BRMU9100586Y1

BRMU9100586Y1 - Disposição construtiva introduzida em estação de tratamento de efluentes

Info

Publication number: BRMU9100586Y1
Application number: BRMU9100586-8U
Authority: BR
Inventors: Leite Almeida Junior Ronaldo
Original assignee: Leite Almeida Junior Ronaldo
Priority date: 2011-03-10
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2018-06-26
Also published as: BRMU9100586U2

Abstract

estação de tratamento de efluentes pelo sistema de lodo ativado por sucção ventúrica. 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

(54) Título: DISPOSIÇÃO CONSTRUTIVA INTRODUZIDA EM ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE EFLUENTES (51) Int.CI.: C02F 3/26; C02F 9/02; C02F 9/14 (73) Titular(es): RONALDO LEITE ALMEIDA JUNIOR (72) Inventor(es): RONALDO LEITE ALMEIDA JUNIOR

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DISPOSIÇÃO CONSTRUTIVA INTRODUZIDA EM ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE EFLUENTES [001] Trata-se a presente patente de modelo de utilidade de uma disposição construtiva introduzida em estação de tratamento de efluentes, mais particularmente de estação de tratamento de efluentes pelo sistema de lodo ativado por sucção ventúrica, pertencente ao setor técnico da construção civil e tratamento de efluentes, destinado ao tratamento biológico aeróbico de efluentes com cargas orgânicas utilizando-se dos seguintes processos:

[002] 1 .- Sistema denominado lagoa aerada ou lodo ativado, os quais são compostos pelos seguintes dispositivos de operações unitárias:

[003] A.- Reator biológico operando com bactérias aeróbicas, contendo principalmente meios para a dissolução do gás oxigênio que poderá advir da atmosfera ou de equipamento que aumenta a concentração do gás oxigênio na mistura gasosa a ser dissolvida na massa líquida presente no reator biológico. Estes equipamentos podem operar pelo processo criogênico, utilizando-sxe de tanque de estocagem do elemento na forma líquida, no local de aplicação onde será utilizado, ou pelo processo de peneiras moleculares normalmente montadas próximas ao ponto de consumo do gás. Os mesmos equipamentos utilizados para a dissolução de gases fornecem também a energia de mistura que deve ser utilizada para manter os sólidos presentes no reator em suspensão. Dentre estes sólidos estão os microrganismos responsáveis pela absorção e processamento da carga orgânica ou carga de nutrientes resultando numa remoção das mesmas do meio líquido. Este líquido, após uma separação física ou físico-química será descarregado como efluente tratado;

[004] B.- Processo unitário de separação líquido-sólido podendo ser:

i.- físico ou físico-químico por meio de equipamentos que utilizam os conceitos de sedimentação ou flotação, gravitacional simples ou coadjuvada

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2/10 pelos processos de coagulação química e floculação;

ii.- filtração ou ultra filtração por mídias diversas ou membranas (processo chamado de MBR: Membrane Bio-Reactor).

[005] O detalhe que difere o sistema de lodo ativado do lagoa aerada é a recirculação dos sólidos separados no processo unitário de separação líquido-sólido, 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.

[006] 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, através da utilização de microrganismos, denominado de reator biológico e outro compartimento denominado de separação de sólidos constituído por equipamentos como decantadores gravitacionais, 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 metabolizado pelos microrganismos e material sólido que também é retido fisicamente na massa de microrganismo floculada. [007] Como num sistema de lodo ativado os microrganismos utilizados são microrganismos aeróbicos, o processo necessita da utilização de equipamentos que dissolvam o gás oxigênio no líquido denominado de licor misto, que é o líquido a ser tratado mais a massa de microrganismos presentes no reator biológico.

[008] Também em muitos processos químicos/fermentativos onde as dissolução do oxigênio do ar é necessária, a taxa de produção global quase sempre é limitada pela transferência de oxigênio ao líquido, sendo este tema,

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3/10 objeto de muitas pesquisas com a finalidade de melhorar tais processos.

[009] Os equipamentos utilizados para a promoção desta oxigenação são denominados de aeradores.

[010] Vários sistemas de aeração são utilizados no projeto de processos de tratamento de águas residuárias.

[011] 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.

