BR112021004934A2

BR112021004934A2 - aparelho de tratamento de matéria-prima, e, processo para tratar matéria-prima

Info

Publication number: BR112021004934A2
Application number: BR112021004934-7A
Authority: BR
Inventors: Gal Levin; Reuven EITAN
Original assignee: S.G.T.-Sustainable Green Technologies Ltd.
Priority date: 2018-09-17
Filing date: 2019-09-15
Publication date: 2021-06-01
Also published as: IL281480A; US20210206681A1; US11767248B2; WO2020058971A1; CA3112285A1; IL261837A; EP3853182A1; CN112955409A; IL281480B; EP3853182A4

Abstract

APARELHO DE TRATAMENTO DE MATÉRIA-PRIMA, E, PROCESSO PARA TRATAR MATÉRIA-PRIMA. Um sistema para tratar matéria-prima orgânica, particularmente águas residuais de gados ou aves. O sistema utiliza digestão anaeróbica e aeróbica combinada para converter as águas residuais em água salubre, fertilizante e energia, em que os reatores em batelada sequencial (isto é, ASBR e SBR) são usados para o processo de digestão.

Description

1 / 24 APARELHO DE TRATAMENTO DE MATÉRIA-PRIMA, E, PROCESSO PARA TRATAR MATÉRIA-PRIMA Campo da Invenção

[001] A presente invenção se refere ao tratamento de matéria-prima orgânica. Particularmente, a invenção se refere a um sistema para processar resíduos de animais de fazenda. Mais particularmente, a invenção se refere a um aparelho e método para converter águas residuais originárias de gados e aves em água salubre, corretivo de solo e energia. Fundamentos da Invenção

[002] A descarga de águas residuais a partir das cidades e fazendas de gados intensiva constituem as maiores cargas de poluente orgânico dentro dos rios. Com o rápido crescimento populacional urbano previsto para as décadas seguintes, espera-se que ambas as fontes de poluição orgânica aumentem. As águas residuais de fazenda de gados leiteiros têm o potencial para causar altos níveis de poluição ambiental e é um desafio significante para as Estações de Tratamento de Águas Residuais (WWTP). Os efluentes são distinguidos pelas altas cargas de matéria orgânica, sólidos em suspensão, nitrogênio e fósforo.

[003] O excesso de nitrogênio e fósforo na água causado pelo escoamento a partir das fazendas de gados leva ao rápido crescimento de algas. O aumento significante de algas prejudica a qualidade da água, recursos alimentícios e habitats e diminui o oxigênio que os peixes e outras vidas aquáticas necessitam para sobreviver. Grandes crescimentos de algas são chamados de eflorescências de algas, algumas são nocivas para os seres humanos porque produzem toxinas e crescimento bacteriano elevados que podem causar enfermidades para aqueles que entram em contato com a água poluída, consomem peixe ou marisco contaminados ou bebem a água contaminada.

[004] Os resíduos da fazenda de gados leiteiros se originam a partir

2 / 24 de duas fontes principais: 1) águas residuais da sala de ordenha e áreas de confinamento (“águas residuais de ordenha”) distinguidas como uma corrente líquida, com até 1% de sólidos, que deve passar por pré-tratamento antes da descarga para dentro do sistema público de esgoto; e 2) esterco de vaca fresco a partir do estábulo e área de alimentação distinguido como uma corrente de sólidos, tendo 15% de sólidos, que pode ser espalhado nos campos para cultivo, usado como cama orgânica ou armazenado e depois enviado para uma instalação de compostagem regional ou usina de biogás.

[005] A tecnologia da digestão anaeróbica (AD) para produzir eletricidade a partir de resíduos orgânicos é bem conhecida e foi implementada por décadas na Europa. Durante a digestão anaeróbica, a matéria orgânica é decomposta gradualmente usando um sistema complexo de bactérias até que o biogás seja produzido. A despeito das suas vantagens, esta tecnologia é distinguida por uma grande deficiência, que é a formação de “digerido” - água negra (também conhecido como – Licor Negro, Percolato ou Fertilizante Orgânico Líquido (LOF)) tendo níveis muito altos de patógenos, nitratos, sódio e fósforo. O digerido formado pela AD dos resíduos de gados é especialmente nocivo e geralmente não permitido para descarga para dentro das instalações de tratamento de águas residuais municipais.

[006] A solução comum na Europa para o digerido formado como um subproduto da AD é a dispersão de digerido em terras aráveis devido aos altos níveis de nutriente. Entretanto, devido aos problemas de escoamento nas estações chuvosas, existem restrições com respeito à sua dispersão. Estas restrições requerem a armazenagem do digerido entre 4 a 8 meses, uma restrição que aumenta o gasto de capital (CAPEX) e gastos operacionais (OPEX) da instalação. Além disso, nos solos com baixo conteúdo de argila usualmente com alta CEC (Capacidade de Troca de Cátion), o risco de lixiviar nutrientes é muito mais alto devido à alta concentração de areia.

[007] Uma outra restrição, quando do uso de digerido como

3 / 24 fertilizante ou na recuperação de terra de terras aráveis, é a alta salinidade com precipitação mínima. O alto conteúdo de solo com argila com baixa CEC pode levar a um problema de drenagem e formação de poças, que resulta na liberação de íons sódio para a fase líquida, aumentando a alcalinidade do solo e diminuindo a fertilidade do solo.

[008] Existem diversos métodos para reduzir o volume de digerido, a maior parte dos quais estão fundamentados na separação mecânica dos sólidos do líquido e evaporação do líquido para reduzir volume, mas eles requerem o uso de produtos químicos e energia adicionais, aumentando os custos de tratamento das águas residuais enquanto reduz a viabilidade econômica.

