BR112015015180B1 - Processo para remover sulfeto de hidrogênio de um efluente líquido contendo sulfeto de uma água residual de tratamento de reator anaeróbico contendo pelo menos 100 mg/l de compostos de enxofre em base de enxofre elementar, processo para o tratamento de água residual contendo pelo menos 100 mg de compostos de enxofre em base de enxofre elementar e reator anaeróbico e unidade de remoção e limpeza de gás - Google Patents

Abstract

processo para remover sulfeto de hidrogênio de um efluente líquido contendo sulfeto de uma água residual de tratamento de reator anaeróbico contendo pelo menos 100 mg/l de compostos de enxofre em base de enxofre elementar; coluna de remoção de líquido descendente; reator anaeróbico e unidade de remoção; e unidade de remoção e limpeza de gás o sulfeto de hidrogênio pode ser removido de um efluente líquido de um reator anaeróbico, ao posteriormente: - fazer com que o líquido efluente entre em contato em contracorrente com um gás de produto tratado do reator anaeróbico para absorver sulfeto de hidrogênio no gás, - coletar o líquido efluente dessulfurado após o dito contato, - descarregar uma parte do líquido de recirculação de efluente dessulfurado coletado como um efluente tratado. à uma parte restante do efluente dessulfurado, águas residuais podem ser adicionadas e misturadas, e as águas misturadas podem ser alimentadas ao reator anaeróbico. o gás utilizado na etapa de contato pode ser combinado com gás de produto contendo sulfetos do reator anaeróbico e tratado por dessulfuração.

Description

[001] A invenção se refere ao tratamento de resíduos anaeróbicos e, em particular, à remoção de sulfeto de hidrogênio de efluentes anaeróbicos.

HISTÓRICO DA INVENÇÃO

[002] O tratamento anaeróbico é um processo conhecido por produzir biogás e outros compostos orgânicos valiosos a partir de águas residuais. Entretanto, as águas residuais muitas vezes contêm sulfato (SO42-) ou outros compostos de enxofre, os quais, sob as condições anaeróbicas, são biologicamente convertidos a sulfato (principalmente como HS-). Altas concentrações de sulfeto são tóxicas para a biomassa anaeróbica; elas inibem a formação de metano e, assim, dificultam o tratamento anaeróbico. Níveis de sulfeto que levam a 50% de inibição são 250 mg S/l na faixa de pH 6,4-7,2 e 90 mgS/l em pH a 7,8-8,0 (Koster et al. Water Res.20 (12), 1156167, 1986).

[003] Assim, ao tratar águas residuais contendo altas concentrações de sulfato, é importante controlar o nível de sulfeto no biorreator para evitar a inibição. Águas residuais contendo altas concentrações de sulfato podem ser encontradas, por exemplo, na indústria de fermentação (por exemplo, produção de levedura e etanol), indústria de papel e indústria de processamento de amido.

[004] Além de inibir o processo de conversão anaeróbica, o sulfeto resultante de sulfato e outros compostos de enxofre nas águas residuais acaba parcialmente como sulfeto de hidrogênio (H2S) no gás de produto do processo anaeróbico, isto é, o biogás, e possui um efeito negativo na qualidade de biogás e na eficiência de redução de poluição. Tecnologias estão disponíveis para remoção a jusante do H2S do biogás para tornar o biogás disponível para processamento adicional. Algumas destas tecnologias poluem o biogás predominantemente com nitrogênio e um pouco de oxigênio ou exigem uma quantidade excessiva de produtos químicos cáusticos ou outros. Em contraste, a tecnologia THIOPAQ® descrita, por exemplo, nos documentos EP 0487705, EP 0561889 e US 6,656,249 é um método ecologicamente correto para remover H2S de biogás sem poluir o biogás e sem consumo cáustico excessivo, em que H2S é removido do biogás e é biologicamente oxidado para enxofre elementar.

[005] O documento EP 0331806 sugere lavar H2S do biogás e convertê-lo por meios químicos ou bioquímicos, e reciclar parte do biogás lavado ao reator anaeróbico para auxiliar na mistura do conteúdo do reator anaeróbico.

[006] O documento WO 98/00191 revela um processo de remoção de enxofre anaeróbico, em que o efluente contendo sulfeto do processo anaeróbico é circulado a uma coluna de extração, em que o sulfeto é extraído do efluente utilizando um gás dessulfurado (biogás) proveniente do reator anaeróbico. O gás é dessulfurado por oxidação a enxofre elementar utilizando sais de ferro. O documento FR 2484990 revela um sistema similar utilizando um dispositivo de dessulfuração não especificado.

[007] Entretanto, considera o uso de uma coluna para melhorar o desempenho do processo anaeróbico. Os processos da técnica anterior não provêm a acomodação de flutuações de pH e componentes tóxicos no afluente do reator anaeróbico, e não permitem altos fluxos hidráulicos devido a mistura insuficiente no reator anaeróbico e, assim, eles não podem ser operados de maneira ideal.

