BR112021003175A2

BR112021003175A2 - métodos e sistemas para o tratamento da água contendo fosfogesso

Info

Publication number: BR112021003175A2
Application number: BR112021003175-8A
Authority: BR
Inventors: Wenxin Du; Hao Dang; Justin Wayne Higgs
Original assignee: Evoqua Water Technologies Llc.
Priority date: 2018-08-21
Filing date: 2019-08-21
Publication date: 2021-05-11
Also published as: BR112021003131A2; WO2020041514A1; US20210323852A1; WO2020041458A1; WO2020041514A9; CA3107787A1; AU2019325324A1; WO2020041507A1; CA3107306A1; CA3107164A1; BR112021003046A2; BR112021003110A2; CA3107313A1; AU2019326527A1; AU2019324164A1; AU2019325553A1; WO2020041507A9; WO2020041511A1

Abstract

MÉTODOS E SISTEMAS PARA O TRATAMENTO DA ÁGUA CONTENDO FOSFOGESSO. A presente invenção refere-se a métodos para o processamento de águas residuais de fosfogesso pré-tratadas. A precipitação de constituintes selecionados pode ser promovida para controlar um nível de dureza das águas residuais pré-tratadas. Amônia pode então ser removida do fluxo de processo por meio de osmose reversa. Um contator de membrana e/ou unidade(s) de polimento podem ser opcionalmente usados. Também se refere aos sistemas relacionados.

Description

“MÉTODOS E SISTEMAS PARA O TRATAMENTO DA ÁGUA CONTENDO FOSFOGESSO” REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS

[001] Este pedido reivindica prioridade para o Pedido de Patente Provisório Norte-Americano Nº de Série 62/720.566 depositado em 21 de agosto de 2018 e intitulado “MÉTODO E SISTEMA PARA TRATAR ÁGUAS RESIDUAIS CONTENDO FOSFOGESSO, ”Pedido de Patente Provisório Norte-Americano Nº de Série 62/770.470 depositado em 21 de novembro de 2018 e intitulado “PROCESSO DE

CALAGEM MELHORADO DE ÁGUA ÁCIDA PARA A RECUPERAÇÃO DE FOSFATO E REDUÇÃO DE ESCALA PARA PROCESSOS A JUSANTE,” Pedido de Patente Provisório Norte-Americano Nº de Série 62/798.696 depositado em 30 de janeiro de 2019 e intitulado “REDUÇÃO DE AMÔNIA/AMÔNIO DURANTE O TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUAIS ÁCIDAS INDUSTRIAIS” e Pedido de Patente Provisório Norte-Americano Nº de Série 62/846.952 depositado em 13 de maio de 2019 e intitulado “USO DE MEMBRANAS DE TROCA IÔNICA, ANIÔNICA

E CATIÔNICA SELETIVA MONOVALENTE NA ELETRODIÁLISE PARA TRATAR ÁGUA DE POÇO TRATADA COM CAL DUPLO,” cuja revelação total de cada um é por meio deste incorporada aqui por referência em sua totalidade para todos os propósitos.

CAMPO DA TECNOLOGIA

[002] Aspectos referem-se em geral ao tratamento da água e, mais especificamente, ao tratamento de água contendo fosfogesso.

HISTÓRICO

[003] O ácido fosfórico é um composto precursor na fabricação de vários fertilizantes comuns. O fosfogesso é um produto secundário da produção de ácido fosfórico pelo tratamento do minério de fosfato com ácido sulfúrico. A reação produz resíduos de fosfogesso, ácido fosfórico, e um fluxo líquido do subproduto. O fluxo de subproduto é tipicamente reutilizado para o resfriamento, mas finalmente armazenado em grandes compartimentos ao ar livre denominados pilhas ou tanques de fosfogesso.

[004] Estas águas residuais associadas com e produzidas por operações de fabricação de fosfato são tipicamente ácidas e tipicamente contêm vários constituintes dissolvidos tais como fluoreto, amônia, sílica, sulfato, cálcio, metais pesados, fosfato, magnésio, matéria coloidal, carbono orgânico e, em alguns casos, rádio (um elemento radioativo). Os tanques associados com processamento de fosfato contêm bilhões de galões destas águas residuais, por exemplo, 3 bilhões de galões, cada. Devido a regulamentos ambientais cada vez mais rígidos e precipitação anual, as pilhas devem ser tratadas e fechadas pelas empresas operacionais. A água do tanque se tornou uma das maiores responsabilidades dos produtores de ácido fosfórico. Há uma necessidade ambiental urgente de tratar estas águas residuais, particularmente em áreas ambientalmente sensíveis, ou áreas onde o crescimento populacional entrou em contato mais próximo com os locais de processamento de fosfato. O tratamento destas águas residuais para reduzir sua toxicidade e seu volume tem sido um desafio tecnológico de interesse significativo. Os contaminantes tóxicos ou prejudiciais devem ser reduzidos ou eliminados antes que a água tratada possa ser descarregada no ambiente.

SUMÁRIO

[005] De acordo com um ou mais aspectos, um método de tratamento de água contendo fosfogesso é revelado. O método pode compreender a promoção da precipitação de pelo menos uma espécie de dureza alvo a partir de um sobrenadante pré-tratado para produzir um fluxo de processo tendo um nível de dureza predeterminado, remoção de amônia do fluxo de processo tendo o nível de dureza predeterminado para produzir água tratada satisfazendo pelo menos um requisito de descarga predeterminado, e descarga da água tratada.