[009] A presente invenção trata o problema do digerido pelo uso de um processo de tratamento de águas residuais para tratar resíduos orgânicos, que resulta em um efluente aquoso (água salubre) em uma qualidade permitida para descarga para dentro do sistema de esgoto (pelo menos pelos níveis de descarga de esgoto permitidos de acordo com as regulamentações israelenses). A invenção possibilita a remoção de um alto nível de matéria orgânica e sólidos em suspensão das águas residuais, assim como nitrogênio e fósforo. Além do mais, o efluente de água salubre pode ser reciclado dentro do aparelho de acordo com a invenção para diluir a matéria-prima.

[0010] É um outro objetivo da invenção atender as necessidades não satisfeitas para solução de baixo custo das fazendas de tamanho pequeno. O tamanho do aparelho de acordo com a invenção é significantemente menor que o tamanho das instalações convencionais e isto enormemente afeta os custos de construção, operação e manutenção do aparelho.

[0011] É um objeto adicional da invenção prover um aparelho e processo que não requeiram a adição de produtos químicos.

[0012] É ainda um outro objeto da invenção prover um aparelho no qual o tempo de retenção hidráulica do dito processo é mais curto em comparação com as instalações de biogás convencionais.

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[0013] Os acima e outros propósitos e vantagens da invenção tornar- se-ão evidentes conforme a descrição prossegue. Sumário da invenção

[0014] A invenção provê um aparelho de tratamento de matéria-prima para processar resíduos líquidos de gados ou aves, compreendendo a) um recipiente de ração agitada para alimentar matéria-prima líquida homogeneizada e opcionalmente diluída para um reator anaeróbio; b) dois reatores anaeróbios em comunicação de reciclagem selecionados a partir dos reatores anaeróbios em batelada sequencial (ASBR); c) um reator aeróbio selecionado a partir de reatores em batelada sequencial (SBR) em comunicação de reciclagem com pelo menos um dos ditos dois reatores anaeróbios; d) um meio de agitação para a agitação independente dos ditos reatores; e) uma bacia de descarga conectada a pelo menos um dos ditos dois reatores anaeróbios para receber uma porção dos resíduos sedimentados a partir do dito pelo menos um dos reatores anaeróbios; f) um recipiente de água salubre para receber uma porção superior de água a partir do dito reator aeróbio; g) um coletor de gás para coletar biogás produzido em pelo menos um dos ditos reatores anaeróbios; e h) um meio de transferência para transferir fluidos para dentro, para fora e através dos ditos reatores e para regular o fluxo dos ditos fluidos, os meios compreendendo conduítes, válvulas, bombas, sensores e um processador; em que o dito meio de agitação é configurado para funcionar alternadamente para possibilitar a homogeneização dos conteúdos do reator durante um ciclo de agitação e parar para possibilitar que os sólidos sedimentem nos conteúdos dos reatores durante um ciclo de sedimentação, em que os ditos fluidos compreendem biogás e água, em que a dita água é transferida para fora dos reatores em bateladas durante os seus ciclos de sedimentação e em que o dito processador é configurado para receber sinais a partir dos ditos sensores e enviar sinais para o dito meio de agitação, válvulas e bombas. O dito recipiente de água

5 / 24 salubre pode estar em comunicação de reciclagem com o dito recipiente de ração. A dita bacia de descarga pode compreender uma instalação para converter os ditos resíduos dos ditos reatores anaeróbios para corretivo de solo. O reator aeróbio compreende um dispositivo de aeração eficiente. Os ditos reatores anaeróbios podem compreender meios para regular a temperatura. O dito meio de transferência pode compreender adicionalmente meios acionados pela gravidade. Em algumas modalidades, os ditos resíduos de gados a serem tratados se originam a partir de fazendas de porcos, fazendas de gados, fazendas de gados leiteiros ou fazendas de frango. Em uma modalidade preferida, os ditos resíduos de gados a serem tratados no aparelho da invenção pelo menos parcialmente se originam de fazendas de porcos, fazendas de gados, fazendas de gados leiteiros ou fazendas de frangos.

[0015] A invenção provê um processo para tratar matéria-prima compreendendo resíduos líquidos de gados ou aves, compreendendo i) coletar a matéria-prima compreendendo os ditos resíduos em um recipiente de ração; ii) opcionalmente diluir e homogeneizar a dita matéria-prima em resíduos líquidos homogeneizados; iii) transferir os ditos resíduos homogeneizados do dito recipiente de ração para um primeiro reator anaeróbio selecionado a partir de reatores anaeróbios em batelada sequencial (ASBR) e do dito primeiro ASBR para um segundo ASBR; iv) facilitar a digestão anaeróbica dos resíduos pelos ciclos repetidos de mistura e sedimentação, os ciclos de mistura compreendem misturar os resíduos líquidos no dito ASBR e os ciclos de sedimentação possibilitando que os sólidos no dito líquido de resíduo se sedimentem pelo menos parcialmente nos ditos dois reatores anaeróbios, em que uma porção do resíduo líquido sedimentado da parte inferior do dito segundo ASBR durante o seu ciclo de sedimentação é transferido para o dito primeiro ASBR; v) transferir uma porção do resíduo tratado da parte de topo do dito segundo ASBR durante o seu ciclo de sedimentação para um Reator Aeróbio em Batelada Sequencial (SBR); vi) facilitar a digestão aeróbica dos

6 / 24 resíduos pelos ciclos repetidos de mistura e sedimentação, os ciclos de mistura compreendendo aeração e mistura do resíduo líquido no dito SBR e os ciclos de sedimentação possibilitando que os sólidos no dito líquido de resíduo pelo menos parcialmente se sedimentem; vii) transferir uma porção de líquido da parte do fundo dos ditos SBR durante o seu ciclo de sedimentação para pelo menos um dos ditos dois ASBR; viii) transferir uma porção de líquido da parte superior dos ditos SBR durante o seu ciclo de sedimentação para um recipiente de água salubre; e ix) transferir uma porção do resíduo líquido sedimentado a partir de pelo menos um dos ditos dois reatores anaeróbios durante o seu ciclo de sedimentação para uma bacia de descarga; em que as ditas etapas de transferência são controladas pelos meios de transferência compreendendo conduítes, válvulas, bombas, sensores e um processador, o dito processador configurado para receber sinais a partir dos ditos sensores e enviar os sinais para iniciar ou parar a dita agitação, iniciar ou parar bombas e abrir ou fechar válvulas.

