BRMU9100586U2 - estaÇço de tratamento de efluentes pelo sistema de lodo ativado por sucÇço ventérica - Google Patents

Abstract

ESTAÇçO DE TRATAMENTO DE EFLUENTES PELO SISTEMA DE LODO ATIVADO POR SUCÇçO VENTéRICA. ModeIo de utilidade de sistema de tratamento de efluentes pelo processo biológico aeróbio de Iodo ativado, diferindo do sistema convencional devido a junção das funções sucção de Iodo (05), recirculação de lodo e aeração((06), (07), (08)), que são executadas por equipamento venturico (de (04) a (10)), aumentando a eficiência, reduzindo custos, simplificando e otimizando o atual estado da arte do processo, em runção da possibilidade de se usar reatores biológicos(01) e compartimento de separação de sólidos (02) com maior liberdade de projeto de formas e materiais de baixo custo como lonas impermeáveis ou outros, para a construção de sistemas de pequeno ou grande porte, reduzindo-se também a necessidade de uso de equipamentos sofisticados como sopradores, difusores e aeradores, necessitando-se somente de tubulações e bombas hidráulicas centrífugas ou outras.

Description

ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE EFLUENTES PELO SISTEMA DE LODO ATIVADO POR SUCÇÃO VENTÚRICA.

Trata-se de dispositivo destinado ao tratamento biológico aeróbico de efluentes com cargas orgânicas utilizando-se dos seguintes processos:

1- Sistema denominado lagoa aerada ou lodo ativado, os quais são compostos pelos seguintes dispositivos de operações unitá- rias:

A- Reator biológico operando com bactérias ae- róbias, contendo principalmente meios para a dissolução do gás oxigênio que po- derá advir da atmosfera ou de equipamento que aumenta a concentração do gás oxigênio na mistura gasosa a ser dissolvida na massa liquida presente no reator biológico. Estes equipamentos podem operar pelo processo criogênico, utilizando- se de tanque de estocagem do elemento na forma líquida, no local de aplicação on- de será utilizado, ou pelo processo de peneiras moleculares normalmente monta- das próximas ao ponto de consumo do gás.

Os mesmos equipamentos utilizados para a dis- solução de gases fornecem também a energia de mistura que deve ser utilizada para manter os sólidos presentes no reator em suspensão. Dentre estes sólidos es- tão os microrganismos responsáveis pela absorção e processamento da carga or- gânica ou carga de nutrientes resultando numa remoção das mesmas do meio liqui- do. Este líquido, após uma separação física ou físico-química será descarregado como efluente tratado,

B- Processo unitário de separação líquido-sólido

podendo ser:

i. físico ou físico-químico por meio de equipa- mentos que utilizam os conceitos de sedimentação ou flotação, gravitacional sim- ples ou coadjuvada pelos processos de coagulação química e floculação

i. Filtração ou ultra filtração por mídias diversas ou membranas (processo chamado de MBR: Membrane Bio-reactor).

O detalhe que difere o sistema de lodo ativado do lagoa aerada é a recirculação dos sólidos separados no processo unitário de se- com o intuito de aumentar a concentração de microrganismos no mesmo e assim aumentar a capacidade de remoção de carga para o volume de reator disponível.

O processo de tratamento de efluentes por lo- do ativado pode ser definido portanto como a montagem de dois compartimentos, um com objetivo de desenvolver uma cultura de microrganismos capazes de absor- ver e digerir o material dissolvido em uma massa de água, através da utilização de microrganismos, denominado de reator biológico e outro compartimento denomina- do de separação de sólidos constituído por equipamentos como decantadores gra- vitacionais, flotadores ou filtros e membranas, capaz de separar os microrganismos que se apresentam na fase sólida (mais comumente denominada de lodo), da fase líquida, que é o líquido de entrada menos o material absorvido, retido e metaboliza- do pelos microrganismos e material sólido que também é retido fisicamente na massa de microrganismo floculada.

