BR102016027974B1 - Arranjo estrutural de filtro biológico para reatores de metanização e reator para metanização de efluentes industriais - Google Patents

Abstract

a presente invenção está relacionada a um filtro biológico para reatores anaeróbios e um reator para metanização de efluentes industriais, preferencialmente da indústria sucroenergética, os quais são compreendidos por características desenvolvidas para solucionar, de forma eficaz, os problemas, as limitações e os inconvenientes observados no estado da técnica. mais particularmente, o filtro biológico compreende camadas (3) de elementos filtrantes (4) que estão espaçados entre si, e cada camada dispõe seus elementos filtrantes (4) angularmente deslocados em relação aos elementos filtrantes (4) da camada (3) subsequente. já o reator para metanização compreende uma estrutura (21) responsável por acomodar um filtro biológico (10) que compreende ao menos um conjunto (50) de camadas (30) de elementos filtrantes (40), sendo que cada conjunto é formado por camadas (30) constituídas por elementos filtrantes (40) que estão espaçados entre si, e cada camada dispõe seus elementos filtrantes angularmente deslocados em relação aos elementos filtrantes da camada subsequente.

Description

"ARRANJO ESTRUTURAL DE FILTRO BIOLÓGICO PARA REATORES DE METANIZAÇÃO E REATOR PARA METANIZAÇÃO DE EFLUENTES INDUSTRIAIS" Campo da Invenção [0001] A presente invenção refere-se, inicialmente, a um novo filtro biológico para ser aplicado em reatores para metanização de efluentes, e mais preferencialmente, em reatores anaeróbios para metanização de vinhaça gerada nas usinas de produção de etanol. Particularmente, o filtro biológico, objeto da presente invenção possui uma configuração estrutural que compreende uma série de aspectos técnicos, construtivos e funcionais capazes de propiciar a formação de um meio químico-biológico dentro dos reatores favorável para o processamento da vinhaça e, com isso, promover a valoração desse tipo de efluente industrial.

[0002] Adicional mente, a presente invenção refere-se a um reator para metanização de efluentes industriais, mais particularmente para a metanização da vinhaça gerada nas usinas durante a produção de etanol, o qual é compreendido por um filtro biológico de acordo com a presente invenção, combinado com uma série de mecanismos complementares que proporcionam uma significativa melhora da cultura e do meio biológico para o tratamento dos efluentes e, consequentemente, um aumento substancial na produção de biogás.

Fundamentos da Invenção [0003] Conforme deve ser apreciado pelos técnicos no assunto, o processo de metanização vem sendo aplicado com sucesso no tratamento biológico de diferentes tipologias de efluentes orgânicos, por exemplo, no setor de tratamento de esgoto doméstico e de efluentes da indústria alimentícia e de bebidas, principalmente pelos benefícios e vantagens que revela quando comparado com os processos aeróbios, tais como baixo custo operacional, reduzida taxa de geração de lodo, geração de biofertilizante, minimização na emissão de gases relativos ao efeito estufa, bem como geração de biogás, que pode ser utilizado como fonte energética alternativa para as usinas.

[0004] Os processos de metanização conhecidos no estado da técnica para tratar efluentes líquidos normalmente utilizam reatores do tipo UASB (do inglês: Upflow AnaeróbicS/udge B/anket) que são tratamentos anaeróbios de fluxo ascendente, sendo em alguns casos conduzidos praticamente de forma automatizada através de um sistema de supervisão capaz de monitorar principalmente as vazões dos líquidos e gases do processo, pressão, temperatura e pH dos efluentes. Atualmente, sabe-se que o processo de metanização pode ocorrer em uma faixa de temperatura bastante ampla, por exemplo entre 0 e 97°C. Porém, as faixas mesofílica (37°C) e termofílica (55°C) são as mais recomendadas para os tratamentos anaeróbios de resíduos e efluentes orgânicos.

[0005] Os processos de metanização mais usuais do estado da técnica são realizados na faixa mesófila, principalmente por ser mais robusta, suportar maiores perturbações operacionais, do tipo variações de temperatura, choques de cargas e/ou elementos inibidores do processo. Outro fator que influencia de forma determinante a predominância dos processos de metanização na faixa mesófila é que a grande maioria dos substratos a serem utilizados no processo estão na temperatura ambiente e, portanto, evita-se o gasto de energia complementar para aquecer os substratos, caso seja realizado o processo de metanização na faixa termofílica.

[0006] Entretanto, também é importante destacar que os sistemas que operam na faixa termofílica conseguem prover uma maior eficiência na velocidade de estabilização da matéria orgânica, fazendo com que os sistemas suportem uma quantidade maior de resíduos por unidade volumétrica do reator, a chamada Carga Orgânica Voiumétríca - COV, o que permite obter reatores de porte reduzido.

[0007] Particularmente com relação ao setor sucroenergético, verifica-se que o processo de metanização ainda é muito incipiente, principalmente para o tratamento da vinhaça, a qual exige um tratamento diferenciado e cuidadoso. Isso porque, a elevada concentração de sulfato, antibióticos e ácidos orgânicos na vinhaça, oscilações na geração e concentração de matéria orgânica da vinhaça e o elevado teor de sulfeto de hidrogênio (H2S) no biogás gerado acaba provocando problemas com a corrosão prematura dos motores, assim como revelam uma baixa eficiência de compressão do biogás, razões essas que provavelmente justificam os raros projetos e instalações em funcionamento para a metanização da vinhaça.