[006] Em alguns aspectos, o nível de dureza predeterminado pode ser cerca de 100 ppm ou menos. A promoção da precipitação de pelo menos uma espécie de dureza alvo pode compreender a precipitação de carbonato de cálcio. O carbonato de sódio pode ser introduzido no sobrenadante pré-tratado para promover a precipitação de carbonato de cálcio. O pelo menos um requisito de descarga predeterminado pode pertencer a um limite de condutividade ou um nível de amônia, fluoreto ou fósforo.

[007] Em alguns aspectos, a remoção de amônia pode envolver a introdução do fluxo de processo em uma operação da unidade de osmose reversa (OR). A operação da unidade de OR pode compreender uma operação da unidade de OR de passagem dupla. O método pode compreender ainda a promoção da passagem de amônia não ionizada através da unidade de OR. Um nível de pH do fluxo de processo pode ser ajustado para promover a passagem de amônia não ionizada.

[008] Em alguns aspectos, o método pode compreender ainda a produção de sulfato de amônio. Um permeado de OR pode ser introduzido em um contator de membrana de transferência de gás. O método pode compreender ainda a introdução de ácido sulfúrico no contator de membrana de transferência de gás. O método pode compreender ainda a distribuição do sulfato de amônio a jusante para uso como um fertilizante.

[009] Em alguns aspectos, o sobrenadante pré-tratado é proveniente de uma operação de tratamento duplo de cal (DLT).

[010] Em alguns aspectos, o método pode compreender ainda polimento da água tratada antes da descarga. A água tratada pode ser introduzida em uma operação da unidade de troca iônica (IX). A operação da unidade de IX pode compreender resina de troca catiônica. O método pode compreender ainda o retorno de um fluxo de concentrado de OR para uma fonte da água contendo fosfogesso. O método ainda pode compreender adicionalmente o retorno de um fluxo de enxágue de polimento para uma fonte da água contendo fosfogesso.

[011] De acordo com um ou mais aspectos, um sistema para o tratamento da água contendo fosfogesso é revelado. O sistema pode compreender uma fonte de sobrenadante pré-tratado, um subsistema de precipitação conectado fluidamente a jusante da fonte de sobrenadante pré-tratado e configurado para produzir um fluxo de processo tendo um nível de dureza predeterminado, um subsistema de remoção de amônia conectado fluidamente a jusante do subsistema de precipitação e configurado para produzir água tratada satisfazendo pelo menos um requisito de descarga predeterminado e uma saída de água tratada.

[012] Em alguns aspectos, o subsistema de remoção de amônia pode compreender uma unidade de OR. A unidade de OR pode ser uma unidade de OR de passagem dupla. O subsistema de remoção de amônia pode compreender ainda um contator de membrana de transferência de gás conectado fluidamente a jusante da unidade de OR.

[013] Em alguns aspectos, o sistema pode compreender ainda um subsistema de polimento conectado fluidamente a jusante do subsistema de remoção de amônia. O subsistema de polimento pode compreender uma operação da unidade de IX. A operação da unidade de IX pode compreender resina de troca catiônica.

[014] Em alguns aspectos, um lado concentrado do subsistema de remoção de amônia pode ser conectado fluidamente a uma fonte da água contendo fosfogesso. Um fluxo de enxágue do subsistema de polimento pode ser conectado fluidamente a uma fonte da água contendo fosfogesso.

[015] Em alguns aspectos, pelo menos um sensor pode ser configurado para detectar um parâmetro operacional associado com a fonte de sobrenadante pré- tratado, o subsistema de precipitação, o subsistema de remoção de amônia, ou a saída de água tratada. O sensor pode ser um sensor de taxa de fluxo, pH,

temperatura, condutividade, dureza ou concentração. O sistema pode compreender ainda um controlador em comunicação com o pelo menos um sensor. O controlador pode ser configurado para ajustar uma taxa de fluxo ou nível de pH em resposta à entrada do sensor.

[016] De acordo com um ou mais aspectos, um método de facilitação de tratamento de água contendo fosfogesso é revelado. O método pode compreender a provisão de instruções para realizar uma operação de tratamento duplo de cal (DLT) na água contendo fosfogesso, a provisão de instruções para ajustar um nível de dureza de um sobrenadante de DLT resultante, a provisão de um subsistema de remoção de amônia, e a provisão de instruções para operar o subsistema de remoção de amônia para produzir água tratada satisfazendo pelo menos um requisito de descarga predeterminado.

[017] Em alguns aspectos, o método pode compreender ainda a provisão de instruções para ajustar um nível de pH de um fluxo de processo que entra em uma unidade de osmose reversa do subsistema de remoção de amônia para controlar o fluxo através de um contator de membrana a jusante do subsistema de remoção de amônia. O método pode compreender ainda a provisão de instruções para operar o contator de membrana para produzir sulfato de amônia.

[018] A revelação contempla todas as combinações de qualquer um ou mais dos aspectos e/ou modalidades anteriores, assim como combinações com qualquer uma ou mais das modalidades apresentadas na descrição detalhada e quaisquer exemplos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[019] Os desenhos em anexo não são destinados a serem desenhados em escala. Nos desenhos, cada componente idêntico ou quase idêntico que é ilustrado em várias figuras é representado por um numeral similar. Para fins de clareza, nem todo componente pode ser rotulado em todo desenho. Nos desenhos:

[020] A FIG. 1 apresenta um diagrama de fluxo de processo de um sistema de tratamento de água incluindo um contator de membrana de acordo com uma ou mais modalidades não limitantes; e

[021] A FIG. 2 apresenta um diagrama de fluxo de processo de um sistema de tratamento de água incluindo uma operação da unidade de remoção de ar de acordo com uma ou mais modalidades não limitantes.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[022] De acordo com uma ou mais modalidades, água contendo fosfogesso pode ser colocada eficientemente dentro de limites de descarga ambientais preestabelecidos. Como usado aqui, o termo água contendo fosfogesso pode ser referido intercambiavelmente aqui como águas residuais ou água de processo. Em algumas modalidades, vários fluxos de produto (isto é, carbonato de cálcio e/ou sulfato de amônio) podem ser beneficamente recuperados em conjunto com o tratamento das águas residuais. Em pelo menos algumas modalidades, uma alternativa de custo competitivo para métodos de tratamento convencionais é apresentada. Em algumas modalidades, o consumo de água fresca associado com descarga ambiental pode ser desejavelmente reduzido. Em pelo menos algumas modalidades, não há qualquer diluição antes da descarga.

