BR112013014107B1

BR112013014107B1 - Sistema de reator para preparar biogás através de degradação anaeróbia de uma ou mais substâncias orgânicas, e, método para recuperar metano a partir de um efluente de um reator

Info

Publication number: BR112013014107B1
Application number: BR112013014107-7A
Authority: BR
Inventors: Jeroen V. D. Lubbe; Barry Heffernan
Original assignee: Veolia Water Solutions & Technologies Support
Priority date: 2010-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2020-02-11
Also published as: EP2463240B1; BR112013014107A2; HRP20150984T1; EP2463240A1; MX349909B; MX2013006388A; MA34879B1; AR084159A1; ES2548249T3; WO2012078044A1; EP2649011A1; PT2463240E

Abstract

sistema de reator para preparar biogás através de degradação anaeróbia de uma ou mais substâncias orgânicas, e, método para recuperar metano a partir de um efluente de um reator a invenção refere-se a um método para recuperar metano a partir de um efluente líquido de um reator em que uma corrente residual que compreende uma ou mais substâncias orgânicas foi sujeitada a um processo de degradação anaeróbia no qual biogás de reator, que compreende metano, foi produzido a partir das ditas uma ou mais substâncias orgânicas, o efluente líquido compreendendo metano dissolvido, o método compreendendo transferir o metano dissolvido a partir do efluente para uma fase gasosa e utilizar o metano para produzir energia.

Description

SISTEMA DE REATOR PARA PREPARAR BIOGÁS ATRAVÉS DE DEGRADAÇÃO ANAERÓBIA DE UMA OU MAIS SUBSTÂNCIAS ORGÂNICAS, E, MÉTODO PARA RECUPERAR METANO A PARTIR DE UM EFLUENTE DE UM REATOR [001] A invenção refere-se a um método para recuperar metano a partir de um efluente líquido de um reator em que uma corrente residual que compreende uma ou mais substâncias orgânicas diferentes de metano foi sujeitada à degradação anaeróbia e a um sistema de reação para realizar tal método.

[002] O tratamento de resíduo biológico utiliza biomassa (bactérias) para converter os poluentes (substâncias orgânicas) em componentes inofensivos.

[003] Basicamente, existem dois tipos de bactérias que podem realizar este tratamento. Para o assim chamado tratamento anaeróbio (sem oxigênio) um consórcio de bactérias anaeróbias converte poluentes, substancialmente, em metano e dióxido de carbono, que irão resultar no biogás.

[004] No tratamento anaeróbio os poluentes são convertidos sob condições anaeróbias em dióxido de carbono e também em um grau considerável para novas bactérias/biomassa (sedimento excedente) que, então, precisa ser separada da água residual tratada e processada separadamente.

[005] Os processos anaeróbios utilizam bactérias anaeróbias para converter poluentes em água residual e outras correntes de resíduo para biogás (uma mistura gasosa que compreende, principalmente, metano e dióxido de carbono). Parte do metano produzido dissolve a partir do líquido e é coletado em dispositivos de coleta gasosa dedicados, ou no espaço superior de reator de reatores fechados.

[006] Apesar de ser conhecido, por mais de duas décadas, que efluentes aquosos a partir de processos de tratamento de resíduo anaeróbio

Petição 870190070552, de 24/07/2019, pág. 10/62 / 28 podem compreender quantidades de metano dissolvido, no presente (para o melhor do conhecimento do inventor) este metano não é recuperado a partir deste efluente.

[007] Os inventores perceberam que a concentração de metano dissolvido em uma corrente de efluente líquido de um processo de tratamento de resíduo em particular pode ser saturada com metano; contempla-se que em alguns casos, o efluente líquido pode até ser supersaturado com metano dissolvido. Em particular, os inventores contemplam que a concentração de metano dissolvido em um efluente líquido pode estar na faixa de cerca de 15 a 60 mg/l, dependendo das condições de processo, tais como altura do líquido do reator, pressão operacional e temperatura do líquido. Os inventores perceberam que, em particular para correntes de água residual (diluídas), tais como esgoto municipal, isto pode ser responsável por até cerca de 40% da produção total de metano.

[008] Os inventores perceberam que o metano dissolvido no efluente líquido a partir de processos de tratamento de resíduo anaeróbio pode ser transferido para a atmosfera, onde ele é um gás de efeito estufa bem mais potente do que o dióxido de carbono. Assim, eles perceberam que evitar tal transferência pode ser desejável de maneira a reduzir a emissão de carbono de um processo para tratar anaerobiamente uma corrente residual.

[009] Adicionalmente, os inventores perceberam que pode ser vantajoso recuperar o gás metano dissolvido a partir do efluente líquido e utilizar o mesmo para a produção de energia.

[0010] Em particular, eles perceberam que pode ser útil prover um modo para recuperar o gás metano dissolvido usando (principalmente) equipamentos padrão, isto é, equipamentos os quais já são necessários para um sistema apropriadamente projetado para o tratamento biológico de correntes residuais para limitar o custo de investimento extra.

[0011] De maneira apropriada, é um objetivo da invenção prover um

Petição 870190070552, de 24/07/2019, pág. 11/62 / 28 método para recuperar metano gasoso a partir de um efluente líquido de um reator em que uma corrente residual foi sujeitada a uma degradação anaeróbia, enquanto que o gás metano pode ser usado para um propósito útil, se desejado, ou pelo menos pode ser evitado de ser emitido para a atmosfera.

[0012] É um objetivo adicional da invenção prover uma instalação que compreende um sistema de recuperação de metano que pode ser usado para recuperar metano dissolvido em um efluente líquido a partir de um reator de tratamento de resíduo anaeróbio, por meio do qual o metano pode ser usado para um propósito útil.

[0013] De maneira apropriada, a presente invenção refere-se a um método para recuperar metano a partir de um efluente líquido de um reator em que uma corrente residual que compreende uma ou mais substâncias orgânicas foi sujeitada a um processo de degradação anaeróbia no qual biogás de reator, que compreende metano, foi produzido a partir das ditas uma ou mais substâncias orgânicas, o efluente líquido compreendendo metano dissolvido, o método compreendendo transferir o metano dissolvido do efluente para uma fase gasosa e utilizar o metano para produzir energia.

[0014] Adicionalmente, a presente invenção está direcionada a um sistema de reator para preparar biogás por degradação anaeróbia de uma ou mais substâncias, o sistema compreendendo um reator, o qual é provido com um sistema de coleta de biogás e saída para biogás produzido no reator, com meios de retirada de efluente para retirar o efluente líquido do reator, e com uma unidade de recuperação de gás metano para recuperar gás metano a partir do efluente líquido, a unidade de recuperação de gás metano que compreende uma entrada para o efluente líquido, a qual pelo menos durante o uso está em comunicação fluida com os meios de retirada de efluente, a unidade de recuperação de gás metano que compreende adicionalmente uma saída para uma fase gasosa que compreende metano e uma saída para um efluente líquido. Tal sistema é, em particular, adequado para uso em um método de

Petição 870190070552, de 24/07/2019, pág. 12/62 / 28 acordo com a invenção.

[0015] Assim, a presente invenção provê um modo eficaz de recuperar metano a partir do efluente líquido e, pelo menos substancialmente, evitar que o metano termine na atmosfera. Isto reduz a emissão de carbono do processo de degradação anaeróbia. Tipicamente, o efluente líquido a partir do qual o metano dissolvido foi transferido para a fase gasosa de acordo com a invenção compreende menos do que 15 mg/l de metano, preferivelmente 2,5 mg/l ou menos, mais preferivelmente 1,5 mg/l ou menos. O metano pode ser removido essencialmente completamente (isto é, até uma concentração abaixo do limite de detecção). Na prática, uma concentração detectável pode estar presente, por exemplo, de 0,1 mg/l ou mais.