[0008] Neste contexto, ao longo dos últimos anos, foi possível observar uma certa movimentação no setor de metanização de resíduos no intuito de conseguir desenvolver uma tecnologia capaz de viabilizar o tratamento da vinhaça nas usinas de etanol, tendo em vista o potencial na geração de biogás a partir desse substrato, assim como a sinergia existente entre os diversos resíduos e efluentes disponíveis nas usinas de etanol. Porém, de acordo com os conhecimentos disponíveis no estado da técnica, verifica-se que o processo de metanização da vinhaça vem enfrentando algumas barreiras técnicas que o tornam inviável, principal mente pelos aspectos econômicos envolvendo o tratamento desse tipo de efluente. Mais especificamente, pode-se destacar os seguintes pontos críticos na metanização da vinhaça: - Concentração de sulfato: As elevadas concentrações de sulfato na vinhaça resultam em um biogás com elevado teor de sulfato de hidrogênio (HkS), demandando elevados custos para propiciar a dessulfurização do biogás. Apenas a título informativo, na metanização da vinhaça o teor de sulfato de hidrogênio pode atingir valores entre 5.000 a 50.000ppmV, enquanto que as concentrações típicas de sulfato de hidrogênio (H2S) no biogás gerado pelo tratamento de esgoto e FORSU (fração orgânica de resíduos sólidos urbanos) é de 1.000-2.500ppmV; - Valores de pH: A vinhaça contém um pH substancialmente ácido, da ordem de 4, por essa razão, faz-se necessária a adequação do substrato às condições de processo de metanização, que opera em pH neutro. Esta condição exige uma elevada demanda por compostos químicos alcalinizantes, 0 que resulta em um considerável custo operacional adicional. Os principais alcalinizantes utilizados são 0 hidróxido de sódio e carbonato de cálcio, cujos custos são relativamente altos, ao ponto de, inclusive, inviabilizar economicamente 0 processamento da vinhaça através da metanização; - Disponibilidade de nutrientes: A vinhaça possui elevadas concentrações de potássio, porém apresenta baixas concentrações de outros macro/micronutrientes essenciais para 0 processo de metanização, exigindo uma complementação para tornar a composição adequada ao processo de metanização, especial mente em relação a fósforo e nitrogênio. Como consequência, aumenta-se os custos, podendo inviabilizar 0 processo; - Presença de antibióticos: No setor sucroenergético é bastante comum a utilização de antibióticos/biocidas/bactericidas no controle microbiano nas dornas de fermentação do processo produtivo de etanol. Considerando que a metanização é um processo biológico e, portanto, totalmente dependente da ação dos microrganismos, o residual de antibiótico/biocidas/bactericidas presente na vinhaça pode ocasionar toxicidade/inibição dos microrganismos. Como deve ser apreciado, dependendo das concentrações residuais dessas substâncias na vinhaça, pode-se verificar a inibição do processo de metanização, reduzindo a produtividade dos reatores; - Concentrações de matéria orgán/ica/ A vinhaça é um efluente que não possui como destinação final o lançamento em redes hídricas, e sim a utilização na fertirrigação. Desta forma, não são realizadas análises de monitoramento da concentração de matéria orgânica (ex: DQO e/ou DBO Demandas Química e Biológica de Oxigênio, respectivamente) na mesma, resultando em deficiências de informação para o dimensionamento de plantas de metanização. A DQO varia consideravelmente de acordo com o processo produtivo, ou seja, conforme a fabricação de etanol a partir do melaço, caldo, melaço+caldo, etc. Assim, ainda há pouca informação segura sobre a concentração de DQO na vinhaça, bem como a relação entre causa e efeito do processo produtivo e a qualidade do efluente, uma vez que os dados de literatura encontrados são pouco confiáveis;

Sazona/idade: O setor sucroenergético opera de forma intermitente, geralmente por um período de 8 a 9 meses anuais, em consonância com o período de colheita da cana de açúcar. Por essa razão, os reatores de metanização são submetidos a paradas nos períodos de entressafra, o que acarreta na necessidade de re-arranques anuais do meio biológico. Normalmente, os processos de metanização exigem até cerca de três meses para colocar o meio biológico em efetiva operação, podendo tornar inviável o processo pelo não tratamento da totalidade da vinhaça e consequentemente redução na quantidade de biogás gerado. Uma opção para a manutenção da operação dos reatores nos períodos de entressafra seria a utilização de substratos disponíveis na região. Porém, para a realização dessa substituição de substrato, deve-se buscar materiais com um teor de sólidos similares ao da vinhaça, de modo que a troca do substrato não promova acumulação de sedimentos no interior do reator. Como deve ser observado, do ponto de vista logístico e prático, esta opção não se mostra viável, uma vez que o transporte e/ou bombeamento do substrato pode acarretar em elevados custos; e - Granulação dos microrganismos: A vinhaça revela propriedades que impedem a formação adequada de grânulos de seus microrganismos e, com isso, não consegue gerar um manto de lodo adequado para o processamento da vinhaça. Mais particularmente, observa-se que a vinhaça possui características e propriedades que acabam inviabilizando a formação natural dos grânulos em virtude da velocidade ascensional do substrato dentro dos reatores. Por essas razões, o processo de metanização da vinhaça nos reatores UASB convencionais acaba resultando na geração de biogás e tratamento do efluente abaixo dos níveis desejados.

[0009] Conforme deve ser do conhecimento geral dos técnicos no assunto, os reatores conhecidos no estado da técnica utilizados para o processo de metanização de substratos orgânicos revelam uma série de problemas, limitações e inconvenientes, os quais são ainda mais perceptíveis quando se deseja processar efluentes da indústria sucroenergética, em especial a vinhaça que apresenta uma pluralidade de especificidades que a torna bastante distinta dos demais efluentes industriais convencionalmente processados.

[0010] No intuito de se tentar obter soluções aos problemas e limitações dos reatores convencionais do estado da técnica, conforme acima comentados, são conhecidos alguns modelos alternativos, podendo também serem denominados como modelos mistos, os quais buscam agregar os benefícios de diferentes tecnologias. A título meramente exemplificativo, os documentos JP2000246282, CN104649411, KR.20060019643, KR20020078169, CN203768109, CN203360112 e CN202829705, revelam reatores anaeróbios de fluxo ascendente que acabam incorporando uma espécie de filtro em seu interior, e com isso, tentam melhorar a cultura do meio biológico no interior do reator e, consequentemente, obter melhores resultados, tanto no tratamento dos efluentes como na geração de biogás.

[0011] Entretanto, apesar de teoricamente se mostrarem eficazes, continuam revelando alguns inconvenientes e limitações que, de certo modo, poderíam ser aperfeiçoados para obter resultados ainda melhores, principalmente no que tange a eficiência do reator, a preservação da cultura e do meio biológico, mas também em termos econômicos, especialmente com relação ao uso de agentes químicos para regularização do pH do meio biológico.

