BR102020005478A2

BR102020005478A2 - MODULAR SANITARY SLUDGE TREATMENT SYSTEM AND PROCESS USING SUCH SYSTEM

Info

Publication number: BR102020005478A2
Application number: BR102020005478-3A
Authority: BR
Inventors: Márcio Hideaki Fujii; Antonio S.C. Ferreira; Roberto Marconi Morale
Original assignee: Cia De Saneamento Basico Do Estado De Sao Paulo Sabesp
Priority date: 2020-03-19
Filing date: 2020-03-19
Publication date: 2021-09-28
Also published as: WO2021184088A1

Abstract

sistema modular de tratamento de lodo sanitário e processo empregando o dito sistema. a presente invenção relaciona-se a um sistema modular visando o tratamento de resíduos de lodo sanitário empregando uma etapa de secagem térmica, combustão e inertização a plasma por arco transferido. o presente sistema foi concebido para aliviar a destinação final de lodo nos aterros sanitários, por meio do tratamento térmico e da fusão por meio do plasma deste resíduo e o encapsulamento do material poluente em uma matriz vítrea de sílica, gerando material inerte ao meio ambiente e para potenciais aplicações na indústria cerâmica.modular sanitary sludge treatment system and process employing said system. The present invention relates to a modular system aimed at treating sanitary sludge waste using a thermal drying, combustion and transferred arc plasma inerting step. This system was designed to alleviate the final disposal of sludge in landfills, through thermal treatment and plasma fusion of this waste and the encapsulation of the polluting material in a glassy silica matrix, generating material that is inert to the environment and for potential applications in the ceramic industry.

Description

MODULAR SANITARY SLUDGE TREATMENT SYSTEM AND PROCESS USING SUCH SYSTEM

field of invention

[001] A presente invenção relaciona-se a um sistema modular visando o tratamento de lodo sanitário empregando uma etapa de secagem térmica, combustão e inertização a plasma por arco transferido. O presente sistema foi concebido para aliviar a destinação final de lodo nos aterros sanitários, por meio do tratamento térmico e da inertização do lodo por meio do plasma com o encapsulamento do material poluente em uma matriz vítrea de sílica, gerando material inerte ao meio ambiente e para potenciais aplicações na indústria cerâmica.[001] The present invention relates to a modular system aimed at the treatment of sanitary sludge using a step of thermal drying, combustion and plasma inertization by transferred arc. The present system was conceived to alleviate the final disposal of sludge in landfills, through heat treatment and inertization of the sludge through plasma with the encapsulation of the polluting material in a glassy silica matrix, generating material inert to the environment and for potential applications in the ceramic industry.

Fundamentals of Invention

[002] De modo geral, o processamento de lodo sanitário consiste em dos maiores desafios para a implementação de uma política consistente de resíduos sólidos urbanos. Este material consiste em uma matriz complexa contendo minerais, materiais coloides e materiais orgânicos em decomposição.[002] In general, the processing of sanitary sludge is one of the biggest challenges for the implementation of a consistent solid urban waste policy. This material consists of a complex matrix containing minerals, colloid materials and decaying organic materials.

[003] Usualmente a destinação do lodo sanitário depende da tecnologia de processamento, característica do material (orgânico e inorgânico) além do espaço físico disponível para as instalações, devendo proporcionar a redução do elevado volume gerado e estabilização do teor de matéria orgânica. De forma geral, os subprodutos provenientes de sistemas de tratamento de esgotos compreendem material gradeado, areia e lodo (primário e secundário). A disposição deste último depende de seu teor de sólidos, sendo usualmente remanejados para aterros em disposição conjunta com resíduos sólidos urbanos ou em aterros construídos exclusivamente para tal finalidade.[003] Usually, the destination of the sanitary sludge depends on the processing technology, characteristic of the material (organic and inorganic) in addition to the physical space available for the facilities, providing for the reduction of the high volume generated and stabilization of the organic matter content. In general, the by-products from sewage treatment systems comprise grated material, sand and sludge (primary and secondary). The disposal of the latter depends on its solids content, being usually relocated to landfills in conjunction with urban solid waste or in landfills built exclusively for this purpose.

[004] Tal proposta apresenta uma série de desafios ambientais e econômicos. Estima-se que a produção de lodo sanitário no Brasil corresponda a 150 a 220 mil toneladas/ano em base seca. Além dos riscos relacionados a poluição das águas subterrâneas, lixiviação, emissão de metano e contaminação dos solos, o gerenciamento de lodo doméstico em Estações de Tratamento de Esgoto apresenta um custo de 20 a 60% do total gasto com o funcionamento da operação. A logística envolvendo transporte do material, implantação de rotinas de controle, assim como o comprometimento da área utilizada também são obstáculos para o pleno atendimento de normas regulatórias nacionais e internacionais -como a Diretiva Europeia para Resíduos, e no Brasil, a Lei Federal nº 12.305, que instituiu a Política Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS).[004] Such a proposal presents a series of environmental and economic challenges. It is estimated that the production of sanitary sludge in Brazil corresponds to 150 to 220 thousand tons/year on a dry basis. In addition to the risks related to groundwater pollution, leaching, methane emission and soil contamination, the management of domestic sludge in Sewage Treatment Plants costs 20 to 60% of the total cost of operating the operation. The logistics involving transport of material, implementation of control routines, as well as the commitment of the area used are also obstacles to full compliance with national and international regulatory standards - such as the European Waste Directive, and in Brazil, Federal Law No. 12,305 , which instituted the National Solid Waste Policy (PNRS).