A dita etapa ii) pode compreender diluir a dita matéria-prima com água a partir do recipiente de água salubre ou com águas residuais recicladas de ordenha de uma sala de ordenha e áreas de confinamento da fazenda de gados leiteiros ou qualquer fonte de água disponível.

O resíduo líquido na dita bacia de descarga pode ser secado ou pode passar pelas Pilhas Estáticas Aeradas (ASP) com um soprador de ar para obter corretivo de solo; o mesmo também pode ser misturado com celulose ou lascas de madeira ou pode ser de outro modo processado para prover um fertilizante de alta qualidade.

O processo da invenção compreende as etapas realizadas em bateladas.

Por exemplo, as etapas acima iii), v) e viii) de transferência são realizadas em 2 a 6 bateladas por dia.

Em algumas modalidades, os ditos resíduos de gados a serem tratados se originam a partir de fazendas de porcos, fazendas de gados, fazendas de gados leiteiros ou fazendas de frangos.

Em uma modalidade preferida, os ditos resíduos de gados a serem tratados pelo método da invenção pelo menos parcialmente se

7 / 24 originam de fazendas de porcos, fazendas de gados, fazendas de gados leiteiros ou fazendas de frangos.

[0016] Em algumas modalidades, o recipiente de água está em comunicação de reciclagem com o recipiente de ração, para possibilitar a reciclagem de água tratada dentro do aparelho, como necessário.

[0017] Em algumas modalidades, a temperatura nos reatores anaeróbios é regulada, assim os reatores anaeróbios podem compreender adicionalmente meios para regular a temperatura. A digestão anaeróbica pode ser realizada sob condições mesofílicas ou termofílicas.

[0018] A invenção se refere a um sistema para processar eficientemente resíduos e particularmente águas residuais, da indústria pecuária e aviária. Breve Descrição dos Desenhos

[0019] As acima e outras características e vantagens da invenção estarão mais facilmente evidentes através dos seguintes exemplos e com referência aos desenhos anexos, em que: a Fig. 1 é uma representação esquemática de um aparelho de tratamento de matéria-prima de acordo com uma modalidade da invenção; a Fig. 2 é uma representação esquemática de uma solução de ecossistema integrado de acordo com uma modalidade da invenção; a Fig. 3 mostra os níveis da Demanda Química de Oxigênio (COD) do afluente e efluente para um aparelho de acordo com uma modalidade da invenção; a Fig. 4 mostra o nível em % de Sólidos Totais (TS) (Matéria Seca - DM) do afluente e efluente para um aparelho de acordo com uma modalidade da invenção; e a Fig. 5 mostra a % de metano (CH4) no biogás produzido em um aparelho de acordo com uma modalidade da invenção. Descrição Detalhada

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[0020] O presente aparelho e processo utilmente proveem uma solução de ecossistema integrado. O aparelho está fundamentado na tecnologia da Digestão Anaeróbica (AD) que possibilita a recuperação de nutrientes, gera energia na forma de biogás, que pode ser processado adicionalmente para a obtenção de eletricidade e calor. O efluente aquoso (água salubre) é seguro para descarregar para dentro do sistema de esgoto (pelos níveis de descarga em esgoto permitidos de acordo com as regulamentações israelenses) e/ou reutilização subsequente para filtração adicional para intensificar a qualidade da água. Vantajosamente, o aparelho pode tratar resíduos de uma fazenda inteira de gados leiteiros: águas residuais de ordenha da sala de ordenha e áreas de confinamento e resíduos de esterco das áreas de alimentação. Adicionalmente, o tratamento de resíduos pelo aparelho resolve o problema da produção de digerido, uma das principais deficiências de outras instalações de AD, sem custos de tratamento químico adicionais. Isto gera valor econômico adicional, visto que os custos associados com a armazenagem, transporte e destruição de solo do digerido são evitados.

[0021] A solução de ecossistema integrado, de acordo com algumas modalidades, confere os seguintes benefícios ambientais: 1) redução significante de poluição do ar a partir do CH4, H2S, NH3 e N2O; 2) redução significante de poluição da água a partir do escoamento de NO3, TP, Na+ e Cl- . O efluente de água salubre do aparelho atinge parâmetros regulatórios estrito para os conteúdos de COD e BOD. O efluente de água salubre pode ser reciclado dentro do aparelho, por exemplo, o mesmo é usado para a diluição da matéria-prima; e 3) redução significante da salinidade e contaminação de patógeno de solo. O subproduto corretivo de solo do aparelho provê os fazendeiros com uma alternativa superior para os fertilizantes líquidos convencionais à base de amônia.

[0022] As vantagens econômicas adicionais do aparelho residem na

9 / 24 sua planta baixa pequena e nos baixos custos de operação e manutenção (sistema automatizado, baixo consumo de eletricidade e nenhum produto químico adicionado).

[0023] Em um primeiro aspecto, a invenção está direcionada a um aparelho e um processo para tratar matéria-prima e prover água salubre e opcionalmente biogás e corretivo de solo. Em uma modalidade, o aparelho compreende um recipiente de ração agitada, dois reatores anaeróbios agitados, um reator aeróbio agitado e um recipiente de água.

