BR112015011576B1

BR112015011576B1 - Processo de tratamento de agua residual

Info

Publication number: BR112015011576B1
Application number: BR112015011576-4A
Authority: BR
Inventors: Suing Wang; Jeffrey Gerard Peeters; Lei Wang; Nicholas William H. Adams; Wajahat Hussain Syed; Ying Zhou
Original assignee: BL Technologies, Inc
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2020-11-24
Also published as: EP2928835A1; CA2893450A1; CN104903257B; US10486992B2; CA2893450C; DK2928835T3; RU2015120416A; ZA201504472B; EP2928835A4; AU2012396049B2; CN104903257A; KR20150092305A; RU2612272C2; EP2928835B1; AU2012396049A1; US20150329394A1; ES2762737T3; WO2014086033A1

Abstract

PROCESSOS E BIORREATOR DE MEMBRANA. A presente invenção refere-se ao tratamento de água servida e a biorreatores de membrana. O processo de tratamento compreende as etapas de proporcionar um biorreator de membrana (40) que tem membranas (10) que compreendem um filme (14) em uma estrutura de suporte (12); e manter uma concentração de partículas absorventes de pelo menos 200 mg/l no biorreator de membrana (40), em que as partículas entram em contato com as membranas (10).

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se ao tratamento de água servida e a biorreatores de membrana.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] A discussão a seguir não é uma admissão de que as informações descritas abaixo são um conhecimento geral comum entre os técnicos no assunto.

[003] O carbono ativado em pó (PAC) tem sido usado em combinação com membranas imersas para tratamento de água potável. Por exemplo, na estação de água potável de Sioux Lookout, em Ontário, Canadá, o PAC e um coagulante são misturados com água de alimentação. A água de alimentação é agitada em uma câmara de floculação para produzir floco na água de alimentação. A água de alimentação é, então, filtrada através de uma membrana imersa. A taxa de dosagem do PAC em um sistema de filtração de água é de cerca de 25 a 50 mg/l.

[004] As preocupações com o uso do PAC em sistemas de membrana incluem dano de abrasão e de incrustação irreversível para as membranas. O mecanismo de incrustação irreversível não é completamente conhecido. Uma tese de Isabel Londono, Assessment of Causes of Irreversible Fouling in Powdered Activated Carbon/Ultrafiltration Membrane (PAC/UF) Systems (The University of British Columbia, 2011), sugere que a incrustação pode ser um resultado do PAC fazendo com que outros contaminantes na água sejam absorvidos pelas membranas. A abrasão do PAC é expressa por seu Número de Ouro (GN). Os guias de seleção de PAC para filtração de água em membrana recomendam usar marcas de PAC com um GN baixo, que significa que os mesmos são menos abrasivos.

[005] Um biorreator de membrana (MBR) também usamembranas imersas, mas as condições de operação são diferentes das condições para filtração de água. Por exemplo, o teor de sólidos de licor mistos em um MBR é muito mais alto do que na água potável e não há etapa de floculação. Como resultado, as membranas imersas são esfregadas com ar mais intensamente em uma MBR. A concentração de carbono ativado que seria exigida também é muito mais alta, por exemplo, 200 mg/l ou mais. Consequentemente, a possibilidade de o PAC incrustar ou abrasar as membranas seria muito mais alta em um MBR do que por filtração de água.

[006] A Publicação Internacional n2 WO 2009/085252, Suspended Media Granular Activated Carbon Membrane Biological Reactor System and Process, relatou que tentar usar carbono ativado em pó em um MBR causou abrasão significativa às membranas e incrustação não reversível. Uma apresentação, pelo inventor (William G. Conner, Oily Wastewater Reuse Technologies, 2011), relatou que a abrasão causou uma redução de até 40% na estimativa de vida útil das membranas. Similarmente, a Publicação n2 U.S. 201202555903 declara que tentar adicionar PAC a um MBR aumentaria a concentração de lodo, a obstrução dos poros e o desgaste da membrana.

[007] Para evitar a abrasão, o documento neW0 2009/085252 descreve um MBR em que partículas maiores de carbono ativado em grãos (GAC) são usadas. As partículas de GAC são de um tamanho que pode ser triado a partir do licor misto, antes de o licor misto entrar no sistema de operação de membrana. Dessa forma, as partículas são impedidas de entrar em contato com as membranas.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[008] Um biorreator de membrana (MBR) é descrito neste relatório descritivo.O MBR tem membranas com uma estrutura de suporte. As membranas podem ser, por exemplo, membranas acionadas por sucção imersas de fibra oca com um tamanho de poro menor do que 0,1 micron. Umaunidade de suprimento dosa partículas de um absorvente, por exemplo, carbono ativado em pó (PAC), no MBR.O MBR é configurado de modo que se permita que as partículas entrem em contato com as membranas diretamente.

[009] Em um processo descrito neste relatório descritivo, um absorvente, tal como PAC, é dosado em um MBR. O absorvente é mantido em uma concentração no licor misto de 200 mg/l ou mais. O licor misto recircula através do MBR a uma taxa de fluxo de pelo menos duas vezes a taxa de fluxo de alimentação (2Q). O permeado é retirado através de membranas imersas que compreendem uma estrutura de suporte. As membranas são operadas em um ciclo de filtração que tem etapas de retirada de permeado por sucção e etapas de retrolavagem ou de relaxamento. As bolhas de ar são proporcionadas para esfregar as membranas, inclusive durante pelo menos parte da etapa de penetração. As partículas absorventes estão presentes no licor misto e entram em contato com as membranas.