[023] De acordo com uma ou mais modalidades, águas residuais de fosfogesso podem se originar de uma operação de fabricação de fosfato e ser armazenadas em um tanque ou pilha. As águas residuais de fosfogesso podem ser altamente ácidas, isto é, tendo um nível de pH de cerca de 1,5 a cerca de 2 e ambientalmente perigosas. Um exemplo não limitante da típica composição química de água do tanque é apresentado na Tabela 1. Além do que é apresentado, a concentração de amônia pode variar de algumas centenas de ppm até alguns milhares de ppm.

TABELA 1 Parâmetro* Faixa pH, Unidades Padrão 1,6 – 2,1 Acidez total, como CaCO3 20.000 – 60.000 Fluoreto, como F 4.000 – 12.000 Fósforo, como P 4.000 – 9.000 Silício, como Si 1.000 - 3.000 Sólidos totais 20.000 – 50.000 Sólidos suspensos totais 50 – 250 Condutividade, umhos 15.000 – 40.000 Cloretos, como Cl 50 – 500 Sulfatos, como SO4 2.000 – 12.000 Sódio, como Na 50 – 3.000 Cálcio, como Ca 50 – 1.500 Magnésio, como Mg 50 – 400 Alumínio, como Al 50 – 1.000 Cromo, como Cr 0,2 - 5,0 Zinco, como Zn 1,0 – 5,0 Ferro, como Fe 100 – 250 Manganês, como Mn 5 – 30 NH3 – N, como N 0 – 1.200 N orgânico total, como N 3 – 30 Cor, unidades APHA 20 – 4.000 *Todos os valores expressos como mg/L, a menos que observado de outra forma.

[024] Uma abordagem convencional que pode ser usada para descartar águas residuais de fosfogesso é injeção de poço profundo. Este processo injeta as águas residuais no subsolo profundo entre as camadas impermeáveis das rochas para evitar poluir o abastecimento de água doce. Geologia apropriada é exigida para locais de injeção de poços profundos, e uma permissão deve ser obtida antes da injeção da água de processo no subsolo. Adicionalmente, fosfato não é recuperável da água de processo em um processo de injeção de poço profundo.

[025] De acordo com uma ou mais modalidades, águas residuais contendo fosfogesso podem ser pré-tratadas. Em algumas modalidades, as águas residuais podem ser pré-tratadas por meio de tratamento duplo de cal (DLT) convencional.

DLT, ou calagem dupla, é geralmente um processo no qual cal é adicionado em dois estágios para promover a precipitação de vários constituintes, isto é, espécies de fluoreto em um primeiro estágio e espécies de fosfato em um segundo estágio.

Alguns constituintes que podem ser encontrados na água, tais como fluoreto e fosfato, tendem a formar ácidos solúveis sob condições ácidas. Calcário e cal podem ser usados para neutralizar e remover estes sólidos dissolvidos totais (TDS). O DLT surgiu como um processo amplamente empregado para o tratamento de água do tanque tendo em vista seu volume e complexidade química. Exemplos não limitantes da típica composição de sobrenadante de DLT (estágio 2) são apresentados nas Tabelas 2A e 2B.

TABELA 2A Resfriamento de processo Parâmetro* Sobrenadante de estágio II da água do poço pH, Unidades Padrão 1,70 9,0 Acidez total, como CaCO3 32.800 -- Fluoreto, como F 6.600 12 – 20 P total 4.000 1 – 13 Sólidos suspensos totais 69 15 Cloretos, como Cl 72 75 Sulfatos, como SO4 6.200 2.709 Sódio, como Na 896 900 Cálcio, como Ca 77 375 Magnésio, como Mg 44 22 Alumínio, como Al 389 < 0,2 Cromo, como Cr 0,43 < 0,10 Zinco, como Zn 1,46 < 0,10 Ferro, como Fe 263 0,10 Manganês, como Mn 7,9 0,03 Boro, como B 0,90 0,50 Chumbo, como Pb < 0,10 < 0,10 * Todos os valores em mg/L a menos que observado de outra forma TABELA 2B

CÁTIONS RESULTADO UNIDADES ÂNIONS RESULTADO UNIDADES mg/l de Bicarb mg/l de Cálcio (Ca) 705 <0,5 CaCO3 (HCO3) CaCO3 Magnésio mg/l de Carbonato mg/l de 6,41 343,6 (Mg) CaCO3 (CO3) CaCO3 mg/l de Hidróxido mg/l de Sódio (Na) 2290 1177,3 CaCO3 (OH) CaCO3 mg/l de Fluoreto mg/l de Potássio (K) 250 22,1 CaCO3 (F) CaCO3 Ferro (Fe) 0,098 mg/l Cloreto 185 mg/l de

