BRPI0712603A2 - tratamento de lÍquido aquoso - Google Patents

Abstract

TRATAMENTO DE LÍQUIDO AQUOSO. Líquido aquoso apresentando uma demanda de oxigênio que flui para um recipiente de tratamento (4) onde é tratado por sólidos de bactérias aerábicas em suspensão na presença de oxigênio dissolvido. Um fluxo pressurizado do líquido tratado passa por um separador de membrana clarificante (10), eficaz para separar o fluxo em uma corrente de descarga de líquido transparente e uma corrente de reciclo pressurizada concentrada nos sólidos de bactérias aeróbicas. Um primeiro gás áxico é empregado para limpar as membranas e é conduzido para fora do separador de membrana na corrente de reciclo pressurizada. A corrente de reciclo pressurizada retorna para a parte inferior da superfície do líquido no recipiente de tratamento (4). Um segundo gás áxico é introduzido na corrente de reciclo pressurizada ou em outra corrente pressurizada de líquido aquoso que apresenta o mesmo volume. A taxa de introdução dos gases áxicos é controlada com relação ao pH e à concentração de oxigênio dissolvido no frasco (4).

Description

"TRATAMENTO DE LÍQUIDO AQUOSO"

Trata-se de uma invenção que relaciona um método e aparelho para tratamento de líquido aquoso que apresenta uma demanda de oxigênio.

Um tratamento convencional de água contaminada é realizado em um recipiente por sólidos de bactérias aeróbicas que degradam os contaminantes orgânicos na água na presença de oxigênio. A água no recipiente é agitada para manter os sólidos de bactérias em suspensão. A aeração da água mantém as condições aeróbicas necessárias.

Em uma estação de tratamento de água contaminada existe geralmente um fluxo contínuo de água a ser tratada no recipiente e um fluxo contínuo de água tratada contendo sólidos de bactérias para fora do recipiente. O fluxo para fora da água tratada é direcionado do recipiente de tratamento para o tanque de decantação onde os sólidos se depositam com a ação da gravidade, deixando um sobrenadante límpido, que pode ser eliminado continua- mente para o meio ambiente ou para tratamento posterior.

Foi proposto utilizar assentamento pela ação da gravidade e o emprego da filtração por membrana de fluxo cruzado para separar os sólidos de bactérias da água. Uma vanta- gem em potencial da filtração por membrana é que pode ser controlar com sucesso concen- trações maiores de sólidos de bactérias do que a separação pela gravidade. Como resulta- do, maiores quantidades de materiais de descarte aquosos podem ser tratadas. A "força" de um material de descarte aquoso é refletida por sua Demanda de Oxigênio Biológico (BOD) ou por sua Demanda de Oxigênio Químico (COD), ou ambos.

Até agora, tem sido difícil obter o benefício máximo dos filtros de membrana tubular de fluxo cruzado em um processo de tratamento de água contaminada. As dificuldades sur- gem para manter limpas as superfícies das aberturas das membranas internas e, portanto, explorar sua habilidade em potencial para manter grandes concentrações de sólidos. Essas primeiras dificuldades podem ser abrandadas através da limpeza das superfícies internas das aberturas com bolhas de ar, conforme descrito na patente W001/00307A. Entretanto, o método de limpeza descrito é isolado sem qualquer tentativa de integração de tal limpeza com um processo de tratamento total do líquido aquoso, sendo o principal desafio manter as condições adequadas de tratamento no recipiente de tratamento.

De acordo com a presente invenção, é fornecido um método para o tratamento do líquido aquoso, que apresenta uma demanda de oxigênio, compreendendo as etapas de: recebimento de um fluxo de líquido em um recipiente; redução da demanda de oxigênio de um volume de líquido no recipiente através do tratamento com sólidos de bactérias aeróbi- cas em suspensão, na presença de oxigênio dissolvido; transporte do recipiente para um separador de membrana clarificante do fluxo do líquido tratado pressurizado, com esse fluxo contendo sólidos de bactérias aeróbicas em suspensão, e o separador de membrana con- tendo um arranjo de membranas capazes de clarificar o fluxo pressurizado; separação do dito fluxo pressurizado através do separador de membrana em i) uma corrente de reciclo pressurizada concentrada nos sólidos de bactéria aeróbicas e ii) uma corrente de saída de líquido transparente; limpeza das membranas com um primeiro gás óxico, selecionado do oxigênio e ar e suas misturas, com o primeiro gás óxico sendo transportado para fora do separador de membrana na corrente de reciclo pressurizada; retorno da corrente de reciclo pressurizada para abaixo da superfície do volume do líquido no frasco, dessa forma ofere- cendo no mínimo algum oxigênio que é então dissolvido; introdução de um segundo gás óxico selecionado do oxigênio e ar e suas misturas na corrente de reciclo pressurizada e/ou em uma outra corrente pressurizada de líquido aquoso fluindo para o dito volume, e contro- lando a taxa total de introdução do primeiro e do segundo gás com relação ao pH e à con- centração do oxigênio dissolvido do dito volume de líquido aquoso ou aos parâmetros rela- cionados.