[0016] Além disso, o metano pode ser recuperado a partir do efluente líquido de tal forma que ele possa ser usado eficientemente para a produção de energia. Contempla-se que, em particular, no caso da corrente residual que é sujeitada à degradação anaeróbia compreender um teor de água relativamente alto (em particular como em correntes de água residual), o aumento na produção de energia é considerável, em particular 10% ou mais, mais em particular de 20% a 50% - comparado a um processo anaeróbio convencional em que apenas o biogás coletado como um gás a partir, ou dentro, do reator em que a degradação ocorre é usado para a produção de energia.

[0017] Como benefício adicional da invenção, a remoção de metano do efluente líquido reduz o risco de explosão e/ou o risco de asfixia (o último, em particular, em espaços confinados), o que pode ser importante, por exemplo, no caso do método da invenção ser usado como parte de um método de purificação de água. Afinal de contas, ao deixar metano dissolvido em líquido aquoso acumular em espaços confinados (por exemplo, uma rede de esgoto) ele pode ser uma causa de explosões.

[0018] Nota-se que a remoção de metano de um líquido aquoso, como

Petição 870190070552, de 24/07/2019, pág. 13/62 / 28 tal, é conhecida na técnica. Por exemplo, GB-A 2 381 761 descreve um aparelho e método para remover metano a partir de troca tal como lixiviados a partir de aterros sanitários de forma que o líquido processado pode ser eliminado de maneira segura em um sistema de esgoto. Não é divulgada a recuperação de metano de um reator em que uma corrente residual foi sujeitada à degradação anaeróbia, nem é mencionado recuperar energia a partir do metano removido. Em particular, não se sugere utilizar o aparelho descrito de tal modo que a mistura ar metano que é obtida possa ser usada como ar de combustão.

[0019] O termo “ou” como usado aqui é definido como “e/ou”, a menos que especificado de outra forma.

[0020] Os termos “um” ou “uma” como usados aqui são definidos como “pelo menos um(a)”, a menos que especificado de outra forma.

[0021] Com referência a um substantivo (por exemplo, um composto, um aditivo, etc.) no singular, o plural deve estar incluído.

[0022] A composição do combustível de combustão, ou de parte do mesmo, que é obtida através da recuperação de metano a partir do efluente líquido pode variar dentro de várias faixas dependendo do método específico de recuperação de metano e - se a recuperação compreende a ventilação com ar (ambiente), na taxa de ventilação aplicada. Dependendo da técnica usada e das condições do método, a concentração de metano na fase gasosa que é obtida pode estar abaixo do limite de explosão inferior para metano na fase gasosa (para uma mistura ar-metano de 5,1% em volume a 20°C ou, pelo menos, estar no limite de explosão inferior (preferivelmente acima do limite de explosão superior de 15% em volume) para metano na fase gasosa. No caso anterior, a fase gasosa que compreende metano pode ser usada, em particular, como ar de combustão (quando uma técnica que faz uso de ar é usada para recuperar o metano dissolvido). Assim, ainda é possível recuperar a energia liberada através da oxidação do metano. A fase gasosa que

Petição 870190070552, de 24/07/2019, pág. 14/62 / 28 compreende metano em uma concentração acima do limite de explosão inferior, preferivelmente, acima do limite de explosão superior, pode ser usada como (parte de) combustível de combustão para a produção de energia. [0023] Como usado aqui, “ar de combustão” significa uma fase gasosa que compreende oxigênio em uma concentração adequada para queimar o metano coletado no reator, nitrogênio e, opcionalmente, metano e dióxido de carbono, metano o qual em geral está presente em uma concentração abaixo do limite de explosão inferior. Em particular, ar de combustão pode compreender de 0 a 5% em volume de metano, 0 a 10% em volume de dióxido de carbono, 60 a 80% em volume de nitrogênio, 10 a 21% em volume de oxigênio. Juntos, estes gases usualmente formam mais do que 95% em volume. O equilíbrio - se é que existe - é formado, usualmente, essencialmente por um ou mais gases que usualmente estão presentes no ar (notavelmente um ou mais gases nobres, vapor de água, gás sulfeto de hidrogênio).

[0024] Como usado aqui, “combustível de combustão” significa uma fase gasosa que compreende metano em uma concentração acima do limite de explosão inferior que deve ser queimado. Em particular, o combustível de combustão pode ser biogás (coletado como uma fase gasosa no reator anaeróbio, tipicamente, com uma fração de metano que compreende pelo menos 50% em volume de CH4, biogás o qual pode ter sido condicionado, em particular, o qual pode ter sido enriquecido com metano, por exemplo, através da remoção de água, dióxido de carbono e/ou outros componentes indesejados. Adicionalmente, uma fase gasosa recuperada que compreende metano que foi transferida a partir do efluente líquido de acordo com a invenção, fase gasosa a qual compreende metano em uma concentração acima do limite de explosão superior, pode ser usada como combustível de combustão.

[0025] Por exemplo, em uma modalidade específica, em particular

Petição 870190070552, de 24/07/2019, pág. 15/62 / 28 uma modalidade em que uma taxa de ventilação relativamente alta é aplicada, a parte do combustível de combustão obtida através da recuperação de metano a partir do efluente líquido, compreende de 15 a 30% em volume de metano, 5 a 30% em volume de dióxido de carbono, até 65% em volume de nitrogênio e até 18% em volume de oxigênio. Esta parte do combustível é usualmente misturada com biogás diretamente obtido a partir do reator anaeróbio, antes de ser queimada.

[0026] Em outra modalidade específica, em particular, uma modalidade em que uma taxa de ventilação relativamente baixa é aplicada, ou em que metano é recuperado sem utilizar ar é usado para recuperar metano (por exemplo, em uma modalidade em que o metano é recuperado por extração a vácuo), a parte do combustível de combustão obtido pode compreender mais do 30% de metano, em particular de 50 a 80% em volume de metano, e mais que 20% em volume de dióxido de carbono, em particular, de 20 a 50% em volume de dióxido de carbono. Em tal modalidade, a concentração de nitrogênio usualmente é de 0 a 25% em volume. Em tal modalidade, a concentração de oxigênio usualmente é de 0 a 5% em volume.

[0027] A corrente residual pode, em particular, ser selecionada a partir do grupo de correntes de água residual, pastas fluidas, sedimentos, resíduos orgânicos, resíduos de fermentação.

[0028] A corrente residual, tal como a corrente de água residual, pode ser de origem municipal ou industrial.

[0029] Um método ou sistema de acordo com a invenção, em particular, é considerado vantajoso para o tratamento de uma corrente residual, em que o efluente líquido consiste predominantemente de água (mais que 50% em peso, em particular pelo menos 80% em peso, mais em particular 90% em peso ou mais). O conteúdo residual (sólido) pode ser 50% ou menos, 20% ou menos, 10% ou menos ou 2% ou menos. O alto conteúdo de água em geral significa que a quantidade de metano que deixa o reator como metano

Petição 870190070552, de 24/07/2019, pág. 16/62 / 28 dissolvido no efluente líquido é relativamente alta, assim que o benefício de recuperar metano dissolvido também é, em geral, relativamente alto.

[0030] O processo de degradação anaeróbia pode ser qualquer processo de degradação anaeróbia para degradar uma substância orgânica em uma corrente residual. Assim, o sistema de reator pode ser qualquer sistema de reator para degradação anaeróbia de substâncias orgânicas. Em particular, tal processo pode ser realizado em um reator selecionado a partir do grupo de reatores de manta de sedimentos anaeróbios de fluxo ascendente (UASB), reatores de manta de sedimentos granulares expandidos (EGSB), reator de circulação interna (IC), reatores de leito fluidizado, biorreatores de membrana anaeróbia (MBR), processo de contato, digestores completamente misturados, reatores compartimentados, e filtros anaeróbios. Em uma modalidade específica, o reator UASB é uma manta de sedimentos de fluxo ascendente de hidrólise (HUSB).

[0031 ] Em particular, o reator em um método ou sistema de reação de acordo com a invenção pode ser um reator UASB. Tais reatores e modos adequados para operar tais reatores são em geral conhecidos na técnica. Por exemplo, um reator UASB ou processo pode ser usado como descrito em WO 2005/095288 ou WO 2007/078194.