[010] Em outro processo, um biorreator é configurado para ter capacidade para reter um carreador.Um ou mais produtos de bioaumentação são adicionados ao reator. Os um ou mais produtos de bioaumentação são preferencialmente triados quanto a sua capacidade para aumentar a remoção de COD recalcitrante. Os um ou mais produtos de bioaumentação são preferencialmente imobilizados no carreador, antes de o carreador ser adicionado ao reator. O carreador pode ser PAC e o reator pode ser um MBR.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[011] A Figura 1 é um corte transversal da membrana de fibra oca.

[012] A Figura 2 é um diagrama de fluxo de processo de um biorreator de membrana (MBR).

[013] A Figura 3 é um gráfico que mostra a remoção de demanda química de oxigênio (COD) no teste em laboratório de um MBR com carbono ativado em pó (PAC).

[014] A Figura 4 é um gráfico que mostra uma comparação de taxa específica de consumo de oxigênio (SOUR) entre um MBR com PAC e um MBR de controle.

[015] A Figura 5 é um gráfico que mostra a remoção de COD em um MBR de controle, em um MBR com PAC e em um MBR com PAC com bioaumentação.

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[016] A Figura 1 mostra um corte transversal de uma membrana de fibra oca 10.A membrana 10 tem um suporte tubular 12 e um filme de membrana 14 que circunda o suporte 12. O filme de membrana 14 pode penetrar em alguma extensão no suporte tubular 12, mas preferencialmente não penetra através de mais do que a metade da espessura do suporte 12. O filme de membrana 14 tem uma película 16 em sua superfície externa que define o tamanho de poro do filme 14. O tamanho médio ou nominal do poro da membrana 10 é preferencialmente menor do que 0,1 micron, ou menor do que 0,05 micron, ou 0,04 micron ou menor. A película 16 é tipicamente formada integralmente com o filme 14, mas alternativamente pode ser aplicada como uma camada separada. Alternativamente, uma membrana de folha lisa que se molda em uma camada de suporte pode ser usada.

[017] O suporte 12 pode ser produzido, por exemplo, de filamentos entrelaçados, tais como náilon ou poliéster. Opcionalmente, um suporte 12 pode ser outra forma de suporte têxtil, por exemplo, um tecido ou tubo de malha ou não tecido, ou uma membrana de microfiltração solta.Os espaços vazios no suporte 12 são criados entre filamentos ou por poros no suporte 12. Esses espaços vazios podem ter um tamanho na faixa de cerca de 10 a 100 microns. Os espaços vazios menores teriam aumentado a resistência para a filtração através da membrana. Entretanto, os espaços vazios maiores permitiriam que o filme de membrana 14 penetrasse profundamente nosespaços vazios e não proporcionariam também tanta capacidade de filtração, no caso de perda de parte do filme 14.

[018] A membrana 10 pode ser produzida moldando-se um aditivo formador de membrana no suporte 12, conforme o suporte passa através de um bocal de revestimento. O aditivo e o suporte 12 saem do bocal e entram em um banho de coagulação para formar o filme 14 e, opcionalmente, a película 16. O filme 14 é tipicamente polimérico e pode ser produzido, por exemplo, na maioria das vezes, a partir de difluoreto de polivinilideno (PVDF). As membranas adequadas são descritas nas Patentes n25 U.S. 5.472.607, 6.354.444, 7.267.872 e 7.306.105; e na Publicação Internacional n2 WO 2010/062454, as quais são incorporadas por referência. Dessas, as membranas descritas na Patente n2 U.S. 6.354.444 e na Publicação Internacional n2 WO 2010/062454, e as membranas ZeeWeed™ vendidas por GE Water and Process Technologies, são preferenciais.

[019] A Figura 2 mostra um biorreator de membrana (MBR) 40.O MBR 40 tem uma tela 42, um tanque anóxico 44, um tanque aeróbico 46 e um tanque de membrana 48. A água servida afluente 50 atravessa a tela 42 para remover lixo, fibras, e outros itens grandes que podem, de outro modo, danificar as membranas. O efluente de tela 52 é tratado biologicamente no tanque anóxico 44 e no tanque aeróbico 46. O licor misto 54 é enviado do tanque aeróbico 46 para o tanque de membrana 48. As membranas imersas no tanque de membrana 48 removem o permeado filtrado 56 do licor misto 54. Uma porção do licor misto concentrado restante deixa o MBR como lodo ativado de resíduo 58. Outra porção do licor misto concentrado restante retorna ao tanque anóxico 44 como lodo ativado de retorno 64.

[020] O MBR 40 é meramente um exemplo de um MBR.A tela 42 é opcional, embora seja preferencial ter uma tela 42. Em outros MBRs, uma tela 42 pode ser proporcionada, por exemplo, em ou diretamente a montantedo tanque de membrana 48 ou em uma alça de corrente lateral. O tanque anóxico 44 e o tanque aeróbico 46 produzem uma seção de processo biológico do MBR 40 e podem ser referidos coletivamente ramo tanques de processo. Outros MBRs podem ter mais ou menos tanques de processo ou podem combinar processos múltiplos em um único tanque.Opcionalmente, o tanque de membrana 48 pode ser omitido e as membranas podem ser imersas diretamente em um tanque de processo.