(Cl) CaCO3 Manganês Brometo mg/l de <0,010 mg/l 3,89 (Mn) (Br) CaCO3 Nitrato mg/l de Alumínio (Al) <0,050 mg/l 12,4 (NO3) CaCO3 Fosfato mg/l de Bário (Ba) <0,050 mg/l <0,800 (PO4) CaCO3 Sulfato mg/l de Estrôncio (Sr) 0,167 mg/l 3200 (SO4) CaCO3 Sílica mg/l de Cobre (Cu) <0,020 mg/l 104 (SiO2) CaCO3 Zinco (Zn) <0,020 mg/l

OUTROS PARÂMETRO RESULTADO UNIDADES RESULTADO UNIDADES

S Dureza mg/l de pH 10,60 711,91 total CaCO3 Turbidez 16,0 NTU TOC (C) 48,72 mg/l Livre (CO2) [1]

[1] mg/l de Condutividade 6505 uS/cm derivado 0,1 CaCO3 de alcalinidad e e pH

TESTES RESULTADO UNIDADES

ADICIONAIS (em campo) 10,7 pH mg/l de Amônia (NH3) 1326,822 CaCO3 Sílica coloidal mg/l de <0,02 (SiO2) CaCO3

[026] Embora os teores de metal pesado e fosfato possam ser razoavelmente baixos no sobrenadante de DLT, amônia, sulfato e/ou níveis de dureza podem ser ainda bastante altos. Notavelmente, embora o DLT convencional reduza o nível de vários constituintes indesejáveis incluindo aqueles associados com fosfogesso, DLT não trata suficientemente as águas residuais de modo a satisfazer limites de descarga relevantes, tais como aqueles que podem ser estabelecidos por agências locais, estaduais, federais, ou privadas. Por exemplo, o Estado da Flórida fixou um limite de condutividade máximo de 1.275 µS/cm para a permissão do Sistema Nacional de Eliminação de Descarga de Poluentes (NPDES). Atualmente,

as águas residuais tratadas por meio de DLT são diluídas por até cinco a dez vezes a fim de satisfazer os limites com base em condutividade, concentração e/ou carga para amônia, fluoreto, fósforo ou outros constituintes. A água consumida para diluição é tipicamente água doce ou tratada que poderia ser usada para outros propósitos. A água de diluição pode ser água tratada relativamente cara, tal como água de produto de osmose reversa.

[027] De acordo com uma ou mais modalidades, águas residuais de fosfogesso pré-tratadas podem ser ainda processadas para permitir sua descarga.

Qualquer outro fluxo de processo com composições químicas similares, por exemplo, outro sobrenadante de ácido semitratado, pode da mesma forma ser tratado. Em pelo menos algumas modalidades, as águas residuais de fosfogesso podem ter sido pré-tratadas por meio de DLT. O tratamento adicional pode satisfazer padrões de descarga relevantes com relação à condutividade, amônia, fluoreto e/ou níveis de fósforo. Em algumas modalidades, as águas residuais pré-tratadas não são diluídas para a descarga. A água tratada também pode ser adequada para uma ou mais usos a jusante, tais como para irrigação ou outro uso potável.

[028] De acordo com uma ou mais modalidades, um nível de dureza de águas residuais de fosfogesso pré-tratadas pode ser ajustado. Em algumas modalidades, carbonato de sódio pode ser adicionado às águas residuais pré- tratadas a fim de reduzir os níveis de magnésio e/ou cálcio a níveis aceitáveis.

Outros compostos capazes de ajustar níveis de dureza também podem ser usados.

O ajuste da dureza pode facilitar o processamento a jusante e/ou cumprimento de requisitos de descarga relevantes. Por exemplo, o escalonamento potencial pode ocorrer em um processo de osmose reversa subsequente como descrito adicionalmente aqui se o nível de cálcio for muito alto. Em algumas modalidades, o ajuste de dureza pode promover a precipitação de carbonato de cálcio. Em pelo menos algumas modalidades, os níveis de cálcio podem ser reduzidos a cerca de 30 ppm ou menos. Em algumas modalidades não limitantes, a dureza total (isto é, cálcio e magnésio) pode ser reduzida a cerca de 100 ppm ou menos, por exemplo, a dentro de uma faixa de cerca de 50 ppm a cerca de 100 ppm. A quantidade de composto, isto é, carbonato de sódio, adicionada pode depender de um nível de dureza das águas residuais de fosfogesso pré-tratadas, destinadas a operações da unidade a jusante e/ou requisitos de descarga.

[029] De acordo com uma ou mais modalidades, os níveis de amônia nas águas residuais podem ser então tratados subsequentemente a qualquer ajuste de dureza. Em algumas modalidades, o fluxo de processo pode ser introduzido em uma operação da unidade de osmose reversa (OR). A osmose reversa envolve geralmente a separação de água de uma solução de sólidos dissolvidos ao forçar água através de uma membrana semipermeável. A osmose reversa pode tratar a água tendo um baixo nível de pH para remover contaminantes pelo uso de uma ou mais passagens de membranas de osmose reversa, com ou sem controlar o nível de pH entre as passagens. À medida que pressão é aplicada à solução, água e outras moléculas com baixo peso molecular e baixa carga iônica passam através de poros pequenos na membrana. Moléculas maiores e aquelas com maior carga iônica são rejeitadas pela membrana. Alguns constituintes que podem ser encontrados na água, tais como amônia, tendem, sob condições ácidas, a formar sais que são facilmente rejeitados pelas membranas. Amônia pode ser encontrada em vários fluxos de processo, incluindo o sobrenadante pré-tratado e o sobrenadante de precipitação.

