BR112019023492A2

BR112019023492A2 - método para pré-tratamento de lama antes da digestão anaeróbica

Info

Publication number: BR112019023492A2
Application number: BR112019023492A
Authority: BR
Inventors: David Theodoulou Michael; Harrison Dorian; Debacker Marion
Original assignee: Bl Technologies, Inc.
Priority date: 2017-05-11
Filing date: 2018-05-09
Publication date: 2020-05-19
Also published as: BR112019023492B1; US11453608B2; CA3062599A1; US20200062629A1; EP3621927A1; WO2018208999A1

Abstract

a lama, por exemplo, lama primária ou lama ativada por resíduos ou ambas de uma estação de tratamento de águas residuais, é pré-tratada antes da digestão anaeróbica. o pré-tratamento inclui um tratamento mecânico opcional para reduzir a viscosidade da lama e um tratamento de hidrólise biológica. o tratamento de hidrólise biológica pode ser realizado em uma série de reatores, alguns dos quais são mantidos a uma temperatura na faixa de 50 a 70 °c. os reatores fornecem um tempo de retenção combinado na faixa de 0,5 a 6 dias. opcionalmente, as medições do ph da lama durante ou após a hidrólise biológica, ou a produção de biogás a partir de um digestor anaeróbico a jusante, podem ser consideradas no ajuste da temperatura de um ou mais dos reatores de hidrólise biológica.

Description

“MÉTODO PARA PRÉ-TRATAMENTO DE LAMA ANTES DA DIGESTÃO ANAERÓBICA”

Referência Cruzada a Pedidos Relacionados

[001] Este pedido é um pedido não provisório do Pedido de Série US No. 62/504.836, depositado em 11 de maio de 2017, o qual é incorporado por referência.

Campo da Invenção

[002] Este relatório descritivo refere-se ao tratamento de lama, por exemplo por hidrólise, antes da digestão anaeróbica.

Antecedentes da Invenção

[003] Uma estação de tratamento de águas residuais (ETAR) normalmente produz lama primária e lama ativada por resíduos, alternativamente chamada lama secundária. Uma ou ambas as lamas podem ser tratadas posteriormente em um digestor anaeróbico. Opcionalmente, uma ou ambas as lamas podem ser espessadas até cerca de 6% em peso de sólidos secos. O digestor é geralmente um digestor anaeróbico mesofílico. O digerido de um digestor anaeróbico mesofílico é um biossólido de Classe B (EUA) ou um convencionalmente tratado europeu.

[004] A patente US 6.929.744, Tratamento de Lama a uma Temperatura Mesofílica, descreve um método de pré-tratamento de lama de esgoto antes da digestão anaeróbica. No pré-tratamento, a lama é incubada a uma temperatura na faixa mesofílica (entre 25 °C e 45 °C) por 1 a 4 dias, enquanto passa por um reator de fluxo contínuo (plug flow). Acredita-se que esta temperatura reduza o conteúdo de patógenos da lama.

[005] Em um processo comercial usado pela United Utilities e Monsal (agora Suez Water Technologies & Solutions), a lama é alimentada inicialmente em 6 a 8% de sólidos totais (TS) por meio de uma série de seis reatores de fluxo serial, que se aproximam do fluxo contínuo. A lama é tratada

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2/9 como um lote em cada reator e, após um período de tempo, transferida para o próximo reator até a descarga do último reator. Os reatores são mantidos a 42 °C. O tempo total de retenção dos reatores é de 2 a 3 dias. Este pré-tratamento é seguido por digestão anaeróbica por 12 dias a 35 °C. O pré-tratamento aumenta a secreção de enzimas por bactérias presentes na lama para, assim, tratar a lama por meio de hidrólise biológica, alternativamente denominada hidrólise enzimática. Em Monsal Enzymic Hydrolysis - New Developments and Lessons Learnt (S. Bungay e M. Abdelwahab, 13^a Conferência e Oficina Européia de Biossólidos e Recursos Orgânicos), os autores afirmam que a taxa de uma reação controlada por enzima começa a cair em 40 °C e cessa completamente em 60 °C.

[006] Em uma variação do processo descrito acima, a lama é aquecida no quarto reator a 55 °C. Depois de atingir essa temperatura, a lama é transferida para apenas um dentre o quinto ou o sexto reator, mantida a 55 °C e depois descarregada. Diz-se que esse processo alternativo fornece pasteurização térmica. O tempo total de retenção para a parte de pasteurização do processo é de cerca de 24 horas, o que, considerando o tempo necessário para aquecimento e transferências, produz um tempo de espera a 55 °C de cerca de 5 horas. A combinação de hidrólise enzimática e pasteurização térmica (às vezes chamada de hidrólise aprimorada) produz biossólidos tratados aprimorados europeus.