[005] Algumas soluções desenhadas para o reaproveitamento deste resíduo envolvem a recuperação da matéria orgânica como fertilizantes (cujo uso é relativamente restrito devido a presença de metais pesados e organismos patógenos) aproveitamento energético (um dos principais produtos de decomposição térmica de resíduos e lodo consiste em biogás inflamável que pode ser usado para geração de calor e energia) e insumos para a indústria cerâmica a partir do processo de inertização por plasma.[005] Some solutions designed for the reuse of this waste involve the recovery of organic matter as fertilizers (whose use is relatively restricted due to the presence of heavy metals and pathogenic organisms) energy use (one of the main products of thermal decomposition of waste and sludge consists of in flammable biogas that can be used for heat and energy generation) and inputs for the ceramic industry from the plasma inertization process.

[006] Dentro deste contexto, técnicas de plasma térmico vem emergindo como uma alternativa relevante para o processamento de lodo sanitário.[006] Within this context, thermal plasma techniques have been emerging as a relevant alternative for sanitary sludge processing.

[007] O plasma térmico compreende um estado físico contendo gases totalmente ionizados em equilíbrio termodinâmico e obtido por meio de elevadas condições de energia elétrica. Sua principal vantagem reside na alta concentração de energia térmica. A elevada temperatura proporcionada pela tecnologia a arco de plasma (até 15.000ºC) rompe as ligações químicas dos compostos inorgânicos e que se combinam em subprodutos elementares inertes não lixiviáveis. Tal fato, somado a quase ausência de geração de produtos de combustão incompleta, justificam o desejo por aperfeiçoamentos neste processo que permitam reduzir sua demanda energética e complexidade operacional, conforme será discutido mais adiante.[007] The thermal plasma comprises a physical state containing fully ionized gases in thermodynamic equilibrium and obtained through high electrical energy conditions. Its main advantage lies in the high concentration of thermal energy. The high temperature provided by the plasma arc technology (up to 15,000ºC) breaks the chemical bonds of the inorganic compounds, which combine into inert, non-leachable elemental by-products. This fact, added to the almost absence of generation of incomplete combustion products, justify the desire for improvements in this process that will allow it to reduce its energy demand and operational complexity, as will be discussed further ahead.

Description of the state of the art

[008] De modo geral, aperfeiçoamentos introduzidos na tecnologia de plasma para disposição de resíduos vem recrudescendo nos últimos anos. Algumas propostas, como a relatada nas patentes CN106477848 e CN106630527 descrevem sistemas compreendendo um dispositivo de secagem dotado de uma fornalha rotativa, uma câmara de reação de gaseificação por plasma e um dispositivo de purificação. Em ambos os documentos, o dispositivo de secagem é fornecido com uma entrada de lodo, uma saída de lodo seco, , uma entrada de água quente e uma saída de água de resfriamento.[008] In general, improvements introduced in plasma technology for waste disposal have been increasing in recent years. Some proposals, as reported in patents CN106477848 and CN106630527 describe systems comprising a drying device provided with a rotary furnace, a plasma gasification reaction chamber and a purification device. In both documents, the drying device is provided with a sludge inlet, a dry sludge outlet, , a hot water inlet and a cooling water outlet.

[009] O dispositivo de secagem destes documentos aparenta funcionar como uma câmara de triagem do resíduo proveniente da estação de tratamento de água ou esgoto, sendo necessária para prosseguir a etapa de gaseificação por plasma. Um ponto de atenção neste caso é o excessivo volume de água/vapor exigido para reduzir o teor de umidade do lodo. Tal fato resulta em um consumo energético não desprezível, o que inviabiliza o tratamento de grandes volumes de rejeitos.[009] The drying device of these documents appears to function as a sorting chamber for the waste from the water or sewage treatment plant, being necessary to proceed with the plasma gasification step. A point of attention in this case is the excessive volume of water/steam required to reduce the moisture content of the sludge. This fact results in a non-negligible energy consumption, which makes the treatment of large volumes of waste unfeasible.

[0010] De modo similar, o documento KR100695457 emprega uma etapa de pré-aquecimento em contêineres para redução do teor de umidade de rejeitos provenientes de indústria petrolífera. O aparato exige uma correia de transferência de malha de metal instalada para impregnar continuamente o lodo com óleo residual aquecido no tanque de aquecimento. Esta proposta não é concebida para tratamento de lodo; em virtude da reologia e a natureza física deste material, tal solução não poderia ser empregada para tal finalidade, considerando os desafios no transporte e volume a ser tratado.[0010] Similarly, document KR100695457 employs a pre-heating step in containers to reduce the moisture content of tailings from the oil industry. The apparatus requires a metal mesh transfer belt installed to continuously impregnate the sludge with residual oil heated in the heating tank. This proposal is not designed for sludge treatment; due to the rheology and physical nature of this material, such a solution could not be used for this purpose, considering the challenges in transport and volume to be treated.

[0011] O documento CN108314337 também revela um método de processamento de lodo empregando uma etapa de prétratamento sob condições ácidas para obtenção de matériasprimas para a fabricação de cimento. Tal proposta esbarra em obstáculos logísticos relacionados às condições de acidificação do material.[0011] The document CN108314337 also discloses a sludge processing method employing a pretreatment step under acidic conditions to obtain raw materials for the manufacture of cement. Such proposal runs up against logistical obstacles related to the material's acidification conditions.

