Uma Nova Era Para o Monitoramento de DBO em tempo real

Introdução

Em muitas áreas da nossa vida, o monitoramento manual foi substituído por monitoramento automático ou on-line à medida que a tecnologia de instrumentação foi sendo desenvolvida; no entanto, há uma área que ficou um tanto para trás que é a qualidade da água. Para muitos parâmetros é simplesmente impossível se realizar medições em campo, somente podendo ser realizados com coleta de amostras e realização de ensaios em laboratórios. Nos últimos dez anos, aproximadamente, temos visto uma série de parâmetros tradicionais sendo medidos continuamente utilizando-se várias técnicas de sensores, muitas vezes via química úmida /reagentes ou semi-laboratórios muito complexos e caros montados em quiosques estilizados para tentar-se automatizar parâmetros como DBO. A diretriz para a nova tecnologia “online” está diretamente ligada à uma necessidade de monitorar e controlar nosso ambiente e processos para rápidas e eficientes tomadas de decisões.

Sem dúvida o DBO (Demanda Bioquímica de Oxigênio) é provavelmente o Santo Graal dos parâmetros de qualidade da água, pois apenas com esse parâmetro podemos avaliar a saúde e a carga orgânica de águas poluídas. Desde sua adoção no início do século XX pelo Royal Institute do Reino Unido é usado mundialmente para indicar o nível de poluição em nossos rios, oceanos e ativos de recursos hídricos.

O ensaio de DBO de 5 dias realizado em laboratório vem do fato de que nenhum rio no Reino Unido tem um tempo de fluxo superior a 5 dias. Atualmente, é utilizado em todo o mundo para monitorar e controlar as descargas de Tratamento de Águas Residuais e Plantas. No entanto, em quase 99% dos casos a medição do DBO5 é feita manualmente, enviando-se amostras de água para um laboratório que normalmente vai tomar um extra 2 a 3 dias a mais do que os 5 dias do teste em si. Receber um resultado de não conformidade ou alerta de poluição 7 ou 8 dias após o evento é simplesmente de pouca ajuda prática para se tentar controlar um evento de processo ou a própria poluição. O impulso pela inovação e novas tecnologias é visto como chave para desbloquear este ciclo de processo e ser capaz de monitorá-lo e controlá-lo 24 horas por dia, 7 dias por semana, onde quer que esse monitoramento seja necessário.

Porque precisamos medir DBO?

DBO é um dado incrivelmente importante porque em apenas um parâmetro pode-se ter uma avaliação, mundialmente reconhecida, da qualidade da água. Quanto maior o valor do DBO, maior a matéria orgânica na água que é essencialmente alimento disponível para bactérias que consomem oxigênio. Se a carga orgânica aumentar além da oferta de oxigênio dissolvido (OD) provenientes da fotossíntese de plantas aquáticas e algas e da difusão de oxigênio da atmosfera, então o ecossistema aquático se torna severamente estressado tornando-o inadequado para a vida aquática. Ao levarmos essa relação ao extremo, o ambiente pode se tornar hipóxico (Baixa concentração de oxigênio) ou anóxico (Quase ausência de oxigênio). Por isso, é fundamental que se meça o DBO de maneira rápida e precisa.

Amostragem tradicional ou Monitoramento contínuo?

Um ensaio analítico em uma amostra significa uma leitura relatada para um momento no tempo, e só pode ser utilizada para descrever a situação de um meio naquele momento, nem 30 minutos antes ou 30 minutos depois. Além disso, não é possível dizer onde essa leitura está em uma tendência de dados analíticos ou se a tendência está aumentando, diminuindo ou simplesmente estável. Essa situação só cria mais dúvidas, dúvidas estas que não podem ser esclarecidas devido à falta de mais dados. A única maneira de se analisar tendências é tomando-se várias amostras, que se tornaria inviável devido ao custo excessivo e ao trabalho demandado.

Em contraste, o monitoramento contínuo fornece uma tendência de dados com hora e data que podem ser utilizados em tempo real para tomada de decisões ativas sobre as condições presentes. Como exemplo pode-se citar uma estação de tratamento de efluentes que está lançando águas para um rio e esse lançamento esteja próximo ao limite de DBO permitido, então imediatamente a operação pode ser alterada para a garantia de que o limite de DBO seja respeitado. Isso é muitas vezes feito para parâmetros como pH, Turbidez ou Amônia, porém, dificilmente para parâmetros como DBO, DQO e TOC.