Introdução

[007] Este relatório descritivo descreve um sistema e processo para pré-tratamento de lama antes da digestão anaeróbica, opcionalmente envolvendo hidrólise biológica. A lama pode ser lama primária, lama ativada por resíduos ou uma combinação delas. A lama é tratada inicialmente a uma temperatura híbrida entre mesofílica e termofílica, por exemplo, a uma temperatura superior a 45 °C, opcionalmente 60 °C ou mais, e não superior a

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3/9 °C, opcionalmente não superior a 62 °C. Por exemplo, a temperatura pode estar em uma faixa de 50 a 70 °C ou 50 a 65 °C ou 55 a 62 °C. A lama pode ser tratada inicialmente na temperatura híbrida por 0,5 a 3 dias, o que pode incluir um tempo de espera de pelo menos 4,8 horas na temperatura híbrida.

[008] Opcionalmente, a lama pode ser mantida à temperatura híbrida durante todo o pré-tratamento, por exemplo, por 1 a 6 dias. Em outra alternativa, a lama é pré-tratada primeiro na temperatura híbrida, por exemplo, por 0,5 a 3 dias e, em segundo lugar, em uma temperatura mesofílica, por exemplo, em uma faixa de 35 a 50 °C ou 40 a 45 °C, por exemplo, de 0,3 a 3 dias. Opcionalmente, a temperatura de pré-tratamento pode ser ajustada com base em medições de um ou mais parâmetros indicando a extensão da hidrólise ou acidificação da lama antes da fase de digestão a jusante. O parâmetro pode ser, por exemplo, o pH da lama pré-tratada ou a produção de biogás em um digestor a jusante. O pré-tratamento pode ser fornecido em lotes entre 4 e 9 reatores em série (isto é, reatores de fluxo serial). O primeiro reator é aquecido até a temperatura híbrida. Opcionalmente, a lama pode ser aquecida até a temperatura híbrida no primeiro reator e deixada esfriar naturalmente nos reatores a jusante. Opcionalmente, a temperatura de um ou mais reatores subsequentes é ativamente variada, por exemplo, usando um trocador de calor, para aumentar ou diminuir a temperatura da lama.

Breve Descrição das Figuras

[009] A Figura 1 é um fluxograma de processo de um sistema de tratamento.

Descrição Detalhada da Invenção

[010] Os digestores anaeróbicos convencionais realizam todas as fases de digestão dentro de um único tanque. O tanque pode ser mantido a temperaturas mesofílicas ou termofílicas. As condições do tanque único podem não ser ideais para todas as fases da digestão anaeróbica. A fase que limita a

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4/9 taxa geral do processo pode ser a hidrólise da lama.

[011] Um sistema de tratamento, como aqui descrito, pode ser usado para tratar lamas, por exemplo, uma ou mais lamas de uma estação de tratamento de águas residuais (ETAR), antes do tratamento em um digestor anaeróbico, tal como um digestor mesofílico anaeróbico. O tratamento no digestor anaeróbico fornece metanogênese e também pode fornecer pelo menos alguma acidogênese, acetogênese e/ou hidrólise. A uma ou mais lamas podem ter uma concentração de sólidos secos (DS) ou sólidos totais (TS) de 1 a 7% ou 1 a 6%, possivelmente após algum espessamento normalmente realizado em uma ETAR. Opcionalmente, a uma ou mais lamas podem ser ainda mais espessadas, por exemplo, dentro de uma faixa de 7% de sólidos secos (DS) a 12% de DS antes de serem tratadas no sistema.

[012] Sem pretender ser limitado pela teoria, os inventores acreditam que o sistema fornece hidrólise biológica, também chamada hidrólise enzimática, e possivelmente alguma pasteurização, acetogênese ou acidogênese. A hidrólise biológica usa aquecimento enquanto a lama é ácida (o que normalmente ocorre naturalmente) para aumentar a produção de enzimas de organismos que ocorrem naturalmente na lama. Na presença das enzimas, a lama é hidrolisada rapidamente. Embora tenha sido relatado que a hidrólise biológica cessa a 60 °C, os inventores observaram uma redução de sólidos voláteis a 62 °C, o que sugere que a hidrólise biológica da lama da ETAR, ou pelo menos a lama ativada, ainda pode ocorrer a essa temperatura. Os termos hidrólise biológica e hidrólise enzimática serão usados aqui para se referir a processos que mantêm a lama sob condições anaeróbicas (mas antes de ser misturada com microrganismos ativos adicionais como em um digestor anaeróbico), inclusive em temperaturas acima de 60 °C, embora seja possível que algum outro processo ou processos estejam ocorrendo.