[021] A água servida afluente 50 tem uma taxa de fluxo média designada como Q. Os fluxos entre os tanques de processo e o tanque de membrana 48, se houver, produzem uma alça de recirculação de licor misto que tem uma taxa de fluxo de mais do que Q. Por exemplo, o fluxo de lodo ativado de retorno 64 pode ser na faixa de 3 até 5 vezes Q. O permeado 56 é retirado em uma taxa de fluxo de cerca de 80 até 99% de Q. As taxas de fluxo do permeado 56 e o lodo ativado de resíduo 58 são ajustados, conforme exigido, para proporcionar um equilíbrio de massa ram a água servida afluente 50 e para manter um tempo de retenção de sólidos (lodo) desejado (SRT). Dependendo da configuração da seção de processo biológico de um MBR, o lodo ativado de retorno 64 pode ser enviado para um tanque de processo diferente. Pode haver também alças de reciclo adicionais dentro da seção de processo biológico.

[022] As membranas são tipicamente proporcionadas na forma de módulos ou de cassetes. Um módulo ou cassete contém muitas membranas mantidas em uma moldura que pode ser diminuída no tanque de membrana 48 ou em um dos tanques de processo.As películas 16 das membranas entram em contato com o lodo ativado. O permeado 56 pode ser retirado aplicando-se sucção aos interiores das membranas. As bolhas, tipicamente bolhas de ar, são proporcionadas para inibir a incrustação das membranas. A incrustação também é inibida por retrolavagem periódica, alternativamente chamada retropulsação, ou etapas de relaxamento entre as etapas de permeação. Asbolhas podem ser proporcionadas intermitentemente ou continuamente, mas são preferencialmente proporcionadas durante pelo menos parte da retrolavagem ou etapas de relaxamento. As bolhas também são preferencialmente proporcionadas durante pelo menos parte das etapas de permeação. As membranas preferenciais incluem membranas ZeeWeed™ série 500, vendidas por GE Water and Process Technologies.

[023] O carbono ativado em pó (PAC) 60 é adicionado ao MBR 40. No exemplo da Figura 2, o PAC 60 é adicionado a um dentre os tanques de processo, particularmente, o tanque anóxico 60. Alternativamente, o PAC 60 pode ser adicionado em qualquer lugar onde o PAC 60 entre em contato com o licor misto. Por exemplo, o PAC 60 pode ser adicionado a outro tanque de processo ou ao tanque de membrana 48.

[024] O tamanho de partícula de PAC 60 é tipicamente menor do que 0,297 mm (peneira de malha de 50). As partículas menores proporcionam mais área de superfície para absorção por volume de unidade. Entretanto, o tamanho de partícula do PAC 60 é preferencialmente pelo menos 10 vezes o tamanho de poro da membrana. Embora o PAC 60 seja preferencial, alternativamente outros absorventes podem ser usados.

[025] O PAC 60 é adicionado ao licor misto para manter uma concentração de PAC selecionada.O PAC 60 pode ser adicionado em bateladas ou continuamente. Com a dosagem de batelada, o intervalo de doses pode ser ajustado de acordo com as mudanças na operação do MBR 40 ou com o intervalo de remoção periódica de lodo ativado de resíduo 58. Com a dosagem contínua, a taxa de dosagem pode ser variada de tempo em tempo. A concentração de PAC selecionada pode ser de 200 mg/l ou mais, ou de 500 mg/l ou mais, ou mais do que 600 mg/l, ou 1.000 mg/l ou mais. A concentração de PAC pode ser de 2.000 mg/l ou menos, mas, em alguns casos, as concentrações de até 5.000 mg/l ou mais podem ser usadas. A concentraçãode PAC é preferencialmente na faixa de 500 mg/l até 2.000 mg/l, ou de 1.000 mg/l até 2.000 mg/l. O PAC 60 se desloca no fluxo recirculante. Não há dispositivo de separação de sólido-líquido na alça de recirculação antes das membranas, além de, talvez, uma tela com um tamanho de abertura de 1 mm ou mais para remover lixo e fibras, e, então, o PAC 60 entra em contato com a película 16 das membranas 10.

[026] O PAC 60 aumenta a remoção de contaminante no MBR 40. Os contaminantes, tais como compostos orgânicos nos tanques de processo, são removidos tanto pela absorção pelo PAC 60 quanto pela degradação. Isso aumenta a taxa de remoção de contaminantes absorvidos e aumenta a qualidade do efluente. Em particular, a remoção de um ou mais dentre os compostos orgânicos, nitrogênio e COD recalcitrante pode melhorar com a adição de PAC 60. Dosar o PAC para o sistema de MBR também pode aumentar a tolerância do MBR a cargas de choque, a contaminantes tóxicos na água servida afluente 50, a substâncias de incrustação produzidas por bactérias no licor misto ou em condições de desordem. Em alguns casos, a incrustação de membrana pode ser reduzida. Um biofilme normalmente se forma na superfície do PAC 60, que pode resultar em uma taxa elevada de degradação.

[027] As membranas reforçadas 10 favorecem os efeitos de abrasão do PAC 60 no MBR 40, melhor do que membranas sem suporte. Em particular, visto que o suporte 12 reforça as membranas, não se exige que o filme 14 retire forças de tensão significativas. Consequentemente, a abrasão do filme 14 não faz com que as membranas 10 se tornem mecanicamente instáveis ou falhem rompendo-se. Adicionalmente, o suporte 12 tem capacidade para filtrar alguns dentre os sólidos no lodo ativado. Mesmo se o filme 14 for completamente removido por abrasão, em uma parte particular das membranas, uma camada de massa se acumula no suporte 12. A camada de massa passa a ter capacidade para filtrar sólidos menores no modo de um filtrode pré-revestimento. Consequentemente, as membranas 10 têm uma vida útil razoável, apesar de ser exposta ao PAC 60.