Se fizermos uma pesquisa junto aos profissionais de qualidade da água quanto às suas preferências entre amostras contínuas ou pontuais, as medições contínuas levarão ampla vantagem, porém a falta de tecnologia confiável ainda mantém a medição pontual como padrão universal para amostragem de DBO.

Então, o quanto bom ou ruim é o processo DBO5?

Para ser justo, nenhuma das duas palavras, bom ou ruim, são adjetivos corretos a serem utilizados; o processo é tão bom quanto as etapas e as pessoas que o suportam; se essas variáveis mudam, os resultados também mudam. Para muitos, isso não é nenhuma surpresa, mas é inevitável que quanto mais variáveis são introduzidas em um processo, maior o risco de erro. O processo DBO5 não é diferente e, infelizmente, é implacável. Há múltiplas fontes de erro que podem ter um efeito muito significativo sobre os resultados da amostra, se não for realizada absolutamente perfeita:

Preparação da amostragem;
Coleta de amostras;
Transporte & armazenamento;
Teste laboratorial.

O gráfico abaixo resume a crescente incerteza quando nos aprofundamos no processo. Então, embora um laboratório de ensaios possa oferecer uma incerteza de +/-15 ou +/-20% da leitura, a probabilidade que essa incerteza seja muito maior, devido às variáveis do processo, é grande.

O ensaio DBO5 é mundialmente reconhecido como notoriamente inexato. Vários especialistas em qualidade da água têm visões diferentes sobre sua precisão; no entanto, eles vão concordar que o teste de DBO atual de 5 dias é nada mais do que uma aproximação que normalmente varia em precisão de +/-15% a +/-50% das leituras. Então, se é tão impreciso, por que é tão amplamente utilizado? Bem, em suma, não há outra maneira prática. Atualmente a única alternativa, com custo elevado, seriam os analisadores em mini-laboratórios (Containers), exigindo um capital significativo (Cerca de R$ 850.000,00 cada) . Além disso, esses analisadores requerem manutenções regulares, energia local e outros recursos e, portanto, não há mudança significativa da amostragem manual. Então, quão útil é um resultado que só pode ser usado como uma indicação e que levará aproximadamente 7 dias para sua realização? Ainda que se possa obter um resultado de DBO em algumas horas, seria tarde demais permitir ações em um processo ou conter a poluição de um corpo hídrico. Quando se aplica a imprecisão do processo de DBO aos seus resultados pode-se chegar invariavelmente a um falso positivo ou vice-versa, e como resultante teremos más decisões baseadas em dados ruins.

Há, obviamente, maneiras em que podemos melhorar o processo de DBO, mas, em última análise, para obter um resultado razoável de +/-15 a +/-20% no geral, o processo acima precisa ser seguido com um nível de precisão militar que raramente se consegue. Há alguma coisa que possa ser feita para melhorar os resultados além de procedimento rigoroso? Bem, pegando-se várias amostras (mesma amostra subdividida) e enviando-as para o mesmo laboratório ou diferentes laboratórios, isto nos fornecerá múltiplos resultados que podem servir para reduzir o erro médio. A desvantagem é que isso elevaria os custos do laboratório consideravelmente. Compreensivelmente as pessoas não procedem dessa maneira, porém, a razão principal é pelo desconhecimento da verdadeira incerteza da análise de DBO do que propriamente por custos.

Razões para monitoramento contínuo do DBO.

Os pontos fortes de monitoramento on-line contínuo têm sido estabelecidos há muito tempo para muitos parâmetros, mas existem vários parâmetros, incluindo DBO/DQO/COD/TOC e coliformes fecais onde barreiras tecnológicas têm limitado a adoção dessa alternativa.

Há uma infinidade de razões para a necessidade de se medir o DBO/DQO/TOC continuamente:

Recursos: O monitoramento contínuo é muitas vezes necessário onde há falta de recursos e mão-de-obra para fornecer amostras de rotina.