[0012] Outros projetos como aqueles descritos nas patentes CN108191194 e CN108147639 relatam métodos de tratamento com plasma de lodo compreendendo etapas de tratamento do lodo em forno de fundição a plasma para geração de gás sintético e um resíduo do lodo, conversão de água para vapor de alta temperatura pelo gás sintético através de um trocador de calor e adição de matéria-prima contendo carbono no resíduo de lodo para formar uma pasta de mistura e subsequentemente carbonização do material resultante e reaproveitamento do mesmo. Em ambos os documentos, os processos compreendem tratamento de lodo já descarbonizado em um forno a plasma e não permitem a obtenção de resíduos vítreos.[0012] Other projects such as those described in patents CN108191194 and CN108147639 report sludge plasma treatment methods comprising sludge treatment steps in a plasma melting furnace for generation of synthetic gas and a sludge residue, conversion of water to steam from high temperature by synthetic gas through a heat exchanger and addition of raw material containing carbon to the sludge residue to form a mixing slurry and subsequently carbonizing the resulting material and reusing it. In both documents, the processes comprise the treatment of sludge that has already been decarbonized in a plasma furnace and does not allow the obtaining of vitreous residues.

[0013] A patente CN108840544, por sua vez, descreve um método de reciclagem industrial de lodo compreendendo as etapas de triagem e mistura de lodo, transporte de lodo, reação hidrotérmica, filtragem e desidratação da pressão da estrutura da placa, secagem de lodo, pirólise, gaseificação por plasma e tratamento de gases residuais.[0013] Patent CN108840544, in turn, describes a method of industrial sludge recycling comprising the steps of sludge screening and mixing, sludge transport, hydrothermal reaction, filtering and dehydrating the pressure of the plate structure, sludge drying, pyrolysis, plasma gasification and waste gas treatment.

[0014] Outros projetos relacionados compreendem o desenvolvimento de equipamentos compactos, conforme aqueles descritos nos documentos WO2011007231 e CN204185352.[0014] Other related projects comprise the development of compact equipment, as described in documents WO2011007231 and CN204185352.

[0015] O documento CN204185352 revela um equipamento de vitrificação de lodo empregando plasma térmico, compreendendo um queimador de plasma associado a um forno de vitrificação em conjunto com duas tochas de plasma e sistemas de coleta. A ausência de uma descrição dos sistemas de escoamento do produto final torna este projeto pouco adequado para tratamento de grandes volumes de resíduos.[0015] The document CN204185352 discloses a sludge vitrification equipment employing thermal plasma, comprising a plasma burner associated with a vitrification furnace together with two plasma torches and collection systems. The absence of a description of the final product disposal systems makes this project unsuitable for treating large volumes of waste.

[0016] Por sua vez, a publicação internacional WO2011007231 revela um processo contínuo para o tratamento térmico de um lodo de refinaria, compreendendo as operações de secagem do lodo misturado com coque, a uma temperatura de 110 a 120°C; gaseificação do lodo seco, a uma temperatura variando de 750 a 950 ° C, por um tempo de 30 a 60 minutos, na presença de gás contendo oxigênio e vapor de água, com a produção associada de gás de síntese (CO + H2) e um resíduo sólido; combustão do gás de síntese a uma temperatura variando de 850 a 1.200 ° C e reciclagem dos produtos de combustão para as fases de secagem e gaseificação; e inertização do resíduo sólido, a uma temperatura variando de 1.300 a 1.500 °C, por vitrificação com tocha de plasma.[0016] In turn, the international publication WO2011007231 discloses a continuous process for the heat treatment of a refinery sludge, comprising the operations of drying the sludge mixed with coke, at a temperature of 110 to 120°C; gasification of the dry sludge, at a temperature ranging from 750 to 950 ° C, for a time of 30 to 60 minutes, in the presence of gas containing oxygen and water vapor, with the associated production of synthesis gas (CO + H2) and a solid residue; combustion of the synthesis gas at a temperature ranging from 850 to 1,200 °C and recycling the combustion products to the drying and gasification phases; and inertization of the solid residue, at a temperature ranging from 1,300 to 1,500 °C, by vitrification with a plasma torch.

[0017] Uma das principais desvantagens do equipamento descrito é o fato deste operar em condições fechadas, empregando um sistema de bombeamento de argônio, além de exigir também etapas adicionais de pré-tratamento do material. Esta construção aumenta o tempo de ciclo e limita as operações para regime contínuo apenas, impossibilitando regime de batelada. Observa-se que as condições de vazão do material são extremamente limitadas (50-56kg/hora), o que praticamente inviabiliza a implementação em sistemas geradores de maior volume de resíduos como Estações de Tratamento de Esgoto.[0017] One of the main disadvantages of the equipment described is the fact that it operates in closed conditions, employing an argon pumping system, in addition to also requiring additional steps of material pre-treatment. This construction increases the cycle time and limits the operations to continuous regime only, making batch regime impossible. It is observed that the flow conditions of the material are extremely limited (50-56kg/hour), which practically makes it impossible to implement it in systems that generate larger volumes of waste, such as Sewage Treatment Stations.

[0018] Uma proposta alternativa é relatada no documento BR 10 2018 009888 8 que descreve um processo de tratamento de lodo sanitário compreendendo a inertização do material por meio de ciclones e fornos rotativos. Os gases provenientes das etapas são direcionadas a um sistema de tratamento de gases compreendendo a retenção do material particulado por meio da aplicação de elevados volumes de água e condução a um mecanismo de pós-queima. Uma desvantagem considerável vem a ser justamente a geração de resíduos retidos em meio aquoso. Tal documento não descreve ou sugere quaisquer formas de dispor do material resultante, tornando uma solução incompleta do ponto de vista ambiental. De modo similar, a proposta de Facó (Facó, J. L. D. Otimização de um Sistema de Plasma Térmico para Destruição de Resíduos Industriais Tóxicos, XXXVI SBPQ, 23/11/2004) apresenta as mesmas restrições quanto a sua implantação.[0018] An alternative proposal is reported in document BR 10 2018 009888 8 which describes a sanitary sludge treatment process comprising the inertization of the material by means of cyclones and rotary kilns. The gases from the steps are directed to a gas treatment system comprising the retention of particulate material by applying high volumes of water and leading to an after-burning mechanism. A considerable disadvantage is precisely the generation of waste retained in an aqueous medium. This document does not describe or suggest any ways to dispose of the resulting material, making it an incomplete solution from an environmental point of view. Similarly, Facó's proposal (Facó, JL D. Optimization of a Thermal Plasma System for the Destruction of Toxic Industrial Waste, XXXVI SBPQ, 11/23/2004) presents the same restrictions regarding its implementation.