[0032] Informação adicional também pode ser encontrada em “Feasibility of the Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) process, Dr. Ir. G lettinga et al. Proceedings 1979 National Conference on Environmental Engineering, ASCE/ San Francisco, Ca/ 9 a 11 de julho, 1979 e UASB process design for various types of wastewater. Lettinga et al. 1991, Water Science & Technology 24(8), 87- 107.

[0033] Em Biological Wastewater Treatment Series - Volume 4 Anaerobic reactors; IWA Publishing, Carlos Augusto de Lemos Chernicharo, ISBN 1 - 84339 164 3 e 13 - 9781843391647 os seguintes sistemas para tratamento de esgoto municipal são descritos: UASB, filtro anaeróbio,

Petição 870190070552, de 24/07/2019, pág. 17/62 / 28 digestores de sedimento (um estágio e dois estágios), processo de contato, reator anaeróbio compartimentado e também o reator de leito de sedimento granular expandido (EGSB) (industrial) e o reator de IC.

[0034] Referência específica a UASB é feita a: Van Haandel e Lettinga, 1994; “Anaerobic sewage treatment”, Wiley, Reino Unido.

[0035] Como para o HUSB: Wang Kaijun (Beijing Academy of Environ. Sci., Beijing 100037,P,R. China) Last A. R. M. Van der G. Lettinga (Depart, of Environ. Technology, Agricultural Univ. Biotechnion, Bomenweg 2, 6703 HD, Wageningen, Países Baixos).

[0036] Como para AnMBR faz-se referência a: The First Two Years of Full-Scale Anaerobic Membrane Bioreactor (AnMBR) Operation Treating High-Strength Industrial Wastewater, Scott Christian, Shannon Grant, Peter McCarthy, Dwain Wilson, e Dale Mills.

[0037] O reator anaeróbio (usado) de acordo com a invenção pode ser aberto (no topo) ou ser essencialmente fechado (exceto para entradas e saídas dedicadas, em particular, para introduzir a corrente residual, para remover o gás, para remover o efluente líquido). Um reator fechado tem a vantagem de que contato com a atmosfera que pode resultar em perdas de metano para o ambiente é evitado ou pelo menos reduzido. Por exemplo, o reator pode ser um tanque de reator. Em uma modalidade específica, o reator anaeróbio pode ser provido com uma entrada para ar para ventilar o espaço superior do reator. Este pode ser ar ambiente.

[0038] A produção de energia a partir do metano usualmente compreende a oxidação do metano. A oxidação pode ser realizada de um modo convencional por combustão ou queima.

[0039] Uma chama pode ser usada para queimar o metano, enquanto que o metano está sendo queimado. Desta forma, dióxido de carbono (predominantemente), água e calor são formados. O calor, então, é em geral dissipado para a atmosfera.

Petição 870190070552, de 24/07/2019, pág. 18/62 / 28 [0040] Vantajosamente, a oxidação do metano é usada, não apenas para converter o metano, mas também para recuperar energia produzida, tal que a energia pode ser usada para um propósito útil. A energia recuperada pode estar na forma de energia elétrica e/ou na forma de calor, que pode ser usado para aquecer um objeto ou meio de troca de calor. A energia elétrica pode ser produzida usando equipamento conhecido em si, tal como um motor a gás, uma turbina a gás, ou semelhantes. Opcionalmente, este equipamento é provido com meios para produzir calor, por exemplo, convertendo um motor a gás em uma unidade de geração de energia e calor combinada (CHP). A produção de calor dedicada pode, por exemplo, ser alcançada em uma caldeira de gás.

[0041] Uma turbina a gás pode vantajosamente ser provida, além de prover meios para oxidar o metano, ela pode prover (parte) (d)a força de acionamento para transportar as fases gasosas através dos conduítes do sistema de reação. Adicionalmente, as turbinas podem ser altamente robustas, permitindo, desta forma, a combustão de fase gasosa relativamente impura que compreende o metano. Tais impurezas incluem água, dióxido de carbono e/ou compostos de enxofre. Isto se aplica tanto para o biogás quanto para a fase gasosa que compreende o metano obtido a partir do efluente líquido.

[0042] Para a transferência do metano dissolvido a partir do efluente líquido para a fase gasosa em princípio qualquer técnica adequada para aquele propósito pode ser usada.

[0043] De acordo com a invenção, a transferência de metano dissolvido para a fase gasosa irá em geral ocorrer se a pressão parcial de metano (p^CH4) na fase gasosa for menor do que o produto da concentração de metano dissolvido (c^CH4) no efluente líquido e o coeficiente de Henry para o metano no efluente líquido (kH^CH4). O valor do coeficiente de Henry que determina a solubilidade do gás em água foi determinado para vários gases como uma função da temperatura, por exemplo, em Metcalf e Eddy,

Petição 870190070552, de 24/07/2019, pág. 19/62 / 28 “Wastewater Engineering - Treatment and Reuse 2003, McCraw Hill publishing, pp 67, que também fornece um método de cálculo para a concentração de equilíbrio resultante nas páginas 65 a 69.

[0044] Se desejado, a concentração de metano na fase gasosa pode ser controlada em uma concentração abaixo do limite de explosão inferior, em particular, se a fase gasosa deve ser usada como ar de combustão. A Figura 1 mostra uma modalidade exemplar de um sistema para tal método (aqui a seguir também referido como CASO 1). Esta opção tem a vantagem de que o reator anaeróbio (coberto) é simultaneamente ventilado.

[0045] No último caso (em que a introdução de ar de ventilação na coleta de gás é minimizada ou proibida), a concentração de metano está acima do limite de explosão inferior, e preferivelmente, no, ou acima do limite de explosão superior, a fase gasosa que compreende metano pode ser usada como combustível de combustão, por exemplo, junto com o biogás coletado como uma fase gasosa a partir do reator anaeróbio. Uma vantagem desta modalidade específica, comparada à modalidade em que a concentração de metano está abaixo do limite de explosão inferior, é um escoamento de gás e reduziu, assim, requisitos de tratamento de gás requeridos. A Figura 2 mostra uma modalidade exemplar de um sistema em que parte do metano recuperado a partir do efluente líquido pode ser combinada com o biogás coletado como um gás no reator anaeróbio, de modo que ele pode ser usado como combustível de combustão, onde uma segunda corrente de metano (diluída) é usada como ar de combustão (aqui, a seguir, também referido como CASO 2).

CASO 1 [0046] A Figura 1 mostra esquematicamente um sistema de reator para um método em que o metano é transferido para uma fase gasosa, a qual pode subsequentemente ser usada como ar de combustão. O reator 1 mostrado na Figura 1 é um reator de fluxo ascendente, por exemplo, um reator UASB. Se desejado, outro tipo de reator pode ser provido. A parte interna do reator

Petição 870190070552, de 24/07/2019, pág. 20/62 / 28 mostrada é apenas ilustrativa. Os coletores 2 estão presentes para coletar efluente líquido (que podem ser tubos de efluente submersos ou canais de coleta, preferivelmente, com vertedores de transbordamento, como esquematicamente mostrado, por exemplo, na Figura 3. Aspectos preferidos dos coletores serão descritos abaixo). Os coletores 2 estão - pelo menos durante o uso - em comunicação fluida com um depósito de coleta 3. O depósito de coleta 3 compreende uma saída 4 para a fase gasosa (ar + metano, adequado para uso como ar de combustão) e uma saída 5 para o efluente líquido.

[0047] O conduíte 6 é provido para transportar o efluente a partir da saída 5 para uma ou mais unidades (opcionais) para melhorar a recuperação de metano a partir do efluente líquido. As uma ou mais unidades podem ser providas em paralelo ou em série. A Figura 1 mostra duas unidades - 8 e 16 para recuperar metano. Uma delas pode ser omitida. A unidade 8 e/ou 16 podem, em particular, ser dispositivos de separação em que a fase líquida pode ser contatada intimamente com a fase gasosa, tal como ar, melhorando, desta forma, a transferência de metano dissolvido para a fase gasosa.

