do Cirra e coordenado pelo professor da Escola Politécnica da USP e diretor técnico do centro, José Carlos Mierzwa, e tendo como base custos diretos de implantação e operação, apontou valores de RS 0,20/m3 para o sistema convencional e R$ 0,40/m2 para os demais sistemas. Os resultados foram obtidos em uma unidade piloto de ultrafiltração, instalada junto à captação de água no Reservatório Guarapiranga, A tabela abaixo traz mais detalhes dos custos de tratamento de água em função do período de retorno de investimento. Vale ressaltar que a membrana de ultrafiltração utilizada (modelo GK-4040F, da GE Water) apresentou boa eficiência para a remoção de compostos orgânicos e matéria orgânica natural: eficiência superior a 76% e 66%, para COT - carbono orgânico total e absorção de radiação ultravioleta, respectivamente, 0 estudo também evidenciou que, ao se considerar a produção de água com o mesmo grau de qualidade e necessidade de implantação de sistemas complementares, a ultrafiltração se revela competitiva em relação ao sistema convencional seguido de um sistema de carvão ativado.

Características e aplicações das membranas

0 diâmetro do poro da membrana, dado em micrômetros, é determinante para a sua faixa de aplicação. Em geral, a membranas são acondicionadas em módulos para serem utilizadas na indústria, por exemplo. Tais estruturas permitem que as membranas suportem a pressão aplicada no sistema. Assim, existem quatro tipos de membranas comercialmente disponíveis:

• Osmose reversa: com diâmetro de poro < 0,001 um, opera com faixas de pressão de 1500 a 15 mil kPa, em média, sendo utilizada para redução de sólidos dissolvidos e moléculas ionicas. Bastante aplicada em sistemas de dessalinização e desmineralização de água,

• Nanofiltração: tem diâmetro do poro < 0,001 u.m e opera com pressões de 500 a 3500 kPa. Tem sido usada para remoção de cor e redução de dureza.

• Ultrafiltração: com poros de 0,001 a 0,1 u.m, essa membrana tolera pressões de 100 a 1000 kPa e é empregada para remoção de sólidos suspensos, matéria coloidal, macromoléculas e material precipitado.

• Microfiltração: apresenta o maior diâmetro de poro (0,1 a 5 um) e opera com pressão < 200 kPa. Pode ser usada como sistema terciário de ETEs e também na concentração de células e esterilização bacteriana.

Em pleno andamento, as obras para a construção do maior projeto do país envolvendo o uso de membranas de ultrafiltração para o tratamento de esgoto doméstico devem ser concluíveis até o inicio de 2012, quando entrará em operação a Aquapolo, sociedade criada pela Foz do Brasil e Sabesp, com objetivo de fornecer água de reuso para empresas do Polo Petroquímico de Capuava, em Mauá, SP. A Foz do Brasil definiu o MBR como o tratamento terciário na recuperação do esgoto da ETE ABC da "Sabesp. Serão nove skids com sete módulos cada da linha Puron, da Koch Membrane Systems, com membranas submersas de fibra oca e poros de 0,05 um Inicialmente, a produção da Aquapolo será de 650 L/s, com possibilidade de chegar a 1000 L/s. Uma adutora de aço-carbono fornecida pela Confab, com diâmetro de 900 mm e 17 km de extensão, já está sendo construída para levar a água até o polo. A tubulação passará por São Caetano do Sul e Santo André, antes de chegar a Mauá. O início da operação está previsto para abril de 2012. :

Na refinaria da Petrobras Abreu e Lima (Rnest), em Ipojuca, PE, a Centroprojekt vai implantar a maior planta de MBR já fornecida pela empresa no Brasil. O sistema será alimentado por correntes de efluente industrial e sanitário, e irá tratar no máximo 600 m3/h, com vazão nominal de 400 m3/h. Serão instalados 120 módulos de membranas EK400, da Kubota, em tanques de concreto, totalizando 38 400 m2 de área de filtração. A química de processos da Centroprojekt, Anna Motinaga, explica que como etapas do pré-trata-mento do MBR haverá separadores de óleo livre, remoção de óleo emulsificado por flotação do tipo ar dissolvido e filtro do tipo casca de nozes. Na sequência, os efluentes passarão por reator anóxico, para remoção do nitrato, e por zona de nitrificação, para a degradação de carga orgânica e nitrogenada. Mo MBR, o lodo é separado do efluente tratado e retorna para a zona de nitrificação. "O sistema possui elevada eficiência de remoção de amônia e é muito estável", diz Anna.

Na Centroprojekt, a maioria dos projetos desenvolvidos para o setor privado atualmente emprega sistemas de MBR. Isso porque a tecnologia garante presença de 12 a 15 mil mg/L de SST, ante os 3 mil mg/L dos lodos ativados, permitindo a implantação de reatores cada vez mais compactos. "Diminui o volume de obras civis e aumenta a qualidade do efluente tratado", observa o gerente de processos, Paul Anthony Woodhead.

Seja como instrumento de potabilização de água para abastecimento ou no tratamento de efluente para reúso, os sistemas de ultrafiltração provam ser viáveis e lucrativos para municípios, indústrias e empresas implantar tecnologias avançadas de tratamento, com a certeza de obter um permeado de qualidade constante e de elevado valor agregado.