A invenção também oferece um aparelho para o tratamento de líquido aquoso que apresenta uma demanda de oxigênio, compreendendo: um recipiente de tratamento para receber o fluxo do líquido aquoso, com uma demanda de oxigênio; um dispositivo de disso- lução do oxigênio no dito líquido, na presença de bactérias aeróbicas para reduzir a deman- da de oxigênio de um volume do dito líquido; um dispositivo de transporte do fluxo pressuri- zado do líquido tratado, contendo sólidos de bactérias aeróbicas, do recipiente através de um conduto para um separador de membrana capaz de clarificar o dito líquido tratado em uma corrente de reciclo pressurizada, concentrada em sólidos de bactérias aeróbicas, e uma saída de líquido transparente; um dispositivo para introduzir um primeiro gás óxico, selecionado do oxigênio e ar e suas misturas, para o dito separador de membrana para lim- par o dito separador de membrana; um conduto para transportar a dita corrente de reciclo pressurizada e o dito primeiro gás óxico de volta para abaixo da superfície do volume do líquido aquoso que apresenta demanda de oxigênio no recipiente; um dispositivo para intro- duzir um segundo gás óxico, selecionado do oxigênio e ar e suas misturas, no conduto para transporte do dita corrente de reciclo pressurizada e o dito primeiro gás óxico de volta para abaixo da superfície do volume do líquido aquoso que apresenta demanda de oxigênio no recipiente e/ou no conduto para transporte de uma outra corrente pressurizada do líquido aquoso fluindo para o dito volume de líquido aquoso apresentando demanda de oxigênio no recipiente; e, um dispositivo de controle da taxa total de introdução do primeiro e do segun- do gás óxico com relação ao pH e à concentração de oxigênio dissolvido do dito volume de líquido aquoso ou aos parâmetros relacionados.

A demanda de oxigênio pode ser uma demanda de oxigênio química (COD) ou bio- lógica ou demanda de oxigênio bioquímica (BOD), ou ambas.

O uso de gás óxico, de preferência oxigênio, para limpar o separador de membrana e oxigenar a água a ser tratada torna possível o tratamento eficaz do líquido aquoso de des- carte, que apresenta uma alta BOD e/ou COD. Por exemplo, águas contaminadas com CODs na faixa de 1000 mg/l e acima, e BODs na faixa de 500 mg/l e acima podem ser tra- tadas. Além disso, utilizando a mesma fonte ou fontes de gás óxico para limpeza e oxigena- ção, pode reduzir a quantidade total do gás e do aparelho necessário para a operação do tratamento e das etapas de clarificação do método de acordo com a invenção.

De preferência, a fração molar do oxigênio molecular no primeiro e/ou no segundo gás óxico é alterada de acordo com o pH e/ou com a concentração de oxigênio dissolvido do volume do líquido. A variação da fração molar pode simplesmente ser obtida pela substitui- ção do ar pelo oxigênio, ou vice-versa, ou através da alteração das proporções da mistura de ar e oxigênio.