[0048] A unidade 8 pode, em particular, ser um separador designado para transbordar efluente em uma rede ou malha, por exemplo, como mostrado esquematicamente na Figura 4, com a rede/malha 14 e o transbordamento 15, ou um dispositivo de extração a vácuo. Se a unidade 8 está presente, a saída 10 é provida para a fase gasosa que compreende metano recuperado (ar de combustão). A unidade 8 é provida com a saída 9, a qual está - pelo menos durante o uso - em comunicação fluida com o conduíte 51 para direcionar o efluente líquido para a unidade 16 (através da entrada 11), se uma unidade adicional é usada, ou, alternativamente, o conduíte 11 pode ser provido para levar o efluente para um processo de pós-tratamento (convencional) ou para outro lugar.

[0049] Na Figura 1, a unidade 16 é representada como um dispositivo

Petição 870190070552, de 24/07/2019, pág. 21/62 / 28 aerado. Este dispositivo é mostrado na Figura 1 como um exemplo preferido, apenas. Tal dispositivo é, em particular, preferido, pois ele não é particularmente apenas eficaz para recuperar metano, mas o dispositivo de aeração também pode servir para oxidar compostos de enxofre indesejados, que podem estar presentes no efluente líquido. A unidade 16 é provida com equipamento de aeração 64 e saída para efluente líquido (tipicamente para ser levado a um pós-tratamento (convencional) ou para outro lugar). Adicionalmente, a unidade 16 compreende uma saída 19 para a fase gasosa (ar) que compreende metano recuperado (ar de combustão).

[0050] A chama 22 e/ou a unidade 23 para recuperar energia (tal como energia de reação química liberada pela combustão de metano) compreende uma entrada 38 para biogás coletado a partir do reator anaeróbio 1. O sistema de coleta para o biogás pode ser um sistema conhecido em si. Em particular, o sistema de reator pode ser provido com um portador de gás 43 para armazenar biogás que está conectado aos coletores de biogás 50 no reator 1 através das saídas 40 para o biogás, o conduíte 41 e a entrada 42. O portador de gás está, preferivelmente, presente, pois variações da produção de metano (biogás) devido a picos de carga dos reatores anaeróbios são evitadas. [0051 ] O portador de gás 43 é provido com uma saída 44 através da qual o biogás pode ser transportado para a chama 22 ou a unidade de recuperação de energia 23. Usualmente, o biogás a partir do portador de gás 43 (ou a partir do reator é tal que o fixador está ausente) é sujeitado a um tratamento de gás (para remover componentes indesejados, tais como sulfeto de hidrogênio e água). Isto pode ser feito de uma maneira convencional. De maneira apropriada, um conduíte 45 é usualmente provido entre a saída 44 e uma entrada 46 de uma estação de tratamento de biogás 47. A estação de tratamento de biogás 47 é provida com a saída 48, conectada a um conduíte 49, através do qual o biogás (condicionado) pode ser transportado para a chama 22 (na Figura 1, através do conduíte 37, uma válvula e entrada 38) ou a

Petição 870190070552, de 24/07/2019, pág. 22/62 / 28 unidade 23 para recuperar energia de reação (na Figura 1, através do conduíte 36 e da entrada 35).

[0052] A(s) saída(s) para a fase gasosa (4, 8, 19) a partir da(s) unidade(s) para transferir o metano dissolvido (ar de combustão) para a fase gasosa é/são conectada(s) aos conduítes (17, 20, 21) através dos quais a fase gasosa pode ser transportada para a(s) unidade(s) de oxidação de metano. O modo no qual as conexões entre os conduítes são mostradas na Figura 1 é exemplar. Os conduítes podem ser providos com válvulas, como desejado, de maneira a regular o fluxo (exemplos preferidos são mostrados na Figura 1 e marcados como NNF).

[0053] A Figura 1 mostra uma modalidade em que, tanto a chama 22, quanto a unidade 23 para recuperação de energia de reação (formada pela oxidação de metano) estão presentes. Em um sistema, respectivamente, o método de acordo com a invenção é suficiente apesar de que um do mesmo está presente ou usado, respectivamente, para reduzir o gás de efeito estufa potencial. Se a energia deve ser recuperada, uma unidade 23 para recuperação de energia de reação estará presente. Uma chama 22 está, preferivelmente, presente como uma reserva, para converter metano em qualquer período em que a capacidade da unidade 23 pode ser insuficiente para converter todo o combustível de combustão.

[0054] Os conduítes (17, 20, 21) que compreendem metano recuperado (e tipicamente ar) podem levar diretamente à entrada 39 para a chama 22 (na Figura 1 através dos conduítes 24 e 39). Usualmente, uma válvula de contrapressão está presente de maneira a regular o fluxo para a chama 23, usualmente, esta válvula é fechada durante a operação normal. A chama pode vantajosamente ser equipada com um dispositivo, para servir como uma entrada para levar ar adicional (ar de reposição) para a chama, por exemplo, uma saia com fendas em torno da chama. Uma saia com fendas provê aberturas alongadas verticais em uma parte inferior na chama, através

Petição 870190070552, de 24/07/2019, pág. 23/62 / 28 das quais ar ambiente pode escoar para a chama.

[0055] Em uma modalidade tendo uma unidade 23 para recuperar energia de reação, o sistema pode ser provido com uma ventilação ou unidade de tratamento de gás de combustão 26 em que um ou mais componentes indesejados (por exemplo, sulfeto de hidrogênio) podem ser removidos a partir da fase gasosa que compreende metano (ar de combustão). Esta unidade é mostrada na Figura 1. Esta é uma unidade opcional na qual a presença em geral depende da composição da corrente residual e a composição esperada do ar de combustão e depende adicionalmente dos requisitos do fornecedor do equipamento das unidades de oxidação de metano. A pessoa versada na técnica será capaz de decidir sobre a inclusão desta unidade, com base em seu conhecimento geral comum e a informação provida na presente divulgação. Uma entrada 25 e uma saída 26 são providas. A saída 26 é conectada a um conduíte 28 para a fase gasosa tratada que compreende metano recuperado.

[0056] Se a utilização de biogás é empregada na unidade 23, então uma câmara de mistura 30 pode estar presente, em que a fase gasosa que compreende metano recuperado (ar de combustão) pode ser misturada com ar de reposição para prover uma quantidade suficiente de oxigênio para a combustão da corrente de biogás obtida como uma fase gasosa a partir do reator 1 (biogás que foi coletado através dos coletores 40). A câmara de mistura 30, por exemplo, um vaso de sucção de motor a gás na unidade 23 do caso é um motor a gás, é provido com uma entrada 29 para a fase gasosa que compreende metano (ar de combustão), uma entrada 31 para ar de reposição e uma saída 32 para a mistura de ar de combustão (que compreende metano) obtida na câmara de mistura 30. A saída 32 é conectada a um conduíte 33 para transportar a mistura de ar de combustão para a unidade 23 através da entrada 34.

CASO 2 [0057] A Figura 2 mostra esquematicamente uma modalidade em que

Petição 870190070552, de 24/07/2019, pág. 24/62 / 28 parte do metano recuperado que é recuperado no sistema de coleta de efluente e até a unidade 8 (alto conteúdo de metano) é combinado com o biogás coletado como um gás no reator 1. Aqui, pelo menos uma das saídas para a fase gasosa a partir do depósito de coleta 3 (saída 53) e a unidade opcionalmente presente 10 (saída 4), que nesta modalidade, preferivelmente, é um dispositivo de extração a vácuo, é conectada a um sistema de conduíte adaptado para transportar por último a fase gasosa que compreende o metano recuperado até a chama 22 ou a unidade 23 para recuperar energia de reação, chama 22 ou unidade 23 na qual a fase gasosa pode ser usada como combustível de combustão. A Figura 2 mostra um projeto vantajoso em que os conduítes 52 e 53 para a fase gasosa são providos, os quais levam a um compressor 54 a partir do qual um conduíte 55 se estende através do qual o gás pode ser introduzido no conduíte 41. O restante do conjunto na Figura 2 corresponde essencialmente ao conjunto da Figura 1. Se o topo do reator está fechado (coberto), então, preferivelmente, um sistema para tratamento de gás de ventilação é provido, em particular, se a fase gasosa recuperada que compreende metano deve ser usada como parte do combustível de combustão. Isto pode ser qualquer sistema comercialmente disponível, tal como um lavador químico ou unidades de oxidação, um biolavador, uma unidade de carbono ativado, etc.