[0019] Diante do Estado da Técnica, observa-se que não existe nenhuma proposta que permita efetuar o tratamento de lodo sanitário que ofereça flexibilidade em relação ao tipo de processo (contínuo ou batelada), apresente facilidade na introdução de operações de manutenção e opere a uma vazão em larga escala condizente com o volume proveniente de Estações de Tratamento de Efluentes, sem impactar ou gerar resíduos adicionais.[0019] In view of the State of the Art, it is observed that there is no proposal to carry out the treatment of sanitary sludge that offers flexibility in relation to the type of process (continuous or batch), presents ease in the introduction of maintenance operations and operation to a large-scale flow consistent with the volume coming from Effluent Treatment Stations, without impacting or generating additional waste.

Purpose of the Invention

[0020] A partir da descrição do Estado da Técnica, nota-se que nenhuma tecnologia citada permite operacionalizar a disposição de grandes volumes de lodo sanitário de forma eficaz, em regime contínuo ou em batelada, sem exigir etapas prévias de pré-tratamento com aditivos.[0020] From the description of the State of the Art, it is noted that no technology mentioned allows to operationalize the disposal of large volumes of sanitary sludge effectively, in a continuous or batch regime, without requiring previous pre-treatment steps with additives .

Brief Description of Figures

[0021] Deve ser ressaltado que as dimensões e posições relativas dos elementos não estão necessariamente em escala.[0021] It should be noted that the dimensions and relative positions of the elements are not necessarily to scale.

[0022] A Figura 1 representa um fluxograma das etapas do processo ora reivindicado.[0022] Figure 1 represents a flowchart of the steps of the process claimed herein.

[0023] A Figura 2 ilustra um fluxograma dos elementos do do sistema e seus componentes modulares.[0023] Figure 2 illustrates a flowchart of the elements of the system and its modular components.

Detailed description of the invention

[0024] Para fins de referência, o termo “resíduo” e “lodo sanitário” ou “lodo” serão empregados de maneira intercambiável. Entende-se como “lodo sanitário” os resíduos provenientes do tratamento de efluentes domésticos e industriais compreendendo uma mistura de minerais, coloides e materiais orgânicos.[0024] For reference purposes, the terms "waste" and "sanitary sludge" or "sludge" will be used interchangeably. It is understood as "sanitary sludge" the residues from the treatment of domestic and industrial effluents comprising a mixture of minerals, colloids and organic materials.

[0025] Conforme será observado adiante, a Figura 1 descreve as etapas do processo, nos quais serão executadas pelo sistema representado na Figura 2.[0025] As will be seen below, Figure 1 describes the steps of the process, which will be performed by the system represented in Figure 2.

[0026] De acordo com as Figuras 1 e 2, o dito sistema compõe-se por módulos nos quais serão executadas as etapas de secagem, descarbonização e tratamento por plasma, considerando uma operação de 15 toneladas/dia de lodo úmido. Considerando a Figura 1, é efetuada uma breve descrição das etapas envolvidas no processo ora reivindicado

a) Secagem: etapa na qual o lodo compreendendo cerca de 75 a 77%, de umidade é levado a um secador térmico de película que utiliza vapor saturado;
b) Descarbonização: etapa na qual ocorre a transformação da matéria orgânica do lodo seco do estado sólido para o estado gasoso (gaseificação) com a eliminação da umidade e patógenos restando somente material inorgânica.
c) Tratamento por Plasma: o lodo vindo da descarbonização é aquecido até o ponto de fusão desse material por meio de plasma por arco transferido.

[0026] According to Figures 1 and 2, said system is composed of modules in which the steps of drying, decarbonization and plasma treatment will be performed, considering an operation of 15 tons/day of wet sludge. Considering Figure 1, a brief description of the steps involved in the process claimed herein is made

a) Drying: step in which the sludge comprising about 75 to 77% moisture is taken to a thermal film dryer using saturated steam;
b) Decarbonization: step in which the transformation of the organic matter from the dry sludge from the solid state to the gaseous state (gasification) occurs, with the elimination of moisture and pathogens, leaving only inorganic material.
c) Plasma Treatment: the sludge coming from the decarbonization is heated to the melting point of this material by means of transferred arc plasma.

[0027] Considerando a Figura 2, o sistema ora reivindicado consiste em módulos nos quais serão realizados cada uma das etapas a, b e c citadas anteriormente. De acordo com a proposta da presente invenção, o sistema detém flexibilidade para adaptação tanto para processos de batelada ou contínuo, com a operação de forma individual de cada etapa independente da etapa anterior ou posterior do processo. Essa flexibilidade é alcançada através de buffers instalados entre os elementos do sistema, facilitando a introdução de operações de manutenção e adequação para operação em grandes volumes.[0027] Considering Figure 2, the system now claimed consists of modules in which each of the steps a, b and c mentioned above will be performed. According to the proposal of the present invention, the system has flexibility to adapt to both batch and continuous processes, with the individual operation of each step independent of the previous or subsequent step of the process. This flexibility is achieved through buffers installed between the elements of the system, facilitating the introduction of maintenance operations and adaptation for operation in large volumes.