[0024] Como aqui usado, o termo “matéria-prima” se refere ao resíduos orgânicos, tais como lodo de esgoto, resíduos de gado ou aves, resíduos de comida e bebida, incluindo resíduos de matadouro, panificação ou cervejaria e resíduos agrícolas, mas a invenção não é limitada a nenhum material de alimentação específico.

[0025] Como aqui usado, o termo “corretivo de solo” se refere à matéria seca obtida depois de secar a porção de resíduos (lodo) descarregado do reator anaeróbio do aparelho. O corretivo de solo pode adicionalmente passar por processamento e pode ser vantajosamente usado como melhorador de solo.

[0026] Como aqui usado, o termo “água salubre” se refere à água que pode ser descarregada para o sistema de esgoto local, consequentemente a água atinge os níveis de descarga de esgoto permitido pelas regulamentações locais, por exemplo, as regulamentações do Israeli Ministry of Environmental Protection ou a US Environmental Protection Agency (EPA). O termo também abrange a água que pode passar pelo retratamento de água para irrigação.

[0027] Em algumas modalidades, o aparelho e processo são designados para tratar resíduos da gados a partir das fazendas de porcos, gados, gados leiteiros ou frangos. O aparelho da invenção é particularmente vantajoso para fazendas de gados leiteiros e pode ser dimensionado de acordo

10 / 24 com a necessidade.

[0028] O aparelho e processo podem ser ajustados de acordo com a qualidade da matéria-prima. Por exemplo, em algumas modalidades, os resíduos de gados pode ser codigeridos com resíduos aviários, resíduos alimentícios e resíduos agrícolas.

[0029] O aparelho de acordo com algumas modalidades da invenção, 100, compreende os componentes esquematicamente representados na Fig. 1. A matéria-prima é alimentada dentro de um recipiente de ração agitada (T0), onde a mesma pode ser diluída usando água reciclada a partir do recipiente de água 112 (T5), ou com águas residuais de ordenha da sala de ordenha e áreas de confinamento e homogeneizadas pela mistura. Os resíduos de matéria- prima diluído depois fluem para dentro de um primeiro reator anaeróbio agitado 102 (R1). Depois dos ciclos repetidos de mistura e sedimentação dos resíduos, digerindo deste modo anaerobicamente os resíduos, uma porção superior do resíduo é transferido para um segundo reator anaeróbio agitado 103 (R2), onde o mesmo é digerido adicionalmente pela realização de ciclos repetidos de mistura e sedimentação. Depois da sedimentação dos resíduos no segundo reator anaeróbio 103, uma porção superior do resíduo é transferida para o reator aeróbio agitado 104 (R3) para digestão adicional. O resíduo é digerido pelos ciclos repetidos de aeração e mistura dos resíduos no reator aeróbio 104 seguido por deixar o resíduo sedimentar. Uma porção inferior do lodo 105 é transferida a partir do reator aeróbio 104 para o segundo reator anaeróbio 103. Uma porção inferior do lodo 106 também é transferido a partir do segundo reator anaeróbio 103 para o primeiro reator anaeróbio 102. Os reatores anaeróbios compreendem os coletores de gás 107 e 107’ para a coleta de biogás produzido nos reatores 102, 103 dentro de um recipiente de coleta

111. A água de uma porção superior do reator aeróbio 104 é transferida para o recipiente de água 112, a partir do qual, em algumas modalidades a mesma é reciclada para dentro do recipiente de ração 101 (por intermédio da corrente

11 / 24 108) para diluir a matéria-prima. Em algumas outras modalidades, o efluente de água salubre 112 é descarregada para dentro do sistema de esgoto. De acordo com algumas modalidades, uma porção inferior de lodo 109 a partir do primeiro reator anaeróbio 102 é transferida para uma bacia de descarga 110. Assim, de acordo com uma modalidade da invenção, a matéria-prima alimentada dentro do aparelho é digerida para produzir água salubre, corretivo de solo e biogás.

[0030] Como aqui usado, o termo “porção” indica um volume de resíduo ou lodo que é determinado de acordo com o tamanho dos reatores no aparelho. Consequentemente, será reconhecido pela pessoa versada que o volume da dita porção é dimensionável e é definida de acordo com a capacidade do aparelho e outras considerações. O volume da dita porção também pode variar de acordo com os componentes do aparelho a partir dos quais e para os quais a porção está sendo transferida. Por exemplo, uma porção transferida a partir do segundo reator anaeróbio 103 para o primeiro reator anaeróbio 102 pode ser 1/15 da quantidade do resíduo tratado por dia, enquanto a porção transferida a partir do reator aeróbio 104 para o recipiente de água 112 pode ser 14/15 da quantidade de resíduo tratado por dia.

[0031] Como aqui usado, os termos “porção inferior do resíduo” ou “porção inferior de lodo” se referem ao material que pode ser tirado da porção inferior de um reator. A este respeito, a porção inferior normalmente será considerada o terceiro fundo do reator, mas o ponto de retirada pode estar localizado em várias alturas e posições no reator e não está limitado a nenhum local particular.

[0032] Em uma modalidade, a invenção provê um aparelho para tratar matéria-prima compreendendo um recipiente de ração agitada para alimentar matéria-prima a um reator anaeróbio; dois reatores anaeróbios agitados em comunicação de reciclagem; um reator aeróbio agitado em comunicação de reciclagem com pelo menos um dos ditos dois reatores anaeróbios; e um

12 / 24 recipiente de água para receber água liberada a partir do dito reator aeróbio, onde os componentes estão em comunicação um com o outro através de conduítes.