[0012] Mais especifica mente, nota-se que as estruturas filtrantes utilizadas nos reatores do estado da técnica buscam simplesmente promover uma certa aderência dos microrganismos nos mesmos, no intuito de obter um meio mais concentrado no mesmo e, dessa forma, melhorar as condições de tratamento dos efluentes. Porém, nota-se que em todos esses modelos, não há qualquer detalhamento sobre a configuração estrutural dessa espécie de camada filtrante disposta no meio do reator. Em outras palavras, as soluções apresentadas referem-se à referida estrutura filtrante de forma superficial, o que demostra claramente uma certa indefinição e incerteza quanto a real eficácia desse modelo estrutural, principalmente para obtenção de resultados envolvendo a criação de um biofilme e casulos no filtro, a sedimentação e a geração de grânulos microbianos na base do reator.

[0013] Tal afirmativa acaba sendo corroborada quando se identifica a necessidade de defletores e separadores trifásicos nas propostas reveladas no estado da técnica. Ou seja, aparentemente, de acordo com o estado da técnica, a disposição de uma estrutura filtrante dentro do reator pode funcionar, mas fica evidente que, até o presente momento, não se conseguiu propor algo efetivamente concreto, e que, na prática, seja realmente funcional para promover a sedimentação e o acumulo das bactérias na região inferior dos reatores.

[0014] Ainda com relação aos defletores e separadores trifásicos, é possível observar que os reatores que são providos desses mecanismos acabam tornando a estrutura relativamente complexa, afetando a sua construtividade e, ainda, os custos envolvidos tanto na fabricação e montagem, como na manutenção desses reatores. Porém, como pode ser observado nos documentos do estado da técnica, esses defletores e separadores são peças essenciais e fundamentais para permitir a coleta do biogás nestes reatores.

[0015] Outro fator limitante desses reatores mistos revelados no estado da técnica está relacionado aos meios coletores do efluente dentro dos reatores. Isso porque, como é possível observar, os efluentes no interior dos reatores são coletados em um ponto específico, ou seja, através de uma tubulação posicionada em um único local determinado. Esse tipo de configuração não é favorável ao sistema como um todo, uma vez que acaba influenciando a ascensão do fluxo, gerando um certo favorecimento de percurso no movimento de ascensão da matéria, particularmente em direção da referida saída de efluentes na porção superior dos reatores.

[0016] Adicional mente, conforme é possível constatar, apesar dos reatores conhecidos no estado da técnica revelaram mecanismos para promover a recirculação dos efluentes, nenhum deles se mostra eficiente quanto a reinoculação do meio, e muito menos para influenciar no ajuste do pH, o que continua exigindo uma quantidade substancial de agentes químicos alcalinizantes para ajustar o pH para os níveis recomendados para o processo de metanização da vinhaça, como resultado, os elevados custos para o processamento da vinhaça continuam muito elevados.

[0017] Portanto, conforme é possível observar, os reatores do estado da técnica utilizados para a metanização de efluentes e geração de biogás revelam estruturas impróprias e inadequadas para o processamento de efluentes da indústria sucroenergética, principal mente a vinhaça. Mais especificamente, os reatores do estado da técnica revelam restrições e inconvenientes que impedem o processamento da vinhaça e, de forma mais objetiva, alguns modelos compreendem filtros biológicos cujas características não são eficazes e capazes de propiciar uma adequada geração e captação do biogás.

[0018] Além disso, constata-se que os reatores para metanização de efluentes industriais conhecidos no estado da técnica carecem de soluções técnicas e construtivas que tornam possível o processamento adequado e viável da vinhaça, principalmente no que se refere à adequação dos níveis de pH dos substratos, bem como a devida granulação das bactérias de modo a propiciar uma cultura biológica apropriada para o tratamento da vinhaça e a geração do biogás.

Objetivos da Invenção [0019] Diante do contexto acima apresentado, é um dos objetivos da presente invenção prover um filtro biológico para reatores anaeróbios particularmente destinados ao tratamento de efluentes da indústria sucroenergética, e mais preferencialmente para a metanização da vinhaça. O filtro biológico, segundo a presente invenção compreende um conjunto de características especialmente projetadas e desenvolvidas para solucionar, de forma eficaz, os problemas, as limitações e os inconvenientes observados no estado da técnica.

[0020] Também é um dos objetivos da presente invenção prover um filtro biológico para reatores anaeróbios destinados preferencialmente para a metanização de vinhaça, sendo compreendido por aspectos técnicos, construtivos e funcionais capazes de promover a sedimentação das bactérias para a formação de um manto de lodo com elevada concentração através do aumento da densidade microbiana. Mais particularmente, o filtro biológico para reatores anaeróbio, objeto da presente invenção, compreende uma configuração capaz de formar um sedimentador de bactérias, o qual propicia a criação forçada de grânulos na região inferior dos reatores. [0021] Além disso, o referido filtro biológico para reatores anaeróbios, de acordo com a presente invenção, tem por finalidade gerar um meio de adesão das bactérias durante o movimento ascensional do substrato dentro dos reatores, o que propicia o aumento significativo da concentração na base e ao longo do filtro dos reatores e, consequentemente, uma maior concentração de microrganismos para o tratamento da vinhaça.

[0022] Adicional mente, é objetivo da presente invenção prover um reator anaeróbio cujas características foram desenvolvidas para proporcionar um meio biológico adequado para o processo de metanização da vinhaça. Mais preferencialmente, o reator anaeróbio compreende aspectos técnicos e construtivos que permitem reduzir substancialmente o uso de agentes alcalinizantes para aumentar e regularizar o pH do substrato.

[0023] Outro objetivo da presente invenção é prover um reator anaeróbio para metanização de vinhaça da indústria sucroenergética com elevada eficiência no tratamento do substrato, mas principalmente na geração de biogás. Mais particularmente, o reator anaeróbio da presente invenção compreende um conjunto de características capazes de promover não apenas a adesão dos microrganismos no filtro biológico, mas também a geração forçada de grânulos e, com isso, obter um manto de lodo com elevada concentração de bactérias e, consequentemente, com uma alta densidade microbiana.