[0028] Em uma concretização preferencial, o módulo de secagem (A) compreende a estrutura de captação (14), bomba de transferência (3), reservatório (1), unidade dosadora por bombeamento (2) e secador (4), esquematizados na Figura 2. A etapa de secagem ocorre no módulo (A) e se inicia a partir da captação do lodo úmido, variando entre 75 a 77% de umidade, proveniente de Estações de Tratamento de Esgoto e recebido em uma estrutura de captação (14). A estrutura de captação consiste em um recipiente de volume adequado para a recepção do resíduo, como uma caçamba. Dito resíduo é conduzido por uma bomba de transferência (3) em direção ao reservatório (1). Em uma concretização possível, o reservatório (1) consiste em um silo, preferencialmente de material inoxidável, compreendendo ao menos uma entrada para recepção do lodo e ao menos uma saída que se comunica a pelo menos uma unidade dosadora por bombeamento (2).[0028] In a preferred embodiment, the drying module (A) comprises the intake structure (14), transfer pump (3), reservoir (1), dosing unit by pumping (2) and dryer (4), schematically in Figure 2. The drying step occurs in module (A) and starts from the capture of wet sludge, ranging from 75 to 77% moisture, coming from Sewage Treatment Stations and received in a collection structure (14 ). The collection structure consists of a container with a suitable volume for receiving the waste, such as a bucket. Said residue is conducted by a transfer pump (3) towards the reservoir (1). In a possible embodiment, the reservoir (1) consists of a silo, preferably of stainless material, comprising at least one inlet for receiving the sludge and at least one outlet that communicates with at least one pumping metering unit (2).

[0029] A unidade dosadora (2) encaminha o lodo previamente acondicionado no reservatório (1) em direção ao secador (4).[0029] The dosing unit (2) forwards the sludge previously packed in the reservoir (1) towards the dryer (4).

[0030] Preferencialmente, o secador (4) consiste em um tambor dotado de pás raspadoras e paredes aquecidas com vapor gerado através da caldeira (10). A caldeira (10) é alimentada por biogás, de 400 kgv/h e pressão de trabalho de 8kgf/cm2, e em conjunto com o secador (4) visa remover a umidade do lodo sobuma temperatura entre 100 e 120ºC. Em particular, o secador (4) reduz a umidade relativa do lodo na faixa de 75 a 77%, a uma faixa de 10 a 30%. Em uma concretização preferencial, buffers são instalados entre o secador (4) e a rosca transportadora (5), e entre a rosca transportadora (7) e a unidade de inertização (9).[0030] Preferably, the dryer (4) consists of a drum equipped with scraper blades and walls heated with steam generated through the boiler (10). The boiler (10) is powered by biogas, with 400 kgv/h and a working pressure of 8 kgf/cm2, and together with the dryer (4) it aims to remove moisture from the sludge at a temperature between 100 and 120ºC. In particular, the dryer (4) reduces the relative humidity of the sludge in the range of 75 to 77%, to a range of 10 to 30%. In a preferred embodiment, buffers are installed between the dryer (4) and the screw conveyor (5), and between the screw conveyor (7) and the blanketing unit (9).

[0031] Após a secagem, os resíduos são encaminhados ao módulo de descarbonização (B). Este módulo compreende roscas transportadoras (5) e (7), o forno de descarbonização (6), sendo concebido para a realização da etapa de remoção de umidade restante, volatilização de matéria orgânica e organismos patógenos ainda presentes no lodo.[0031] After drying, the residues are sent to the decarbonization module (B). This module comprises conveyor screws (5) and (7), the decarbonization furnace (6), being designed to carry out the step of removal of remaining moisture, volatilization of organic matter and pathogenic organisms still present in the sludge.

[0032] Especificamente, o lodo, após submetido a etapa de secagem em (4), é conduzido por meio da rosca transportadora (5) ao forno de descarbonização (6). As roscas transportadoras consistem em equipamentos de transporte por correia dotados de meios helicoides capazes de resistir a corrosão e abrasão.[0032] Specifically, the sludge, after undergoing the drying step in (4), is conducted through the conveyor screw (5) to the decarbonization furnace (6). Conveyor screws consist of conveyor belts equipped with helical means capable of resisting corrosion and abrasion.

[0033] Em uma concretização preferencial, o forno de descarbonização (6) compreende um tambor de material inoxidável, revestido por camadas de materiais isolante e refratário.[0033] In a preferred embodiment, the decarbonization furnace (6) comprises a drum of stainless material, coated with layers of insulating and refractory materials.

[0034] Em uma condição mais preferencial da etapa de descarbonização, o lodo seco de 10 % a 15% de umidade é alimentado a um forno de descarbonização (6) rotativo revestido com camada de tijolo isolante e outra camada de tijolo refratário, a uma vazão de 173 kg/h a 184 kg/h a uma temperatura aproximada de 600 a 700ºC.[0034] In a more preferential condition of the decarbonization step, the dry sludge from 10% to 15% moisture is fed to a rotary decarbonization furnace (6) covered with a layer of insulating brick and another layer of refractory brick, to a flow rate from 173 kg/ha to 184 kg/ha at an approximate temperature of 600 to 700ºC.