[0033] Em algumas modalidades, o recipiente de água está em comunicação de reciclagem com o recipiente de ração, possibilitando deste modo a autodiluição da matéria-prima, como necessário. Em algumas modalidades, a matéria-prima é diluída para conter entre 2 e 6% de sólidos totais (TS). Em algumas modalidades, o recipiente de ração compreende um dispositivo de medição para a medição contínua dos sólidos em suspensão totais (TSS), indicando deste modo a necessidade quanto à diluição da matéria-prima. De acordo com algumas destas modalidades, o recipiente de ração compreende um cortador mecânico para cortar as partículas sólidas grandes da matéria-prima.

[0034] Como aqui usado, o termo “comunicação de reciclagem” é usado para indicar que o líquido, resíduo, lodo ou gás podem ser reciclados a partir de um componente do aparelho para um outro, isto é o resíduo é transferido entre componentes do aparelho. O termo também abrange a transferência de porções de resíduo. Consequentemente, deve ser entendido que um reator é considerado estar em comunicação de reciclagem com um outro reator se o mesmo transfere resíduo de si mesmo para um outro reator ou recebe resíduo transferido para si a partir de um outro reator, embora o mesmo possa não transferir resíduo para um outro reator.

[0035] Como aqui usado, o termo “conduíte” se refere a um canal ou tubo para transferir líquido, resíduo, lodo ou gás a partir de um componente do aparelho para um outro. Tais conduítes podem ser tubos ou canos. Conduíte também abrange uma conexão direta de um componente a um outro. Bombas e válvulas podem ser incluídas em um conduíte para facilitar a transferência de líquido, resíduo, lodo ou gás. Em algumas modalidades os conduítes compreendem adicionalmente válvulas capazes de abrir e fechar

13 / 24 para regular o fluxo de fluidos ou resíduos.

[0036] Em algumas modalidades, o aparelho compreende adicionalmente meios de transferência para ajudar na transferência de resíduos. Tais meios podem ser, por exemplo, bombas e meios acionados pela gravidade.

[0037] Em algumas modalidades, o reator aeróbio da presente invenção compreende um dispositivo de aeração. Como aqui usado, o termo “dispositivo de aeração” se refere a um dispositivo que fornece ar ou oxigênio para dentro de um reator. Os dispositivos de aeração incluem aeradores mecânicos ou ar comprimido.

[0038] Em algumas modalidades, o reator aeróbio tem fases aeróbicas e anóxicas para a remoção eficiente de nitrogênio do resíduo (desnitrificação). Durante a fase aeróbica, o nitrogênio é convertido em nitrato (nitrificação). O resíduo nitrificado é depois exposto a um ambiente sem oxigênio livre (anóxico) e sob estas condições microrganismos usam o nitrato como um aceitador de elétron e liberam nitrogênio na forma de gás nitrogênio.

[0039] Durante a digestão aeróbica, nitrogênio e fósforo são removidos em um processo chamado de Remoção Biológica de Nutriente (BNR). Adicionalmente e esta é uma vantagem adicional da presente invenção, o sódio é removido do resíduo pela assimilação de biomassa resultando assim em um efluente de água salubre). O tratamento possibilita a remoção de altos níveis de sólidos em suspensão e matéria orgânica, como mostrado pelos níveis reduzidos da Demanda Química de Oxigênio (COD) e Demanda Bioquímica de Oxigênio (BOD), assim como nitrogênio, fósforo e sódio reduzidos.

[0040] Em algumas modalidades, os reatores anaeróbios podem compreender um coletor de gás para coletar biogás contendo metano. Em algumas modalidades, meios para medir a quantidade de metano produzido também podem ser incluídos no aparelho.

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[0041] De acordo com algumas modalidades, a tecnologia de Adsorção por Oscilação de Pressão (PSA) pode ser aplicada para extrair o metano do biogás, que pode depois ser injetado dentro de tubulações de gás natural. Em outras modalidades, o biogás, principalmente o metano purificado, pode ser usado pela aplicação da tecnologia de Calor e Energia Combinados (CHP) para gerar eletricidade e calor residual. Em algumas destas modalidades, o calor residual pode ser usado para aquecer o reator, aquecendo os estábulos ou para resfriar usando um refrigerador de adsorção. A eletricidade produzida pode ser transferida para o distribuidor da rede local.

[0042] A digestão anaeróbica pode ser realizada sob condições mesofílicas ou termofílicas. Em outras modalidades, as temperaturas termofílicas dentre 45 e 55°C são mantidas nos reatores anaeróbios. Enquanto que de acordo com outras modalidades, as temperaturas mesofílicas dentre 32 e 40°C são mantidas nos reatores anaeróbios. A última modalidade envolve custos reduzidos associados com aquecimento, quando comparados aos custos para manter as condições termofílicas. Assim, o aparelho pode compreender adicionalmente meios para regular temperatura.

[0043] A presente invenção é aplicável a qualquer reator anaeróbio e aeróbio. Tais reatores também não são limitados a nenhuma forma ou tamanho geométricos.

[0044] Os reatores anaeróbios utilizados no aparelho da invenção são selecionados a partir de reatores anaeróbios em batelada sequencial (ASBR).

[0045] Os reatores aeróbios utilizados no aparelho são selecionados a partir de reatores em batelada sequencial (SBR).

[0046] A matéria-prima é digerida nos dois reatores anaeróbios do aparelho pelos ciclos repetidos de misturar resíduo e deixar o resíduo sedimentar, durante a sedimentação, os sólidos sedimentam e o resíduo mais próximo do fundo pode ser transferido para uma bacia de descarga para a obtenção do corretivo de solo. Assim, em algumas modalidades, o aparelho de

15 / 24 tratamento de matéria-prima compreende ainda uma bacia de descarga conectada a pelo menos um dos dois reatores anaeróbios.