[008] Portanto, é um objeto da presente invenção a provisão de um processo e um equipamento para tratamento anaeróbico de águas residuais contendo níveis apreciáveis de sulfato ou outros compostos de enxofre com melhores eficiências de tratamento e níveis de contaminação por enxofre minimizados nos efluentes gasosos e líquidos finais.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[009] Foi descoberto, de acordo com a invenção, que a dessulfuração de efluente de um reator anaeróbico pode ser melhorada pela extração do efluente com um gás limpo, em particular, um biogás limpo produzido pelo reator anaeróbico, utilizando uma unidade de extração, que vantajosamente é uma única coluna vertical que pode adicionalmente prover a desgaseificação do efluente extraído. O retorno do efluente extraído da coluna de extração ao reator anaeróbico simultaneamente permite uma melhor conversão anaeróbica e o ajuste e a desintoxicação do afluente residual, especialmente após misturá-lo com afluente do reator anaeróbico.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[010] A invenção se refere a um processo de remoção de sulfeto de hidrogênio de um efluente, em anaeróbico, bem como a uma coluna de extração para remover o sulfeto de hidrogênio do efluente e para controlar a hidráulica do sistema reator anaeróbico. A invenção também se refere a uma combinação de tal coluna de extração com um reator anaeróbico e/ou com uma unidade de dessulfuração de gás. Sempre que for feita referência neste documento a sulfeto ou sulfeto de hidrogênio, entende-se que estes são intercambiáveis, dependendo do fato de estarem em fase líquida ou em fase gasosa. Na fase líquida, o sulfeto de hidrogênio (H2S) está em equilíbrio com hidrossulfeto (HS-) e sulfeto stricto sensu (S2-) e outras espécies, dependendo de, entre outras coisas, concentrações e pH.

[011] A unidade de extração de acordo com a invenção é uma coluna essencialmente vertical (1) tendo uma altura que é pelo menos duas vezes e preferivelmente pelo menos três vezes seu diâmetro, e, em particular, uma altura que esteja entre 3,5 e 10 vezes seu diâmetro. Dependendo da capacidade, o diâmetro pode, por exemplo, estar entre 0,5 e 15 metros, em particular, entre 2 e 6 m. A altura correspondente pode estar, por exemplo, entre 5 e 50 m e, em particular, entre 10 e 30 m. A coluna compreende uma parte superior (11) disposta para conter gás, e uma parte inferior (12) disposta para conter líquido. De cima para baixo, a coluna compreende: a. uma saída de gás (13) no topo para descarregar gás de limpeza (carregado com sulfetos) utilizado, em particular, gás de produto tratado do reator anaeróbico; b. uma entrada de líquido (14), para introduzir efluente (carregado com sulfetos) de um reator anaeróbico (2), a entrada sendo provida de meios para distribuir o líquido na zona de gás, por exemplo, por pulverização; c. uma zona de contato (15) para contatar intimamente gás e líquido, por exemplo, um leito empacotado; d. uma entrada de gás (16), para introduzir gás de limpeza; e e. uma saída de líquido (17), para descarregar efluente tratado.

[012] A coluna de extração pode vantajosamente compreender, na mesma coluna, um tanque de mistura como uma parte inferior (40), compreendendo: f. uma entrada de líquido (43) para introduzir água residual bruta a ser tratada (anaerobicamente); g. uma saída de líquido (19) na parte inferior, para retornar efluente e águas residuais misturadas ao reator anaeróbico.

[013] Alternativamente, o tanque de mistura (40) pode ser um tanque separado, o qual é conectado à coluna de extração (1) por uma linha de líquido (18). Um tanque de precondicionamento adicional (42) pode ser provido para buffer de fluxo, controle de nutrientes, temperatura, pH, etc. e para preacidificação das águas residuais. Este tanque de condicionamento (42) pode ser um tanque separado [com a entrada (41)] ou pode ser integrado e ser o mesmo tanque que o tanque de mistura (40) . Em operações nas quais apenas dessulfuração do efluente do reator anaeróbico é necessária, o tanque de mistura (40) e sua conexão com a coluna de extração podem ser dispensados, e o afluente de águas residuais para o reator anaeróbico será alimentado através de um reservatório de bomba, um único tanque de precondicionamento e/ou de mistura.

[014] Conforme utilizado neste documento, o termo “dessulfurado” se refere a uma redução do teor de enxofre em qualquer forma de enxofre, especialmente um menor teor de sulfetos, seja em forma neutra (molecular) ou carregada (aniônica), e seja em forma gasosa ou líquida, ou outra. A redução é especialmente pelo menos um fator de 5, preferivelmente pelo menos um fator de 10, mais preferivelmente um fator entre 10 e 30, particularmente um fator entre 10 e 20.

[015] Para o tratamento anaeróbico de acordo com a invenção, muitas configurações diferentes existem, por exemplo, CSTR (reator de tanque agitado contínuo), reatores CSTR com retenção de lodo, UASB (leito de lodo anaeróbico de fluxo ascendente), reatores híbridos, filtros anaeróbicos e reatores mais avançados como IC (circulação interna) e EGSB (leito de lodo granular expandido). Para todos estes tipos de reator, é importante que o biocatalisador ('lodo biológico') esteja em bom contato com as águas residuais para se obter a atividade biológica mais alta. Um método comumente utilizado para obter estas condições hidráulicas ideais é por recirculação externa de efluente anaeróbico em direção ao sistema de distribuição de afluentes do reator anaeróbico. Isto leva a um aumento em velocidade de fluxo ascendente no reator e a uma melhoria na mistura. Além disso, o influente será diluído por um efluente anaeróbico, e possíveis efeitos inibidores ou condições extremas (pH, temperatura, condutividade) podem ser evitadas. Especialmente em reatores anaeróbicos de alta taxa como o IC, EGSB ou configurações adaptadas, o dispositivo de fluxo de recirculação externa é um componente útil da instalação anaeróbica.