Descrição Resumida da Invenção [0024] Dessa forma, para se obter os objetivos e efeitos técnicos e funcionais acima indicados, dentre outros, a presente invenção compreende um filtro biológico para reatores de metanização de efluentes industriais, o qual é formado, basicamente, por camadas de elementos filtrantes que estão espaçados entre si, e cada camada posiciona seus elementos filtrantes angularmente deslocados em relação aos elementos filtrantes de uma camada subsequente.

[0025] De acordo com uma realização preferencialmente vantajosa da presente invenção, o filtro biológico é formado por pelo menos um conjunto filtrante formado por ao menos duas camadas de elementos filtrantes, sendo que a primeira camada é formada por elementos filtrantes espaçados entre si e dispostos substancialmente no sentido ortogonal (x), enquanto que a segunda camada é formada por outros elementos filtrantes espaçados entre si e dispostos substancialmente no sentido ortogonal (z), angularmente deslocados em relação aos referidos elementos filtrantes da primeira camada.

[0026] Nos casos em que o referido conjunto filtrante compreende mais camadas, por exemplo, três ou quatro, pode-se verificar que a terceira camada é formada por elementos filtrantes espaçados entre si e também dispostos substancialmente no sentido ortogonal (x), angularmente deslocados em relação aos referidos elementos filtrantes da segunda camada, e deslocados horizontalmente em relação aos elementos filtrantes da primeira camada, e, no caso da quarta camada, esta é formada por elementos filtrantes espaçados entre si e dispostos substancialmente no sentido ortogonal (z), angularmente deslocados em relação aos referidos elementos filtrantes da terceira camada, mas deslocados horizontalmente em relação aos elementos filtrantes da segunda camada.

[0027] De acordo com uma realização da presente invenção, o filtro biológico compreende uma série de casulos dispostos em cada camada, sendo que cada casulo é formado pelos respectivos espaçamentos previstos entre os ditos elementos filtrantes em cada camada.

[0028] Adicional mente, no intuito de obter uma concretização vantajosa da presente invenção, o referido deslocamento horizontal, entre as camadas cujos elementos filtrantes estão dispostos no mesmo sentido ortogonal (x, y) do filtro biológico, compreende um tamanho substancialmente igual ao tamanho seccional dos ditos elementos filtrantes.

[0029] Opcional mente, e segundo uma concretização mais eficiente da presente invenção, as referidas camadas de elementos filtrantes do filtro biológico são travadas através de uma estrutura de suporte responsável por manter todos os elementos filtrantes e as respectivas camadas em suas posições, evitando qualquer mudança de configuração quando do movimento ascensional do substrato.

[0030] Conforme outra concretização preferencialmente vantajosa da presente invenção, o filtro biológico compreende três conjuntos de camadas de elementos filtrantes, sendo que cada conjunto é formado por pelo menos quatro camadas com seus respectivos elementos filtrantes posicionados de modo a conformar os ditos casulos para adesão dos microrganismos.

[0031] Adicional mente, conforme acima destacado, a presente invenção compreende um reator para metanização de efluentes industriais que é compreendido por uma estrutura dentro da qual é instalado um filtro biológico formado por ao menos um conjunto filtrante, sendo que cada conjunto filtrante é constituído por uma série de camadas formadas por elementos filtrantes que estão espaçados entre si, e cada camada dispõe seus elementos filtrantes deslocados angularmente em relação aos elementos filtrantes da camada subsequente.

[0032] De acordo com uma concretização preferencial da presente invenção, cada conjunto filtrante do referido filtro biológico, instalado no reator para metanização de efluentes industriais, é formado por ao menos duas camadas de elementos filtrantes, sendo que a primeira camada é formada por elementos filtrantes espaçados entre si e dispostos substancialmente no sentido ortogonal (x), a segunda camada é formada por elementos filtrantes espaçados entre si e dispostos substancialmente no sentido ortogonal (z), angularmente deslocados em relação aos referidos elementos filtrantes da referida primeira camada.

[0033] Em outras realizações possíveis e preferenciais, compreendendo três ou quatro camadas, a terceira camada também é formada por elementos filtrantes espaçados entre si e dispostos substancial mente no sentido ortogonal (x), angularmente deslocados em relação aos ditos elementos filtrantes da referida segunda camada, e estão deslocados horizontal mente em relação aos elementos filtrantes da primeira camada. E, no caso de quatro camadas, a quarta camada é constituída por elementos filtrantes espaçados entre si e dispostos substancialmente no sentido ortogonal (z), angularmente deslocados em relação aos ditos elementos filtrantes da terceira camada, e são deslocados horizontal mente em relação aos ditos elementos filtrantes da segunda camada.

[0034] Também conforme outra realização da presente invenção, o reator para metanização de efluentes industriais compreende um filtro biológico que possui uma pluralidade de casulos para a adesão e hibernação dos microrganismos, os quais são formados pelos respectivos espaçamentos dos elementos filtrantes de cada camada de elementos filtrantes.

[0035] O reator para metanização de efluentes industriais, segundo a presente invenção, compreende também um sistema de alimentação previsto na base da estrutura do reator, o qual é formado por uma estrutura de distribuição uniforme do efluente. Preferencial mente, o referido sistema de alimentação de efluentes é formado por um duto de entrada que se divide em uma série de ramificações primarias cujas extremidades são dotadas de ramificações secundárias providas de bicos ejetores para distribuição uniforme do efluente ao longo da base da referida estrutura do presente reator.

[0036] Ainda, de acordo com a presente invenção, a estrutura do reator para metanização de efluentes industriais compreende uma canaleta de extração de efluente disposta ao longo da borda superior da parede do reator. Mais preferencialmente, essa canaleta de extração de efluente é disposta ao longo de toda a borda superior da estrutura do reator.

[0037] Também, segundo outra concretização preferencial da presente invenção, o reator para metanização de efluentes industriais compreende um sistema de extração de lodo, o qual é posicionado na região (I) da estrutura do reator, preferencialmente logo abaixo do referido filtro biológico. Mais preferencialmente, o referido sistema de extração de lodo compreende um duto de saída que é conectado fluidicamente com ramificações primárias e secundárias para a coleta uniforme do lodo na região abaixo do filtro biológico.