Capacidade de resposta às flutuações: Detectando picos ou flutuações no DBO é possível melhor responder às situações em mudanças repentinas na demanda de oxigênio, seja em uma planta de tratamento de efluentes, controle de processos ou no meio ambiente;

Compliance: Garantir que países, agências de proteção ambiental e empresas cumpram estritamente Legislações cada vez mais rigorosas; Estações de tratamento de efluentes devem garantir o não descarte em águas com valores de DBO superiores aos limites das legislações vigentes, sendo que poucas amostragens, semanalmente, não vão garantir isso!

Prevenção da Poluição: Alerta em tempo real sobre poluição e, de fato, prevenção da poluição;

Controle em Tempo Real: Dados contínuos podem ajudar a identificar onde estão as condições falhas do processo para auxiliar na tomada de decisões ou na implantação de automação;

Otimização de Processos: Monitoramento e otimização de Estações de tratamento de água e efluentes pode melhorar desempenho e conformidade, ou seja, torna-se potencialmente possível a correlação direta entre a carga de entrada e a capacidade de tratamento de uma estação;

ROI elevado: Uma vez que se entende que o monitoramento contínuo é percebido como um investimento, ele pode se pagar muito rapidamente com base em economia de mão de obra/recursos, melhor qualidade dos dados e as melhores decisões que previnem qualquer risco ou multas que estejam associadas à não conformidades.

Precisão e Confiabilidade: Qualquer pessoa com experiência em amostragem para ensaio de DBO terá uma história para contar de como resultados implausíveis geraram uma série de perguntas ou ações que não levaram a nada, porque não havia nada para explicar os resultados analíticos suspeitos. Este é um caso indissolúvel, pois o fato é que não há muitas opções para verificar-se as leituras dos resultados suspeitos. Daí vem o cenário que dados ruins levam a decisões ruins... portanto, bons dados, então, tornam-se um ativo; um ativo com base no qual você pode tomar boas decisões ou melhor ainda, partir para uma automação.

Redução de custos/energia: Seja em redução de produtos ou uma economia de energia com unidades de controle de velocidade para aeradores em Estações de tratamento de efluentes, o monitoramento contínuo pode revolucionar um processo. Para DBO isso nunca foi uma opção (até agora).

Redes SMART: Analisando-se DBO em tempo real é possível integrar-se múltiplos sistemas: rede de esgoto, estações de tratamento de efluentes e recursos hídricos para fornecer, tempo real, uma visão geral desse parâmetro.

Comportamento: Quando apenas uma ou duas amostras são coletadas por semana, não é possível compreender completamente um processo (Por exemplo, efeitos diurnos). Monitorando-o continuamente são possíveis ter-se deduções de como o sistema funciona, com detalhes infinitos. Os dados podem revelar várias características que indicam outros problemas.

Erro humano: Não somos perfeitos, logo a certeza de se obter o procedimento de amostragem do DBO perfeito para o fornecimento de dados confiáveis é uma realidade longínqua.

Quais tecnologias de monitoramento contínuo estão disponíveis?

Existem uma série de tecnologias diferentes disponíveis que afirmam medir DBO, mas eles normalmente são incapazes de medir DBO em tempo real ou incapazes de mensurá-lo com precisão e confiabilidade. As tecnologias incluem fotometria, manometria, bio-sensores, células de combustível microbiano e espectrofotômetros UV-VIS. Até agora, as tecnologias UV-VIS têm sido amplamente adotadas em sensores para análise de DBO em tempo real, porém fatores como limpeza do sensor, seleção de comprimento de onda e precisão têm sido uma sombra em termos de confiabilidade de resultados. Há algum tempo há o conceito de que os fluorômetros poderiam ser usados para medir carga orgânica de águas, mas houve pouco desenvolvimento ou pesquisa científica nesta área.

Os Equipamentos Proteus foram os primeiros a incorporar os aprendizados e aplicar tecnologia de ponta na medição de DBO on-line. A Proteus também é pioneira em sonda multiparâmetros para medição de DBO/COD/DOC/TOC e Coliformes (Tecnologia patenteada) em tempo real com base no uso de fluorômetros em campo. O desenvolvimento desse equipamento focou na a alta incerteza (>30%) do ensaio de DBO5. Ao contrário de outros instrumentos, o sensor da Proteus pode ser instalado em qualquer corpo de água, rio ou efluentes e medir instantaneamente, sem as questões que assolam as tecnologias UV-VIS. Com um sistema integral de limpeza do sensor e menor consumo de energia, a gama de aplicações para a Proteus é incomparável.