[030] De acordo com uma ou mais modalidades, uma porção significativa de remediação de amônia pode ser atribuível a um subsistema de OR. Várias tecnologias de OR podem ser implementadas com base nas operação desejadas, capital disponível e outras considerações. Em algumas modalidades, OR de passagem única pode ser usada. Em algumas modalidades não limitantes, um sistema de OR de passagem dupla pode ser implementado tal como aquele descrito na Patente Norte-Americana Nº 4.574.049. O nível de pH do permeado de membranas de osmose reversa de primeira passagem pode ser ajustado ascendentemente em direção a condições neutras entre as membranas de primeira e segunda passagens a fim de tornar mais fácil remover constituintes que tendem a existir na forma solúvel sob condições altamente ácidas. Em algumas modalidades não limitantes, o subsistema de OR pode ser executado em uma recuperação de até cerca de 80%, 85%, 90% ou mais.

[031] Em algumas modalidades, um nível de pH de águas residuais que entram no subsistema de OR pode ser ajustado para baixo, tal como por meio de adição de ácido (por exemplo, ácido sulfúrico), para facilitar o tratamento. Um nível de pH de águas residuais que entram na operação da unidade de OR também pode controlar uma quantidade de gás amônia que passa através da operação da unidade de OR. Assim, em algumas modalidades, um nível de pH do fluxo de processo pode ser estrategicamente controlado para permitir que uma quantidade predeterminada de gás amônia não ionizada passe através do subsistema de OR. Em algumas modalidades específicas, um fluxo de processo tendo um nível de pH de cerca de 8 a cerca de 10 pode entrar no sistema de OR.

[032] Em algumas modalidades, a temperatura de águas residuais que entram no subsistema de OR pode ser mudada, tal como aquecendo e resfriando o líquido. A temperatura das águas residuais que entram na OR é importante no controle da quantidade de gás amônia que passa através da operação da unidade de OR. Assim, em algumas modalidades, a temperatura pode ser controlada estrategicamente (juntamente com outros parâmetros tais como pH) para permitir que uma quantidade predeterminada de gás amônia não ionizada passe através do subsistema de OR.

[033] De acordo com uma ou mais modalidades, uma quantidade controlada de gás amônia pode ser opcionalmente separada a jusante do subsistema de OR, tal como pelo uso de um contator de membrana de transferência de gás. Por exemplo, um contator de membrana de transferência de gás Liqui-Cel™ comercialmente disponível de 3MCompany pode ser implementado. Em algumas modalidades, o contator de membrana de transferência de gás pode remover cerca de 90% a cerca de 99% de amônia não ionizada residual no permeado de OR. Esta combinação de tratamento com OR e um contator de membrana de transferência de gás pode permitir a remoção controlada de amônia e amônio com recuperação possível de amônia, tal como na forma de sulfato de amônio. O sulfato de amônio pode ser distribuído para uso a jusante, tal como para uso como um fertilizante.

[034] Em algumas modalidades, uma temperatura a jusante o subsistema de OR pode ser mudada, tal como aquecendo e resfriando o líquido. A temperatura do fluxo que entra no contator de membrana pode ser importante no controle da quantidade de gás amônia que passa através da membrana. Assim, em algumas modalidades, a temperatura pode ser controlada estrategicamente (juntamente com outros parâmetros tais como pH) para permitir que uma quantidade predeterminada de gás amônia não ionizada passe através da membrana.

[035] Antidepósitos podem ser adicionados antes das membranas de osmose reversa. Tipicamente, antidepósitos são materiais que interferem com as reações de precipitação por mecanismos tais como modificação do cristal nos quais grupos negativos localizados na molécula antidepósito atacam as cargas positivas nos núcleos de escala interrompendo o equilíbrio eletrônico necessário para propagar o crescimento do cristal. Similarmente, alguns antidepósitos adsorvem em cristais ou partículas coloidais e conferem uma alta carga aniônica, que tende a manter os cristais separados.

[036] Alguns métodos e sistemas podem incluir pré-tratamento adicional antes das membranas de OR a fim de remover constituintes tais como sólidos suspensos que podem obstruir as membranas de OR.

[037] De acordo com uma ou mais modalidades, o fluxo de processo pode ser polido após a remoção de amônia. Em algumas modalidades, as operações de polimento podem ser realizadas diretamente a jusante da OR. Em outras modalidades, as operações de polimento podem ser realizadas após qualquer contator de membrana de transferência de gás. Várias operações de polimento serão prontamente aparentes àqueles versados na técnica. Por exemplo, um processo de troca iônica (IX) pode produzir uma água de produto em ou significativamente abaixo dos limites exigidos para a descarga. A resina de troca catiônica pode remover amônia e/ou amônio residual. Em algumas modalidades, métodos e sistemas de tratamento podem incluir tecnologias de polimento para reduzir as concentrações residuais de constituintes para os quais concentrações de descarga permissíveis são muito baixas. Embora estas tecnologias de polimento possam ser necessárias para satisfazer os critérios de descarga, eles podem contribuir significativamente para os custos operacionais totais do sistema de tratamento.

[038] A FIG. 1 apresenta um diagrama de fluxo de processo de acordo com uma ou mais modalidades. A água do tanque de uma operação de fabricação de fosfato pode ser armazenada em um tanque e pré-tratada por meio de DLT convencional. Um nível de dureza do sobrenadante de DLT pode ser ajustado de modo a promover a precipitação de carbonato de cálcio. De modo similar, a precipitação pode ser promovida para alcançar um nível de dureza predeterminado.