[016] Esta recirculação externa pode ser aplicada em diferentes formas como com um tubo, através de um tanque de recirculação ou em outras maneiras conhecidas na técnica. Este dispositivo de recirculação externa pode também ser combinado com a entrada das águas residuais e com a saída do efluente tratado. Características da recirculação externa incluem: uma zona de desgaseificação para separar o gás do efluente anaeróbico, uma mistura adequada entre o efluente anaeróbico e o afluente e meios opcionais para dosar produtos químicos e nutrientes para obter as condições anaeróbicas ideais.

[017] A recirculação externa pode estar aberta à atmosfera ou sob condições de biogás. A vantagem de recirculação externa sob as condições atmosféricas é a possibilidade de remover CO2 e, portanto, reduzir o consumo cáustico, o que às vezes é necessário durante o tratamento anaeróbico. A recirculação externa sob condições de biogás é preferencial em condições nas quais a dosagem de ácido é necessária. Além disso, a potencial liberação de componentes odoríferos na atmosfera, como H2S, é significativamente menor em uma recirculação externa sob condições de um biogás.

[018] A biomassa (lodo bacteriano) a ser utilizada no reator anaeróbico pode ser derivada de qualquer reator anaeróbico existente. O lodo pode vantajosamente estar em forma granular para permitir alta produtividade. Tal tratamento anaeróbico de alta taxa corresponde, por exemplo, a mais de 10 kg de COD por m3 de capacidade de reator por dia.

DESCRIÇÃO DO DESENHO

[019] A Figura apensa ilustra uma coluna de extração (1), de acordo com a invenção, bem como uma combinação com um reator anaeróbico (2) e uma unidade de dessulfuração (3). Os numerais de referência são explicados neste documento acima e abaixo. A coluna de extração é ilustrada na Figura com um tanque de mistura separado (40) , mas os dois podem formar uma única coluna contínua, assim, sem uma linha de conexão (18), o que constitui uma realização preferida da invenção.

[020] Na coluna de remoção (1), a parte superior (11), que constitui a zona de gás incluindo a zona de contato (15) e que é delimitada pela superfície do líquido (101) , se estende a entre 20 e 50% da altura da coluna a partir do topo, em particular, entre 30 e 45% da altura superior da coluna, incluindo o tanque de mistura ou a seção de mistura (40) . Se, por exemplo, a altura da coluna total for de 20 m, a zona superior pode estar, por exemplo, entre 5 e 10 m. A distância vertical entre a parte superior da parte inferior (12) da coluna, isto é, o nível da superfície de líquido (101), e a saída de líquido (17) pode estar entre 5 e 25%, preferivelmente entre 10 e 20% da altura do reator, isto é, cerca de 2 a 4 m para uma coluna de 20 m de altura. Esta parte corresponde a uma zona de desgaseificação (separação de gás) da parte líquida. A desgaseificação pode ser otimizada ao adaptar a relação de diâmetro/altura, resultando em menor turbulência na coluna e, assim, melhor desgaseificação. Quando for feita referência a “desgaseificação”, isto inclui tanto desgaseificação física, isto é, permitir que bolhas de gás dispersas escapem do líquido, quanto desgaseificação química, isto é, permitir que compostos gasosos dissolvidos, tal como oxigênio, dióxido de carbono, sulfeto de hidrogênio, ou semelhante, evaporem, por exemplo, por efeitos de temperatura ou pH (acidificação).

[021] Da mesma forma, a distância vertical entre a saída de líquido (17) e a entrada de líquido (18), no caso de uma única coluna, isto é, com a seção de mistura integrada (40) , deve ser suficiente para impedir que águas residuais afluentes que entram (43) diretamente saiam da coluna (17) . Assim, a distância mínima é 4% da altura, e alturas preferidas incluem, por exemplo, 5 a 20% ou preferivelmente 6 a 15% da altura. Um separador, tal como uma placa perfurada, defletor ou meio de propulsão, pode ser provido entre a saída de líquido (17) e entrada de líquido (43), para separar a zona de desgaseificação (parte superior da zona de líquido (12)) da zona de mistura (40) ou para controlar o fluxo descendente. No caso de um tanque de mistura separado (40), tais meios de separação podem ser dispensados.

[022] Além disso, a distância vertical entre a entrada de líquido (43) e a saída de líquido (19) na seção de mistura ou no tanque de mistura (40) deve ser suficiente para permitir a mistura e a diluição eficazes da água residual bruta antes de deixar a zona de mistura e entrar no reator anaeróbico. Preferivelmente, a distância vertical mínima entre (43) e (19) é pelo menos 5%, preferivelmente entre 10 e 40% da altura da coluna total (isto é, coluna de extração mais a seção de mistura).

[023] A coluna de extração pode vantajosamente ser adicionalmente provida de dispositivos de controle para controlar os fluxos do líquido para dentro e para fora. Em particular, um dispositivo de controle (102) pode ser provido, o qual controla o fluxo através da saída de líquido (17) através da válvula (103) como efluente (104) de maneira a ajustar o nível de líquido (101) na coluna.

[024] Para impedir a formação de espuma e, assim, separação insuficiente de gás e líquido dentro ou abaixo da zona de contato (15), um líquido inibidor de espuma pode ser pulverizado sobre a zona de contato, o que pode vantajosamente fazer parte do efluente limpo (104). Ele pode ser introduzido através da linha (105) e do pulverizador (106) . Assim, em uma realização específica, uma parte do efluente de líquido tratado é pulverizada sobre o efluente coletado após a etapa de contato do processo da invenção e/ou a coluna de extração (1) é provida por um pulverizador (106) abaixo da zona de contato (15) da parte superior (11) da coluna. 1

[025] O material de contato da zona (15) pode ser limpo intermitentemente por limpeza no local, por exemplo, ao adicionar um líquido de limpeza (não mostrado) , em particular, um ácido orgânico, tal como ácido fórmico ou ácido acético, sobre o material de contato. O líquido, preferivelmente orgânico, é posteriormente degradado pela biomassa no reator anaeróbico. Uma vantagem adicional desta adição de ácido é que ele auxilia na desgaseificação do efluente líquido. Assim, em uma realização específica, um ácido orgânico líquido ou dissolvido é adicionado ao meio de contato que faz com que o efluente do reator anaeróbico entre em contato com o gás de produto tratado.