[013] Além disso, os inventores observaram que, quando

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5/9 realizada a temperaturas mesofílicas (isto é, 42 a 45 °C), a hidrólise biológica pode ser menos eficaz em lama ativada por resíduos do que em lama primária. No entanto, a hidrólise biológica da lama ativada por resíduos parece aumentar a temperaturas mais altas, por exemplo, temperaturas na faixa de 55 °C a 62 °C. Fornecer um tempo de espera de, por exemplo, pelo menos 24 horas a 55 °C ou mais; pelo menos 4,8 horas a 60 °C ou mais; pelo menos 3,5 horas a 61 °C ou mais; ou pelo menos 2,5 horas a 62 °C ou mais, enquanto o TS da lama é 7% ou menos, também produz biossólidos Classe A da EPA dos EUA.

[014] A Figura 1 mostra um sistema (30) para tratamento de lama. A lama de alimentação (32) entra em um conjunto de reatores (34). A lama de alimentação (32) pode compreender lama ativada por resíduos ou uma mistura de lama ativada por resíduos e lama primária. Os reatores (34) podem ser reatores de fluxo serial. A lama (32) pode ser mantida em cada reator (34) por um período de tempo antes de ser transferida para o próximo reator (34) a jusante ou descarregada do último reator (34). O primeiro reator (34) é aquecido, por exemplo, a mais de 45 °C, por meio de fonte de calor (36). Opcionalmente, o primeiro reator (34) pode ser aquecido entre 50 °C e 70 °C, por exemplo 55, 60, 61 ou 62 °C. Opcionalmente, os outros reatores (34) não são ativamente aquecidos ou resfriados, mas a lama pode ser resfriada naturalmente quando passa por eles. A lama (32) passa, preferencialmente, através de pelo menos alguns e, opcionalmente, todos os reatores (34) em série (isto é, de modo a fornecer uma série de reações em lote sequenciais). O número de reatores (34) pode estar, por exemplo, entre 4 e 9. O tempo total de retenção em todos os reatores (34) combinados pode estar entre 1 e 6 dias, preferencialmente entre 2 e 4 dias. Os reatores (34) podem fornecer um tempo de espera de 4,8 horas ou mais a uma temperatura de 60 °C, enquanto a lama tem um TS inferior a 7%, ou mais ou outra combinação de tempo e temperatura que atendem aos requisitos da EPA dos EUA para biossólidos de Classe A.

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6/9

[015] Ao sair de um ou mais dos reatores (34), o pH da lama (32) pode ser medido, por exemplo, usando um medidor de pH em linha (38). Adicionalmente ou altemativamente, a produção de biogás (40) a partir do digestor anaeróbico (44) pode ser monitorada. Com base em uma ou mais das medições de pH e biogás, a temperatura à qual o primeiro reator (34) é aquecido pode ser alterada. Opcionalmente, a temperatura de um ou mais reatores subsequentes (34) pode também ou pode ser alterada, com ou sem controle com base em uma ou mais das medições de pH e biogás da temperatura do primeiro reator (34). Opcionalmente, uma fonte de aquecimento ou resfriamento (42) pode ser adicionada em qualquer um dos reatores (34) ou compartilhada entre os reatores (34), para alterar a temperatura de um ou mais reatores (34). Em um exemplo, um primeiro reator (34) é aquecido a uma temperatura acima de 45 °C, por exemplo, entre 50 e 70 °C ou 50 a 65 °C. Um reator subsequente (34) é aquecido para manter essa temperatura ou resfriado ativamente ou deixado resfriar naturalmente, de modo que alguns dos reatores (34) tenham uma temperatura entre 35 a 50 °C ou 40 a 45 °C. Coletivamente, os reatores (34) opcionalmente mantêm a lama sob condições anaeróbicas a uma temperatura superior a 45 °C, por exemplo entre 50 - 70 °C ou 50 - 65 °C por 1 a 6 dias; a 50 - 70 °C ou 50 - 65 °C por 0,5 a 3 dias e, depois, a 35 - 50 °C ou 40 - 45 °C por 0,3 a 3 dias; ou sob condições que incluem uma espera de pelo menos 24 horas a 55 °C ou mais ou uma espera de pelo menos 4,8 horas a 60 °C ou mais.