[028] O PAC 60, ou outros carreadores, pode ser aumentado imobilizando-se um ou mais produtos de bioaumentação nos carreadores, antes de os mesmos serem adicionados ao MBR 40. Os carreadores com bioaumentação aumentada podem proporcionar eficácia de remoção de COD recalcitrante mais alta, melhor tolerância a várias condições de carga de choque ou recuperação de processo biológico mais rápida. Os carreadores com bioaumentação também podem ser usados com outras formas de MBRs ou com biorreatores convencionais.

[029] Os produtos de bioaumentação compreendem tipicamente uma mistura de cepas microbianas.Alguns produtos de bioaumentação também incluem enzimas.Os micro-organismos estão em um estado vegetativo ou em esporos, enquanto o produto de bioaumentação é armazenado, mas é ativado quando o produto é usado. Os produtos de bioaumentação são normalmente usados para semear durante a partida do biorreator ou para recuperar sistemas biológicos durante ou após a carga de choque. Os produtos disponíveis comercialmente de bioaumentação incluem produtos BioPlus™, da GE Water & Process Technologies, produtos BioQuick™, da Novozymes e produtos Microcat™, da MBR Technologies. Os produtos de bioaumentação a serem usados, conforme descrito no presente documento, podem ser selecionados a partir de produtos disponíveis comercialmente ou preparados com o uso de uma ou mais cepas selecionadas de micro-organismos em um estado ativo ou vegetativo.

[030] Os produtos de bioaumentação são normalmente dosados diretamente em tanques de processo, sem um carreador. Os produtos de bioaumentação são diluídos no licor misto de volume e podem ser lavados através de um clarificador secundário. No MBR 40, entretanto, um ou maisprodutos de bioaumentação são imobilizados em um carreador, tal como PAC 60. O carreador é retido no MBR 40 e, então, o produto de bioaumentação também é retido no MBR 40.

[031] Um produto de bioaumentação é imobilizado cultivando-se uma cultura do produto em uma dispersão de PAC 60 fora do MBR. Opcionalmente, o produto de bioaumentação pode ser ativado ou algum cultivo estabelecido antes de o PAC ser adicionado. A cultura é mantida até que a maior parte do produto de bioaumentação esteja presente na forma de biofilme presa ao PAC. Por exemplo, a cultura pode ser mantida por 12 horas ou mais ou 21 horas ou mais.

[032] O produto de bioaumentação imobilizado em um carreador é retido em um biorreator para elevar o efeito do produto na remoção de COD recalcitrante. Quando um MBR 40 não é usado, os carreadores maiores, tal como GAC, podem ser usados para reter os carreadores com bioaumentação no biorreator, através um clarificador ou de uma tela.

[033] O produto de bioaumentação, ou uma ou mais cepas microbianas que serão usadas para produzir um produto de bioaumentação, são preferencialmente triados ou selecionados para obter produtos ou cepas que biodegradam eficazmente ou que removem compostos orgânicos recalcitrantes em uma água servida alvo.Por exemplo, o BioPlus™ BA2900 pode ser usado. Os produtos selecionados, ou cepas, são, então, preferencialmente pré-imobilizados em um carreador, preferencial mente um carreador que também possa absorver os compostos orgânicos recalcitrantes na água servida, tal como PAC 60. Então o carreador com o produto pré- imobilizado de bioaumentação é dosado em um biorreator. Isso pode aumentar a remoção de COD recalcitrante ou a tolerância do reator a cargas de choque, a toxicidade ou várias condições de desordem, frequentemente encontradas nos processos de tratamento de água servida industriais. Em laboratório e emteste-piloto descrito nos exemplos abaixo, os processos de tratamento de água servida de refinaria demonstraram remoção aumentada de COD recalcitrante e recuperação rápida de carga de choque e condições de desordem de processo.

[034] Embora os produtos de bioaumentação sejam preferencial mente pré-imobilizados, no caso de um MBR 40 com adição de PAC 60 ou de outro reator com retenção de carreador, adicionar um produto de bioaumentação ao licor misto também pode ser parcialmente eficaz.Pelo menos alguns dos micróbios podem formar um biofilme no carreador, no reator, e, então, ser retidos no reator.Sem pretensão de limitar-se por teoria, parece que o PAC que está presente em um biorreator e que absorveu COD proporciona tanto uma área de superfície alta quanto a fonte de alimento disponível que permite que os micróbios, em um produto de bioaumentação, formem rapidamente um biofilme no PAC. É particularmente provável que isso ocorra quando o produto de bioaumentação for selecionado por sua capacidade de consumir COD recalcitrante na água servida que é tratada no MBR. A COD recalcitrante pode estar presente em uma extensão maior, em relação à COD biodegradada mais prontamente, no PAC do que no MBR geralmente.

[035] A invenção será, agora, descrita adicionalmente em referência aos exemplos seguintes, que devem ser considerados como ilustrativos e não como restringentes do escopo da invenção. Vários experimentos ou testes foram conduzidos com o uso de módulos de membrana ZeeWeed™500D. Esses módulos têm membranas de PVDF de fibra oca, suportadas em um entrelaçamento tubular. O tamanho médio do poro é na faixa de 0,02 até 0,04 micron.