DBO5 vs Proteus.

A sonda Proteus foi instalada na descarga final de efluentes em uma grande Companhia de águas do Reino Unido para monitoramento de DBO/COD/TOC em tempo real com resultados surpreendentes. O cliente providenciou uma amostragem regular de seu efluente para ensaios de DBO5 em seu laboratório, para futuras comparações. A faixa de medição DBO foi relativamente baixa variando entre 1-10mg/l com um comportamento típico cíclico padrão diário de carga. Quando os resultados dos ensaios de laboratório retornaram, não houve correlação clara entre as amostras e as leituras da sonda Proteus. Além disso é possível ver a variabilidade nos ensaios de DBO entre os laboratórios e de um mesmo único laboratório com a mesma amostra (figura 2). Deve-se afirmar que todas as quatro amostras vieram de uma amostra homogeneizada (que foi posteriormente dividida) e que deveria ter fornecido quatro resultados idênticos de DBO.

Figura 2

Ao realizar-se uma calibração de campo, otimizada, da sonda Proteus utilizando-se um único conjunto de amostras (ou seja, de um único laboratório), o problema com a incerteza laboratorial é clara quanto ao R2 baixíssimo alcançado (Figura 3). Porém quando tomamos a média de resultados de todos os laboratórios, por amostras, percebemos que temos uma forte relação linear entre os dados da sonda Proteus e os dados laboratoriais (Figura 4).

Esses resultados nos remetem a um erro mínimo de quantificação para a sonda Proteus (Erro médio = 0,07 mg/l).

Isso é claramente um argumento muito forte para a coleta de múltiplas amostras e, também, para o uso da tecnologia de medição de DBO de tempo real da Proteus.

Figura 3

Figura 4

Um exemplo dos dados desta instalação pode ser visto abaixo, juntamente com os dados (pontuais e não médios) capturados dos ensaios de DBO dos laboratórios (pontos vermelhos). Note que estas não são leituras médias e, portanto, há desvios entre as medições da sonda Proteus e as leituras de laboratório. Obviamente, amostras manuais coletadas uma vez por dia ou por semana não forneceriam o nível de detalhes que podem ser vistos aqui. O monitoramento em tempo real de DBO garante que nenhum evento inesperado seja perdido e permite que as organizações reajam rapidamente para ações questões de poluição ambiental ou processos, muito antes de exceder-se os limites permitidos pelas legislações.

Figura 05

Conclusões

A principal razão pela qual ainda utilizamos DBO5 (Laboratório) como técnica é porque ela é (1) consagrada em legislações que envolvem o meio ambiente e em práticas de monitoramento ambiental/Industrial, e, também, (2) porque tem sido historicamente a abordagem mais acessível para medir-se o DBO. A técnica em si é amplamente considerada como sendo potencialmente não muito confiável, muitas vezes causando preocupação ou alarme na interpretação de resultados. Avanços tecnológicos como a Proteus permitirão que a comunidade global monitore e controle a qualidade da água com precisão e em tempo real. A mudança de patamar na tecnologia tem grandes implicações globais para amostragens e ensaios tradicionais de DBO e poderá servir como um passo gigantesco para melhorar a qualidade da água de nossos recursos hídricos, proteger nossos ecossistemas aquáticos e melhorar nossos suprimentos de água potável. É fácil perceber que essa tecnologia poderia literalmente reinventar a forma como monitoramos e controlamos nosso ambiente; ela irá gerar novas perguntas e logicamente novas respostas. Há um ditado muito verdadeiro que diz "boas decisões são baseadas em bons dados”; obter dados de DBO em tempo real permitirá às organizações e comunidades tomarem decisões rápidas e melhores que vão, em última instância, melhorar o nosso ambiente e nossa saúde.

Quanto à tecnologia de medição de DBO da Proteus, ela é diferente de todas as tecnologias disponíveis baseadas em radiação UV/VIS, pois essa tecnologia utiliza espectroscopia de fluorescência que interage diretamente com aminoácidos, proteínas e fenóis fornecendo dados que em conjunto com outros parâmetros físico-químicos alimentarão algoritmos patenteado para medições de DBO.