[012] Alguns dispositivos de aeração:

1) Dispositivo de aspiração: Consiste de uma bomba propulsora inclinada montada na superfície de uma lagoa ou tanque de tratamento, 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 tubos montados num tanque profundo, que aera e promove a mistura, porém, possui uma baixa transferência de oxigênio;

3) Difusor de disco: Consiste em discos de cerâmica rígidos ou membrana porosa flexível montados sobre tubos de distribuição de ar perto do fundo do tanque;

4) Venturi: É um dispositivo 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 composto de um bocal, seguido de um conduto de diâmetro constante (garganta) e, em seguida, de um cone gradualmente divergente. A área da garganta sendo pequena, resulta em uma alta velocidade do líquido, seguido de um decréscimo correspondente na

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4/10 pressão estática o que permite a utilização do Venturi como um dispositivo 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 existentes na parede da garganta proporcionam a sucção de ar ou outro gás, devido à diferença de pressão.

5) Ejetores - São dispositivos que utilizam a energia cinética de uma jato de líquido a alta velocidade para conduzir, dispersar e dissolver gases em líquidos.

[012] O detalhe que difere o sistema de lodo ativado do lagoa aerada é a recirculação dos sólidos separados na unidade de separação para o reator biológico 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.

[013] 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 denominado de separação de sólidos constituído por equipamentos como decantadores gravitacionais, flotadores ou filtros e membranas, capaz de reter os microrganismos.

[014] Como parte do estado da técnica, embora não seja considerado relevante, destacamos ainda o documento WO2009/149536, referente à “APARELHO E PROCESSO PARA TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS E RENOVAÇÃO DE NUTRIENTES BIOLÓGICOS EM SISTEMAS DE LODOS ATIVADOS”, onde de acordo com seu resumo temos: “Um aparelho (100) e processo (400) para o tratamento de efluentes e remoção biológica de nutrientes em sistemas de

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Iodos ativados. O processo utiliza jatos de entrada representados verticalmente substancialmente para baixo para fornecer a água residual entrando e a lama ativada reciclada no corpo de líquido em um reator, em uma direção vertical descendente e em local logo abaixo da superfície para o líquido. Um padrão de fluxo circulante eficaz de líquido é assim estabelecido, juntamente com concomitante opcional que arrasta, dispersa ou dissolve um fluido em todo o volume do corpo líquido, facilitando um aparelho universal para mistura de anaeróbios, anóxicos, aeróbicos e oxidantes ou acomodando alternando o dito processo condições em um reator. Quando um gás contendo oxigênio é arrastado para fermentação aeróbica, o tamanho ideal da bolha de gás é gerado para uma reação eficiente com a bactéria de digestão em todo o volume do corpo líquido. A mistura eficiente e a utilização máxima da bactéria suspensa no corpo do líquido é assim abordada, quer a digestão seja realizada aerobicamente, anaerobicamente ou anoxicamente.

[015] Conforme acima verificado, o processo de lodo ativado necessita de sistema de aeração para a dissolução de oxigênio e fornecimento 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.

[016] Para esta operação o consumo energético é relativamente baixo, quando comparado ao consumido no processo de aeração.

[017] Para o funcionamento adequado do sistema de coleta de lodo, o separador de sólidos deve contar com uma conformação especial do fundo do mesmo para que o lodo deslize para um ou vários pontos onde haverá um efeito de sucção proporcionado por um equipamento apropriado como uma bomba centrífuga ou outro que além de coletar, proporcione energia

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6/10 necessária para a recirculação e descarte do lodo. Também é usual a utilização de raspadores de fundo ou sistema pneumático para esta coleta como o denominado de air lift.

[018] A proposição de modificação de processo, tornando o mesmo novo e diferente do convencional, propõe a junção de todas as funções já citadas em um único equipamento beneficiando o sistema aqui tratado em vários aspectos que serão adiante tratados.

[019] A presente inovação será melhor compreendida através da figura única, que representa uma vista esquemática da estação de tratamento de efluentes.

[020] O equipamento principal da inovação 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 contrífuga (6) ou outro de mesma função;

2. - Tubulação, equipamento venturico de mistura gás-líquido ((7) e (8)), ejetores estáticos (4) conjunto este que tem as seguintes funções:

a. - dissolver o oxigênio no meio líquido, necessário à respiração do microrganismo aeróbio;

b. - fornecer a energia de mistura e mantenedora dos sólidos em suspensão para o reator biológico.

[021] 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 recirculação 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.

[022] Como já foi citado, o sistema de dissolução de oxigênio que

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7/10 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 recirculado no reator biológico (1). Este líquido succionado no compartimento de separação de sólidos (2), pela bomba centrífuga (6), recalcando no venturi principal (7). O venturi principal (7) contém na região de sua garganta, orifícios que podem estar conectado a tubulação aberta para a atmosfera, operando na modalidade denominada de induzida, ou conectado a um equipamento ou reservatório (11) que suprirá o gás a ser dissolvido, com vazão sob pressão, operando nesta modalidade denominada de imposta.