EXEMPLO 1

[036] Os testes foram feitos para determinar o efeito da remoção total do filme de membrana em uma porção da membrana. Um MBR de escala- piloto foi operado continuamente com o uso de água servida bruta urbanatriada como o afluente. Três módulos ZW500D, com uma superfície total de cerca de 103,12 m2 (1.110 pés quadrados), foram imersos em um tanque de membrana e operados sob condições de projeto de escala total típicas. E. coli nativa e bactérias colifagas estiveram presentes na água de alimentação. As membranas foram operadas em ciclos repetidos de 12,5 minutos, que consistem em 12 minutos de permeação seguida por 30 segundos de retrolavagem ou relaxamento.

[037] A integridade de algumas dentre as membranas foi comprometida usando-se uma faca para raspar uma porção do filme, a partir do suporte tubular. Uma área de cerca de 10 mm acima e cerca de 3 mm no perímetro foi removida de cada fibra.Após um período inicial de operação com membranas intactas, o filme de membrana foi removido de 1, 10, 50 e 100 fibras em períodos de tempo sucessivos. As concentrações de coliformes fecais foram medidas várias vezes na água de alimentação e no permeado.

[038] O MBR foi primeiro operado com ciclos que têm uma etapa de relaxamento.A água de alimentação teve uma concentração de coliforme fecal de cerca de 10.000.000 UFC/100 ml. Durante um período de operação inicial de 75 minutos, a concentração de coliforme fecal no permeado foi de 3 UFC/100 ml. A mesma concentração foi observada no início e no fim dos ciclos com 1 fibra e 10 fibras comprometidas. Com 50 fibras comprometidas, um aumento nos coliformes fecais para 16 UFC/100 ml foi medido no fim do primeiro ciclo. Entretanto, quando medida após 24 horas, a concentração de coliforme fecal retornou a 3 UFC/100 ml. Com 100 fibras comprometidas, a concentração de coliforme fecal inicialmente aumentou para 20 UFC/100 ml, mas quando medida após duas horas, a concentração de coliforme fecal retornou a 4 UFC/100 ml. Com 100 fibras comprometidas e uma mudança para ciclos com uma etapa de retrolavagem, a concentração de coliforme fecal, após outro período de operação de 2 horas, foi de 2 UFC/100 ml. Esses resultadosindicam que as membranas suportadas tiveram capacidade para remover coliformes fecais, mesmo com porções do filme de membrana removidas. Os resultados foram similares aos ciclos que têm retrolavagem ou etapas de relaxamento.Sem a pretensão de limitar-se por teoria, parece que uma camada de massa se formou sobre as porções expostas do suporte tubular que foi suficiente para filtrar coliformes fecais. Mesmo se as membranas fossem gravemente abrasadas em uso, sua vida útil não deve ser limitada por uma falha para proporcionar permeado mecanicamente desinfectado.

EXEMPLO 2

[039] Testes foram feitos para determinar o efeito de adicionar PAC a um MBR na remoção de COD. Uma unidade de MBR de escala de laboratório incluiu um tanque anóxico de 3 I com um misturador submergível, um tanque aeróbico de 6 I e um tanque de membrana de 3 I. Um módulo de membrana submersa, com membranas ZeeWeed®500D de poro nominal de 0,04 pm e uma área de superfície de 0,03 m2, foi imerso no tanque de membrana e operado para alcançar um fluxo inicial em 10 gfd. O reator foi semeado com lodo ativado de uma usina de tratamento de água servida de refinaria. A taxa de lodo ativado de retorno de fluxo foi quatro vezes a taxa de fluxo de efluente. O MBR foi alimentado com uma água servida de refinaria sintética com as concentrações a seguir de compostos de refinaria recalcitrante típicos: 50 mg/l de 2,4,6-Triclorofenol (TCP), 50 mg/l de éter metil tercbutílico (MTBE), 50 mg/l de isoquinolina, 50 mg/l de indol, 30 mg/l de 2-fenoxietanol, 150 mg/l de fenol e 80 mg/l óleo emulsificado. Um PAC à base de madeira foi selecionado e usado no teste.

[040] Após um período de aclimatação de dois meses, o MBR foi operado em quatro fases. A fase 1 consistiu na operação por cerca de um mês sem PAC. Na fase 2, o MBR foi operado por quatro meses, com uma concentração de PAC de 0,5 g/l. Na fase 3, o MBR foi operado por um mês,com uma concentração de PAC de 1 g/l de PAC. Na fase 4, o MBR foi operado por 5 semanas, com uma concentração de PAC de 2,0 g/l. Durante essas fases, o MBR foi operado em um modo de resíduo de lodo e de alimentação contínua, com um tempo de retenção hidráulico (HRT) de 24 horas. O tempo de retenção de lodo (SRT) foi ajustado para manter uma concentração de sólidos suspensos de licor misto (MLSS) entre 6 e 8 g/l. As concentrações de COD foram monitoradas regularmente após o método de teste de COD especificado em ISO15705:2003-01.