Como num sistema de lodo ativado os micror- ganismos utilizados são microrganismos aeróbicos, o processo necessita da utiliza- ção de equipamentos que dissolvam o gás oxigênio no líquido denominado de licor misto, que é o liquido a ser tratado mais a massa de microrganismos presentes no reator biológico.

Também, em muitos processos químicos/ fermentativos onde a dissolução do oxigênio do ar é necessária, a taxa de produ- ção global quase sempre é limitada pela transferência de oxigênio ao líquido, sendo este tema, objeto de muitas pesquisas com a finalidade de melhorar tais processo

Os equipamentos utilizados para a promoção desta oxigenação são denominados de aeradores. Vários sistemas de aeração são utilizados no

projeto de processos de tratamentos de águas residuárias.

Dois métodos básicos de aeração de águas

residuárias são:

1) Dissolver ar ou oxigênio na água residuária com difusores submersos ou outros dispositivos de aeração e

2) Agitação mecânica da água residuária que promove dissolução do oxigênio do ar atmosférico. Alguns dispositivos de aeração:

1- Dispositivo de aspiração: Consiste de uma bomba propulsora inclinada montada na superfície de uma lagoa ou tanque de tra- tamento, que succiona ar e descarrega a mistura ar/água abaixo da superfície da

água. Este dispositivo apresenta uma baixa eficiência de transferência de oxigênio.

2- Tubos estáticos: Consiste em um ou mais tu- bos montados num tanque profundo, que aera e promove a mistura porém possuí uma baixa transferência de oxigênio.

3- Difusor de disco: Consiste em discos de cerâ-

mica rígidos ou membrana porosa flexível montados sobre tubos de distribuição de

ar perto do fundo do tanque.

4- Venturi: É um dispositivo medidor de vazão e aerador. Como aerador o venturi é responsável pela sucção de ar e promoção de sua mistura no líquido em forma de pequenas bolhas. Um aerador Venturi é com-

posto de um bocal, seguido de um conduto de diâmetro constante (garganta) e, em seguida, de um cone gradualmente divergente. A área da garganta sendo peque- na, resulta em uma alta velocidade do líquido, seguido de um decréscimo corres- pondente na pressão estática o que permite a utilização do Venturi como um dispo- sitivo de sucção de gases. O projeto de um Venturi para succionar gases, utiliza

como critério a obtenção de uma pressão inferior à atmosférica. Os furos existen- tes na parede da garganta proporcionam a sucção de ar ou outro gás, devido à di- ferença de pressão.

5-Ejetores - São dispositivos que utilizam a ener- gia cinética de um jato de líquido a alta velocidade para conduzir, dispersar e dis-

solver gases em líquidos.

30 O detalhe que difere o sistema de lodo ativa- do do lagoa aerada é a recirculação dos sólidos separados na unidade de separa- ção para o reator biológico com o intuito de aumentar a concentração de microrga- nismos no mesmo e assim aumentar a capacidade de remoção de carga para o vo- lume de reator disponível.

O processo de tratamento de efluentes por lodo ativado pode ser definido portanto como a montagem de dois compartimentos, um com objetivo de desenvolver uma cultura de microrganismos capazes de absorver e digerir o material dissolvido em uma massa de água, denominado de reator biológico e outro compartimento de no- minado de separação de sólidos constituído por equipamentos como decantadores gravitacionais, flotadores ou filtros e membranas, capaz de reter os microrganismos

Conforme acima verificado, o processo de lo- do ativado necessita de sistema de aeração para a dissolução de oxigênio e forne- cimento de turbulência para a manutenção de sólidos em suspensão instalado no reator aeróbico e também de sistema de separação de sólidos sendo que o mais utilizado é o decantador secundário contendo equipamento de coleta e recirculação de lodo.