De preferência, no método de acordo com a invenção, bolhas do primeiro e do se- gundo gás óxico são formadas na corrente ou correntes de líquido aquoso pressurizado, com uma pressão e velocidade suficientes para obter energia suficiente para quando a dita corrente ou correntes entrar(em) no volume do líquido no recipiente, as bolhas do dito gás óxico se transformem em bolhas menores que se dissolvem ou são consumidas dentro do volume do líquido. Tal pressão alta, geralmente de 2 χ 10^5 Pa (2 bar) a 7 χ 10^5 Pa (7 bar), facilita a limpeza eficaz das membranas e a obtenção da eficiência da alta oxigenação. É vantajoso utilizar a corrente de reciclo pressurizada como a corrente pela qual o segundo gás óxico é introduzido, dessa forma removendo ou reduzindo a necessidade de uma cor- rente separada de água pressurizada a ser introduzida no volume de água no recipiente. A escolha da pressão do fluxo tratado do líquido é suficiente para facilitar o transporte do líqui- do transparente através da membrana, enquanto libera a corrente de reciclo com pressão suficiente para a liberação da energia para ocasionar a quebra das bolhas de gás óxico quando a corrente ou correntes pressurizadas contendo o gás óxico são introduzidas no volume do líquido no recipiente através de um ou mais bocais.

De preferência, no método de acordo com a invenção, a introdução da corrente ou correntes de reciclo no volume do líquido no recipiente causa agitação suficiente para man- ter os sólidos de bactérias em suspensão e auxilia na distribuição do oxigênio através do volume do líquido no recipiente, o que é vantajoso na redução da necessidade de novos aparelhos, tais como agitadores mecânicos, para causar tal agitação.

É de preferência que o fluxo do líquido tratado seja pressurizado através de uma bomba que seja capaz de pressurizar o líquido de forma a facilitar o transporte do líquido transparente através da membrana, enquanto libera a corrente ou correntes de reciclo pres- surizadas com pressão suficiente para liberar a energia para a quebra das bolhas de gás.

Para as bactérias se desenvolverem e reduzirem a demanda de oxigênio da água contaminada, é vantajoso controlar tanto o conteúdo de oxigênio dissolvido como o pH do volume do líquido no recipiente. Isso é obtido de preferência variando a taxa de fornecimen- to do gas óxico para o fluxo tratado do líquido ou para a corrente ou correntes de reciclo pressurizadas, e/ou variando a fração molar do oxigênio no gás óxico.

A taxa de fluxo do gás óxico para o separador de membrana pode variar de acordo com os parâmetros de operação da membrana de fluxo cruzado específica em uso. Logo, não será sempre possível fornecer gás óxico suficiente a montante do separador de mem- brana para garantir as demandas significativas do líquido no recipiente sem sacrificar a habi- lidade clarificante do separador da membrana. Portanto, um segundo gás óxico é fornecido para a corrente de reciclo pressurizada, ou para uma corrente de água pressurizada sepa- rada.

A taxa total de fornecimento do primeiro e do segundo gás óxico é alterada de pre- ferência em relação à concentração percebida de oxigênio dissolvido instantaneamente do volume do líquido aquoso no recipiente. Além disso, os fluxos relativos do primeiro e do se- gundo fluxo de oxigênio do ar são alterados de preferência em relação à concentração signi- ficativa do oxigênio dissolvido instantaneamente. Por exemplo, mais oxigênio e menos ar podem ser fornecidos com uma baixa concentração de oxigênio dissolvido e menos oxigênio e mais ar podem ser fornecidos com uma maior concentração de oxigênio dissolvido. A taxa de fluxo do primeiro gás óxico e sua fração molar de oxigênio podem, entretanto, permane- cerem constantes. Nesse caso, a taxa de fluxo de uma fração molar do oxigênio no segundo gás óxico é alterada.

A taxa total de fornecimento do primeiro e do segundo gás óxico pode também ser alterada de acordo com o pH do volume do líquido aquoso no recipiente. O CO2 formado pelo tratamento bacteriano dos constituintes de carbono na água contaminada se dissolve na água produzindo ácido carbônico, o que causa a redução do valor do pH da água. A mai- or parte dos sólidos de bactérias aeróbicas não tolera valores de pH menores do que 5,5. As taxas relativas do fluxo do primeiro fluxo de oxigênio e do segundo fluxo de ar podem variar com relação ao pH do dito volume de líquido aquoso no recipiente.

De preferência, o volume do líquido no recipiente é mantido com o pH 7 ou menor, embora o valor do pH possa ser aumentado até 8 dependendo da composição do líquido aquoso, com maior preferência é mantido entre 6,0 e 7,0, particularmente entre 6,9 e 6,5. Tais valores de pH são altos o suficiente para permitir a dissolução do oxigênio no líquido, para proteger os sólidos de bactérias e remover e evitar constantemente a formação de uma camada fina na superfície da membrana que ocorre devido ao depósito de minerais na água contaminada, que não são removidos pela lavagem.