[041] A Figura 3 mostra as concentrações de COD no afluente e no efluente (permeado). Na fase 1, sem PAC, a COD de efluente de MBR média foi de cerca de 140 mg/l, enquanto a concentração de COD de afluente média foi de 1.273 mg/l. Na fase 2, a concentração de COD de efluente média diminuiu para 72 mg/l, ou uma remoção adicional de COD de 43%. Na fase 3, uma remoção adicional de COD de 32% foi alcançada, em relação à fase 2, e a COD de efluente de MBR média foi de cerca de 46 mg/l. Nenhuma redução adicional significativa de COD foi observada na fase 4. Nenhuma perfuração significativa das películas de membrana foi observada após 6 meses de operação com PAC. A COD anormalmente alta foi observada na área circulada na fase 3, devido a uma falha de aeração temporária.

EXEMPLO 3

[042] Nesse exemplo, os experimentos foram conduzidos para investigar a eficácia de PAC na redução do efeito tóxico de compostos bioinibitórios em micro-organismos de lodo ativado medindo-se a taxa específica de consumo de oxigênio (SOUR).

[043] Dois MBRs de escala de laboratório idênticos foram executados em paralelo.Ambos os reatores operaram em modo de batelada, com um HRT de 48 horas e nenhuma descarga de lodo.A concentração de oxigênio dissolvido (DO) foi mantida ao redor de 3 mg/l nos reatores.Aconcentração de biomassa inicial foi de cerca de 3 g/l para ambos os reatores. Após a aclimatação de lodo, 2 g/l de PAC foram dosados em um dos reatores de MBR referidos como o PAC-MBR. A água servida de uma refinaria com uma concentração de COD de afluente de 682 mg/l foi alimentada aos reatores por uma semana. Então a concentração de COD de alimentação foi elevada a 1.247 mg/l, e o triclorofenol (TCP), um composto bioinibitório, foi adicionado à água servida por uma segunda semana. A SOUR foi medida por um HACH HQ10 Portable LDO Meter.

[044] A Figura 4 mostra os resultados da SOUR para o PAC- MBR e o MBR de controle em duas fases diferentes. A presença de PAC demonstrou cerca de 1,3 a 2,8 vezes mais alta de SOUR comparada ao MBR de controle sem PAC. A SOUR diminuiu ao longo do tempo no reator sem PAC, devido à inibição da atividade de lodo ativado causada pela introdução de TCP tóxico. Entretanto, a SOUR foi mais alta, mesmo com o aumento na concentração de TCP de alimentação no PAC-MBR, na segunda semana. Os testes sugerem que o PAC, possivelmente com biofilmes presos na superfície do PAC, aumentou a tolerância do PAC-MBR a uma toxicidade e à alta carga de choque de COD.

EXEMPLO 4

[045] Um estudo foi conduzido com o uso de carbono ativado em pó (PAC) em um MBR para remover a COD da água servida de refinaria. Duas correntes de água servida separadas foram usadas, uma com água servida de COD alta e uma com água servida de COD baixa. Um MBR de escala total que usa módulos de membrana de ZeeWeed®500D foi usado para tratar a água servida de COD baixa. Um segundo MBR de escala-piloto configurado, conforme mostrado na Figura 2 com adição de PAC (PAC-MBR) também usou módulos de membrana de ZeeWeed®500D. Um PAC fresco foi adicionado ao PAC-MBR, conforme exigido para compensar a perda de PAC, devido àdescarga de lodo. Em ambos os MBRs, o fluxo de rede de membrana foi mantido em 10 gfd, o HRT foi de 24 horas, e o SRT foi entre 45 e 50 dias. O lodo foi recirculado do tanque de membrana para o tanque anóxico em quatro vezes a taxa de fluxo de permeado. As amostras de afluente e efluente foram coletadas e testadas diariamente.

[046] A água servida de COD baixa teve uma concentração de COD na faixa de 200 a 300 mg/l. A concentração de COD de efluente média de longo período para o MBR de escala total foi ao redor de 51 mg/l sem PAC. No PAC-MBR-piloto, a concentração de efluente média foi de 35 mg/l quando alimentada com água servida de COD baixa e operada com uma concentração de PAC de 0,25 g/l. A água servida de COD alta teve uma concentração média de COD de 720 mg/l. Quando alimentado com a água servida de COD alta, o PAC-MBR-piloto teve uma concentração de efluente média de cerca de 30 mg/l quando operado com uma concentração de PAC de 1,0 g/l.

[047] Durante a carga de choque, as concentrações de efluente de COD do MBR-piloto com concentração de PAC de 1,0 g/l foram cerca de 50% inferior àquelas no MBR de escala total, em que nenhum PAC foi adicionado. Em outro teste, o PAC fresco foi dosado para aumentar a concentração de PAC no MBR-piloto de 1,0 g/l para 2,0 g/l para reduzir a carga de impacto de choque com a água de COD alta. Uma queda de COD significativa no PAC-MBR efluente de 108 mg/l para 42 mg/l foi inicialmente observada e foi reduzida adicionalmente para cerca de 30 mg/l após dois dias. A recuperação biológica da carga de choque foi aparentemente acelerada dosando-se o PAC fresco.

EXEMPLO 5

[048] A fim de testar o efeito de abrasão de longo período do PAC em fibras de membrana, um estudo de abrasão acelerada foi conduzido com o uso de módulos de membrana de ZeeWeed®500D. Um MBR de escala-piloto foi operado continuamente com o uso de água servida bruta urbana triada como o afluente. O Norit® PAC Hydrodarco® C foi adicionado a um MBR que contém os módulos de membrana para manter uma concentração inicial de 5,0 g/l. Então a concentração de PAC foi elevada adicionalmente para 7,0 g/l e 10 g/l durante as partes posteriores do teste. Os testes de ponto de bolha de membrana e as imagens do microscópio eletrônico de varredura (SEM) foram usados para avaliar as características de superfície das membranas. Nenhuma abrasão de membrana de material foi encontrada após 18 meses de estudo.