[0038] Outra característica do reator para metanização de efluentes industriais, objeto da presente invenção, é compreender um sistema alcalinizador para fornecimento de agentes alcalinizantes ao efluente originado na produção de etanol nas usinas (U), de modo a regularizar o pH do substrato antes de alimentar o referido reator. Mais particularmente, o sistema alcalinizador é disposto antes da alimentação do reator, preferencial mente conectado no duto de entrada do dito sistema de alimentação.

[0039] De acordo com uma realização preferencial mente vantajosa, o reator para metanização de efluentes industriais compreende um sistema alcalinizador conectado fluidicamente através de uma tubulação à dita canaleta de extração de efluente disposta ao longo da borda superior da parede do reator. Adicionalmente, o referido sistema alcalinizador está conectado fluidicamente através de uma outra tubulação ao sistema de extração de lodo.

[0040] Ainda, conforme realizações possíveis da presente invenção, o reator para metanização de efluentes industriais compreende uma estrutura que pode apresentar diferentes configurações, tais como retangulares e circulares, assim como pode ser construída sobre o solo, ou de forma aterrada, escavado ou semi-escavado. [0041] Por fim, conforme uma concretização preferencialmente vantajosa da presente invenção, o filtro biológico é instalado preferencial mente em uma posição equivalente a cerca de 2/3 da altura da estrutura.

Descrição Resumida dos Desenhos [0042] As características, vantagens e efeitos técnicos da presente invenção, conforme acima indicados, serão compreendidos de forma mais adequada por um técnico no assunto a partir da descrição detalhada a seguir, feita a título meramente exemplificativo, e não restritivo, de concretizações preferenciais, e com referência às figuras esquemáticas anexas, as quais: [0043] A Figura 1 mostra uma vista em perspectiva de um reator para metanização de efluentes industriais com um filtro biológico de acordo com a presente invenção;

[0044] A Figura 2 mostra uma vista ampliada de um detalhe do filtro biológico, objeto da presente invenção;

[0045] A Figura 3 mostra uma vista em perspectiva parcial do filtro biológico, segundo a presente invenção;

[0046] A Figura 4A mostra uma vista lateral do reator para metanização de efluentes industriais, ilustrando o filtro biológico, objeto da presente invenção, segundo um observador indicado por A na Figura 3;

[0047] A Figura 4B mostra outra vista lateral do reator para metanização de efluentes industriais, ilustrando o filtro biológico, objeto da presente invenção, segundo um observador indicado por B na Figura 3;

[0048] A Figura 5 mostra uma vista lateral do reator para metanização de efluentes industriais, preferencialmente aplicado para o processamento da vinhaça, de acordo com a presente invenção;

[0049] A Figura 6 mostra uma vista superior da base do reator representado na Figura 5, ilustrando uma concretização preferencial do mecanismo de alimentação de efluentes; e [0050] A Figura 7 mostra uma vista de uma concretização preferencial do conjunto de dutos para extração, alimentação de material e constituição de sistema de limpeza do elemento filtrante do reator para metanização de efluentes industriais, de acordo com a presente invenção.

Descrição Detalhada da Invenção [0051] De acordo com o acima relatado, alguns exemplos de concretizações preferenciais e possíveis da presente invenção serão descritos de forma mais detalhada a seguir, porém, é importante ressaltar que se trata de uma descrição meramente exemplificativa e não restritiva, uma vez que o filtro biológico, bem como o reator para metanização de efluentes industriais, objetos da presente invenção podem apresentar diferentes detalhes e características técnicas e construtivas sem, com isso, afetar o escopo de proteção definido pelas reivindicações anexas. Além disso, algumas figuras esquemáticas anexas indicam as referências ortogonais (x, z) apenas para melhor entendimento da construção do presente filtro biológico 1 e, portanto, também não devem ser interpretados como aspectos limitadores da proteção em questão.

[0052] Dessa forma, diante do cenário acima apresentado, e particularmente conforme representado pelas figuras anexas, o filtro biológico 1 é projetado para ser instalado e conformado no interior de reatores 2 para o tratamento de efluentes industriais. O filtro biológico 1, segundo a presente invenção, é compreendido por camadas 3 formadas por elementos filtrantes 4 que estão espaçados entre si, e cada camada 3 dispõe seus elementos filtrantes 4 angularmente deslocados em relação aos elementos filtrantes 4 da camada 3 subsequente.

[0053] Mais preferencialmente, o presente filtro biológico 1 é compreendido por pelo menos um conjunto filtrante 5 formado por ao menos duas, e preferencial mente quatro, camadas 3 de elementos filtrantes 4, sendo que a primeira camada 3a é formada por elementos filtrantes 4a espaçados entre si e dispostos substancialmente no sentido ortogonal (x), a segunda camada 3b é formada por elementos filtrantes 4b espaçados entre si e dispostos substancial mente no sentido ortogonal (z) angularmente deslocados em relação aos referidos elementos filtrantes 4a da camada 3a. Já a terceira camada 3c é formada por elementos filtrantes 4c espaçados entre si e dispostos substancial mente no sentido ortogonal (x), porém deslocados horizontalmente em relação aos elementos filtrantes 4a da primeira camada 3a. Por fim, a quarta camada 3d é formada por elementos filtrantes 4d espaçados entre si e dispostos substancialmente no sentido ortogonal (z), porém deslocados horizontalmente em relação aos elementos filtrantes 4b da segunda camada 3b. [0054] Conforme deve ser apreciado pelos técnicos no assunto, a quantidade de camadas 3 de elementos filtrantes 4 do conjunto filtrante 5 pode variar de acordo com o projeto e as propriedades físicas, químicas e biológicas do efluente industrial que será tratado e processado e, portanto, o filtro biológico segundo a presente invenção pode compreender duas, três, quatro ou mais camadas 3, desde que mantenham os referidos elementos filtrantes 4 afastados entre si e angularmente deslocados entre as diferentes camadas 3.