Cada membrana apresenta, de preferência, uma abertura com uma face porosa in- terna e uma externa, existindo um gradiente de aumento do diâmetro do poro da sua face interna para a externa, em contato com o fluxo pressurizado do líquido tratado, para a face porosa externa, onde o líquido transparente é liberado das membranas. É de preferência que o tamanho do poro na face interna seja pequeno o suficiente para evitar que os solidos de bactérias passem através da membrana. Um exemplo de tal sistema é o descrito na pa- tente W001/00307A, que utiliza membranas tubulares de polietersulfona com um aumento no gradiente do diâmetro do poro da superfície da abertura interna do tubo para a parede externa. Entretanto, não é essencial que as membranas sejam tubulares.

O calor gerado no tratamento é geralmente perdido na atmosfera através da evapo- ração. O método e aparelho, de acordo com a presente invenção, são vantajosos para uma entrada conhecida de água contaminada a ser tratada. Um recipiente para tratamento de um volume relativamente pequeno contendo uma alta concentração de sólidos de bactérias po- de ser utilizado, dessa forma reduzindo a perda de calor pela evaporação da superfície do líquido. É possível manter a carga do líquido no recipiente de tratamento em temperaturas entre 20°C e 80°C, isto é, acima da temperatura ambiente. A temperatura pode ser selecio- nada para que as bactérias mesofílicas aeróbicas sejam capazes de degradar os constituin- tes orgânicos e se reproduzir a uma taxa maior, ou para que mais bactérias termofílicas po- tentes possam ser utilizadas para o tratamento da água. Em temperaturas mais altas, por exemplo, 60°C e acima, pode ser possível destruir patógenos, tais como e-coli ou salmonel- la. O aquecimento ou resfriamento a partir de uma fonte externa pode ser produzido para controlar a temperatura do líquido aquoso no recipiente de tratamento.

O método e aparelho, de acordo com a presente invenção, serão descritos através de exemplos, com referência aos desenhos em anexo, onde:

A Figura 1 é um diagrama de fluxo esquemático do aparelho para desenvolver o método de acordo com a invenção.

A Figura 2 é um desenho esquemático, parcialmente em perspectiva, de uma seção do aparelho de aeração no recipiente de tratamento de acordo com a invenção.

A Figura 3 é uma visualização aumentada seccional de uma forma de preferência de um difusor de introdução de gás para uso nas modalidades da invenção.

Os desenhos não apresentam escala.

Partes semelhantes nas diferentes figuras apresentam os mesmos números de re- ferência. O uso do sufixo A significa um elemento particularmente adaptado para a introdu- ção de oxigênio, e o uso do sufixo B significa um elemento particularmente adaptado para a introdução do ar.

Com relação à figura 1, um fluxo do líquido aquoso que apresenta uma demanda variada de oxigênio é transportado continuamente para uma entrada 2 situada ao lado de um recipiente de tratamento aberto 4. O recipiente 4 pode apresentar qualquer capacidade desejada. Geralmente, suporta de 50 a 5000 m3 de líquido. Geralmente, a profundidade do líquido no recipiente 4 está na faixa de 3 a 15 metros. O líquido pode ser, por exemplo, água contaminada doméstica ou industrial apresentando uma BOD e/ou uma COD, com o valor da demanda de oxigênio relacionado à concentração e à natureza dos poluentes químicos ou orgânicos presentes. Por exemplo, água contaminada doméstica não tratada pode apre- sentar uma BOD de 400 mg/L e uma COD de 1000 mg/L. A água contaminada contém ge- ralmente bactérias aeróbicas, onde na presença de oxigênio molecular dissolvido separa os poluentes e reduz a demanda de oxigênio da água. Se tais bactérias não estão presentes, podem ser semeadas na água contaminada.

