Comparação dos processos de cristalização por evaporação para águas residuais contendo azoto amoniacal.

Ao utilizar a cristalização por evaporação para o tratamento de águas residuais com alto teor de nitrogênio amoniacal, os principais processos podem ser categorizados em três tipos: evaporação multiefeito (MEE), recompressão mecânica de vapor (MVR) e evaporação a vácuo em baixa temperatura. Todos os três podem converter sais de amônio da fase líquida para a fase sólida, mas diferem significativamente em termos de consumo de energia, dependência de vapor, controle de escape de amônia, intensidade de investimento e flexibilidade operacional.

1. Cristalização por evaporação de múltiplos efeitos para águas residuais contendo nitrogênio amoniacal

O MEE utiliza vapor fresco para a transferência de calor em estágios, produzindo de 0,25 a 0,35 toneladas de vapor por tonelada de água, resultando no maior consumo de energia. O sistema é simples e apresenta boa tolerância a flutuações na qualidade da água, tornando-o adequado para cenários com usinas de energia autossuficientes e preços elevados de eletricidade. No entanto, a evaporação em alta temperatura (90-110 °C) causa a liberação de uma grande quantidade de amônia livre, exigindo uma torre de lavagem ácida em múltiplos estágios; caso contrário, a concentração de amônia no gás residual pode exceder os padrões. Simultaneamente, as superfícies de troca de calor são propensas à incrustação, exigindo um ciclo de limpeza de tipicamente 7 a 10 dias, resultando em uma frequência de manutenção maior do que os outros dois processos.

2. Evaporação e cristalização de nitrogênio amoniacal em águas residuais por MVR

O sistema MVR utiliza um compressor para aquecer o vapor secundário a 18-25 °C para reutilização. Consome apenas 25-35 kWh de eletricidade por tonelada de água, praticamente não exigindo reposição contínua de vapor, resultando em custos operacionais 20-30% menores do que a evaporação de quádruplo efeito. As temperaturas de evaporação podem chegar a 70 °C, reduzindo a pressão parcial de amônia em uma ordem de magnitude e, simultaneamente, reduzindo o volume de gases de exaustão e a carga de lavagem. Possui um alto grau de automação, permitindo partida/parada com um único botão por meio de conversores de frequência e monitoramento por software. A desvantagem é que o compressor tem requisitos rigorosos quanto à limpeza do vapor secundário. Se o efluente apresentar alta DQO e forte formação de espuma, é necessário adicionar antiespumante e implementar a limpeza online; caso contrário, o impulsor fica propenso à carbonização, aumentando os custos de manutenção.

3. Evaporação e cristalização a baixa temperatura de águas residuais contendo nitrogênio amoniacal

A evaporação a vácuo em baixa temperatura opera entre 37 e 45 °C, com impacto mínimo do aumento do ponto de ebulição, tornando-a particularmente adequada para licor-mãe de nitrogênio amoniacal com alto teor de DQO, alta viscosidade e fácil formação de coque. A diferença de temperatura de transferência de calor de quase 100 °C permite o uso de água quente de baixa temperatura ou calor residual da planta como fonte de calor, com consumo de energia de apenas 30 a 40% do licor-mãe convencional. Devido à baixa temperatura, a fuga de amônia é insignificante, resultando em uma vida útil mais longa do equipamento. No entanto, a pressão de vapor saturado é baixa em baixas temperaturas, levando a uma baixa intensidade de evaporação. A capacidade de processamento de uma única unidade é tipicamente ≤ 3 t·h⁻¹, exigindo múltiplas unidades em paralelo para ampliação de escala. Além disso, o sistema de vácuo é complexo, com um investimento inicial comparável ao do licor-mãe convencional, tornando-o mais adequado para recuperação de sais de amônio de baixo volume e alto valor agregado ou para cenários de redução profunda do licor-mãe.

Em resumo, para projetos com volume de água ≥ 5 t·h⁻¹, preços moderados de eletricidade, requisitos de processo curtos e pequena área ocupada, a evaporação por vapor de membrana (MVR) é a opção preferencial. Para projetos com calor residual de baixo custo, volume de água < 3 t·h⁻¹, alta DQO e requisitos menos rigorosos para a cor dos cristais, a evaporação a vácuo em baixa temperatura é mais econômica. Se houver um grande excedente de vapor de baixa pressão no local e a expansão da carga elétrica for difícil, a evaporação por múltiplos efeitos pode ser considerada, mas espaço adicional deve ser reservado para a lavagem com amônia e limpeza frequente. Na prática da engenharia, a MVR é frequentemente conectada em série com um secador de baixa temperatura para formar uma combinação de "concentração principal + secagem terminal", que não só mantém a vantagem do baixo consumo de energia da MVR, como também utiliza a seção de baixa temperatura para solidificar completamente a solução-mãe, alcançando uma descarga próxima de zero de efluentes nitrogenados de amônia.