[023] A jusante são instalados ejetores estáticos (4), que tem a função de fornecer energia de dissolução complementar e de mistura 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/m de reator biológico. O ejetor estático (4) possui um bico ejetor, onde a velocidade de licor misto recalcado deverá variar de 4,0 a 10,0 m /s. O bico ejetor recalca o jato em tubo com formato ventúrico, promovendo e contato do líquido circunvizinho no reator biológico, com a mistura gás-líquido recalcada com jato.

[024] A vazão de gás induzido ou imposto poderá variar de 25% a 35% da vazão de recirculação descarregada pela bomba centrífuga (6). 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 numa faixa de 5 m/s a 18 m/s, dependendo da aplicação a que se destina o equipamento. Detalhes construtivos do equipamento são considerados como segredo industrial do projeto.

[025] Nestas condições, a taxa padrão de eficiência energética de

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8/10 transferência de oxigênio varia de 0,6 a 1,2 KgO₂/KW, para aplicação de ar atmosférico e de 2,8 a 5,2 KgO₂/KWh, para aplicação de oxigênio de alta pureza.

[026] O coeficiente de transferência de massa deste equipamento, varia em função da potência específica aplicada por volume de reator (reator tubular e reator biológico); da vazão específica de gases pela seção de reator biológico; e da viscosidade do licor misto.

[027] A potência aplicada neste sistema é função do quadrado da velocidade na garganta do venturi, somada ao cubo da velocidade no bico ejetor.

[028] A proposta de novo processo, consiste no uso do equipamento ventúrico fazendo a sucção no separador de sólidos (2) e o descarregamento no reator biológico (1). Esta sucção, para o tratamento de 1,0 m de esgoto sanitário, devido a necessidade de se dissolver aproximadamente 0,45

KgO2/m de efluente utilizando-se ar atmosférico para a dissolução do

-5 -5 oxigênio, será necessária uma vazão aproximada de 5,5 m de ar por m de efluente a ser tratado, e uma vazão de recirculação de efluente de

-5 -5 aproximadamente 27,5 m por m de efluente a ser tratado.

[029] 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 m de efluente tratado, utiliza-se no máximo,

1,5 m de efluente recirculado, que determina uma certa capacidade de sucção.

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

[031] Devido a capacidade de sucção de lodo ser muitas vezes superior

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9/10 ao método convencional, são obtidas varias vantagens no processo, nos setores de economia de recursos em investimentos iniciais e operacionais 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 construtivo 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 utilizadas, em função do aumento de concentração de microrganismos no reator biológico 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 remoção de carga orgânica e nutrientes, devido a reduzir a taxa alimento/microrganismo do sistema convencional de 0,5 a 0,7 KgDBO5/KgSSV*dia para 0,3 a 0,005 KgDBO₅/KgSSV*dia;

4. - Fabricação de estações de tratamento de efluentes compactadas ou modulares em formas simples que mais se adequam aos métodos construtivos mais adequados aos materiais utilizados (como as formas cilíndricas para fibra de vidro) e separadores de sólidos com fundo com pequenas inclinações 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 as funções de dissolução de oxigênio (ou gases), fornecimento de energia de mistura e reciclo e descarte de lodo são executadas por um único equipamento, este novo processo permite uma simplificação, minimização e redução de itens peças móveis importantes, havendo a possibilidade de se

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10/10 produzir um sistema de lodo ativado com a utilização de apenas uma bomba centrífuga instalada em tanques de conformação comum.

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Claims

REIVINDICAÇÃO

1.- DISPOSIÇÃO CONSTRUTIVA INTRODUZIDA EM ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE EFLUENTES, caracterizada por compreender dois compartimentos, o reator biológico (1) e o separador de sólidos (2), onde o reator biológico (1) é dotado de tubulação (3) que recebe o afluente que é succionado para o compartimento de separação de sólidos (2), através dos bocais (5), pela bomba centrífuga (6), recalcando no venturi principal (7) que contém na região de sua garganta, orifícios que podem estar conectados a tubulação aberta para a atmosfera ou conectado a um equipamento ou reservatório (11) que suprirá o gás a ser dissolvido, com vazão sob pressão; a jusante são instalados ejetores estáticos (4) e os venturis secundários (8), que possuem a mesma função do venturi principal (7); ditos reator biológico (1) e o separador de sólidos (2) são interligados pela tubulação (9) e o efluente deixa o sistema de tratamento, já tratado, pela tubulação (10); são previstas ainda, a introdução da operação de recirculação e descarte de lodo pela tubulação (12) controlado pela válvula (13) conectada a tanque de digestão de lodo.

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