EXEMPLO 6

[049] Os micro-organismos de bioaumentação foram imobilizados em um carreador de PAC. Uma água servida sintética que simula água servida de refinaria foi preparada contendo: 20 mg/l de 2,4,6-triclorofenol; 30 mg/l de éter metil tercbutílico (MTBE); 30 mg/l de isoquinolina; 30 mg/l de indol; 20 mg/l de 2-fenoxietanol; e 60 mg/l de fenol. A concentração total de COD na água servida sintética foi cerca de 400 mg/l. A razão de COD:N:P na água de alimentação foi ajustada para 200:5:1, dosando-se NaH2PO4 e NH4CI. Um produto de bioaumentação triado que compreende Bacillus, Comamonas e Rhodanobacter foi usado no estudo.A densidade óptica (OD), em um comprimento de onda de 600 nm, foi monitorada por um HACH DR5000 Spectrophotometer. A contagem de bactérias totais foi analisada por um 3M Petrifilm™ 6406 Count Plate após o método-padrão SN/T 1897-2007.

[050] 100 ml da água servida de refinaria sintética e 0,10 g de Oxoid Tryptone Soya Broth foram misturados em um frasco Erlenmeyer de 500 ml. 0,75 g do produto de bioaumentação foi usado para inoculação microbiana. O processo foi operado em um modo de batelada. O frasco foi agitado a 130 rpm em um banho de água de 28 °C para ativar os micro-organismos. A curva de cultivo de OD foi monitorada ao longo do tempo. 0,25 g de PAC fresco foi dosado no frasco, como o carreador de imobilização de bactérias na últimafase de cultivo exponencial, e a contagem de bactérias aeróbicas totais correspondentes foi medida.

[051] A fim de acessar o tempo exigido para formar um biofilme estável no PAC, 10 ml de amostras foram tomadas do frasco para medir a contagem de bactérias livres e contagem de bactérias imobilizadas ao longo do tempo. Um sobrenadante foi centrifugado a 2.000 rpm, por 8 minutos, e analisado para a contagem de bactérias livres.O PAC restante foi experimentado e sonicado por 25 minutos.Então um sobrenadante de sonicação também foi centrifugado a 2.000 rpm, por 8 minutos, e analisado para a contagem de bactérias imobilizadas. As porcentagens de bactérias imobilizadas nas bactérias totais foram de 41,0%, 96,8% e 98,9% em 8 h, 21 h e 45 h, respectivamente. Quase todas as bactérias foram imobilizadas no PAC dentro de 21 horas. As análises do SEM confirmaram adicionalmente um biofilme distribuído uniformemente e denso na superfície do PAC.

EXEMPLO 7

[052] O desempenho de um MBR com um produto de bioaumentação pré-imobilizado no PAC foi comparado a um MBR com PAC comum. Três MBRs de escala de bancada de 3 litros foram operados em paralelo que incluem: um MBR de controle (R1) sem PAC, um PAC-MBR com PAC comum (R2) e um PAC-MBR com micro-organismos de bioaumentação pré-imobilizado no PAC, conforme descrito no Exemplo 6 (R3). A concentração de PAC nos reatores R2 e R3 foi mantida em 0,5 g/l. Os MBRs foram semeados com lodo de uma usina de refinaria e aclimatado por cerca de um mês antes do estudo. O HRT no MBRs foi cerca de 24 h e o SRT foi cerca de 100 dias. Uma água servida de refinaria sintética, similar àquela no exemplo 6, foi alimentada a todos os três MBRs.

[053] Os reatores foram operados sob condições estáveis para 36 dias. As concentrações de COD no efluente foram monitoradasregularmente seguindo o método de teste de COD especificado em ISO15705:2003-01. Conforme mostrado na Figura 5, as concentrações médias de COD dos efluentes nos três reatores foram de 46,9 mg/l para R1, 20,3 mg/l para R2, e 11,5 mg/l para R3. A concentração média de COD de alimentação durante esse tempo foi de 704 mg/l. Os resultados indicaram que o PAC com produto pré-imobilizado de bioaumentação aumentou a remoção de COD. É provável que o aumento incluiu uma elevação na remoção de COD recalcitrante em R3.

[054] Uma carga de choque foi aplicada do dia 17 até o dia 27, elevando-se a concentração de COD de alimentação para 930 mg/l. As concentrações de efluente de COD se elevaram imediatamente e as concentrações de efluente de COD de todos os três MBRs foram além de 200 mg/l durante o período de tempo de carga de choque. Uma vez que a concentração de COD de alimentação foi retornada para cerca de 700 mg/l, o produto pré-imobilizado de bioaumentação PAC-MBR (R3) mostrou a recuperação mais rápida da desordem para uma concentração normal de COD no efluente.