[0058] Em princípio, é observado que pelo menos em algumas modalidades, a unidade 16 pode ser omitida, designadamente naquelas modalidades onde metano dissolvido suficiente é recuperado a partir do efluente líquido. No entanto, especialmente se o efluente líquido compreende um ou mais compostos de enxofre indesejados, um dispositivo de aeração está usualmente presente e o gás de saída do dispositivo de aeração pode ser provido com um sistema para introduzir o gás de saída na chama ou unidade 23, onde ele pode ser usado como ar de combustão. Em geral, contempla-se que, desta forma, a recuperação de metano é melhorada, já que a aeração é

Petição 870190070552, de 24/07/2019, pág. 25/62 / 28 considerada uma técnica altamente efetiva para remover metano a partir do efluente líquido. A fase gasosa que contém metano tomado a partir do dispositivo de aeração pode ser tratada, adicionalmente, em particular, ser seca e/ou sujeitada a uma etapa de remoção de H2S (se uma quantidade substancial de H2S está presente), antes do uso adicional sendo descartada. Em particular pode ser usada como ar de combustão, como discutido na Figura 1.

[0059] Canais de coleta adequados incluem tubos e calhas cobertas. Os canais de coleta 2 são, usualmente, estruturas fechadas. Tendo canais de coleta fechados o risco de uma perda substancial de metano para a atmosfera é reduzida. Assim, os conteúdos dos canais são essencialmente cercados pelas laterais a, por exemplo, como mostrado em ambos os canais cilíndricos representados na Figura 3, com a condição de que as aberturas e, f para introdução (efluente líquido e/ou fase gasosa) nos canais podem ser providas nas laterais (em uma ou mais delas). As aberturas e, f estão presentes além de uma saída para efluente líquido (e fase gasosa se presente nos canais) d, em geral presente em uma extremidade do canal. Estas aberturas, tipicamente, transbordam em um cabeçalho de efluente comum (tubo ou canal fechado, não mostrado nas Figuras 1, 2 e 3), que por sua vez transborda para o depósito de coleta 3. As aberturas podem ser perfurações ou entalhes (por exemplo, entalhes triangulares).

[0060] As aberturas e, f são em geral providas ao longo de pelo menos parte de uma parede a do canal (em particular, ao longo de pelo menos parte da parede definida pela superfície ao longo da linha de geração b do canal). A extremidade c do canal pode ser fechada ou prover uma entrada para fase gasosa, que está opcionalmente presente. Tal entrada dedicada (não mostrada na Figura 3) pode, em particular, ser provida com uma válvula de forma que o fluxo de gás através do canal pode ser regulado.

[0061] Em uma modalidade específica, a fase gasosa introduzida no

Petição 870190070552, de 24/07/2019, pág. 26/62 / 28 canal de coleta pode ser tomada a partir do espaço superior do reator anaeróbio (o espaço acima do nível de líquido no reator). Em particular, em uma modalidade em que o espaço superior é ventilado com ar, a fase gasosa no espaço superior pode ter um conteúdo de metano relativamente baixo, e assim a transferência do metano a partir do efluente líquido para a fase gasosa tende a ocorrer. A fase gasosa obtida desta forma (que compreende ar e metano) pode em particular ser usada como ar de combustão.

[0062] Durante o uso, os canais de coleta podem, em princípio, ser completamente cheios com efluente líquido. Preferivelmente, durante o uso os canais de coleta são (na média) apenas parcialmente cheios com efluente, em particular por até 75%, por exemplo, por 5 a 50%. Isto permite uma retirada de efluente equilibrada sobre o reator para uma eficiência de tratamento vantajosa. Como será entendido pelo perito, o efluente pode ser retirado continuamente ou intermitentemente. De maneira apropriada, o escoamento através dos canais de coleta pode de tempo em tempo ser zero, e assim os canais de coleta podem estar vazios de tempo em tempo.

[0063] Ainda, através do contato do efluente líquido nos canais de coleta (ou em outro lugar em um sistema ou método da invenção) com uma fase gasosa que está livre de metano ou possui um conteúdo de metano relativamente baixo, é possível transferir metano dissolvido a partir da fase líquida no canal de coleta.

[0064] Os canais de coleta são usualmente posicionados tal que as aberturas para o efluente líquido estão abaixo do nível de líquido no reator, pelo menos para parte da duração da operação do reator anaeróbio. Em particular no caso de um reator UASB, se um tubo submerso é usado, os canais de coleta são posicionados vantajosamente próximos da superfície da fase líquida no reator, em particular 0 a 100 mm, ou mais em particular 0 a 80 mm abaixo da dita superfície. No caso de um canal de coleta equipado com um vertedouro de transbordamento entalhada em V o nível de líquido

Petição 870190070552, de 24/07/2019, pág. 27/62 / 28 tipicamente varia entre 0 e 50 mm acima da base da vertedouro de transbordamento.

[0065] O diâmetro dos canais de coleta, em particular dos tubos de coleta de efluente pode ser escolhido dentro de várias faixas, por exemplo, na faixa de 150 a 300 mm.

[0066] As aberturas possuem dimensões adequadas para introduzir o líquido nos canais. Em particular estas aberturas podem ter um diâmetro na faixa de 15 a 40 mm.

[0067] A taxa de escoamento de líquido através das aberturas nos canais de coleta pode variar adequadamente em uma grande faixa. Normalmente, a velocidade varia entre 0 e 1,5 m/s. Preferivelmente, a velocidade média durante o uso está entre 0,2 e 1,25 m/s, em particular entre 0,4 e 1,0 m/s, mais em particular entre 0,5 e 0,7 m/s.

[0068] Em uma modalidade, em que é indesejado introduzir uma quantidade substancial de gás (ar) a partir do espaço superior do reator anaeróbio 1 para o coletor 2, o coletor pode vantajosamente ser adaptado com meios para evitar ou pelo menos reduzir a introdução de gás nos canais.

[0069] De maneira a alcançar isto, o coletor pode ser provido com uma trava de água, por exemplo, como mostrado esquematicamente na Figura 5. A trava de água pode ser uma cobertura 59 sobre o canal de coleta 2, com as laterais se estendendo abaixo do nível de líquido mínimo durante o uso do reator 1 e abaixo das aberturas e, f nos canais de coleta 2. A figura do lado esquerdo mostra uma situação em que nenhum efluente é retirado. Na ausência da cobertura 59, gás poderia escoar para o canal 2, no entanto a presença da cobertura evita um escoamento de gás substancial para o canal 2. A figura do lado direito mostra a situação durante a operação normal de uso em que líquido escoa para o canal 2.

[0070] Outro modo de evitar a introdução indesejada de gás é mostrado na Figura 6, é para prover o coletor 2 com meios para adaptar o

Petição 870190070552, de 24/07/2019, pág. 28/62 / 28 nível das aberturas nos coletores com alteração o nível de líquido no reator anaeróbio 1, por exemplo, com o flutuador 60. A saída para líquido a partir do coletor 2 é um canal flexível 61 através do qual o efluente escoa para o canal de efluente 62. A partir daí, ele usualmente escoa para o depósito de coleta. Na figura de lado esquerdo, que representa a operação normal, o nível de líquido no coletor 2 está acima do nível de líquido de transbordamento 63 do canal de efluente 62, enquanto que efluente será retirado do reator 1. Na figura de lado direito o nível de líquido no reator 1 é diminuído tanto que o nível de líquido no coletor 2 está na mesma altura que o nível de transbordamento 63 nos canais de efluente 62, enquanto que nenhum efluente é retirado do reator 1.