A demanda de oxigênio da água contaminada é reduzida no recipiente por trata- mento aeróbico com sólidos de bactérias aeróbicas na presença de oxigênio dissolvido, de acordo com a fórmula geral 1:

Fórmula 1

Material orgânico + O2 + bactérias + nutrientes CO2 + bactérias + outros produtos finais

Assim como os produtos demonstrados na fórmula 1, a energia na forma de calor é liberada, o que aumenta a temperatura da água contaminada no recipiente 4. Os sólidos de bactérias utilizados para o tratamento podem compreender tanto bactérias mesofílicas como termofílicas. As populações e taxas de crescimento destas bactérias variam de acordo com a temperatura. Desta forma, a temperatura do líquido aquoso no recipiente de tratamento 4 pode ser controlada. Geralmente, o recipiente pode ser resfriado com esse objetivo. Se a temperatura da água contaminada no recipiente de tratamento está entre 20°C e 50°C, as bactérias mesofílicas predominam, sendo a temperatura de 20°C a 50°C a de preferência. Se a temperatura no recipiente de tratamento está entre 35°C e 75°C, as bactérias termofíli- cas predominam, sendo a temperatura entre 40°C a 60°C a de preferência. A água no reci- piente 4 é agitada de forma a manter os sólidos de bactérias em suspensão. Para o cresci- mento bacteriano, uma concentração suficiente de oxigênio dissolvido é necessária. No tra- tamento convencional de água contaminada, a aeração é a única fonte de oxigênio dissolvi- do. A aeração, entretanto, apresenta limitações no processo de tratamento, tornando difícil controlar os efluentes com alta demanda de oxigênio.

Um fluxo de água contaminada tratada, com demanda de oxigênio reduzida e con- tendo sólidos de bactérias aeróbicas, é continuamente retirado da saída 3, próxima a base do recipiente 4, e é pressurizado para entre 2 χ 10^5 Pa (2 bar) a 7 χ 10^5 Pa (7 bar) por uma bomba 8. O fluxo pressurizado é transportado através do conduto 6, geralmente formado de PVC ou HDPE (polietileno de alta densidade), por uma bomba 8 para uma unidade de sepa- ração de membrana clarificante 10. A unidade de separação 10 contém de preferência um arranjo de membranas clarificantes tubulares do tipo fluxo cruzado 11. As membranas são geralmente elaboradas com uma leve queda de pressão, na faixa de 5 χ 10^4 Pa (0,5 bar) a 1 χ 10^5 Pa (1 bar). Tal queda de pressão pode ser obtida através da formação das membranas tubulares de materiais, tais como polietersulfonas, com um aumento no gradiente de diâme- tro do poro da superfície interna da abertura do tubo para a parede externa. O fluxo pressu- rizado, que atravessa a unidade de separação da membrana 10, passa pela abertura interna das membranas 11 e é separado em i) uma corrente de reciclo pressurizada, concentrada em sólidos de bactérias, que passa através da abertura interna das membranas 11 e é Iibe- rada da unidade de separação 10, através da saída 16, e ii) uma corrente de descarga de líquido transparente, que passa através da membrana e é liberada da unidade de separação 10 através das saída 14. As unidades de separação da membrana adequadas são ampla- mente disponíveis comercialmente.

A corrente transparente que é liberada da unidade de separação da membrana 10 na saída 14 pode exigir outro tratamento para remover patógenos não removidos, tais como vírus, e-coli e salmonella, por tratamento aeróbico ou etapas de separação.

A separação do fluxo pressurizado libera depósitos de sólidos de bactérias na su- perfície de abertura interna das membranas 11, que caso permaneçam não tratados, podem aumentar a queda de pressão das ditas membranas 11. Um primeiro gás óxico, selecionado do oxigênio e ar e suas misturas, é introduzido no fluxo pressurizado a montante da unidade do separador 10, nas entradas 12A ou 12B, respectivamente. Em um arranjo, o oxigênio é fornecido para a entrada 12A e o ar para entrada 12B. O primeiro gás óxico forma bolhas, algumas vezes denominadas como bolhas de "Taylor", na entrada da abertura interna das membranas tubulares 11.0 oxigênio pode ser fornecido, por exemplo, a partir de uma insta- lação (não demonstrada) para separar o ar, através, por exemplo, da adsorção com oscila- ção de pressão ou a partir de um recipiente de armazenagem (não demonstrado) contendo gás óxico líquido e equipado com um evaporador por meio do qual o gás óxico pode ser fornecido para a entrada 12A no estado gasoso. O ar pode ser fornecido de um soprador de ar ou compressor (não demonstrado) para a entrada 12B. A medida que as bolhas de Taylor transitam pelas aberturas internas das membranas 11, elas causam turbulência por onde passam, lavando, isto é, limpando, as superfícies das membranas 11 rompendo os sólidos de bactérias acumulados na superfície da abertura interna. O primeiro gás óxico de limpeza passa através da abertura interna das membranas 11, e é, portanto, retirado da unidade de separação 10 através da saída 16 pela corrente de reciclo pressurizada.