[0055] Nestas condições, o conjunto filtrante 5, de acordo com a presente invenção, consegue formar uma configuração do tipo colmeia com a formação de uma pluralidade de casulos 6, ou espaços livres, em cada camada 3. Mais especifica mente, referidos casulos 6 são formados pelo espaçamento horizontal dos elementos filtrantes 4 de cada camada 3 e, com isso, consegue-se obter condições propícias para a adesão de microrganismos durante o fluxo ascendente do material. Além disso, conforme deve ser apreciado pelos técnicos no assunto, a configuração dos elementos filtrantes 4 e, principalmente, a composição formada pelas camadas 3 acaba provocando uma barreira ao fluxo ascendente do material em processamento e, dessa forma, consegue-se obter uma granulação forçada dos microrganismos na região abaixo do filtro biológico, ou seja, na região inferior do reator de metanização.

[0056] De modo preferencial, o deslocamento horizontal entre as camadas 3 cujos elementos filtrantes 4 estão dispostos substancialmente no mesmo sentido (x ou z), é relativamente igual ao tamanho seccional dos elementos filtrantes 4, de modo que os referidos elementos filtrantes de uma das camadas fiquem relativamente sobre os casulos 6 formados pelos elementos filtrantes da camada inferior e, com isso, consegue-se obter uma certa restrição ao fluxo ascendente. Como deve ser do conhecimento geral dos técnicos no assunto, e conforme destacado, esse deslocamento horizontal pode ser diferente do tamanho seccional dos ditos elementos filtrantes, mas preferencial mente devem compreender um tamanho suficiente para ficar disposto ao menos parcialmente sobre os ditos casulos formados pelas camadas adjacentes.

[0057] Deve ficar claro que essa granulação forçada na base dos reatores de metanização, especialmente no caso da vinhaça, é fundamental para obter um manto de lodo com elevada concentração de microrganismos e uma cultura com alta densidade microbiana para o processamento adequado dos efluente e para a geração do biogás.

[0058] A configuração do filtro biológico 1, de acordo com a presente invenção, proporciona condições favoráveis à adesão e, de certo modo um acúmulo, dos microrganismos nos casulos 6 e, com isso, torna-se possível reduzir substancialmente o tempo de ativação dos reatores, principalmente após os períodos de entressafra, onde não há processamento da vinhaça. Os casulos 6 do filtro biológico 1 são adequadamente projetados para propiciar a retenção e hibernação dos microrganismos quando ocorre a paralização dos reatores.

[0059] Além disso, essa capacidade de reter os microrganismos em seus casulos 6, através do presente filtro biológico 1 torna-se possível reduzir substancialmente as perdas usualmente provocadas pelo fenômeno do "wash-out", que ocorre quando existe algum desequilíbrio no processo, seja pelas condições advindas do efluente, tal como elevados níveis de produtos químicos (biocidas e antibactericidas) durante a produção do etanol, como outros eventos que podem desestabilizar o meio de cultura microbiano do reator e, consequentemente, eliminando os microrganismos responsáveis pela metanização. Neste sentido, observa-se que a retenção dos microrganismos nos referidos casulos 6 do filtro biológico 1, permite reiniciar o processo de metanização de forma mais rápida, pois consegue eliminar a necessidade de iniciar a formação da cultura biológica dentro do reator, bastando apenas a reativação da cultura que se encontra em estado de hibernação nos referidos casulos 6 e aderidos ao filtro biológico 1.

[0060] De acordo com uma concretização preferencial do filtro biológico 1, objeto da presente invenção, as referidas camadas 3 de elementos filtrantes 4 são travadas através de uma estrutura de suporte 7 cuja finalidade é sustentar e travar os ditos elementos filtrantes 4 para mantê-los posicionados de forma adequada e nas condições para formação dos referidos casulos 6.

[0061] Ainda, conforme outra concretização preferencial da presente invenção, o filtro biológico 1 compreende três conjuntos filtrantes 5, cada qual formado pelas referidas ao menos quatro camadas 3 com seus respectivos elementos filtrantes 4 posicionados de forma a obter os ditos casulos 6.

[0062] De acordo com possíveis variantes construtivas do filtro biológico, objeto da presente invenção, os ditos elementos filtrantes 4 podem ser de diferentes tipos e natureza. Apenas a título exemplificativo, esses elementos filtrantes 4 podem ser espumas, hastes plásticas, recheios de torres de resfriamento, etc.

[0063] Adicional mente, e conforme representado na Figura 5, a presente invenção também se refere a um reator para metanização de efluentes industriais, preferencialmente a vinhaça originária do processo de produção de etanol nas usinas sucroenergética. Neste sentido, o reator para metanização 20, segundo a presente invenção, compreende uma estrutura 21 dentro da qual é acomodado um filtro biológico 10 formado por conjuntos de camadas de elementos filtrantes, sendo que cada conjunto é formado, basicamente, por camadas compreendidas por elementos filtrantes que estão espaçados entre si, e cada camada dispõe seus elementos filtrantes angularmente deslocados em relação aos elementos filtrantes da camada subsequente.

[0064] De acordo com uma concretização preferencial da presente invenção, o referido reator para metanização de efluentes industriais compreende um filtro biológico, conforme previamente definido, sendo compreendido por pelo menos um conjunto filtrante formado por ao menos duas e, preferencial mente quatro, camadas 30 de elementos filtrantes 40, sendo que a primeira camada 30a é formada por elementos filtrantes 40a espaçados entre si e dispostos substancialmente no sentido ortogonal (x), a segunda camada 30b sendo formada por elementos filtrantes 40b espaçados entre si e dispostos substancialmente no sentido ortogonal (z), ou seja, angularmente deslocados em relação aos referidos elementos filtrantes 40a da camada 30a.

[0065] Na concretização preferencial de quatro camadas, a terceira camada 30c é formada por elementos filtrantes 40c espaçados entre si e dispostos substancialmente no sentido ortogonal (x), ou seja, angularmente deslocados em relação aos ditos elementos filtrantes 40b da camada 30b, e deslocados horizontalmente em relação aos elementos filtrantes 40a da primeira camada 30a, e, finalmente, a quarta camada 30d é formada pelos elementos filtrantes 40d espaçados entre si e dispostos substancialmente no sentido ortogonal (z), mas deslocados horizontalmente em relação aos elementos filtrantes 40b da segunda camada 30b. [0066] Com essa configuração, o referido filtro biológico 10 compreende uma série de casulos 60 para a adesão, retenção e sedimentação dos microrganismos e, dessa forma, consegue-se obter a granulação forçada das bactérias na região (I) do reator 20, abaixo do dito filtro biológico 10.