EXEMPLO 8

[055] Estudos de escala-piloto foram conduzidos para avaliar o desempenho de um produto de bioaumentação na restauração de licor misto excessivamente envelhecido em um MBR com carbono ativado em pó (PAC). O MBR incluiu um tanque anóxico de 10 m3, com um misturador submergível. Uma bomba centrífuga transferiu o licor misto do tanque anóxico para um tanque aeróbico de 30 m3. O tanque aeróbico foi equipado com um difusor de bolha fino no fundo do tanque para liberar ar para o tanque aeróbico. Três módulos de membrana Zeeweed®500D foram imersos em um tanque de membrana de 900 I, com aeração, para reduzir a incrustação de membrana. O lodo ativado de retorno foi bombeado do tanque de membrana de volta para otanque anóxico em quatro vezes a taxa de fluxo de água de alimentação (4Q) por uma bomba centrífuga. A água de alimentação para o MBR foi a água servida de refinaria. Um PAC à base de madeira foi selecionado e dosado nos tanques de processo para manter a concentração de PAC em 3,0 g/l.

[056] 500 g de um produto de bioaumentação (BioPlus™ BA2900, vendido pela GE Water and Process Technologies) foram misturados com 5 litros de água servida de refinaria.A solução foi aerada por 4 a 6 horas e, então, dosada diretamente tanto no tanque anóxico quanto no tanque aeróbico.

[057] Antes de dosar a solução de bioaumentação, a atividade biológica no PAC-MBR foi diminuída interrompendo-se a descarga de lodo ativado de resíduo por um longo tempo, para envelhecer o licor misto. A concentração de COD de efluente média se elevou a 62 mg/l. Dentro de dois dias de adição do produto de bioaumentação no PAC-MBR, o desempenho do PAC-MBR tinha se recuperado a uma COD de efluente média de 35 mg/l. O resíduo de lodo foi reiniciado para proporcionar um SRT de 45 a 50 dias e o MBR manteve a remoção similar de desempenho de COD.

[058] Esta descrição escrita usa exemplos para revelar a invenção, que inclui o melhor modo, e também para permitir que qualquer técnico no assunto pratique a invenção, que inclui produzir e usar quaisquer dispositivos ou sistemas e que realiza quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações, e podem incluir outros exemplos que ocorram aos técnicos no assunto. Tais outros exemplos são destinados a estar dentro do escopo das reivindicações, caso os mesmos tenham elementos estruturais que não sejam diferentes da linguagem literal das reivindicações, ou caso os mesmos incluam elementos estruturais equivalentes com diferenças insubstanciais em relação à linguagem literal das reivindicações.

Claims

1.PROCESSO DE TRATAMENTO DE ÁGUA RESIDUAL, caracterizado por compreender as etapas de: a)proporcionar um biorreator de membrana (40) compreendendo uma seção de processo biológico dotada de um ou mais tanques de processo (44,46) e um tanque de membrana (48), em que membranas de fibra oca (10) compreendem um filme de membrana (14) que circunda um suporte tubular (12) produzido de filamentos entrelaçados imersos no tanque de membrana (48); e b)servir uma água afluente (50) em uma taxa de fluxo média (Q) para os tanques de processo (44,46) do biorreator de membrana (40), em que um licor misto (54) é formado nos tanques de processo (44,46) e o licor misto (54) é direcionado para o tanque de membrana (48); c)filtrar o licor misto (54) com as membranas de fibra oca (10) imersas na membrana tanque para remover um permeado filtrado (56) do licor misto (54) e produzir um licor misto concentrado restante; d)remover uma porção do licor misto concentrado restante do biorreator de membrana (40) como lodo ativado de resíduo (58) e retornar outra porção (64) do licor misto concentrado restante para os tanques de processo (44,46), produzindo entre os tanques de processo (44,46) e a membrana tanque (48) uma alça de recirculação de licor misto, a alça de recirculçação sendo operada a uma taxa de fluxo que é ao menos duas vezes a taxa de fluxo média (Q); e)manter uma concentração de partículas absorventes de carbono ativado em pó (60) na faixa de mais do que 600 mg/L a 2000 mg/L no biorreator de membrana (40), em que as partículas de carbono ativado em pó tem um tamanho de partícula menor do que 0,297 mm, as partículas de carbono (60) se deslocam no fluxo recirculante, e entram em contato com asmembranas (10).

2.PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelas membranas (10) serem membranas acionadas por sucção imersas.

3.PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pelas membranas (10) serem esfregadas com bolhas de ar, pelo menos durante uma parte de um período de permeação.

4.PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo biorreator de membrana (40) ser usado para tratar água servida de refinaria.

5.PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelas membranas (10) têm um tamanho médio de poro de 0,05 micron ou menos.

6.PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por compreender uma etapa de adicionar um ou mais produtos de bioaumentação compreendendo uma ou mais cepas microbianas selecionadas e opcionalmente enzimas, para o biorreator de membrana (40).

7.PROCESSO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelos um ou mais produtos de bioaumentação serem triados quanto a sua capacidade para aumentar a remoção de COD recalcitrante.

8.PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 7, caracterizado pelos um ou mais produtos de bioaumentação serem imobilizados no carreador, antes de o carreador ser adicionado ao reator.

9.PROCESSO, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelos um ou mais produtos de bioaumentação serem imobilizados cultivando-se uma cultura dos um ou mais produtos debioaumentação em uma dispersão do carreador.

10.PROCESSO, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pela cultura ser mantida até que um ou mais produtos de bioaumentação estejam presentes na forma de biofilme no carreador.

11.PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela alça de recirculação do licor misto ser operada em uma taxa de fluxo que é três a cinco vezes a taxa de fluxo média (Q).

12.PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por deixar de ter um dispositivo de separação de sólidos na alça de recircualção do licor misto antes das membranas de fibra oca (10).