[0071 ] Como ilustrado nas Figuras 1 e 2, o sistema da invenção pode ser provido com um depósito de coleta 3. Tal reservatório é vantajosamente provido com uma saída 4 para a fase gasosa (fase gasosa a qual pode ser referida como um gás de ventilação de reator anaeróbio), em adição a uma saída 5 para efluente líquido. Assim, no depósito de coleta a fase gasosa pode ser separada do efluente, se em um método da invenção o efluente líquido é coletado a partir do reator anaeróbio 1 junto com uma fase gasosa.

[0072] O efluente líquido é introduzido no depósito de coleta 3 a partir dos coletores 2, através da entrada 57 (ver, por exemplo, a Figura 1). Um conduíte intermediário (tal como o canal de efluente 62, como mostrado na Figura 6) pode estar presente entre os coletores e a entrada 57. Vantajosamente, o efluente líquido é introduzido no reservatório 3 acima do nível de líquido, que permite uma queda livre do líquido introduzido. Isto aumenta o contato com a fase gasosa e assim a transferência de metano.

[0073] O depósito de coleta 3 é opcionalmente provido com um dispositivo para melhorar a liberação de metano dissolvido na fase gasosa. Tais dispositivos incluem em particular dispositivos para causar turbulências na fase líquida no depósito de coleta, por exemplo, uma série de cascatas, ou

Petição 870190070552, de 24/07/2019, pág. 29/62 / 28 várias malhas de vertedouro. A fase gasosa pode ser retirada do depósito de coleta com um compressor, ou ventilador de gás, ou semelhantes (em particular, no caso descrito acima 1, mostrado como o item 56 na Figura 1). Se desejado, o depósito de coleta é provido com um sistema de ventilação para introduzir ar no sistema de coleta. Desta forma a transferência de metano a partir do efluente líquido para a fase gasosa é em geral melhorada. Em particular se o espaço superior acima do reator anaeróbio é ventilado com ar, gás pode ser tomado a partir do espaço superior para ser contatado com o efluente líquido.

[0074] Alternativamente, em particular, em uma modalidade referida como acima como Caso 2, ou ilustrada pela Figura 2, a transferência de metano a partir do efluente líquido para a fase gasosa pode ser melhorada através da operação do depósito de coleta sob condições de pressão subatmosféricas (que empregam a extração a vácuo). Nesta modalidade, a fase gasosa obtida pode em particular ser adequada como combustível de combustão.

[0075] Dependendo da concentração de metano e oxigênio na fase gasosa, a fase gasosa pode ser usada como ar de combustão ou como combustível de combustão (com o biogás coletado como uma fase gasosa no reator 1). Se desejado, o sistema pode ser provido com um sensor para monitorar metano, e se desejado oxigênio, e uma válvula que permite a comutação do fluxo de gás entre a corrente a ser usada para o combustível de combustão (por exemplo, através dos conduítes 53, 55, 41, etc., como mostrado na Figura 2) e a corrente a ser usada para ar de combustão (por exemplo, através dos conduítes 6, 20, etc., como mostrado na Figura 1).

[0076] Como ilustrado nas Figuras 1 e 2, um ou mais dispositivos de recuperação de gás metano podem ser providos (no conduíte entre 1 e opcionalmente 16), tal como um dispositivo de extração de metano. Um dispositivo de extração preferido é mostrado esquematicamente na Figura 4.

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Tal dispositivo é conhecido como um desgaseificador a vácuo.

[0077] Modos adequados de operar tal dispositivo podem, por exemplo, ter base em Handleiding voor het gebruik van water in de Industrie, 1971, Vereniging krachtwerktuigen, Kluwer, ISBN 90 201 059 30, sectie 6.9 uitdrijven van gassen, pp 429 - 450 (em holandês).

[0078] Outras tecnologias que podem ser usadas incluem extratores venturi (por exemplo, como descrito em GB 2381 761 A), ou membranas de desgaseificação. Membranas de desgaseificação estão comercialmente disponíveis, por exemplo, em Liqui-Cell: (http://www.hquicel.com/applications/other-gas-transfer.cfm).

[0079] O efluente líquido que deixa a unidade de recuperação de gás metano final, pode ser sujeitado a uma etapa de tratamento posterior ou levado até a disposição final. Um método de acordo com a invenção é em geral realizado sem qualquer reciclo substancial do efluente líquido desgaseificado no reator em que a degradação anaeróbia é realizada, apesar de em princípio ser possível reciclar uma parte do efluente desgaseificado, por exemplo, 50% ou menos o volume ou menos, em particular menos de 10% do volume ou menos. A realização de um método de acordo com a invenção sem reciclar, ou apenas reciclando uma parte menor do volume de efluente desgaseificado, é vantajosa já que o fluxo sujeitado a remoção de metano é aumentado com o aumento do reciclo. O fluxo aumentado em geral significa que mais equipamentos, ou equipamento maiores são necessários. Ainda, ele adiciona complexidade ao processo.

[0080] Preferivelmente, o sistema da invenção é provido com um reator para tratamento posterior do efluente anaeróbio ajustado com um dispositivo de aeração. O dispositivo de aeração é vantajosamente usado, não apenas para recuperar metano dissolvido, mas também para oxidar um ou mais compostos de enxofre (compostos de enxofre orgânico, H2S). O dispositivo de aeração e as condições de operação podem ser escolhidos com

Petição 870190070552, de 24/07/2019, pág. 31/62 / 28 base na tecnologia conhecida em si, por exemplo, descrita em Metcalf and Eddy, “Wastewater Engineering - Treatment and Reuse” 2003, McCraw Hill publishing , seções 5 a 12 Aeration systems pp 430 -456.

[0081] A fase gasosa obtida sujeitando o efluente líquido à aeração, pode, em particular, ser usada como ar de combustão para queimar biogás coletado (como uma fase gasosa) a partir do processo de degradação anaeróbia.

[0082] Em uma modalidade em que o sistema de reação da invenção é projetado para ter uma fase gasosa que compreende ar e metano a ser usada como ar de combustão para uma unidade para queimar biogás, em particular, uma unidade em que o calor de reação liberado pela combustão é utilizado para geração de calor ou energia, o sistema é, preferivelmente, provido com um tanque de entrada de ar de combustão, o dito tanque compreendendo, adicionalmente, uma entrada para ar (ambiente), entrada através da qual ar (ambiente) pode ser introduzido no tanque de entrada de ar de combustão em momentos em que existe ar de combustão insuficiente provido pela fase gasosa que compreende ar e metano para queimar todo o biogás que deve ser usado para a produção de energia. Ar introduzido através da entrada também pode ser referido como ar de reposição. O tanque compreende, adicionalmente, uma saída para queimar ar através da saída a qual o ar de combustão pode ser direcionado para uma unidade de combustão em que o biogás deve ser queimado, desta forma, produzindo energia.

[0083] Em uma modalidade em que a fase gasosa que compreende ar e metano deve ser usada como ar de combustão em uma chama em que o biogás deve ser deflagrado, a chama é preferivelmente provida com uma entrada para ar adicional (ar de reposição, item 58 na Figura 1 e na Figura 2), deve ser introduzido na chama em momentos onde ar insuficiente é provido através da fase gasosa que compreende ar e metano de maneira a garantir a combustão completa do biogás. Tal chama compreende um queimador

Petição 870190070552, de 24/07/2019, pág. 32/62 / 28 posicionado dentro de um confinado (chama fechada), confinado o qual pode, basicamente, ser um tubo. Permite-se que o ar é entre livremente a partir das aberturas em fenda em uma extremidade inferior da cápsula, o suficiente para deixar entrar a quantidade necessária de ar se não existe fornecimento suficiente de ar de combustão.