[0067] Adicional mente, o referido reator 20 compreende um sistema de alimentação 22 disposto em sua base, o qual é constituído por uma estrutura capaz de promover a distribuição uniforme do efluente na base do reator 20 e, com isso, permitir que o fluxo ascensional de material ocorra de forma mais equilibrada da região inferior (I), abaixo do dito filtro biológico 10, para a região superior (S), acima do dito filtro biológico 10.

[0068] A Figura 6 mostra uma realização possível e preferencial do sistema de alimentação de efluentes 22, segundo a presente invenção. Nesta concretização, a alimentação do efluente é fornecida em um duto de entrada 22a, o qual se divide em uma série de ramificações primarias 22b cujas extremidades são dotadas de uma série de ramificações secundárias 22c com bicos ejetores para distribuir o efluente ao longo de toda a base do reator 20. Alternativa mente, outras configurações podem ser facilmente adotadas pelos técnicos no assunto, desde que a referida alimentação de efluente seja realizada de modo uniforme na base do reator 20.

[0069] A estrutura 21 do reator 20 compreende, ainda, uma canaleta de extração de efluente 23 disposta ao longo da borda superior da parede do reator 20. Preferencialmente, a referida canaleta é formada ao longo de toda a borda superior da estrutura 21 do reator 20, uma vez que, com essa configuração consegue-se obter um fluxo ascensional uniforme do efluente, sem gerar qualquer área ou fluxo preferencial que pode afetar as condições do processo de metanização.

[0070] Ainda, o reator para metanização de efluentes industriais, segundo a presente invenção, compreende um conjunto de dutos 24 para extração, alimentação de material e configuração de um sistema de limpeza do elemento filtrante. A sua finalidade é promover a extração de lodo e, opcional mente, a alimentação de efluentes ou outros materiais, por exemplo água, ocasião em que se transforma em um sistema de limpeza do filtro biológico.

[0071] O referido conjunto de dutos 24 é posicionado na região (I), logo abaixo do dito filtro biológico 10. A Figura 7 mostra uma realização preferencial do referido conjunto de dutos 24, o qual é formado por um duto principal 24a que está conectado fluidicamente com ramificações primárias 24b e secundárias 24c. Mais especifica mente esse conjunto de dutos 24, quando na função de extrator de lodo, tem por finalidade equalizar o meio de cultura biológico e, mais especificamente, promover o equilíbrio da concentração de microrganismos, caso a densidade microbiana esteja muito acima do desejado. Quando na função de alimentação, o conjunto de dutos 24 é reconfigurado com mudanças de posições de válvulas, passando a ser utilizado para a limpeza do filtro biológico, injetando material (vinhaça, água, etc.) ao invés de extrair lodo. Esta configuração é de extrema importância para realização de limpezas periódicas do filtro sem a necessidade de abertura do reator.

[0072] Outra finalidade desse conjunto de dutos 24 é permitir a reinoculação da região inferior (I) com a finalidade de obter o aumento da densidade microbiana nessa região, também obtido com mudanças de posições de válvulas. Neste caso, o fluxo de efluente pode ficar recirculando apenas na região inferior (I) do reator e, consequentemente, consegue-se aumentar a concentração dos microrganismos de forma mais rápida, o que é bastante desejável nos inícios de processamento do reator. [0073] O reator para metanização de efluentes industriais, segundo a presente invenção compreende, ainda, um sistema alcalinizador 25 responsável por fornecer agentes alcalinizantes ao efluente originado na produção de etanol nas usinas (U) antes de alimentar o reator através do duto de entrada 22a do sistema de alimentação 22. O referido sistema alcalinizador 25 pode estar conectado fluidicamente através de uma tubulação 25a à canaleta de extração de efluente 23 disposta ao longo da borda superior da parede do reator 20, assim como através de uma tubulação 25b ao conjunto de dutos 24. A principal vantagem dessas conexões é a possibilidade de promover a recirculação do efluente em diferentes estados e, mais particularmente, o efluente na região superior (S) e inferior (I), ou seja, acima e abaixo do filtro biológico 10.

[0074] Outra grande vantagem dessa recirculação e reinoculação através do sistema alcalinizador 25 é a possibilidade de aumentar o pH do efluente fornecido pelas usinas (U) e, com isso, reduzir substancialmente o uso de agentes alcalinizantes no processo de metanização, em especial da vinhaça cujo pH originário é relativamente baixo (ácido) e para o processo de metanização exige-se um pH neutro ou alcalino.

Assim, com a redução do uso de agentes alcalinizantes, torna-se possível reduzir consideravelmente os custos envolvidos nos processos de metanização da vinhaça e, consequentemente, tornando viável economicamente esse tipo de processamento nas usinas sucroenergética.

[0075] De acordo com concretizações possíveis da presente invenção, a estrutura 21 do reator para metanização de efluentes industriais pode compreender diferentes configurações, desde retangulares, circulares, ou qualquer outra forma desejada. Além disso, pode ser construída sobre o solo, ou de forma aterrada, escavado ou semi-escavado.

[0076] Adicional mente, conforme outra realização do reator para metanização de efluentes industriais, segundo a presente invenção, o referido filtro biológico é instalado, preferencialmente, em uma posição equivalente a cerca de 2/3 da altura da estrutura (21) do reator. Logicamente, como deve ser apreciado pelos técnicos no assunto, essa altura pode variar de acordo com o tipo de efluente que será processado, e principalmente em virtude das propriedades físicas, químicas e biológicas desse material.

[0077] Considerando todas as características do reator para metanização de efluentes industriais, de acordo com presente invenção, torna-se viável conduzir processos de metanização em qualquer faixa de temperatura, seja na mesofílica como termofílica. Isso porque, principalmente no caso da vinhaça, o substrato pode ser disponibilizado ao sistema de metanização com temperaturas acima de 55°C, tornando desnecessário o aquecimento do substrato.