[016] Acredita-se que a temperatura de operação de um reator (34) afeta a taxa de hidrólise da lama. A temperatura pode alterar as características físicas da lama, bem como a atividade enzimática. O sistema (30) fornece flexibilidade para operar um processo de hidrólise biológica de modo que a faixa de temperatura possa ser ajustada com base em informações em tempo real indicando a taxa de hidrólise. Em alguns casos, o digestor

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7/9 anaeróbico (44) pode ser necessário apenas para realizar acidogênese e metanogênese ou, possivelmente, apenas metanogênese.

[017] Altemativamente, a hidrólise biológica, ou qualquer um dos processos descritos neste documento, podem ser realizados em um tanque de estágio único ou em um tanque com defletor interno configurado para induzir o fluxo contínuo.

[018] Opcionalmente, a lama pode ser tratada por meio de um tratamento mecânico ou termomecânico antes da transferência da lama para o primeiro reator (34). Por exemplo, a lama pode ser tratada por mistura de alto cisalhamento. A mistura de alto cisalhamento pode reduzir a viscosidade da lama, além de aquecê-la. Altemativamente, o tratamento mecânico ou termomecânico pode incluir injeção de vapor ou uso de um venturi para induzir queda repentina de pressão na lama ou outro método ou dispositivo de redução de viscosidade. Reduzir a viscosidade da lama é útil, em particular, se a lama for concentrada em mais de 6% ou mais de 7% de TS antes de ser transferida para o primeiro reator (34). Opcionalmente, o tratamento mecânico ou termomecânico aquece a lama a menos de 70 °C; menos de 65 °C; ou menos de 60 °C.

[019] Em um ensaio experimental, a hidrólise enzimática a várias temperaturas foi testada em lama ativada por resíduos de uma estação de tratamento de águas residuais convencional de lama ativada. A lama foi mantida sob condições anaeróbicas em um frasco e misturada periodicamente enquanto era mantida em várias temperaturas. A lama apresentou uma concentração inicial de sólidos voláteis (VS) de 4,8 g/L. As medidas de VS após 3 dias foram: 4,1 g/L para tratamento a 35 °C; 3,8 g/L para tratamento a 42 °C e 3,5 g/L para tratamento a 55 °C.

[020] Em outro ensaio experimental, a hidrólise enzimática a várias temperaturas foi testada em lama ativada por resíduos de um biorreator

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8/9 de membrana que trata águas residuais municipais com um tempo de retenção de sólidos (SRT) de 15 dias. A lama foi mantida sob condições anaeróbicas em um frasco e misturada periodicamente enquanto era mantida em várias temperaturas. A lama apresentou uma concentração inicial de sólidos voláteis (VS) de 7,4 g/L. As medidas de VS após 2 dias foram: 6,8 g/L para tratamento a 35 °C; 6,3 g/L para tratamento a 55 °C e 6,1 g/L para tratamento a 62 °C.

[021] Em outro ensaio experimental, a lama primária e secundário combinada foi pré-tratada por 3 dias. A lama foi mantida sob condições anaeróbicas em um frasco e misturada periodicamente enquanto era mantida em várias temperaturas. A lama foi então submetida a um teste de potencial de geração de biometano (BMP) envolvendo 30 dias de digestão anaeróbica em um reator em escala de bancada para medir a produção de metano e a redução de sólidos. As medidas de redução de VS após 30 dias de digestão anaeróbica foram: 22,6% para pré-tratamento a 42 °C; 24,2% para pré-tratamento inicialmente a 42 °C e posteriormente a 45 °C; 25,1% para prétratamento inicialmente a 55 °C e posteriormente a 42 °C; e 24,5% para prétratamento a 55 °C. As medições da produção de metano após 30 dias de digestão anaeróbica por unidade de VS alimentada ao digestor foram: 433,4 ml de CHVg de VS para pré-tratamento a 42 °C; 435,3 ml de CHVg de VS para pré-tratamento inicialmente a 42 °C e posteriormente a 45 °C; 482,0 ml de CHVg de VS para pré-tratamento inicialmente a 55 °C e posteriormente a 42 °C; e 455,7 ml de CHVg de VS para pré-tratamento a 55 °C. Para os ensaios a duas temperaturas, a temperatura inicial foi aplicada por cerca de metade do período de pré-tratamento de três dias.