Para esta operação o consumo energético é relativamente baixo, quando comparado ao consumido no processo de aeração. Para o funcionamento adequado do sistema

de coleta de lodo, o separador de sólidos deve contar com uma conformação espe- cial do fundo do mesmo para que o lodo deslize para um ou vários pontos onde ha- verá um efeito de sucção proporcionado por um equipamento apropriado como uma bomba centrífuga ou outro que além de coletar proporcione energia necessá- ria para a recirculação e descarte do lodo. Também é usual a utilização de raspa- dores de fundo ou sis

tema pneumático para esta coleta como o denominado de air lift.

A proposição de modificação de processo, tor- nando o mesmo novo e diferente do convencional propõe a junção de todas as fun- ções já citadas em um único equipamento beneficiando o sistema aqui tratado em vários aspectos que serão adiante tratados.

O equipamento principal da invenção trata-se de um sistema de recirculação de material líquido podendo conter a presença de sólidos em suspensão ou dissolvidos que é composto por:

1- Equipamento motriz que pode ser bomba centrifuga (06) ou outro de mesma função.

2- Tubulação, equipamento venturico de mis- tura gás-líquido ((07) e (08)), ejetores estáticos (04) conjunto este que tem as se- guintes funções:

a- Dissolver o oxigênio no meio líquido, ne- cessário à respiração do microrganismo aeróbio,

b- Fornecer a energia de mistura e mantene- dora dos sólidos em suspensão para o reator biológico. Nos sistemas de lodo ativado, mais de 90% da energia empregada é consumida nas funções acima citadas. Uma pequena parcela de energia é utilizada na recircu- lação e descarte do lodo. Nesta função a energia é consumida simplesmente para transportar o lodo sedimentado e concentrado em um único ponto do separador de sólidos para o reator biológico.

Como já foi citado, o sistema de dissolução de oxigênio que utiliza o método de Venturi, opera por recirculação de licor misto do reator biológico, ou seja, faz a sucção e o descarregamento do líquido a ser recir- culado no reator biológico (01). Este líquido succionado no compartimento de sepa- ração de sólidos (02), pela bomba centrífuga (06), recalcando no venturi principal (07). O venturi principal (07) contém na região de sua garganta, orifícios que po- dem estar conectado a tubulação aberta para a atmosfera, operando na modalida- de denominada de induzida, ou conectado a um equipamento ou reservatório (11) que suprirá o gás a ser dissolvido, com vazão sob pressão, operando nesta modali- dade denominada de imposta.

A jusante são instalados ejetores estáticos (04), que tem a função de fornecer energia de dissolução complementar e de mis- tura para a promoção do contato de microrganismos com substrato e gases, bem como a manutenção dos mesmos em suspensão. Estima-se ser necessário neste processo, a aplicação de no mínimo 9,0 Watt/m3 de reator biológico. O ejetor está- tico (04) possui um bico ejetor, onde a velocidade de licor misto recalcado deverá variar de 4,0 a 10,0 m3/s. O bico ejetor recalca o jato em um tubo com formato ventúrico, promovendo o contato do líquido circunvizinho no reator biológico, com a mistura gás-liquido recalcada com o jato.

A vázão de gás induzido ou imposto poderá variar de 25% a 35% da vazão de recirculação descarregada pela bomba centrífuga (06). A vazão da bomba centrífuga depende das características do projeto, sendo que a pressão poderá variar de 10 metros de coluna de água a 60 metros de coluna de água. A velocidade de efluente recirculado na garganta do venturi, é imposta nu- ma faixa de 5 m/s a 18 m/s, dependendo da aplicação a que se destina o equipa- mento. Detalhes construtivos do equipamento são considerados como segredo in- dustrial do projeto.

Nestas condições, a taxa padrão de eficiência energética de transferência de oxigênio varia de 0,6 a 1,2 kg02/kW, para aplicação de ar atmosférico e de 2,8 a 5,2 kg02/kWh, para a aplicação de oxigênio de alta pu- reza.

O coeficiente de transferência de massa deste equipamento, varia em função da potência especifica aplicada por volume de reator (reator tubular e reator biológico); da vazão específica de gases pela seção de rea- tor biológico; e da viscosidade do licor misto. A potência aplicada neste sistema é função do

quadrado da velocidade na garganta do venturi, somada ao cubo da velocidade no bico ejetor.