[026] Em uma realização adicional, um dispositivo para impedir que o líquido seja arrastado com o gás carregado com sulfetos que sai da coluna de extração no topo pode ser provido, tal como um tambor de knock-out ou uma placa de respingo (107) no topo da coluna de extração. Assim, em uma realização específica, a coluna de extração (1) é provida de um meio de coleta de líquido (107) entre a saída de gás (13) e a zona de contato (15).

[027] A coluna de extração preferivelmente possui um formato cilíndrico. Além das entradas e saídas descritas acima, a coluna é preferível e essencialmente fechada.

[028] O reator anaeróbico e a unidade de extração combinados da invenção compreendem um reator anaeróbico de fluxo ascendente (2) e a coluna de extração (1) descrita acima. Uma saída de líquido (19) do tanque de mistura (ou seção de mistura da coluna de extração) pode ser conectada a uma entrada de líquido (26) na parte inferior do reator anaeróbico, e a entrada de líquido (14) da coluna de extração é conectada a uma saída de líquido (28) no topo do reator anaeróbico.

[029] O reator anaeróbico pode ser um reator fechado, mas pode também ser aberto. Ele é preferivelmente fechado, o que resulta na ausência essencial de ar no espaço livre do reator e, assim, no efluente que deixa o reator pela saída (28). Se desejado, uma desgaseificação adicional do efluente pode ser provida por uma saída de desgaseificação (51) na linha entre a saída (28) e a entrada (14) . As dimensões de altura do reator anaeróbico podem ser comparáveis às da unidade de extração-recirculação, embora o reator anaeróbico seja preferivelmente um pouco mais elevado, de maneira a permitir uma simples passagem do líquido descarregado do reator à unidade de extração-recirculação. Dimensões típicas do reator anaeróbico são, por exemplo, uma altura de 15 m e um diâmetro de 3 m, com um rendimento por hora na ordem de 10 a 20 m3/h para um reator relativamente pequeno e uma altura de 3 0 m e um diâmetro de 15 m, com um rendimento por hora na ordem de 1000 a 1500 m3/h para um reator relativamente grande. Obviamente, quaisquer dimensões intermediárias, mas também menores até, por exemplo, dimensões de 10 m, ou mesmo 6 m de altura e maior até, por exemplo, 40 ou mesmo 50 m de altura são também viáveis. Uma altura de reator acima de 20 m é preferida.

[030] O reator anaeróbico pode vantajosamente compreender dois compartimentos, uma zona de reator inferior relativamente turbulenta (21) e uma zona de reator superior relativamente calma (22), e uma zona de gás (espaço livre) superior (23) . O gás pode ser coletado das zonas de reator por exaustores coletores de gás (24), e alimentado à zona de gás (3) através de linhas (25) , e a separação de gás do líquido e biomassa na zona de gás superior (23). O gás deixa o reator através da saída (29) e pode ser alimentado a uma unidade de dessulfuração (3). O reator anaeróbico é preferivelmente equipado com um tubo de circulação de fluxo descendente interno (27), como em um reator IC, tendo uma vazão que é preferivelmente pelo menos igual ao fluxo total líquido através do reator anaeróbico. Assim, a relação de reciclagem dentro do reator é preferivelmente pelo menos 1, mais preferivelmente entre 2 e 6.

[031] Enquanto o reator anaeróbico (2) e a coluna de extração (1) estiverem dispostos adequadamente como colunas separadas, é possível integrar o recirculador no reator anaeróbico, por exemplo, como um cilindro interno dentro do reator (cilíndrico), ou como uma divisão vertical de uma unidade de reator/extração/recirculador combinada, por exemplo, como um meio-cilindro. Em qualquer uma das tais disposições, um tubo de circulação de fluxo descendente separado (27) pode ser provido dentro ou fora do reator, ou pode ser dispensado. Além disso, o tubo downerdo reator poderia ser combinado em uma unidade de extração/recirculador.

[032] Uma vantagem específica da invenção é que a hidráulica pode ser controlada de maneira simples e econômica, incluindo uma passagem de queda livre - isto é, de economia de energia - do efluente anaeróbico à coluna de extração e a operação de fluxo mais descendente, como resultado da menor altura ou menor posição na coluna de extração (1).