[022] Em outro ensaio experimental, uma planta piloto foi alimentada continuamente com 340 L/dia de lama combinada de ETAR (170 L/dia de lama primária bruta a 30 g/L e 170 L/dia de lama secundária espessada (ativada por resíduos) a 35 g/L). O pré-tratamento A consistiu em 3

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9/9 dias de hidrólise enzimática a 42 °C. 0 pré-tratamento B consistiu em 1,8 dias de hidrólise enzimática principalmente a 42 °C, mas incluindo 5 horas a 61 °C no final do pré-tratamento (e algum tempo sendo aquecido de 42 °C a 61 °C). Após o pré-tratamento, a lama foi tratada em um digestor anaeróbico com um tempo de retenção de 12 dias a 37 °C. Com o pré-tratamento A, o digestor produziu 318 m³/dts de biogás e 54% de redução de sólidos voláteis (VSR). Com o pré-tratamento B, o digestor produziu 324 m³/dts de biogás e 51% de VSR. Para comparação, uma lama combinada equivalente é normalmente tratada (sem pré-tratamento) no local em um digestor anaeróbico com um tempo de retenção de 22 dias a 37 °C e produz cerca de 350 m³/dts de biogás e 44% de VSR. Os biossólidos produzidos com o pré-tratamento B atendem aos requisitos de biossólidos de Classe A da EPA dos EUA para aplicação direta no solo, com base no fornecimento de uma retenção de 5 horas a 61 °C. Além disso, as amostras dos biossólidos produzidos com o pré-tratamento A ou o pré-tratamento B mediram os níveis de patógenos que poderíam atender aos requisitos de biossólidos da Classe A da EPA dos EUA, se estivessem presentes constantemente em testes de campo.

[023] Esta descrição escrita usa exemplos para revelar a invenção, incluindo o melhor modo, e também para permitir que qualquer técnico no assunto pratique a invenção, incluindo fabricar e usar quaisquer dispositivos ou sistemas e executar quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações e pode incluir outros exemplos que ocorrem aos técnicos no assunto. Esses outros exemplos devem estar dentro do escopo das reivindicações se eles tiverem elementos estruturais que não diferem da linguagem literal das reivindicações ou se incluírem elementos estruturais equivalentes com diferenças não substanciais em relação às linguagens literais das reivindicações.

Claims

1. MÉTODO PARA PRÉ-TRATAMENTO DE LAMA ANTES DA DIGESTÃO ANAERÓBICA, caracterizado por compreender as etapas de:

manter inicialmente a lama sob condições geralmente anaeróbicas a temperatura acima de 45 °C, por exemplo, em uma faixa de 50 a 70 °C, por um período entre 0,5 e 3 dias e, posteriormente, manter a lama sob condições geralmente anaeróbicas a uma temperatura em uma faixa de 35 a 70 °C por um período entre 0,5 e 3 dias; ou, manter a lama sob condições geralmente anaeróbicas a uma temperatura em uma faixa de 35 a 70 °C por um período entre 1 e 6 dias, incluindo manter a lama dentro do período a uma temperatura de pelo menos 55 °C por 24 horas ou mais, ou a uma temperatura de pelo menos 60 °C por 4,8 horas ou mais.

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela lama ser inicialmente mantida a uma temperatura na faixa de 50 a 65 °C ou 55 a 62 °C.

3. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pela lama ser subsequentemente mantida a uma temperatura em uma faixa de 35 a 50 °C ou em uma faixa de 40 a 45°C.

4. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pela lama ser mantida a uma temperatura de pelo menos 55 °C por 24 horas ou mais, ou a uma temperatura de pelo menos 60 °C por 4,8 horas ou mais.

5. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por compreender ainda ajustar uma ou ambas as temperaturas inicial ou subsequente, considerando medições de um ou ambos o pH da lama durante ou após o pré-tratamento ou a produção de biogás em um digestor a jusante.

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6. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por compreender ainda ajustar uma ou ambas as temperaturas inicial ou subsequente, considerando medições de pH da lama durante ou após o prétratamento.

7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por compreender ainda ajustar uma ou ambas as temperaturas inicial ou subsequente, considerando medições de produção de biogás em um digestor a jusante.

8. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pela lama passar em série através de entre 4 e 9 reatores.

9. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo primeiro reator ser aquecido até a temperatura inicial.

10. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 9, caracterizado por pelo menos um reator a jusante ser aquecido ou resfriado.

11. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pela lama ser lama de estação de tratamento de águas residuais.

12. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pela lama compreender lama ativada.

13. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado por compreender o tratamento da lama por meio de um tratamento mecânico ou termomecânico antes da etapa de manter inicialmente a lama sob condições geralmente anaeróbicas.

14. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pela lama ser tratada por mistura de alto cisalhamento.

15. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo tratamento mecânico ou termomecânico aquecer a lama a menos de 70

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3/3 °C, menos de 65 °C ou menos de 60 °C.