O sobrenadante tendo um nível de dureza ajustado pode ser então introduzido em uma unidade de OR. Um nível de pH do sobrenadante que entra na unidade de OR pode ser ajustado, por exemplo, para impactar um nível de escoamento de amônia.

Opcionalmente, um fluxo de produto de OR pode ser introduzido em um contator de membrana de transferência de gás para atingir ainda a amônia. Por exemplo, sulfato de amônia pode ser produzido no contator de membrana de transferência de gás visto que pode ser promovido pela adição de ácido sulfúrico.

[039] Uma ou mais operações de polimento, isto é, tratamento de troca iônica, podem ocorrer a jusante da OR e/ou contator de membrana antes da descarga satisfazer os critérios preestabelecidos. Como ilustrado, um fluxo de concentrado do subsistema de OR pode ser retornado ao tanque. Da mesma forma, um fluxo de enxágue de qualquer subsistema de polimento também pode ser retornado para o tanque.

[040] A FIG. 2 apresenta uma modalidade alternativa na qual o sobrenadante de uma operação da unidade de precipitação é introduzido em uma operação da unidade de remoção de ar para a recuperação de amônia. Um fluxo de processo que sai da operação da unidade de remoção de ar é então introduzido em um tratamento de OR. Uma operação da unidade de IX e/ou ainda operação da unidade de polimento pode ser incluída a jusante do tratamento de OR.

[041] De acordo com uma ou mais modalidades, um sistema de tratamento pode incluir pelo menos um sensor configurado para detectar um parâmetro operacional. Por exemplo, o sensor pode ser configurado para detectar um parâmetro operacional associado com a fonte de sobrenadante pré-tratado, o subsistema de precipitação, o subsistema de remoção de amônia ou a saída de água tratada. Em algumas modalidades não limitantes, o sensor pode ser um sensor de taxa de fluxo, pH, temperatura, condutividade, dureza ou concentração. O sistema pode incluir ainda um controlador em comunicação com o pelo menos um sensor. O controlador pode ser configurado para prover um sinal de controle em resposta à entrada do sensor. Por exemplo, o controlador pode prover um sinal de controle para atuar ou ajustar uma válvula do sistema ou subsistema da mesma. Em algumas modalidades não limitantes, o controlador pode ser configurado para ajustar uma taxa de fluxo ou nível de pH em resposta à entrada do sensor. Desta forma, o controlador pode permitir o ajuste de um ou mais parâmetros de processo de modo a produzir um ou mais fluxos de produto desejáveis. Em algumas modalidades não limitantes, o controlador pode ajustar o fluxo através da operação da unidade de OR para um contator de membrana, por exemplo, para promover a recuperação de sulfato de amônia como descrito aqui. O controlador pode ser ainda configurado para fazer uma comparação entre um valor medido e um valor predeterminado, tal como um requisito de descarga estabelecido e para ajustar várias configurações de controle, consequentemente.

[042] A função e vantagens destas e outras modalidades podem ser melhor compreendidas a partir do seguinte exemplo. O exemplo é destinado a ser ilustrativo por natureza e não é considerado limitante do escopo da invenção.

EXEMPLO

[043] A Tabela 3 apresenta resultados simulados de sobrenadante de DLT tratado de acordo com uma ou mais modalidades reveladas. No modelo, uma amostra de sobrenadante de DLT foi submetida em série a: precipitação de carbonato de sódio, tratamento de OR, contator de membrana de transferência de gás e polimento IX. Os padrões do Sistema Nacional de Eliminação de Descarga de Poluentes (NPDES) foram satisfeitos.

TABELA 3 Contator de Sobrena Precipitação Concentrado Alimentaçã membrana dante de Concentra de carbonato de OR (ppm), Permead o ajustada de IX DLT de ção (ppm) de sódio 90% de o de OR (ppm) transferência estágio II (ppm) recuperação de gás Taxa de fluxo 1000 1000 1000 1000 200 800 800 800 (GPM) 28,1 Cátions Na 900 1371,12 1489,36 7334,35 28,11 28,11 1 Ca 375 32 32 158,62 0,35 0,35 0,35 Mg 22 22 22 109,05 0,24 0,24 0,24 Al 0,2 0,2 0,2 0,96 0,01 0,01 0,01 Cr 0,1 0,1 0,1 0,13 0,13 0,13

Zn 0,1 0,1 0,1 0,13 0,13 0,13 Fe 0,1 0,1 0,1 0,48 0,01 0,01 0,01 Mn 0,03 0,03 0,03 0,14 0,00 0,00 0,00 B 0,5 0,5 0,5 Pb 0,1 0,1 0,1

K Ba Sr Cu Zn Anions F 20 20 20 97,41 0,65 0,65 0,65 P 13 13 13 60,45 1,14 1,14 1,14 Cl 75 75 75 370,27 1,18 1,18 1,18 27,0 SO4 2709 2709 4616 22972,02 27,00 27,00 0 HCO3 0 CO3 100 0 0 Br NO3 PO4 NH3 2100 1365 1365 0 1706,25 68,25 0,1 NH4 735 735 3529,84 36,29 36,29 0,1 TSS 15 15 0,00 0,00 0,00 pH 9 9 9 7 9,00 9,00 9,00 A unidade de precipitação de carbonato de sódio reduziu significativamente o nível de cálcio pela introdução de carbonato de sódio no fluxo através da mistura.

O consumo projetado de precipitação química usando com a análise especificada das águas residuais é 3,87 .