A proposta de novo processo, consiste no uso do equipamento ventúrico fazendo a sucção no separador de sólidos (02) e o des- carregamento no reator biológico (01). Esta sucção, para o tratamento de 1,0 m3 de esgoto sanitário, devido a necessidade de se dissolver aproximadamente 0,45 kgCVm3 de efluente utilizando-se ar atmosférico para a dissolução do oxigênio, se- rá necessária uma vazão aproximada de 5,5 m3 de ar por m3 de efluente a ser trata- do, e uma vazão de recirculação de efluente de aproximadamente 27,5 m3 por m3 de efluente a ser tratado.

Em um sistema convencional de lodo ativado, a vazão de recirculação é de aproximadamente 50% a 150% da vazão de admissão de efluente tratado, ou seja, para 1 m3 de efluente tratado, utiliza-se no máximo, 1,5 m3 de efluente recirculado, que determina uma certa capacidade de sucção.

Neste novo método a capacidade de sucção no separador de sólidos (2) pode variar de 18 a 55 vezes maior que no sistema convencional de lodo ativado.

Devido a capacidade de sucção de lodo ser muitas vezes superior ao método convencional, são obtidas varias vantagens no processo, nos setores de economia de recursos em investimentos iniciais e opera- cionais e também no desempenho do processo propriamente dito, conforme segue: 1- Em função das características de sucção de

lodo, o separador de sólidos não mais necessita ter conformação ou material cons- trutivo especial. Este fato possibilita se utilizar de simples lagoas como separadoras de sólido, habilitando o uso das mesmas para a construção de sistemas de lodo ativado com lagoas,

2- Redução substancial do volume de lagoas utili-

zadas, em função do aumento de concentração de microrganismos no reator bioló- gico de 80 a 180 mg/L para 2800 a 3800 mg/L, proporcionando uma redução de volume necessário de reator biológico de 15,6 a 47,5 vezes menor,

3- Obtenção de desempenho superior em remo- ção de carga orgânica e nutrientes, devido a reduzir a taxa alimento/microrganismo

do sistema convencional de 0,5 a 0,7 kgDBOs/kgSSV*dia para 0,3 a 0,05 kgDBCV kgSSV*dia,

4- Fabricação de estações de tratamento de eflu- entes compactas ou modulares em formas simples que mais se adequam aos mé-

todos construtivos mais adequados aos materiais utilizados (como as forma cilíndri- cas para fibra de vidro) e separadores de sólidos com fundo com pequenas inclina- ções ou plano) devido a nova modalidade proporcionar grande força de sucção de sólidos que pode ser dividida em vários pontos dispostos pelo fundo do tanque de separação.

5- Como a funções de dissolução de oxigênio (ou

gases), fornecimento de energia de mistura e reciclo e descarte de lodo são execu- tadas por um único equipamento, este novo processo permite uma simplificação, minimização e redução de itens e peças moveis importante, havendo a possibilida- de de se produzir um sistema de lodo ativado com a utilização de apenas uma bomba centrífuga instalada em tanques de conformação comum.

Claims (17)

1. ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE EFLUENTES PELO SISTEMA DE LODO ATIVADO POR SUCÇÃO VENTÚRICA, caracterizada por conter 2 compartimentos, de acordo com a Figura 1/1; o reator aeróbico (01) e o separador de sólidos (02). O afluente chega ao reator biológico pela tubulação ( 03), sendo dispersado pela energia hidráulica aplicada a este reator. O volume útil do reator é preenchido por um liquido denominado de licor misto, que é com- posto pelo efluente que está entrando no sistema, pelo lodo biológico composto por bactérias, outros microrganismos e materiais, gases como oxigênio e nitrogênio, advindos da atmosfera ou de outros processos de separação de gases e nutrientes diversos que devem ser dosados. Os sólidos, dentre eles os microrganismos, são mantidos em suspensão e mistura pelos dispositivos que fazem parte do sistema hidráulico que fornece toda a energia cinética necessária aos reatores. Este siste- ma é denominado de sistema sucção ventúrica de captação e distribuição.

2. ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE EFLUENTES PELO SISTEMA DE LODO ATIVADO POR SUCÇÃO VENTÚRICA, desacordo com a reivindicação um, caracterizada por conter captação de lodo biológico no compartimento de separação de sólidos, através dos bocais (05), que devem ser tantos quanto o projeto hidráulico indicar,

3. ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE EFLUENTES PELO SISTEMA DE LODO ATIVADO POR SUCÇÃO VENTÚRICA, de acordo com a reivindicação um, caracterizada por conter bomba centrífuga ou outra, ou estação de bombeamento (06) atuando como sucção de lodo e licor misto no tan- que de separação de sólidos e recalcando com determinada vazão e potencial energético, diretamente para o venturi principal do sistema,

4. ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE EFLUENTES PELO SISTEMA DE LODO ATIVADO POR SUCÇÃO VENTÚRICA, de acordo com a reivindicação um, caracterizada por conter venturi principal (7), operando co- mo equipamento que succiona e particiona o gás em bolhas utilizando-se da trans- formação de energia potencial em cinética desenvolvida pelo aumento da velocida- de na garganta do mesmo. O gás (ar atmosférico ou oxigênio de alta pureza), pode ser induzido pelo vácuo gerado na garganta do venturi, ou imposto por sistema de compressão ou suprimento sob pressão (11) que pode ser adicionado ao processo. O venturi possui uma admissão de gás, geralmente localizada na garganta do ven- turi,

5. ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE EFLUEN- TES PELO SISTEMA DE LODO ATIVADO POR SUCÇÃO VENTÚRICA, de acor- do com a reivindicação um, caracterizada por conter venturis secundários (8), que possuem a mesma função do venturi principal, podendo ser conectados ao sistema (11) apesar de não representado na figura, para serem utilizados com regulagens individuais por cada linha de ejetores, ou até mesmo não serem utilizados, ficando a cargo do venturi principal esta função,

6. ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE EFLUEN- TES PELO SISTEMA DE LODO ATIVADO POR SUCÇÃO VENTÚRICA, de acor- do com a reivindicação um, caracterizada por conter ejetores estáticos, ou simples- mente ejetores, que são os dispositivos enumerados como (04), que tem a função de fornecer ao reator biológico; energia cinética e energia para a dissolução e dis- persão de gases, além do contato de microrganismos e todos os materiais disponí- veis presentes no sistema, devendo ser em tantos quanto o projeto hidráulico indi- car. Este dispositivo já recebe a mistura bolhas de gás e líquido advindos do ventu- ri principal e/ou venturis secundários para a injeção em reator biológico,

7. ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE EFLUEN- TES PELO SISTEMA DE LODO ATIVADO POR SUCÇÃO VENTÚRICA, de acor- do com a reivindicação um, caracterizada por compartimentos que são interligados pela tubulação (9) e o efluente deixa o sistema de tratamento, já tratado, pela tubu- lação (10).

8. ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE EFLUEN- TES PELO SISTEMA DE LODO ATIVADO POR SUCÇÃO VENTÚRICA, caracteri- zada pela sedimentação de sólidos ser induzida por sucção e não mais somente por sedimentação gravitacional, a qualidade do efluente final é amplificada devido ao novo processo auxiliar na sedimentação de Iodos leves, dispersos ou intumesci- dos por problemas de desequilíbrio com aumento excessivo da população de bac- térias filamentosas ou outros,

9. ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE EFLUEN- TES PELO SISTEMA DE LODO ATIVADO POR SUCÇÃO VENTÚRICA, caracteri- zada pelo lodo retirado do separador de sólidos ser recirculado varias vezes a mais que em sistemas convencionais e receba oxigênio imediatamente após sua retirada do tanque de separação de sólidos, este apresenta uma qualidade superior contri- buindo para a melhoria do desempenho de todo o sistema,

10. ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE EFLUEN- TES PELO SISTEMA DE LODO ATIVADO POR SUCÇÃO VENTÚRICA, caracteri- zada pela recirculação de lodo muito maior que em processo convencional, evitan- do-se a formação de manto de lodo e os problemas que ele causa como a perda de sólidos por manto de lodo alto ou por processo de desnitrificação por formação de ambiente anóxico em manto de lodo.

11. ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE EFLUEN- TES PELO SISTEMA DE LODO ATIVADO POR SUCÇÃO VENTÚRICA, caracteri- zada por possibilitar a conversão de sistema de tratamento de efluente por lagoa aerada em sistema de tratamento de efluente por lodo ativado, executando-se a divisão do tanque denominado de lagoa aerada em dois compartimentos separa- dos, agora denominados de reator biológico e tanque de separação de sólidos. A seguir, transferindo-se a descarga de efluente tratado para a região do sobrenadan- te do tanque de separação de sólidos. Posteriormente, carregando-se o tanque de polimento com o lodo descartado do sistema agora de lodo ativado, transformando este tanque em tanque de digestão de lodo, podendo também dividir-se o tanque de polimento, utilizando-se uma parte para digestão de lodo e mantendo-se a outra parte desta divisão ainda como tanque de polimento.

12. ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE EFLUEN- TES PELO SISTEMA DE LODO ATIVADO POR SUCÇÃO VENTÚRICA, de acor- do com a reivindicação onze, caracterizada pela conversão do sistema de lagoa aerada em sistema de lodo ativado, através da instalação do equipamento ventúri- co (de (4) a (8)), interligando os compartimentos de reator biológico e separador de sólidos provendo o sistema com as funções já detalhadas anteriormente, proporcio- nando a vantagem de controle de parâmetros de processo devido a introdução da operação de recirculação e descarte de lodo pela tubulação (12) controlado pela válvula (13), antes inexistentes no processo de lagoa aerada,

13. ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE EFLUEN- TES PELO SISTEMA DE LODO ATIVADO POR SUCÇÃO VENTÚRICA, de acor- do com a reivindicação onze e doze, caracterizada por aumentar o desempenho do processo, em função do aumento de concentração de massa biológica no reator biológico, permitida pela coleta e recirculação de lodo do separador de sólidos ao reator biológico ou tanque de aeração, operando-se em taxa de alimento/ microrganismo mais baixa (de 0,3 a 0,05 kgDBOs/kgSSV*dia )que no sistema de lagoa aerada (normalmente parâmetro de projeto de até 0,5 a 0,7 kgDBOs/ kgSSV*dia),

14. ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE EFLUEN- TES PELO SISTEMA DE LODO ATIVADO POR SUCÇÃO VENTÚRICA, de acor- do com a reivindicação onze, caracterizada por possibilitar o gerenciamento e con- trole do lodo, operando-se a válvula (13) da tubulação (12), que deverá ser conec- tada a tanque de digestão de lodo.

15. ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE EFLUEN- TES PELO SISTEMA DE LODO ATIVADO POR SUCÇÃO VENTÚRICA", de acor- do com a reivindicação onze, caracterizada por possibilitar o controle.de odores em tanque de digestão do lodo, por aplicação de equipamento ventúrico secundário para digestão aeróbica de lodo neste compartimento,

16. ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE EFLUEN- TES PELO SISTEMA DE LODO ATIVADO POR SUCÇÃO VENTÚRICA, de acor- do com a reivindicação onze, caracterizada por possibilitar a limpeza do tanque de digestão de lodo sem influenciar no desempenho do processo de tratamento que encontra-se operando independentemente deste compartimento,

17. ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE EFLUEN- TES PELO SISTEMA DE LODO ATIVADO POR SUCÇÃO VENTÚRICA, de acor- do com a reivindicação onze, caracterizada pela operação de um tanque de poli- mento isento da presença de lodo descartado e sedimentado, eliminando-se o risco de interrupção do funcionamento do processo por assoreamento da lagoa de poli- mento.