[033] A unidade de extração e limpeza de gás combinada da invenção compreende a coluna de extração (1) conforme descrita acima e uma unidade de dessulfuração de gás (3). A unidade de dessulfuração pode ser uma unidade conforme descrita, por exemplo, nos documentos EP 0487705, EP 0561889, e US 6,656,249. A saída de gás (13) do recirculador é conectada a uma entrada (31) da unidade de dessulfuração para remover sulfeto de hidrogênio, e a entrada de gás (16) é conectada a uma saída de gás da unidade de dessulfuração. A unidade de dessulfuração pode compreender uma unidade de abrasão para absorver o sulfeto de hidrogênio em um líquido de abrasão e opcionalmente um reator de oxidação de sulfetos para oxidar o sulfeto de hidrogênio (ambos dentro da unidade (3) , não mostrados individualmente) . Este pode ser um reator químico que converte sulfeto em enxofre, sulfato ou em outra espécie de enxofre de estado de oxidação positivo. Preferivelmente, entretanto, o reator é um reator aeróbico compreendendo bactérias oxidantes de sulfetos. O reator aeróbico é operado com limitação de oxigênio de maneira a converter sulfeto em enxofre elementar. O enxofre elementar é separado por deposição e o gás limpo deixa a unidade de dessulfuração, opcionalmente através de um tanque de buffer de gás, através da saída (32) e pode ser parcialmente reciclado (34) como um gás de limpeza para a coluna de extração (1) através da entrada (16), e parcialmente ser utilizado como combustível gasoso (33) para produção de calor ou energia.

[034] A invenção também se refere a uma combinação de um reator anaeróbico (2), uma coluna de extração (1), com um sem seção de mistura (40), e uma unidade de dessulfuração de gás (3) , linhas de gás sendo providas entre o reator anaeróbico (saída 29), e coluna de extração (saída 13) do outro lado, e unidade de dessulfuração de gás (entrada 31), entre a unidade de dessulfuração de gás (saída 32) e a coluna de extração (entrada 16), e uma linha de líquido sendo provida entre o reator anaeróbico (saída 28) e a coluna de extração (entrada 14). A combinação adicionalmente compreende uma saída de gás limpo (33) e uma entrada de águas residuais (43), esta última através de um tanque de pré-condicionamento separado (42) ou através da seção de mistura ou tanque de mistura (40), ou ambos. As partes opcionais preferidas adicionais da combinação são descritas acima e abaixo. É particularmente preferida uma realização na qual a seção de mistura (40) esteja na zona inferior da coluna de extração (1) e uma linha de líquido da saída (19) à entrada (26) seja provida.

[035] A invenção também engloba combinações de mais de um reator anaeróbico com uma ou mais colunas de extração e uma ou mais unidades de dessulfuração, em que um(a) segundo(a) reator, coluna ou unidade pode ser utilizado(a) para continuar a operação enquanto o(a) primeiro(a) é desconectado(a) para manutenção ou semelhante. Por exemplo, dois reatores anaeróbicos podem ser acoplados a uma única coluna de extração com unidade de dessulfuração, ou um único reator anaeróbico pode ser acoplado a duas colunas de extração. Nesta última disposição, pode ser suficiente que apenas uma coluna de extração seja provida com a zona de mistura inferior para introduzir e misturar águas residuais novas a serem tratadas. É especialmente vantajosa uma combinação de dois reatores anaeróbicos e duas colunas de extração, com linhas de conexão entre cada par de reatores e coluna, com uma ou duas unidades de dessulfuração, permitindo total operação a qualquer momento enquanto um reator ou uma coluna estiver em reparos, e capacidade dupla permitida quando houver necessidade de alta capacidade.

[036] O processo de remoção de sulfeto de hidrogênio de um efluente contendo sulfeto de um reator anaeróbico de acordo com a invenção compreende: - o contato do efluente em contracorrente com um gás de limpeza para absorver sulfeto de hidrogênio no gás, assim, produzindo um efluente dessulfurado e um gás carregado com sulfetos, - a coleta do efluente líquido dessulfurado após o dito contato, a descarga de uma parte do efluente coletado como efluente tratado, - a adição do gás carregado com sulfetos ao gás produzido do reator anaeróbico e dessulfuração do mesmo para produzir o gás de produto tratado.

[037] Preferivelmente, o processo adicionalmente compreende, na alternativa em que apenas uma parte do líquido dessulfurado coletado é descarregado como efluente tratado: - a adição de águas residuais ao líquido dessulfurado restante a jusante da dita descarga, e mistura, e - a alimentação do líquido misturado assim obtido ao reator anaeróbico.

[038] O processo é preferivelmente realizado em uma única coluna de fluxo descendente tendo uma parte superior para fazer com que o líquido de recirculação entre em contato com o gás, e uma parte inferior para coletar o líquido de recirculação, isto é, uma fossa de líquido, descarregando parte do mesmo e adicionando águas residuais. Tal coluna de extração-recirculação é descrita acima em maiores detalhes. Entre a dita coleta e a dita descarga, isto é, na parte do líquido superior da coluna, o líquido é autorizado a desgaseificar.

[039] Na realização preferida na qual apenas parte do líquido dessulfurado coletado é descarregada, outra parte do efluente dessulfurado é recirculada. A relação de volume entre a parte descarregada e a parte recirculada pode ser adaptada à qualidade das águas residuais e ao desempenho do reator anaeróbico. Ela pode variar, por exemplo, entre 5:95 e 95:5, em particular entre 15:85 e 80:20, mais em particular entre 25:75 e 60:40.

[040] O gás de limpeza é, em particular, um gás de produto tratado do reator anaeróbico, isto é, biogás dessulfurado. O gás de produto (biogás) do reator anaeróbico conterá níveis apreciáveis de sulfeto de hidrogênio, geralmente acima de 0,5% em volume, tipicamente entre 1 e 2% em volume. Componentes principais do gás de produto podem ser metano e dióxido de carbono, e quantidades menores de outros hidrocarbonetos, monóxido de carbono, ou nitrogênio. O gás de limpeza que entra na coluna de extração, isto é, o gás de produto após o tratamento de dessulfuração, possui um teor de sulfeto de hidrogênio reduzido, qual é tão baixo quanto possível. Preferivelmente, o nível de H2S do gás tratado é menor que 0,2% em volume, preferivelmente menor que 0,05% em volume, mais preferivelmente menor que 0,02% em volume (menor que 200 ppm). Os componentes principais do gás tratado ainda são metano e dióxido de carbono. O gás de limpeza (e o biogás) possui baixo teor de oxigênio, isto é, menos que 1% em volume de oxigênio; em particular, ele contém essencialmente nenhum oxigênio, isto é, menos de 10 ppm de oxigênio.