[0035] Após, o material descarbonizado obtido é conduzido ao módulo (C) de tratamento por plasma, compreendendo a unidade de inertização (9). O lodo proveniente do forno de descarbonização (6) é conduzido por meio de roscas transportadoras (7) até a unidade de inertização (9) a uma vazão de 50 Kg/h a 130 Kg/h.[0035] Afterwards, the decarbonized material obtained is led to the plasma treatment module (C), comprising the blanketing unit (9). The sludge coming from the decarbonization furnace (6) is conveyed by means of conveyor screws (7) to the blanketing unit (9) at a flow rate of 50 kg/h to 130 kg/h.

[0036] Em uma concretização preferencial de 70 kg/h a 110 kg/h, a unidade de inertização (9) consiste em um forno de plasma térmico, em que o lodo é aquecido através de plasma por arco transferido entre o anodo e o catodo de grafite, a uma temperatura aproximada de 1300ºC a 1400ºC.[0036] In a preferred embodiment of 70 kg/h to 110 kg/h, the blanketing unit (9) consists of a thermal plasma furnace, in which the sludge is heated through arc plasma transferred between the anode and the cathode of graphite, at an approximate temperature of 1300ºC to 1400ºC.

[0037] Finalmente, o material vítreo gerado após tratamento no módulo (C) é coletado e transportado por meio de caçambas a uma vazão de 66 Kg/h a 70 Kg/h ou outros recipientes coletores.[0037] Finally, the vitreous material generated after treatment in module (C) is collected and transported by means of buckets at a flow rate of 66 Kg/h to 70 Kg/h or other collection containers.

[0038] Durante a fusão do lodo é bombeado biogás proveniente de biodigestores de lodo de esgotos para o interior do forno (9) com 1 bar de pressão e em quantidade suficiente para criar um ambiente livre de oxigênio para diminuir o consumo de eletrodos de grafite.[0038] During the sludge melt, biogas from sewage sludge biodigesters is pumped into the furnace (9) with 1 bar of pressure and in sufficient quantity to create an oxygen-free environment to reduce the consumption of graphite electrodes .

[0039] Em uma concretização preferencial, o arco de plasma é gerado através de eletrodos de grafite de 3 a 4 polegadas e fonte transistorizada de 200 kW que transforma 440V ac em corrente contínua controlada.[0039] In a preferred embodiment, the plasma arc is generated through graphite electrodes from 3 to 4 inches and 200 kW transistorized source that transforms 440V ac into controlled direct current.

[0040] Em uma concretização preferencial, o forno (9) é composto de uma estrutura metálica revestido internamente por placas de fibra cerâmica, tijolos isolantes com Al2O3 e SiO2 na sua composição e tijolos refratários de magnésio sinterizado com grau de pureza acima de 97,5% de MgO. O teto do forno apresenta perfil em arco e sua soleira possui uma leve inclinação.[0040] In a preferred embodiment, the furnace (9) is composed of a metallic structure coated internally by ceramic fiber plates, insulating bricks with Al2O3 and SiO2 in their composition and refractory bricks of sintered magnesium with a degree of purity above 97, 5% MgO. The oven ceiling has an arched profile and its threshold has a slight slope.

[0041] O controle do sistema, exige retificadores para a conversão de energia elétrica em Corrente Alternada para Corrente Contínua e proporcionando a manutenção da estabilidade e controle do plasma.[0041] The control of the system requires rectifiers for the conversion of electrical energy into Alternating Current for Direct Current and providing the maintenance of stability and control of the plasma.

[0042] Particularmente, o circuito de retificação para os resistores com corrente de saída acima de 1.000A é composto por tiristores (dispositivos semicondutores multicamadas, estruturado com no mínimo 4 camadas semicondutoras numa sequência P-N-P-N) em antiparalelo no primário do transformador e diodos retificadores no secundário. Retificadores com corrente de saída até 1.000A são compostos por uma ponte retificadora totalmente controlada e para correntes acima de 1.000A, apenas o circuito de retificação foi alterado.[0042] In particular, the rectification circuit for resistors with output current above 1000A is composed of thyristors (multilayer semiconductor devices, structured with at least 4 semiconductor layers in a PNPN sequence) in antiparallel in the transformer primary and rectifier diodes in the secondary. Rectifiers with output current up to 1000A are composed of a fully controlled rectifier bridge and for currents above 1000A, only the rectification circuit has been changed.

[0043] O Retificador CA / CC foi desenvolvido para o processo operar em regime ininterrupto, com a unidade de retificação isolada, totalmente controlada em 24 pulsos no modo de regulação por corrente elétrica constante.[0043] The AC / DC Rectifier was developed for the process to operate in uninterrupted regime, with the isolated rectification unit, fully controlled in 24 pulses in constant electric current regulation mode.

[0044] O controle, sincronismo e disparo da unidade retificadora é realizado de forma micro processada, sendo que a sua supervisão, parametrização e armazenamento de dados das condições de operação são realizadas através de um CLP (controlador lógico programável) e IHM (interface homem máquina).[0044] The control, synchronism and tripping of the rectifier unit is performed in a microprocessed way, and its supervision, parameterization and data storage of the operating conditions are performed through a PLC (programmable logic controller) and HMI (human interface machine).

[0045] Obter o controle de um arco elétrico em eletrodos de grafite a partir de uma tensão em C.C. para se obter uma quantidade elevada de calor exigiu diversas experimentos. A condição de contorno adotada exige um nível de tensão com o menor ripple (controle de carga) possível.[0045] Obtaining the control of an electric arc in graphite electrodes from a voltage in C.C. to obtain a high amount of heat required several experiments. The boundary condition adopted requires a voltage level with the smallest possible ripple (load control).