[0047] Em algumas modalidades o resíduo descarregado (lodo) pode ser seco ou misturado com celulose ou lascas de madeira para a obtenção de corretivo de solo. De acordo com algumas modalidades, o resíduo descarregado passa por Pilhas Estáticas Aeradas (ASP) forçando-se ou puxando-se ar através da pilha de resíduo descarregado, secando e solidificando deste modo o lodo em Matéria Seca (aqui chamada de “corretivo de solo”). Em algumas destas modalidades, o fluxo de ar é gerado por um soprador de ar de baixo consumo elétrico. Preferivelmente, o ar é soprado através da pilha de descarga de resíduo (lodo) entre 4 a 12 horas por dia. Em algumas modalidades adicionais, lascas de madeira são adicionadas como um agente de volume para intensificar o fluxo de ar e para adicionar porosidade à pilha. Em algumas modalidades adicionais, o corretivo de solo é estabilizado pelo SRT longo (Tempo de Retenção de Lodo) consistindo de cerca de 22 dias de tratamento anaeróbio, 37 dias de tratamento aeróbio e pelo menos 60 dias nas ASP, resultando na estabilização total em torno de 120 dias.

[0048] Em algumas modalidades, o corretivo de solo obtido, vantajosamente, é distinguido por ter partículas de menos que 10 mm no tamanho. Em algumas modalidades, a pilha de corretivo de solo tem odor reduzido e não atrai moscas, mosquitos etc. Adicionalmente, entre as muitas vantagens da presente invenção, o aparelho facilita a recuperação de nutriente biológico conforme o corretivo de solo atinge as exigências de composto de Grau A, tornando o mesmo um excelente melhorador de solo.

[0049] De acordo com algumas modalidades, a qualidade do corretivo de solo obtida pode ser regulada de acordo com as necessidades, por exemplo pela modificação da razão de lodo/celulose ou pela utilização de vários tipos de resíduos de celulose.

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[0050] Em algumas modalidades, o resíduo descarregado (lodo) pode ser seco e usado como cama orgânica para gados.

[0051] A Fig. 2 esquematicamente mostra a solução de ecossistema integrado 200 de acordo com uma modalidade da invenção, na qual os resíduos de gados 113 e águas residuais de ordenha 114 são convertidos em efluente de água salubre 112, que pode ser reciclado dentro do sistema, corretivo de solo 110 e biogás 111 como subprodutos. O ecossistema integrado 200 inclui o aparelho compreendendo um recipiente de ração agitada 101, dois reatores anaeróbios agitados 102, 103, um reator aeróbio agitado 104 e um recipiente de água 112. Os resíduos de gados 113 são alimentados ao recipiente de ração 101, onde o mesmo é diluído com águas residuais recicladas a partir da sala de ordenha e áreas de confinamento (“águas residuais de ordenha”) 114 ou com água salubre reciclada dentro do aparelho 115 e homogeneizado por mistura. De acordo com algumas modalidades, as águas residuais de ordenha 114 podem ser diretamente transferidas para dentro do reator aeróbio 104 para tratamento. O resíduo diluído é transferido para um primeiro de dois reatores anaeróbios 102 onde o mesmo passa pela digestão anaeróbica pelos ciclos repetidos de mistura e sedimentação do resíduo. Em algumas modalidades, a transferência de resíduo para dentro do primeiro reator anaeróbio 102 é realizada em bateladas, de acordo com algumas destas modalidades, os bateladas estão entre 2 a 6 bateladas por dia. Uma porção superior do resíduo sedimentado é transferida para um segundo reator anaeróbio 103 onde a mesma é adicionalmente digerida pela realização de ciclos repetidos de mistura e sedimentação. Depois a sedimentação de uma porção superior do resíduo é transferida do segundo reator anaeróbio 103 para um reator aeróbio 104 para digestão adicional do resíduo. Em algumas modalidades, a transferência do resíduo para dentro do reator aeróbio é realizada em bateladas, de acordo com algumas destas modalidades, os bateladas estão entre 2 a 6 bateladas por dia.

17 / 24 O resíduo é aerobicamente digerido no reator aeróbio 104 pelos ciclos repetidos de aeração e mistura do resíduo seguidos por deixar o resíduo sedimentar. Depois da sedimentação, uma porção inferior do lodo é transferida a partir do reator aeróbio 104 de volta para o segundo reator anaeróbio 103. Adicionalmente, uma porção inferior de lodo é transferida a partir do segundo reator anaeróbio 103 para o primeiro reator anaeróbio 102. Os reatores anaeróbios 102, 103 compreendem coletores de gás 107, 107’ para a coleta do biogás 111 produzido nos reatores. Água de uma porção superior do reator aeróbio 104 é transferida para o recipiente de água 112, a partir do qual, em algumas modalidades a mesma é reciclada 115 para autodiluição dos resíduos de gados 113. Uma porção inferior do lodo do primeiro reator anaeróbio 102 é transferida para uma bacia de descarga 110 onde a mesma é seca obtendo-se deste modo corretivo de solo de alta qualidade. O corretivo de solo pode ser adicionalmente enriquecido e usado na agricultura de planta 126.

[0052] Em algumas modalidades o efluente de água salubre 112 pode passar adicionalmente pela filtração 116 e desinfecção 117. Tais processos de filtração podem ser realizados usando um filtro de areia, filtro de meios filtrantes e filtro de carbono. A desinfecção pode ser realizada usando Ultravioleta (UV). As etapas de purificação adicionais podem ser adicionadas para modificar a qualidade do efluente de água salubre 112 de acordo com as exigências e regulamentações relevantes, por exemplo a osmose reversa (RO) pode ser aplicada para se obter água purificada.