[0084] Em uma modalidade vantajosa, um dispositivo de extração a vácuo é provido para recuperação de metano. Neste dispositivo o efluente pode ser sujeitado à extração a vácuo, enquanto que o metano é do efluente para a fase gasosa. A extração a vácuo é particularmente adequada para obter uma fase gasosa com um alto teor de metano, usualmente acima do limite de explosão inferior, em particular, acima do limite de explosão superior, mais em particular, um teor de metano na faixa de 15 a 80% em volume. Assim, tal técnica é, em particular, adequada para prover uma fase gasosa que pode ser usada como combustível de combustão. A extração a vácuo compreende sujeitar o efluente líquido a uma pressão subatmosférica, usualmente uma pressão de 0,8 bar ou menos, em particular, uma pressão de 0,5 bar ou menos. Por razões práticas, a pressão subatmosférica pode em particular ser 0,1 bar ou mais, ou 0,25 bar ou mais, especialmente em uma modalidade que compreende (o uso de) um reator UASB.

[0085] Preferivelmente, o efluente líquido a partir da etapa de extração a vácuo é sujeitado à aeração, para recuperação adicional do metano dissolvido no efluente líquido a partir da etapa de extração a vácuo.

[0086] Em uma modalidade vantajosa o sistema de reator (usado) de acordo com a invenção possui um conduíte entre a entrada para biogás produzido no reator anaeróbio e a unidade para produzir energia a partir do metano, conduíte o qual compreende um medidor de fluxo de gás e opcionalmente um sensor de metano. Tal sensor ou medidor de escoamento pode, por exemplo, ser provido em qualquer um dos conduítes 41, 45 e 49, como mostrado nas Figuras 1 e 2) para o transporte de biogás a partir do

Petição 870190070552, de 24/07/2019, pág. 33/62 / 28 reator anaeróbio (1) para uma chama (22) ou unidade para a recuperação de energia (23).

[0087] A presença de tal medidor de fluxo, e, opcionalmente, de sensor de metano, é em particular vantajosa para uma regulação melhorada da taxa de fluxo de ar de combustão para a unidade para a produção de energia.

[0088] Com base na taxa de fluxo, um requisito de oxigênio (ar) estimado para a combustão do biogás pode ser determinado, e a taxa de fluxo do ar de combustão pode ser regulada de maneira apropriada. A presença de um medidor de taxa de fluxo no conduíte para o transporte do biogás levando do reator anaeróbio (41) é vantajosa, já que permite a resposta direta para a taxa de produção de metano no reator anaeróbio. Um medidor de fluxo em um conduíte para o transporte de biogás mais a jusante do mesmo (um conduíte 45 que leva a partir do vaso de armazenamento de biogás 44 ou um conduíte 49 a partir da unidade de tratamento de biogás) é vantajoso, já que ele mede a taxa de fluxo real em direção à chama 22 e/ou à unidade de recuperação de energia 23, provendo, desta forma, dados mais instantâneos para regular a taxa de fluxo de ar de combustão.

[0089] Em particular quando se opera sob as condições de estado estacionário, a composição do biogás é relativamente estável. Assim, uma determinação suficientemente precisa da taxa de fluxo de ar de combustão requisitada pode usualmente ser feita sem precisar monitorar a concentração de metano no biogás. Em uma modalidade vantajosa, um ou mais dos conduítes (providos com um medidor de fluxo) compreende um sensor de metano, que permite uma precisão aumentada na determinação da taxa de fluxo de ar de combustão requisitada, como em tal modalidade flutuações na concentração de metano podem ser levadas em conta.

[0090] Adicionalmente, o sistema de reator (usado) de acordo com a invenção pode compreender um conduíte para transportar a fase gasosa a partir da unidade de recuperação de gás metano para a unidade para a

Petição 870190070552, de 24/07/2019, pág. 34/62 / 28 produção de energia a partir de metano conduíte o qual compreende um medidor de fluxo de gás e opcionalmente um sensor de metano.

[0091] No caso de (parte do) o ar de combustão compreender metano (recuperado a partir do efluente líquido), a concentração do metano no ar de combustão também pode ser levada em conta, quando se determina a taxa de fluxo de ar de combustão requisitada. O medidor de taxa de fluxo pode, desta forma, ser provido em um conduíte para transportar a fase gasosa que compreende metano recuperado a partir de qualquer unidade de recuperação de metano. Sob condições de estado estacionário, a concentração de metano é relativamente estável, mas - se desejado - um sensor de metano também pode ser provido, flutuações desta forma na concentração de metano podem ser levadas em conta. Uma vantagem adicional de um sensor de metano em um conduíte para transportar a fase gasosa que compreende metano recuperado a partir de qualquer unidade de recuperação de metano que compreende metano recuperado a partir de qualquer unidade de recuperação de metano é relatada para segurança. Tal sensor pode ser usado para monitorar se a concentração de metano em qualquer ponto no tempo alcança um valor entre o limite de explosão inferior e superior, e assim mede pode ser tomado para trazer a concentração de metano fora desta faixa, evitando desta forma um perigo de explosão potencial. Também é possível prover um sensor de oxigênio para este propósito.

[0092] A seguir, o uso de medidores de fluxo em um método em que a taxa de fluxo de ar de combustão é regulada é exemplificado com referência aos Casos 1 e 2 mencionados acima e as Figuras 1 e 2.

CASO 1 (uso do gás de ventilação extraído e gás de saída de pré-aeração como ar de combustão) [0093] Um medidor de fluxo pode ser provido em pelo menos um dos conduítes 41, 45 e 49. Com base na taxa de fluxo de ar de biogás para o dispositivo para produzir energia (um dispositivo de combustão como uma

Petição 870190070552, de 24/07/2019, pág. 35/62 / 28 chama, motor a gás, etc.), um requisito de oxigênio (e ar) estimado para combustão é calculado.

[0094] Certo valor multiplicador (> 1,0) (ajustável pelo supervisor de operações) pode ser adicionado para compensar a demanda de oxigênio adicional que resulta da presença de metano no ar de combustão e para o conteúdo de oxigênio reduzido (comparado a ar). Isto se refere tanto ao ar de combustão a partir do sistema de coleta de efluente 3, quanto o gás de saída da unidade de pré-aeração (16).

[0095] A taxa de fluxo de ar para a unidade de pré-aeração também é medida (no conduíte a partir de 64 para 16). Com base na demanda de oxigênio (ar) calculado e o fornecimento para a unidade 16, a diferença serve como um ponto de ajuste para o fluxo de extração de gás de ventilação (21 + 17). Se não existe fluxo de corrente de resíduo para o sistema de reator (e assim nenhuma produção de biogás), a ventilação normalmente é continuada em taxa relativamente baixa, comparada a períodos onde existe um fluxo de corrente de resíduo. Após o tratamento em uma unidade de tratamento de gás de ventilação, o gás de ventilação tratado é então usualmente descarregado para a atmosfera.

CASO 2 (uso de gás de ventilação extraído como biogás (combustível de combustão) e uso de gás de saída de pré-aeração como ar de combustão) [0096] Comparado ao Caso 1, a quantidade de fase gasosa obtida em uma unidade de recuperação de metano que deve ser usada como ar de combustão é em geral muito menor. Se uma configuração como mostrada na Figura 2 é usada, então idealmente apenas o gás de saída a partir da unidade 16 é usado como ar de combustão. A operação desta unidade usualmente não é dependente da taxa de combustão de metano real, como esta unidade também é usualmente usada para a oxidação de sulfeto, que normalmente prossegue através do uso do método. Em momentos onde não há combustão

Petição 870190070552, de 24/07/2019, pág. 36/62 / 28 de metano, o gás de saída pode ser tratado em uma unidade de gás de ventilação apenas e descarregado para a atmosfera.