[0046] Em uma concretização preferencial do sistema são empregados retificadores CA / CC, 24 pulsos, totalmente controlados utilizando um SCR (retificador controlado de silício), que de forma indireta contribui para baixas distorções harmônicas na rede de alimentação em C.A., tanto de corrente como de tensão.[0046] In a preferred embodiment of the system, AC / DC rectifiers, 24 pulses, fully controlled using an SCR (silicon controlled rectifier) are used, which indirectly contributes to low harmonic distortions in the AC supply network, both current as of tension.

[0047] Operando em regime de corrente contínua é possível criar um arco elétrico com a corrente desejada parametrizada previamente. Com o afastamento do eletrodo positivo de grafite (anodo) é gerada uma DDP (diferença de potencial ou tensão) em relação ao eletrodo de grafite negativo (catodo) se obtendo o plasma por arco transferido.[0047] Operating in direct current regime it is possible to create an electric arc with the desired current parameterized previously. With the distancing of the positive graphite electrode (anode), a DDP (difference in potential or voltage) is generated in relation to the negative graphite electrode (cathode), obtaining the transferred arc plasma.

[0048] O afastamento constante e gradual do anodo, mantem a corrente elétrica constante, porém a tensão cresce gradualmente e por consequência a potência dissipada em Watts também cresce, na relação tensão em Volts multiplicada pela corrente em Amperes.[0048] The constant and gradual distancing of the anode, keeps the electric current constant, but the voltage grows gradually and therefore the dissipated power in Watts also grows, in the relation voltage in Volts multiplied by the current in Amperes.

[0049] Cumpre observar a importância da manutenção do arco elétrico em ambientes apropriados – especificamente o forno de fusão, fabricado com refratários para altas temperaturas, adequadamente aterrado, além do anodo e catodo em comprimentos e diâmetros adequados. Tais fatores permitem a obtenção de elevada eficiência térmica geral e estabilidade do arco voltaico.[0049] It is worth noting the importance of maintaining the electric arc in appropriate environments - specifically the fusion furnace, manufactured with refractories for high temperatures, properly grounded, in addition to the anode and cathode in suitable lengths and diameters. Such factors allow obtaining high general thermal efficiency and arc-flash stability.

[0050] As elevadas temperaturas exigidas pelo processo (acima de 1.600 ºC) exigem por consequência, materiais refratários que atendam tais especificações, tanto na soleira paredes laterais, abóbada como nas entradas para o catodo e o anodo nas laterais do forno (9). Em uma concretização preferencial, os refratários próximos aos eletrodos não devem conduzir energia elétrica e precisam suportar temperaturas de até 1.750 ºC.[0050] The high temperatures required by the process (above 1,600 ºC) therefore require refractory materials that meet such specifications, both in the sill side walls, vault and in the entrances to the cathode and anode on the sides of the furnace (9). In a preferred embodiment, the refractories close to the electrodes must not conduct electrical energy and must withstand temperatures of up to 1,750 °C.

[0051] O sistema apresenta ainda um quarto módulo (D) de pós-queima, compreendendo o forno de pós queima (8), a torre de resfriamento (11), fltro de manga (12) e exaustor (13). Os gases gerados ao longo do processo são captados e careados para o sistema de tratamentos dos gases, composto pela admissão dos gases captados ao longo do processo. Em particular, os gases provenientes do secador (4), do forno descarbonizador (6) e do forno de plasma (9) são encaminhados a uma câmara de pós-queima em aço inoxidável revestido de tijolo refratário operando numa faixa de temperatura de 700ºC a 900ºC sob vazão de gás da ordem de 2.400kg/h e um forno pós queima (8). O material resultante é direcionado a torre de resfriamento (11) operando numa faixa de 950ºC a 150ºC com uma vazão de gás variando de 2400kg/h a 3800kg/h e por meio de uma lança pulverizadora de ar/água trabalhando com uma vazão de 865 kg/h, os resíduos são purificados por filtros de manga de (12) e liberados para a atmosfera por exaustores (13) a uma taxa de 3800kg/h.[0051] The system also features a fourth post-firing module (D), comprising the post-firing furnace (8), the cooling tower (11), sleeve filter (12) and exhaust (13). The gases generated during the process are captured and treated for the gas treatment system, which comprises the admission of gases captured throughout the process. In particular, the gases from the dryer (4), the decarbonizing furnace (6) and the plasma furnace (9) are routed to an after-burning chamber in stainless steel lined with refractory brick operating in a temperature range from 700°C to 900ºC at a gas flow of around 2,400kg/h and a post-burn oven (8). The resulting material is directed to the cooling tower (11) operating in a range of 950°C to 150°C with a gas flow ranging from 2400kg/h to 3800kg/h and by means of an air/water spraying lance working at a flow rate of 865kg/ h, the residues are purified by bag filters (12) and released to the atmosphere by exhausters (13) at a rate of 3800kg/h.

[0052] A seguir serão elencadas algumas condições preferenciais de funcionamento do sistema ora pleiteado. Deve ser entendido que tais Exemplos não são limitativos e meramente exemplificam formas ilustrativas da presente invenção.[0052] Below, some preferential conditions for the functioning of the system claimed will be listed below. It should be understood that such Examples are not limiting and merely exemplify illustrative forms of the present invention.