[0053] Em algumas modalidades, o efluente de água salubre 112 é descarregada para dentro do sistema de esgoto ou em um WWTP 122. Em outras modalidades, o efluente de água salubre é usado para irrigação 118 ou para processamento de ração 119 tais como grãos para alimentar animais 121 na fazenda 124 ou aditivos a serem tratados no aparelho 120.

[0054] Em algumas modalidades, a solução de ecossistema integrado

18 / 24 200 pode compreender adicionalmente tanques de armazenagem e reserva 125, 123, como necessário.

[0055] De acordo com algumas modalidades, o biogás 111 pode ser usado aplicando-se a tecnologia de Calor e Energia Combinados (CHP) 127 para gerar eletricidade e calor. Em algumas destas modalidades, o calor pode ser usado para aquecer o reator 128, 128’. A eletricidade produzida pode ser transferida para o distribuidor da rede local 129. Em outras modalidades, a tecnologia de Adsorção por Oscilação de Pressão (PSA) 130 pode ser aplicada para extrair o metano do biogás, que pode ser depois injetado dentro das tubulações de gás natural 131.

[0056] Em uma modalidade, a invenção provê um processo para tratar a matéria-prima compreendendo uma combinação de uma ou mais das seguintes etapas: i) coletar a matéria-prima em um recipiente de ração; ii) diluir e homogeneizar a matéria-prima em resíduo; iii) transferir os resíduos do recipiente de ração para pelo menos um de dois reatores anaeróbios; iv) facilitar a digestão anaeróbica do resíduo pelos ciclos repetidos de misturar resíduo e deixar o resíduo sedimentar nos dois reatores anaeróbios, em que uma porção do resíduo é reciclada entre os dois reatores anaeróbios; v) transferir o resíduo tratado de pelo menos um dos dois reatores anaeróbios para um reator aeróbio; vi) facilitar a digestão aeróbica do resíduo pelos ciclos repetidos de aeração e mistura de resíduo no reator aeróbio seguido deixando- se o resíduo sedimentar; vii) transferir uma porção inferior de resíduo a partir do reator aeróbio para pelo menos um dos dois reatores anaeróbios; e viii) transferir uma porção superior de resíduo a partir do

19 / 24 reator aeróbio para um recipiente de água.

[0057] Embora as etapas do processo sejam representadas em uma ordem particular, não deve ser entendido que tais etapas sejam completadas em uma ordem particular como mostrada ou em uma sequência sucessiva. Em alguns casos, processamento de etapas múltiplas ou em paralelo seria vantajoso. Igualmente, embora o exemplo aqui provido inclua alguns detalhes de implementação específicos, o mesmo não deve ser interpretado como limitando o escopo das reivindicações, mas deve ser considerado como uma modalidade particular do processo.

[0058] De acordo com algumas modalidades, a matéria-prima é diluída no recipiente de ração com água reciclada a partir do recipiente de água. Em algumas modalidades a matéria-prima é diluída no recipiente de ração com águas residuais recicladas de ordenha originárias da sala de ordenha e áreas de confinamento de uma fazenda de gados leiteiros.

[0059] Em algumas modalidades, o processo compreende adicionalmente uma etapa para transferir uma porção de lodo a partir da parte inferior de pelo menos um dos ditos dois reatores anaeróbios para uma bacia de descarga para se obter corretivo de solo.

[0060] Em algumas modalidades, o processo compreende adicionalmente uma etapa para coletar biogás através de um coletor de gás a partir de pelo menos um dos ditos dois reatores anaeróbios.

[0061] Em algumas modalidades, a transferência de resíduos a partir do recipiente de ração para pelo menos um dos dois reatores anaeróbios e a partir de pelo menos um dos dois reatores anaeróbios dentro do reator aeróbio é realizada em bateladas, de acordo com algumas destas modalidades, os bateladas estão entre 2 a 6 bateladas por dia.

[0062] A invenção provê um aparelho e processo não complexos, sem equipamento caro, flexível e dimensionável, particularmente para tratar matéria-prima e águas residuais de ordenha das fazendas de gados leiteiros

20 / 24 compreendendo tratamento anaeróbio e aeróbio.

[0063] A invenção será adicionalmente descrita e ilustrada no seguinte exemplo. Exemplos

[0064] Os seguintes acrônimos são aqui usados: ASBR Reator Anaeróbio em Batelada Sequencial SBR Reator em Batelada Sequencial COD Demanda Química de Oxigênio BOD Demanda Bioquímica de Oxigênio TS Sólidos Totais VS Sólidos Voláteis TSS Sólidos em Suspensão Totais TKN Nitrogênio de Kjehldahl Total TP Fósforo Total TN Nitrogênio Total WAS Resíduo de Lodo Ativado Exemplo 1 Descrição do Aparelho

[0065] Um aparelho tendo uma planta baixa de 400 m2 foi construído em uma fazenda de gados leiteiros em Israel para tratar os resíduos de 100 vacas. O aparelho compreende um recipiente de ração agitada (T0), dois ASBRs agitados (R1 e R2), um SBR aeróbio (R3), um recipiente de água (T5) e uma bacia de descarga (R4), como ilustrado na Fig. 1. O biogás é coletado a partir dos dois ASBRs. Esterco de vaca tendo 13% de TS foi diluído para 2,5% de TS usando águas residuais de ordenha e 10 m3 de resíduos foram tratados diariamente.

dia

[0066] Tratamento: de resíduo Tamanho dos Reatores: Tamanho Total: cada reator: 100 m3

21 / 24 Tamanho operacional dos reatores anaeróbios: 60 m3 cada um Tamanho operacional do reator aeróbio: 30 m3 Tempo de Retenção Hidráulica (HRT) para cada reator anaeróbio: 6 dias dia Tempo de Retenção Hidráulica (HRT) para o reator aeróbio: 3 dias dia 9,5 0,5 dia dia Balanço de massa do reator: de água tratada + dia de lodo = Os Tempos de Retenção de Sólidos (SRT) não são mais longos do que: 60 dias.