[0078] Adicional mente, cabe destacar que o presente reator é operado e controlado por uma central de monitoramento, na qual são previstos instrumentos medidores que enviarão constantemente sinais a um sistema supervisório para ajuste dos parâmetros operacionais. Logicamente, considerando o atual estágio tecnológico disponível, este controle ocorre de forma automatizada ou semi-automatizada, garantindo níveis de precisão e segurança adequados para o processamento dos efluentes industriais, em especial da vinhaça que exige condições próprias e específicas.

[0079] Por fim, diante de todo o acima apresentado, é importante ficar claro que a presente descrição tem como única finalidade definir de modo exemplificativo realizações preferenciais do filtro biológico para reatores de metanização, bem como o reator para metanização de efluentes industriais, de acordo com a presente invenção. Logo, como bem compreendem os técnicos no assunto, são possíveis numerosas modificações, variações e combinações construtivas dos elementos que exercem a mesma função substancialmente da mesma forma para alcançar os mesmos resultados, e que devem ser incluídas dentro do escopo de proteção delimitado pelas reivindicações anexa.

Reivindicações

Claims (12)

1. ARRANJO ESTRUTURAL DE FILTRO BIOLÓGICO PARA REATORES DE METANIZAÇÃO, caracterizado por compreender pelo menos um conjunto filtrante (5) formado por camadas (3) de elementos filtrantes (4) que estão espaçados entre si, e cada camada dispõe seus elementos filtrantes (4) angularmente deslocados em relação aos elementos filtrantes (4) da camada (3) subsequente, sendo que o conjunto filtrante (5) é formado por pelo menos duas camadas (3) de elementos filtrantes (4), de modo que a primeira camada (3a) é formada por elementos filtrantes (4a) espaçados entre si e dispostos substancialmente no sentido ortogonal (x); a segunda camada (3b) é formada por elementos filtrantes (4b) espaçados entre si e dispostos substancialmente no sentido ortogonal (z), angularmente deslocados em relação aos referidos elementos filtrantes (4a) da camada (3a).

2. ARRANJO ESTRUTURAL DE FILTRO BIOLÓGICO PARA REATORES DE METANIZAÇÃO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende uma terceira camada (3c) formada por elementos filtrantes (4c) espaçados entre si e dispostos substancialmente no sentido ortogonal (x) angularmente deslocados em relação aos ditos elementos filtrantes (4b) da camada (3b), e deslocados horizontal mente em relação aos elementos filtrantes (4a) da primeira camada (3a); e uma quarta camada (3d) formada por elementos filtrantes (4d) espaçados entre si e dispostos substancialmente no sentido ortogonal (z), angularmente deslocados em relação aos ditos elementos filtrantes (4c) da camada (3c), porém deslocados horizontalmente em relação aos elementos filtrantes (4b) da segunda camada (3b).

3. ARRANJO ESTRUTURAL DE FILTRO BIOLÓGICO PARA REATORES DE METANIZAÇÃO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende casulos (6) dispostos em cada camada (3), os quais são formados pelos espaçamentos entre os ditos elementos filtrantes (4) em cada camada (3).

4. ARRANJO ESTRUTURAL DE FILTRO BIOLÓGICO PARA REATORES DE METANIZAÇÃO, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado pelo fato de que o deslocamento horizontal entre as camadas (3) cujos elementos filtrantes (4) estão dispostos substancialmente no mesmo sentido ortogonal (x, z), é relativamente igual ao tamanho seccional dos ditos elementos filtrantes (4).

5. REATOR PARA METANIZAÇÃO DE EFLUENTES INDUSTRIAIS, que compreende uma estrutura (21) dentro da qual é acomodado um arranjo estrutural de filtro biológico (10) conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 4, sendo caracterizado pelo fato de que esse arranjo estrutural de filtro biológico (10) compreende ao menos um conjunto (50) de camadas (30) de elementos filtrantes (40), sendo que cada conjunto é formado por camadas (30) constituídas por elementos filtrantes (40) que estão espaçados entre si, e cada camada (30) dispõe seus elementos filtrantes (40) angularmente deslocados em relação aos elementos filtrantes (40) da camada (30) subsequente.

6. REATOR PARA METANIZAÇÃO DE EFLUENTES INDUSTRIAIS, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o dito filtro biológico (10) compreende uma série de casulos (60) formados pelos respectivos espaçamentos dos elementos filtrantes (40) de cada camada (30).

7. REATOR PARA METANIZAÇÃO DE EFLUENTES INDUSTRIAIS, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que compreende um sistema de alimentação (22) disposto na base e é formado por uma estrutura de distribuição uniforme do efluente.

8. REATOR PARA METANIZAÇÃO DE EFLUENTES INDUSTRIAIS, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a dita estrutura (21) compreende uma canaleta de extração de efluente (23) disposta ao longo da borda superior da parede do reator (20).

9. REATOR PARA METANIZAÇÃO DE EFLUENTES INDUSTRIAIS, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que compreende um conjunto de dutos (24), posicionado na região (I) da estrutura (21), preferencialmente logo abaixo do dito filtro biológico (10).

10. REATOR PARA METANIZAÇÃO DE EFLUENTES INDUSTRIAIS, de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 9, caracterizado pelo fato de que compreende um sistema alcalinizador (25) para fornecimento de agentes alcalinizantes ao efluente originado na produção de etanol nas usinas (U), sendo disposto antes da alimentação do reator, particularmente no duto de entrada (22a) do dito sistema de alimentação (22).

11. REATOR PARA METANIZAÇÃO DE EFLUENTES INDUSTRIAIS, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o dito sistema alcalinizador (25) é conectado fluidicamente através de uma tubulação (25a) à dita canaleta de extração de efluente (23) disposta ao longo da borda superior da parede do reator (20); e também é conectado fluidicamente através de uma tubulação (25b) ao conjunto de dutos (24).

12. REATOR PARA METANIZAÇÃO DE EFLUENTES INDUSTRIAIS, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o dito filtro biológico é instalado em uma posição equivalente a cerca de 2/3 da altura da estrutura (21).