Espera-se que este processo da unidade seja executado à temperatura ambiente em um reator de tanque agitado continuamente. O fluxo de baixa dureza resultante é alimentado à unidade de OR. Dadas as exigências de otimização para a OR em termos de temperatura e pH para passagem de amônia específica, o dado exemplo tem a temperatura ajustada a 80 e um pH de aproximadamente 9. Para o contexto, os locais com esta água têm temperaturas de 70 , e pH esperado de precipitação de carbonato de sódio sendo de aproximadamente 9. Assim, a temperatura e (potencialmente) o controle de pH são necessários a montante da OR.

[044] A modelagem de OR foi feita usando software de projeção industrial.

Dados os baixos níveis de dureza da precipitação de carbonato de sódio, a recuperação de OR pode ser tão alta quanto 90% com antidepósito. Isto não poderia ser possível sem a etapa de redução da dureza. Para os propósitos do exemplo, 80% de recuperação foram escolhidos com Unidades de Vantage M86 modelo OR de 1 passagem em paralelo com 204 unidades cada. O antidepósito foi usado, especificamente 37,2 de Vitec 3000. O tempo de vida da membrana foi projetado para durar por 6 meses.

Seguindo a unidade de OR, o ajuste de pH e temperatura é necessário para alimentar o contator de membrana. Especificamente, o pH deve ser 10 pelo ajuste com e a temperatura deve ser aquecida até o alvo de 122 . O uso projetado de é aproximadamente 2,52 . Dadas estas condições, uma alta quantidade de gás amônia dissolvido estará presente. Este será passado através da membrana para dentro do contator de membrana, com ácido sulfúrico no outro lado. Alta redução do nitrogênio total dentro do contator de membrana pode ser vista. Para este exemplo, o contator de membrana Liqui-CelTM foi usado, com 96% de taxa de remoção de NH3-N. 48 unidades totais de G900 14X28 X50 foram usadas com 9 bombas de ácido para fornecer ácido sulfúrico para o outro lado do contator de membrana. Uma grande quantidade de ácido sulfúrico é usada a fim de remover a amônia livre desejada, com sulfato de amônio recuperável como produto de fertilizante.

[045] O uso combinado de OR e o contator de membrana de transferência de gás foi principalmente responsável pela remoção de amônia e amônio. O polimento IX ainda reduziu os níveis de amônia e amônio a significativamente abaixo dos requisitos de descarga. Dentro do exemplo, um IX foi modelado com uma resina C-211 em um sistema triplex 84x84. O volume da resina foi projetado para ser 157 por vaso como 3 vasos por sistema. Esperava-se que o tempo de vida da resina fosse 3 anos com aproximadamente 2500 ciclos (7 h por ciclo) por sistema triplex antes de precisar de substituição. Ácido sulfúrico é usado para enxaguar a resina IX, pelo que o fluxo de enxágue com baixo pH pode ser retornado de volta para a água do tanque.

[046] Esta amostra específica foi realizada devido à natureza do local. A água de diluição não é prontamente disponível dados os locais remotos e níveis típicos de amônia prevenirem o uso total do processo de DLT. Dado que esta invenção teria uma vantagem pelo fato de que ela não apenas reduzirá os níveis totais de amônia das águas residuais, mas também satisfará os limites de descarga de NPDES.

[047] A fraseologia e terminologia usadas aqui são para o propósito de descrição e não devem ser considerados limitantes. Como usado aqui, o termo “pluralidade” se refere a dois ou mais itens ou componentes. Os termos “compreendendo”, “incluindo”, “portando”, “tendo”, “contendo” e “envolvendo”, seja na descrição escrita ou nas reivindicações e os similares, são termos abertos, isto é, a significar “incluindo, mas não limitado a”. Assim, o uso de tais termos abrange os itens listados depois disso e equivalentes dos mesmos, assim como itens adicionais.

Somente as frases transicionais “consistindo em” e “consistindo essencialmente em” são frases transicionais fechadas ou semifechadas, respectivamente, com relação às reivindicações. O uso de termos ordinais tais como “primeiro”, “segundo”, “terceiro” e os similares nas reivindicações para modificar um elemento de reivindicação não conota por si só qualquer prioridade, precedência ou ordem de um elemento de reivindicação sobre o outro ou a ordem temporal na qual atos de um método são realizados, mas são usados meramente como rótulos para distinguir um elemento de reivindicação tendo um certo nome de outro elemento tendo um mesmo nome (mas para o uso do termo ordinal) para distinguir os elementos de reivindicação.

[048] Tendo, assim, descrito vários aspectos de pelo menos uma modalidade, deve ser apreciado que várias alterações, modificações e melhorias ocorrerão prontamente para aqueles versados na técnica. Qualquer característica descrita em qualquer modalidade pode ser incluída em ou substituída por qualquer característica de qualquer outra modalidade. Tais alterações, modificações e melhorias são destinadas a serem parte desta revelação e são destinadas a estarem dentro do escopo da invenção. Consequentemente, a descrição anterior e os desenhos são por meio de exemplo somente.

[049] Aqueles versados na técnica devem apreciar que os parâmetros e configurações descritos aqui são exemplares e que parâmetros atuais e/ou configurações dependerão da aplicação específica na qual os métodos e materiais revelados são usados. Aqueles versados na técnica também devem reconhecer ou ser capazes de verificar, usando não mais do que experimentação de rotina, equivalentes para as modalidades específicas reveladas.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método de tratamento de água contendo fosfogesso, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: promoção da precipitação de pelo menos uma espécie de dureza alvo a partir de um sobrenadante pré-tratado para produzir um fluxo de processo tendo um nível de dureza predeterminado; remoção de amônia do fluxo de processo tendo o nível de dureza predeterminado para produzir água tratada satisfazendo pelo menos um requisito de descarga predeterminado; e descarga da água tratada.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o nível de dureza predeterminado é cerca de 100 ppm ou menos.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a promoção da precipitação de pelo menos uma espécie de dureza alvo compreende a precipitação de carbonato de cálcio.