[041] É preferido, para manter condições de pH ideais no reator e no recirculador, que o gás contenha níveis apreciáveis de dióxido de carbono. Níveis preferidos de dióxido de carbono são pelo menos 5% em volume, mais preferivelmente pelo menos 10% em volume, ou ainda pelo menos 15% em volume, até 50% em volume, ou preferivelmente até 40% em volume. A presença de dióxido de carbono no biogás permite um controle de pH favorável no reator anaeróbico e na unidade de extração, assim evitando a necessidade de quantidades substanciais de produtos químicos de controle de pH, tal como soda cáustica (hidróxido de sódio) ou ácidos. O pH preferido do líquido anaeróbico e do líquido de recirculação, que simultaneamente permitem o crescimento ideal e a atividade das bactérias anaeróbicas e remoção eficaz de sulfeto de hidrogênio do líquido de recirculação, está entre 6,0 e 9,0, preferivelmente abaixo de 8,5, mais preferivelmente entre 6,5 e 8,0. A temperatura de reação no reator anaeróbico é de preferivelmente pelo menos 20 °C, mais preferivelmente pelo menos 25 °C, preferivelmente até 45 °C, ou preferivelmente até 40 °C ou até 39 °C ou mesmo até 37 °C.

[042] Na realização particularmente preferida na qual o gás de limpeza é biogás proveniente do reator anaeróbico, o gás foi dessulfurado antes de entrar em contato com o líquido de recirculação. A dessulfuração pode ser realizada utilizando métodos conhecidos na técnica, incluindo a absorção de sulfeto de hidrogênio em um líquido de abrasão e conversão do sulfeto absorvido por processos de oxidação química ou biológica, nos quais sulfeto de hidrogênio é oxidado a enxofre, sulfeto, sulfato, tiossulfato ou outras espécies que são menos nocivas do que sulfeto de hidrogênio e/ou que possam ser convenientemente separadas do gás. Preferivelmente, o sulfeto de hidrogênio é removido por oxidação biológica a enxofre elementar, o qual pode ser separado facilmente. O líquido transportador utilizado para a oxidação (biológica) pode, assim, ser reciclado como líquido de abrasão e líquido de reator aeróbico.

[043] Após ter sido utilizado como um líquido de contato e ter absorvido a maior parte ou todo o sulfeto de hidrogênio do líquido de recirculação, o gás utilizado é preferivelmente reciclado através de uma etapa de dessulfuração descrita acima.

[044] A invenção também se refere a um processo para o tratamento de águas residuais, contendo pelo menos 50 mg de compostos de enxofre em base de enxofre elementar, preferivelmente pelo menos 100 mg, mais preferivelmente pelo menos 300 mg, mais preferivelmente pelo menos 400 mg de compostos de enxofre, em uma base de enxofre elementar, em um reator anaeróbico de fluxo ascendente, e a sujeição do efluente líquido contendo sulfetos emitido do reator anaeróbico coletado no topo do reator anaeróbico à remoção de sulfetos pelo processo descrito acima.

[045] Conforme descrito acima, o reator anaeróbico é vantajosamente projetado como um reator fechado, em que substancialmente todo o efluente líquido descarregado do reator é recirculado através da coluna de extração e dessulfurado pelo contato com o gás de limpeza. Alternativamente, o reator anaeróbico pode ser um reator aberto. Além disso, a maior parte ou todo o efluente gasoso é dessulfurizado(a) em uma unidade separada, preferivelmente um reator de oxidação de sulfetos biológico, conforme descrito acima.

[046] As águas residuais a serem tratadas no reator anaeróbico são, em particular, águas residuais que contenham níveis significativos de compostos de enxofre. Tais águas residuais podem ser provenientes da indústria de fabricação de papel, por exemplo, resíduos de processo de celulose de Kraft, de certas indústrias de mineração e química, da produção biológica de alcoóis (biocombustíveis) ou da remoção de dióxido de enxofre de gases residuais, por exemplo, da combustão de combustíveis que contenham enxofre, e semelhantes. Os compostos de enxofre podem ser quaisquer espécies de enxofre, tal como sulfato, sulfito, tiossulfato, sulfeto, etc. Os níveis de compostos de enxofre podem variar amplamente, por exemplo, entre 0,05 e 20 g dos compostos de enxofre (em base de enxofre elementar) por 1, em particular, entre 0,1 e 10 g de enxofre por 1. Em base de sulfato, as quantidades de peso são três vezes a quantidade em base de enxofre elementar devido à relação de peso polar SO42-/S0 de 96/32. Assim, pelo menos 0,05 g (50 mg) de compostos de enxofre por 1 em base de enxofre elementar correspondem a pelo menos 150 mg de sulfato por 1.