Example 1

[0053] O lodo proveniente das Estações de Tratamento e acumulado no reservatório (1) é introduzido no secador (4) sob as seguintes condições:

[0053] The sludge coming from the Treatment Plants and accumulated in the reservoir (1) is introduced into the dryer (4) under the following conditions:

[0054] O lodo resultante compreendendo 15% de umidade é conduzido por meio de roscas transportadoras (5) até o forno de descarbonização (6) e submetido a uma temperatura de 600ºC. Após, este material é conduzido a unidade (9), sob aquecimento via arco plasmático a temperatura de 1300/ºC. O material vítreo resultante é então coletado e armazenado.[0054] The resulting sludge comprising 15% moisture is conducted by means of conveyor screws (5) to the decarbonization furnace (6) and subjected to a temperature of 600°C. Afterwards, this material is conducted to unit (9), under heating via plasma arc at a temperature of 1300/ºC. The resulting vitreous material is then collected and stored.

Example 2

[0055] O lodo proveniente das Estações de Tratamento e acumulado no reservatório (1) é introduzido no secador (4) sob as seguintes condições:

[0055] The sludge coming from the Treatment Plants and accumulated in the reservoir (1) is introduced into the dryer (4) under the following conditions:

[0056] Em seguida, o material resultante compreendendo 15% de umidade é conduzido por meio de roscas transportadoras (5) até o forno de descarbonização (6) e submetido a uma temperatura de 700ºC. Após, este é transportado para a unidade (9), na qual será aquecida via arco plasmático a uma temperatura de 1400/ºC. O material vítreo gerado através do resfriamento rápido do resíduo fundido é então coletado e armazenado. A caracterização do material vítreo obtido conforme os exemplos 1 e 2 é apresentado a seguir, executado de acordo com a norma ABNT NBR 100005/2004 para extratos lixiviados, compreendendo a análise de uma amostra de 1,0 litro, preparada em condições de pH 4,94, sob 18 horas de lixiviação (LQ = Limite de quantificação).

[0056] Then, the resulting material comprising 15% moisture is conducted by means of screw conveyors (5) to the decarbonization furnace (6) and subjected to a temperature of 700°C. Afterwards, it is transported to unit (9), where it will be heated via plasma arc at a temperature of 1400/ºC. The vitreous material generated by the rapid cooling of the molten waste is then collected and stored. The characterization of the vitreous material obtained according to examples 1 and 2 is presented below, performed in accordance with the ABNT NBR 100005/2004 standard for leached extracts, comprising the analysis of a 1.0 liter sample, prepared under pH 4 conditions .94, under 18 hours of leaching (LQ = Limit of quantification).

[0057] Para o ensaio do extrato solubilizado em pH 9,17, obteve-se os seguintes resultados:

[0057] For the test of the extract solubilized at pH 9.17, the following results were obtained:

[0058] Com base nos resultados das análises físicoquímicas efetuadas, observa-se que para os parâmetros pesquisados, os valores de concentração de poluentes são inferiores aos limites estabelecidos pela norma, NBR 10.004: 2004, permitindo a classificação dos resíduos como Classe II B - inertes.[0058] Based on the results of the physicochemical analyzes carried out, it is observed that for the parameters studied, the pollutant concentration values are below the limits established by the standard, NBR 10.004: 2004, allowing the classification of waste as Class II B - inert.

[0059] Os versados na arte valorizarão os conhecimentos aqui apresentados e poderão reproduzir a invenção nas modalidades apresentadas e em outras variantes, abrangidas no escopo das reivindicações anexas.[0059] Those skilled in the art will value the knowledge presented herein and may reproduce the invention in the presented modalities and in other variants, covered by the scope of the appended claims.

Claims

Modular sanitary sludge treatment system using plasma, characterized by the fact that it comprises

a) drying module (A), comprising a collection structure (14), communicating with a transfer pump (3) and mounted on a reservoir (1), said reservoir (1) communicating by means of a metering pump (2) to the dryer (4);
b) decarbonization module (B), comprising conveyor threads (5) and (6), respectively connecting the dryer (4) to the decarbonization furnace (6) and the decarbonization furnace (6) to the inerting unit (9);
c) plasma treatment module (C) comprising an inerting unit (9) coupled to rectification circuits; and
d) afterburning module, comprising an afterburning furnace (8), cooling tower (11), bag filters (12) and exhausters (13).

System according to claim 1, characterized in that the reservoir (1) is a stainless metal silo.

System according to claim 1, characterized in that the dryer (4) communicates to a boiler (10).

System according to claim 1, characterized in that the decarbonization furnace (6) is a rotary furnace, comprising a drum of stainless material, coated with layers of insulating and refractory materials.

System according to claim 1, characterized in that the blanketing unit (9) consists of a thermal plasma furnace.

System according to claim 5, characterized in that the electric plasma furnace comprises carbon electrodes for electric arc generation.

System according to claim 1, characterized in that the rectification circuit for the resistors present an output current above 1,000A.

System according to claim 7, characterized in that the circuit is composed of thyristors.

Process for obtaining vitreous material, using the system as defined in claim 1, characterized in that it comprises the steps of:

a) Drying, in which the sludge with 75% to 77% moisture is taken to a thermal dryer (4) and subjected to temperatures from 100ºC to 120ºC, under pressure from 6 to 8 bar;
b) Decarbonization, in which the sludge with up to 15% humidity is subjected to temperatures from 600º to 700ºC in a decarbonization furnace (6) at a flow rate of 173 kg/h to 184 kg/h;
c) Plasma treatment: in which the material is transferred from the furnace (6) and subjected to temperatures from 1300°C to 1400°C by means of an inerting furnace (9) at a flow rate of 70 kg/h to 74 kg/h.

Process according to claim 7, characterized in that the flow of sludge from the structure (14) to the dryer (4) corresponds to 625 kg/hour.

Process, according to claim 7, characterized in that the sludge flow is optionally collected after step c) and transported by means of buckets at a flow rate of 66 Kg/h to 70 Kg/h.