4. Método, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo fato de que carbonato de sódio é introduzido no sobrenadante pré-tratado para promover a precipitação de carbonato de cálcio.

5. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o pelo menos um requisito de descarga predeterminado pertence a um limite de condutividade ou um nível de amônia, fluoreto ou fósforo.

6. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a remoção de amônia envolve a introdução do fluxo de processo em uma operação da unidade de osmose reversa (OR).

7. Método, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que a operação da unidade de OR compreende uma operação da unidade de OR de passagem única ou de passagem dual.

8. Método, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda a promoção da passagem de amônia não ionizada através da unidade de OR.

9. Método, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que um nível de pH do fluxo de processo é ajustado para promover a passagem de amônia não ionizada.

10. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda a produção de sulfato de amônio.

11. Método, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADO pelo fato de que um permeado de OR é introduzido em um contator de membrana de transferência de gás.

12. Método, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda a introdução de ácido sulfúrico no contator de membrana de transferência de gás.

13. Método, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda a distribuição do sulfato de amônio a jusante para uso como um fertilizante.

14. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o sobrenadante pré-tratado é proveniente de uma operação de tratamento duplo de cal (DLT).

15. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda o polimento da água tratada antes da descarga.

16. Método, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de que a água tratada é introduzida em uma operação da unidade de troca iônica (IX).

17. Método, de acordo com a reivindicação 16, CARACTERIZADO pelo fato de que a operação da unidade de IX compreende resina de troca catiônica.

18. Método, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda o retorno de um fluxo de concentrado de OR para uma fonte de águas residuais de fosfogesso.

19. Método, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda o retorno de um fluxo de enxágue de polimento para uma fonte da água contendo fosfogesso.

20. Sistema para o tratamento da água contendo fosfogesso, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: uma fonte de sobrenadante pré-tratado; um subsistema de precipitação conectado fluidamente a jusante da fonte de sobrenadante pré-tratado e configurado para produzir um fluxo de processo tendo um nível de dureza predeterminado; um subsistema de remoção de amônia conectado fluidamente a jusante do subsistema de precipitação e configurado para produzir água tratada satisfazendo pelo menos um requisito de descarga predeterminado; e uma saída de água tratada.

21. Sistema, de acordo com a reivindicação 20, CARACTERIZADO pelo fato de que o subsistema de remoção de amônia compreende uma unidade de OR.

22. Sistema, de acordo com a reivindicação 21, CARACTERIZADO pelo fato de que a unidade de OR é uma unidade de OR de passagem única ou de passagem dupla.

23. Sistema, de acordo com a reivindicação 21, CARACTERIZADO pelo fato de que o subsistema de remoção de amônia compreende ainda um contator de membrana de transferência de gás conectado fluidamente a jusante da unidade de OR.

24. Sistema, de acordo com a reivindicação 20, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda um subsistema de polimento conectado fluidamente a jusante do subsistema de remoção de amônia.

25. Sistema, de acordo com a reivindicação 24, CARACTERIZADO pelo fato de que o subsistema de polimento compreende uma operação da unidade de IX.

26. Sistema, de acordo com a reivindicação 25, CARACTERIZADO pelo fato de que a operação da unidade de IX compreende resina de troca catiônica.

27. Sistema, de acordo com a reivindicação 20, CARACTERIZADO pelo fato de que um lado concentrado do subsistema de remoção de amônia é conectado fluidamente a uma fonte da água contendo fosfogesso.

28. Sistema, de acordo com a reivindicação 24, CARACTERIZADO pelo fato de que um fluxo de enxágue do subsistema de polimento é conectado fluidamente a uma fonte da água contendo fosfogesso.

29. Sistema, de acordo com a reivindicação 20, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda pelo menos um sensor configurado para detectar um parâmetro operacional associado com a fonte de sobrenadante pré-tratado, o subsistema de precipitação, o subsistema de remoção de amônia, ou a saída de água tratada.

30. Sistema, de acordo com a reivindicação 29, CARACTERIZADO pelo fato de que o sensor é um sensor de taxa de fluxo, pH, temperatura, condutividade, dureza ou concentração.

31. Sistema, de acordo com a reivindicação 29, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda um controlador em comunicação com o pelo menos um sensor.

32. Sistema, de acordo com a reivindicação 31, CARACTERIZADO pelo fato de que o controlador é configurado para ajustar uma taxa de fluxo ou nível de pH em resposta à entrada do sensor.

33. Método de facilitação de tratamento de água contendo fosfogesso, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende:

a provisão de instruções para realizar uma operação de tratamento duplo de cal (DLT) na água contendo fosfogesso; a provisão de instruções para ajustar um nível de dureza de um sobrenadante de DLT resultante; a provisão de um subsistema de remoção de amônia; e a provisão de instruções para operar o subsistema de remoção de amônia para produzir água tratada satisfazendo pelo menos um requisito de descarga predeterminado.

34. Método, de acordo com a reivindicação 33, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda a provisão de instruções para ajustar um nível de pH de um fluxo de processo que entra em uma unidade de osmose reversa do subsistema de remoção de amônia para controlar o fluxo através de um contator de membrana a jusante do subsistema de remoção de amônia.

35. Método, de acordo com a reivindicação 34, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda a provisão de instruções para operar o contator de membrana para produzir sulfato de amônia.