[047] Quando o nível de enxofre estiver acima de 400 mg/l, preferivelmente já quando estiver acima de 300 mg/l, em base de enxofre elementar, as águas residuais terão de ser precondicionadas, por exemplo, por diluição, a um nível abaixo de 400 mg/l, especialmente abaixo de 300 mg/l, ainda mais preferivelmente abaixo de 200 mg/l, para impedir intoxicação da biomassa anaeróbica. Isto é vantajosamente realizado pela adição das águas residuais na zona de mistura da coluna de extração ou um tanque de mistura separado (40). O condicionamento adicional das águas residuais, tal como fornecimento de nutrientes, controle de pH de acidificação, etc., pode ser realizado em uma seção de mistura e/ou em um tanque de precondição (42), de maneira a torná-las aceitáveis para tratamento anaeróbico. Como resultado das características do processo e equipamento de acordo com a invenção, a presente invenção é particularmente adequada para tratar águas residuais contendo mais de 300 mg (em base de enxofre elementar, isto é, mais de 900 mg de sulfato) , em particular, mais de 400 mg de compostos de enxofre (isto é, mais de 1,2 g de sulfato), mais em particular mais de 667 mg de compostos de enxofre (isto é, mais de 2 g de sulfato) por litro, até, por exemplo, 10 g de compostos de enxofre por litro.

[048] As águas residuais preferivelmente também contêm uma fonte de carbono (matéria orgânica), tipicamente na forma de matéria de COD (demanda de oxigênio químico). Preferivelmente, a relação de COD (em mg de oxigênio) para enxofre (em mg de enxofre elementar) é pelo menos 0,5, preferivelmente pelo menos 4.

[049] A extração melhorada do sulfeto dissolvido por biogás dessulfurado leva a uma redução da concentração de sulfetos potencialmente inibitória. As precondições de uma unidade de extração eficaz são: uma parte de pulverização para atingir uma distribuição eficaz do líquido, uma zona de contato para atingir contato ideal entre gás e líquido (por exemplo, em um purificador de leito empacotado), e uma fossa onde o líquido tratado é coletado e transportado mais adiante, por exemplo, por bombeamento.

[050] Embora a extração de H2S dentro do reator anaeróbico tenha sido contemplada na técnica, parece que a extração de sulfeto não pode ser atingida em um biorreator sem perturbar as condições biológicas ideais, especialmente não em reatores anaeróbicos de alta taxa em que as velocidades de fluxo ascendente de líquido e gás são ligadas a limites operacionais. Portanto, o processo de extração do efluente anaeróbico é preferivelmente realizado em uma seção de extração de acordo com a invenção, a qual pode ser uma coluna externa ou uma seção vertical interna do reator anaeróbico. A seção de extração é combinada com o dispositivo de recirculação externo, bem como com uma zona de pré-mistura de águas residuais, para reduzir a quantidade de equipamentos. Esta combinação permite diversas vantagens da presente invenção.

[051] A Figura apensa esquematicamente mostra tal coluna de recirculação/extração, ilustrada como (1). O efluente anaeróbico entra no topo da unidade (14) e é distribuído à uma área de contato como um leito empacotado conforme conhecido por técnicos no assunto. O biogás dessulfurado é alimentado na coluna (16) e um biogás rico em sulfetos deixa a coluna (13) e é levado à seção de tratamento de biogás (3) com o biogás formado no biorreator anaeróbico (2). O efluente (parcialmente) dessulfurado é desgaseificado na zona de desgaseificação (entre (101) e (17)), e parte (ou a totalidade) do mesmo deixa a coluna (17) para pós- tratamento adicional ou é descarregada. A parte restante do fluente anaeróbico dessulfurado entra na zona de mistura 40, onde é misturada com afluente. Esta mistura é alimentada ao biorreator anaeróbico (2) por uma bomba (ou tipo de dispositivo de deslocamento de líquidos positivo conhecido por técnicos no assunto) . A Figura também mostra os componentes adicionais de um processo completo, incluindo o reator anaeróbico (2), recirculação, extração (1) e dessulfuração do biogás (3) . Para este processo de dessulfuração, é importante impedir a poluição do biogás, que muitas vezes ocorre com tecnologias de dessulfuração conhecidas por técnicos no assunto. Um bom exemplo é a tecnologia THIOPAQ®, agora conhecida na técnica, na qual a seção de absorção do biogás é separada do processo de dessulfuração biológica, e saturada com CO2, garantindo um teor de CO2 comparável antes e depois do purificador THIOPAQ.

Claims (14)

1. PROCESSO PARA REMOVER SULFETO DE HIDROGÊNIO DE UM EFLUENTE LÍQUIDO CONTENDO SULFETO DE UMA ÁGUA RESIDUAL DE TRATAMENTO DE REATOR ANAERÓBICO CONTENDO PELO MENOS 100 mg/L DE COMPOSTOS DE ENXOFRE EM BASE DE ENXOFRE ELEMENTAR, caracterizado por compreender: (i) o contato, na parte superior de uma coluna de remoção descendente, substancialmente de todo o efluente líquido do reator anaeróbico em contracorrente com o gás de produto tratado do reator anaeróbico para absorver sulfeto de hidrogênio no gás de produto tratado, produzindo um efluente dessulfurado e um gás carregado com sulfeto, (ii) a coleta do efluente dessulfurado após o dito contato na parte inferior da coluna, (iia) permitir que o efluente líquido coletado na etapa (ii) degase na parte inferior da coluna, (iii) a descarga de uma parte do efluente coletado como efluente desgaseificado na etapa (iia) como um efluente tratado, (iv) a adição de uma parte não descarregada do efluente coletado desgaseificado na etapa (iia) em um tanque de mistura, em que é parte da coluna ou que é conectado à coluna por uma linha de líquido e mistura dele com água residual afluente, (v) a alimentação do líquido misturado assim obtido ao reator anaeróbico; e (vi) a dessulfuração do gás carregado com sulfetos produzido na etapa (i) para produzir o gás de produto tratado.

2. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo gás de produto tratado, antes do dito contato na etapa (i), conter menos de 0,2% em volume, preferivelmente, menos de 0,05% em volume de sulfeto de hidrogênio.

3. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo gás tratado, antes do dito contato na etapa (i), conter pelo menos 5% em volume, preferivelmente, entre 10 e 50% em volume de dióxido de carbono.

4. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pela dita dessulfuração da etapa (iv) ser realizada por oxidação de sulfeto de hidrogênio, preferivelmente, por oxidação biológica de sulfeto de hidrogênio a enxofre elementar.

5. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo pH do efluente líquido estar entre 6,0 e 8,5.

6. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo gás carregado com enxofre produzido na etapa (i) ser adicionado ao gás de produto do reator anaeróbico e substancialmente o gás de produto inteiro ser dessulfurado.

7. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pela dita água residual conter entre 100 mg e 10 g de compostos de enxofre (em base de enxofre elementar) por litro, em particular como sulfato, sulfito e/ou tiossulfato e, quando a água residual contiver mais de 400 mg/l (em base de enxofre elementar), a concentração de enxofre é reduzida por diluição a menos de 400 mg/l, preferivelmente, a menos de 300 mg/l, antes de ser alimentado ao reator anaeróbico, como o líquido misturado na etapa (v).

8. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pela coluna descendente adicionalmente ter uma parte mais inferior para adicionar e misturar água residual e alimentá-la ao reator anaeróbico.

9. PROCESSO PARA O TRATAMENTO DE ÁGUA RESIDUAL CONTENDO PELO MENOS 100 mg DE COMPOSTOS DE ENXOFRE EM BASE DE ENXOFRE ELEMENTAR, caracterizado por compreender o tratamento da água residual em um reator anaeróbico ascendente tendo um espaço superior fechado e a sujeição do efluente líquido contendo sulfetos do reator anaeróbico coletado na parte superior do reator anaeróbico ao processo, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 8.

10. REATOR ANAERÓBICO E UNIDADE DE REMOÇÃO, compreendendo um reator anaeróbico ascendente (2) e uma COLUNA DE REMOÇÃO DE LÍQUIDO DESCENDENTE (1) tendo uma altura que é pelo menos duas vezes seu diâmetro, caracterizada por compreender uma parte superior (11) disposta para conter gás e para fazer com que o líquido entre em contato com o gás, e uma parte inferior (12) disposta para conter líquido, a coluna compreendendo, de cima para baixo: a. uma saída de gás (13) na parte superior; b. uma entrada de líquido (14), compreendendo um meio para distribuir o líquido no gás; c. uma zona de contato (15) para fazer com que gás e o líquido entrem em contato intimamente; d. uma entrada de gás (16); e. uma saída de líquido (17) na dita parte inferior (12), a zona da parte inferior acima da dita saída de líquido (17) e abaixo da dita entrada de gás (16), formando uma zona de desgaseificação; f. uma entrada de líquido (43); g. uma saída de líquido (19); a dita entrada (f) e saída (g) sendo providas em um tanque de mistura (40), cujo tanque de mistura faz parte da coluna ou que seja conectado a coluna por uma linha de líquido (18) , em que uma saída do líquido (28) na parte superior do reator anaeróbico (2) é conectada à entrada de líquido (14) da coluna de remoção (1), a saída do líquido (19) da coluna de remoção (2) é conectada a uma entrada do líquido (26) no fundo do reator anaeróbico (2) e uma saída do gás (29) na parte superior do reator anaeróbico e a saída do gás (13) da coluna de remoção (1) está conectada a uma saída combinada.

11. REATOR ANAERÓBICO E UNIDADE DE REMOÇÃO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pela dita parte superior (11) se estender à parte superior 20 a 50% da altura da coluna, incluindo o dito tanque de mistura (40), e/ou onde a distância vertical entre a parte superior e inferior (12) e a saída de líquido (17), e a distância vertical entre a entrada de líquido (43) e a saída de líquido (19) cada um se estendendo a pelo menos 5%, preferivelmente entre 10 e 40% da altura da coluna incluindo o dito tanque de mistura (40), em que um dispositivo de controle opcional (102) é provido para controlar o nível de líquido na coluna ao ajustar o fluxo através da saída de líquido (17).

12. REATOR ANAERÓBICO E UNIDADE DE REMOÇÃO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 ou 11, caracterizados pelo reator anaeróbico ser fechado na parte superior.

13. REATOR ANAERÓBICO E UNIDADE DE REMOÇÃO de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 12, caracterizados pelo reator anaeróbico ter uma altura entre 15 e 30 m, e/ou a coluna de remoção ter uma altura entre 10 e 30 m, a altura do reator anaeróbico sendo pelo menos a altura da coluna de remoção.

14. REATOR ANAERÓBICO E UNIDADE DE REMOÇÃO E LIMPEZA DE GÁS, caracterizados por compreender um reator anaeróbico, uma coluna de remoção, de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 13, em que a saída combinada da saída de gás (13) e (29) é conectada a uma entrada (31) de um reator de oxidação de sulfeto (3) para oxidar sulfeto de hidrogênio, e a entrada de gás (16) ser conectada a uma saída de gás (32) do reator de oxidação de sulfeto, em que o reator de oxidação de sulfeto é um reator aeróbico compreendendo bactérias de oxidação de sulfetos, sendo o reator aeróbico operado com limitação de oxigênio para converter sulfeto em enxofre elementar.

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