[0097] Em momentos onde o fluxo de corrente residual para o reator é interrompido ou se torna muito curto, o nível de líquido no reator irá diminuir e ar pode entrar no sistema de coleta de efluente, por exemplo, através das entradas e, f na Figura 3. A entrada de ar na linha de biogás é indesejada já que ela pode resultar na formação de uma mistura explosiva entre metano e oxigênio. Portanto, prefere-se que tanto as provisões sejam tomadas para evitar tal entrada de ar para o sistema de coleta de efluente (por exemplo, como mostrado nas Figuras 5 e 6), quanto se as provisões acima (Figuras 5 e 6) não forem instaladas, que, em baixo, ou nenhum fluxo, de extração do gás de ventilação a partir do conduíte 4 e a injeção no conduíte de biogás 41 seja interrompido ou, alternativamente, seja direcionado para tratamento de gás de ventilação e, então, descarregado para a atmosfera.

[0098] Tal provisão pode ser tomada em um nível central (isto é, abaixo de certo de ponto de ajuste de taxa de fluxo) ou em um nível reator (por exemplo, que utiliza uma comutação de nível simples (como a válvula de flutuação ou torneira esférica usada em reservatórios de descarga de banheiro) que interrompe a extração de gás de ventilação em certo nível mínimo. Como uma medida de segurança, tanto sensores de metano, quanto sensores de oxigênio podem ser instalados no conduíte 53, 55 ou 41 que serão disparados em certo ponto de ajuste e interrompe a injeção do gás de ventilação para o conduíte de biogás 41.

[0099] A unidade de recuperação de metano 8 também pode continuar quando o fluxo de corrente residual para o reator é interrompido ou se tornar muito baixo, já que travas de água são usualmente providas que evitam a entrada de ar nesta unidade.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema de reator para preparar biogás através de degradação anaeróbia de uma ou mais substâncias orgânicas, que compreende um reator (1), o qual é provido com um sistema de coleta de biogás e uma saída para biogás (40) produzido no reator, com meio de retirada de efluente para retirar efluente do reator (1), e com uma unidade de recuperação de gás metano (8/16) para recuperar gás metano a partir do efluente, a unidade de recuperação de gás metano compreendendo uma entrada (7/11) para o efluente, entrada (7/11) que está em comunicação fluida com o meio de retirada de efluente, a unidade de recuperação de gás metano compreendendo, adicionalmente, uma saída (10/19) para uma fase gasosa que compreende metano e uma saída (9/18) para um efluente, caracterizada pelo fato de que os meios de retiradas de efluente são meios de retirada para um efluente líquido, em que os meios de retiradas de efluente compreendem canais (2) de coleta, os canais (2) tendo aberturas (e,f) para introdução do efluente líquido nos canais (2) de coleta, e uma saída (d) para o efluente líquido, essa saída estando em comunicação fluida com a unidade de recuperação de metano, os canais (2) de coleta compreendendo uma entrada para a fase gasosa, essa entrada podendo ser uma ou mais aberturas para fluente líquido (e,f) ou uma entrada (c) separada, em que o sistema de reator possui um conduíte entre a entrada para o biogás produzido no reator e a unidade para produzir energia a partir do metano, em que o conduíte compreende um medidor de fluxo de gás, e em que o sistema de reator compreende um conduíte para o transporte da fase gasosa da unidade de recuperação de gás metano para a unidade para produzir energia a partir de metano, dito conduíte compreendendo um medidor de fluxo de gás.
2. Sistema de reator de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a saída (10/19) para uma fase gasosa da unidade de recuperação de gás metano e a saída de gás (40) para biogás são

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2 / 4 adaptadas para estarem em comunicação fluida com uma unidade (23) para produzir energia a partir de metano.
3. Sistema de reator de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que um conduíte (41) é provido entre a saída para biogás produzido no reator (1) anaeróbio e a unidade (23) para produzir energia a partir de metano, o qual compreende um medidor de fluxo de gás e, opcionalmente, um sensor de metano.
4. Sistema de reator de acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que um conduíte (52/20) para o transporte da fase gasosa está presente entre a unidade de recuperação de gás metano (8/16) e a unidade (23) para produzir energia a partir de metano, o qual compreende um medidor de fluxo de gás e, opcionalmente, um sensor de metano.
5. Sistema de reator de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a unidade de recuperação de gás metano (8/16) compreende um dispositivo selecionado a partir do grupo de dispositivos de aeração, dispositivos de extração de gás e dispositivos de extração a vácuo de gás.
6. Sistema de reator de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o reator é selecionado a partir do grupo de reatores de manta de sedimentos anaeróbios de fluxo ascendente (UASB), reatores de manta de sedimentos granulares expandidos (EGSB), reator de circulação interna (IC), reatores de leito fluidizado, biorreatores de membrana anaeróbia (MBR), processo de contato, digestores completamente misturados, reatores anaeróbicos compartimentados, e filtros anaeróbios.
7. Sistema de reator de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o reator é um reator UASB.
8. Método para recuperar metano a partir de um efluente de um reator (1), em que uma corrente residual que compreende uma ou mais

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3 / 4 substâncias orgânicas foi sujeitada a um processo de degradação anaeróbia no qual biogás de reator (1), que compreende metano, foi produzido a partir das ditas uma ou mais substâncias orgânicas, o efluente compreendendo metano dissolvido, o método compreendendo transferir o metano dissolvido a partir do efluente para uma fase gasosa e usando o metano para produzir energia;

caracterizado pelo fato de que o efluente do reator (1) é um efluente líquido e é passado através de um canal (2) de coleta, o canal (2) de coleta compreendendo o efluente líquido e uma fase gasosa, cuja fase gasosa compreende ar, o canal tendo aberturas (e,f) através das quais o efluente líquido é introduzido no canal (2) de coleta e contatado com a fase gasosa, canal de coleta em que o metano é transferido do efluente para a fase gasosa, e em que a fase gasosa que compreende ar e metano é usada como ar de combustão para queimar o biogás obtido a partir do processo de degradação anaeróbia, sendo o método realizado usando um sistema de reator como definido em qualquer uma das reivindicações 1-7.
9. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a fase gasosa e o efluente, os quais passaram através do canal (2) de coleta, são introduzidos em um depósito (3) de coleta, no qual a fase gasosa é separada do efluente.
10. Método de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizado pelo fato de que o efluente é introduzido em um dispositivo (8/16) de extração de gás, em que o metano é extraído do efluente, por meio do qual o metano é transferido a partir do efluente líquido para a fase gasosa.
11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 10, caracterizado pelo fato de que a transferência compreende sujeitar o efluente líquido à aeração, formando, desta forma, uma fase gasosa que compreende ar e metano.
12. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 11, caracterizado pelo fato de que a fase gasosa compreendendo ar e metano

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4 / 4 que deve ser usada como ar de combustão é introduzida em um tanque de entrada de ar de combustão (30), o dito tanque (30) compreendendo, adicionalmente, uma entrada (31) para ar ambiente, entrada (31) através da qual ar ambiente é introduzido no tanque de entrada de ar de combustão (30) quando existe ar de combustão insuficiente provido pela fase gasosa que compreende ar, e metano para queimar todo o biogás que deve ser usado para a produção de energia, o tanque (30) compreendendo, adicionalmente, uma saída (32) para ar de combustão, saída através da qual o ar de combustão é direcionado para uma unidade de combustão (23) em que o biogás é queimado, produzindo, desta forma, energia.
13. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 12, caracterizado pelo fato de que o efluente é sujeitado à extração a vácuo, por meio da qual o metano é transferido do efluente para a fase gasosa.
14. Método de acordo com a reivindicação 12 ou 13, caracterizado pelo fato de que a fase gasosa que compreende o metano transferido é combinada com o biogás que foi coletado como uma fase gasosa a partir do reator e então usada para recuperação de energia ou queimada.
15. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 14, caracterizado pelo fato de que o reator é selecionado a partir do grupo de reatores de manta de sedimentos anaeróbios de fluxo ascendente (UASB), reatores de manta de sedimentos granulares expandidos (EGSB), reator de circulação interna (IC), reatores de leito fluidizado, biorreatores de membrana anaeróbia (MBR), processo de contato, digestores completamente misturados, reatores anaeróbicos compartimentados, e filtros anaeróbios.
16. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 15, caracterizado pelo fato de que o conteúdo de água no efluente líquido é de pelo menos 90% em peso.