[0067] Será avaliado pela pessoa versada, que o HRT para cada reator anaeróbio de 6 dias pode ser reduzido adicionalmente, por exemplo para um HRT de 3 dias. Exemplo 2 Desempenho do Aparelho A. Efluente de água salubre

[0068] A Tabela 1 mostra o desempenho médio do aparelho em termos de qualidade de água salubre. Tabela 1 Parâmetro Unidades Afluente Efluente de Níveis de descarga % de Remoção Água salubre no Esgoto * COD g/L 40 ± 16,5 2 ± 0,4 <2 95% TSS g/L 25 ± 3 0,7 ± 0,3 <1 97% TKN g/L 1,2 ± 0,4 0,15 ± 0,05 < 0,1 88% TP mg/L 230 ± 30 55 ± 13 < 30 76% Amônia mg/L 580 ± 115 10 ± 5 - 98% * de acordo com as regulamentações israelenses

[0069] No final do processo, o efluente de água salubre estava dentro

22 / 24 dos parâmetros permitidos para descarga para dentro do sistema de esgoto, como mostrado pelos níveis de Demanda Química de Oxigênio (COD), Sólidos Totais em Suspensão (TSS), Nitrogênio Kjehldahl Total (TKN) e Fósforo Total (TP).

[0070] Os resultados na Fig. 3 mostram as medições de COD do afluente e efluente do aparelho medido nos vários dias. Na maioria dos dias mais 90% de COD são removidos e estes níveis atingem os parâmetros reguladores para o conteúdo de COD permitido para descarga para dentro do sistema de esgoto.

[0071] Os Sólidos Totais (TS) são diluídos no afluente entre 1 e 3,5%. A Fig. 4 mostra a % de TS (Matéria Seca - DM) no afluente e efluente do aparelho como medida nos vários dias. Na maioria dos dias, a remoção da matéria seca é muito alta, com um efluente tendo menos que 0,5% de TS.

[0072] A Tabela 2 mostra o resumo do balanço de massa do aparelho em um único dia. Tabela 2 Esterco Afluente Efluente de Lodo % de Redução % de Redução Água Descarregado Interna Global salubre %TS 13,0 2,58 0,37 6,31 86% 97% TN (mgL) 4,160 2,690 98 1868 96% 98% TP(mgL) 3,640 608 52 947 91% 99% Na+ (mgL) 3,900 628 420 377 33% 89% Cl- (mgL) 1,560 697 504 495 28% 68% K (mgL) 1,950 1,262 676 762 46% 65% TKN (mgL) - 1,407 89 1857 94% - TNH4-H (mgL) - 574 12 991 98% - NO3 (mgL) - 1,283 9 10,5 99% - B. Produção de Biogás

[0073] A Fig. 5 mostra a % de metano (CH4) no biogás produzido nos reatores anaeróbios do aparelho nos vários dias. Em média, o biogás contém 65% de metano. C. Lodo descarregado

[0074] O lodo descarregado a partir do reator anaeróbio (R1) foi

23 / 24 coletado em uma bacia de descarga aerada (R4) onde o mesmo foi submetido à tecnologia das Pilhas Estáticas Aeradas (ASP) para solidificação e secagem. Depois de 60 dias a matéria seca (corretivo de solo) foi inspecionada. As partículas visuais tiveram um tamanho de menos que 10 mm. O odor do corretivo de solo teve um cheiro adocicado e frutoso e nenhuma mosca, mosquitos etc. foram observados. A Tabela 3 mostra as características médias do corretivo de solo. Tabela 3 Amostra de Composto Grau Composto Grau B Unidade Corretivo de

A Solo

1. Geral Tamanho da Partícula <20 - Mm <10 Parciais Externos 5 10 % por %TS <5 % de TS 60-75 60-75 % 33% % de Umidade 25-40 25-40 % 67% Cinzas/TS - - % 46% VS/TS >35% >25% % 54% C/N (Razão de Carbono Como declarada Como declarada # 37 para Nitrogênio) pH 5-8,5 5-8,5 # 7,34

2. Inorgânico N Como declarado Como declarado % por %TS 2,48% P Como declarado Como declarado % por %TS 3,34% K Como declarado Como declarado % por %TS 1,89% Na Como declarado Como declarado % por %TS 1,40% B < 200 < 200 mg/kgTS 0,02

3. Metais Pesados Hg 5 5 mg/kgTS - Cr 400 400 mg/kgTS 4 Ni 90 90 mg/kgTS 19 Cd 20 20 mg/kgTS 1 Pb 300 300 mg/kgTS 2 Cu 600 600 mg/kgTS 78 Zn 2500 2500 mg/kgTS 311

4. Bactéria Coliformes Totais - - - 2.100 Coliformes na Faceta 1.000 MPN/g DM - <2.000.000 Salmonela <3 - MPN/g DM <3,0

5. Aplicação às Safras (por composto grau A com base na IS 801) EC (Condutividade dS/m 2,9 elétrica) Safras sensíveis por tabela por tabela m3/dun. 2,0 Safras não sensíveis por tabela por tabela m3/dun. 8,0

6. Outros SAR (Razão de Adsorção - - # 1,39 de Sódio)

[0075] Embora as modalidades da invenção tenham sido descritas por

Claims

24 / 24 via de ilustração, será entendido que a invenção pode ser realizada com muitas variações, modificações e adaptações, sem exceder o escopo das reivindicações.