A corrente de reciclo pressurizada contendo bolhas do gás de limpeza passa atra- vés do conduto 18. O conduto 18 é geralmente formado de tubo de PVC ou HDPE (polietile- no de alta densidade) com um diâmetro interno de 200 mm (8 polegadas). O conduto 18 pode conter também uma configuração criadora de turbulência, tal como um orifício de res- trição, para evitar ou limitar a aglutinação das bolhas de gás de limpeza em cavidades sepa- radas de gás. É também vantajoso minimizar o comprimento do conduto 18 entre a saída 16 e o conduto 20 para evitar a aglutinação das bolhas. A bomba 8 pressuriza suficientemente o fluxo tratado, conduzido através do conduto 6, para que a corrente de reciclo seja liberada da unidade de separação da membrana 10 para passar através do conduto 18 com uma velocidade de no mínimo 4-6 m/s.

Com relação à figura 2, o conduto 20 pode assumir a forma de um condutor em a- nel fechado que, se desejado, pode ser imerso no volume do líquido no recipiente 4. A cor- rente pressurizada entra no conduto 20, formado de materiais e dimensões similares ao conduto 18, a uma velocidade que é suficiente para evitar o crescimento de sólidos de bac- térias no conduto 20, por exemplo, na faixa de 0,6 m/s e 1,2 m/s. O conduto 20 é adaptado para alimentar a corrente pressurizada para uma pluralidade ou multiplicidade de condutos subsidiários espaçados 22A, 22B que dependem geralmente e verticalmente disso, com cada conduto sendo formado com um ângulo a montante 23 contíguo ao conduto 20. Cada conduto 22 é geralmente menor do que cinco metros (mas pode ser maior ou menor, de- pendendo da profundidade do recipiente 4) e apresenta um diâmetro entre 75 e 50 mm. Ca- da conduto subsidiário 22 pode apresentar um difusor de introdução do segundo gás óxico 24, demonstrado em detalhes na figura 3, colocado nesse ponto na região superior. Cada difusor 24 apresenta uma entrada 26 para a introdução de um segundo gás óxico, ar ou oxi- gênio. As entradas 26A são destinadas ao oxigênio, geralmente sendo conectadas ao mes- mo tubo de oxigênio utilizado para fornecer o oxigênio para a entrada 12A, e as entradas 26B são destinadas ao ar, geralmente sendo conectadas ao mesmo tubo de ar utilizado pa- ra fornecer ar para a entrada 12B. De preferência, existe um arranjo de válvulas que permite o fornecimento de oxigênio ou ar ou ambos, a qualquer momento. Uma configuração ade- quada para o difusor 24 é demonstrada na figura 3.

Com referência à figura 3, o difusor 24 compreende um duto 120 formado geral- mente por uma primeira seção convergente, tal como, por exemplo, um cone cortado 122, e uma segunda seção geralmente divergente 124 (o fluxo da corrente pressurizada através do difusor na figura 3 é da direita para a esquerda, conforme indicado pela seta). A primeira se- ção é fornecida com uma extremidade de saída mais estreita 126 do que a extremidade de entrada 128 da segunda seção 128, e as duas são sobrepostas para definir um espaço an- gular 130 entre elas. Uma câmara 131 formada por uma parte da parede (na forma de, por exemplo, um tubo circular direito 132 que se estende entre a primeira e a segunda seção 122, 124) e as seções 122,124 recebem o gás através da entrada 26 para direcioná-lo atra- vés do espaço angular para dissolução na corrente pressurizada que flui através do duto 120. A primeira e a segunda seção 122, 124 se movem de forma axial em relação ao tubo 132, através das roscas de parafuso 134, 136, de forma a variar o tamanho do espaço anu- lar 130 e, portanto, a área seccional cruzada na qual o gás é capaz de fluir. A operação do difusor 24 é descrita na EP 673885 B1.

Novamente, com relação à figura 2, cada conduto 22 apresenta um tubo em forma de T a jusante em sua extremidade inferior onde existem um ou mais bocais de saída 28 para passagem da mistura líquido-gás no volume do líquido no recipiente 4. Cada bocal 28A, 28B apresenta um diâmetro de saída geralmente na faixa de 10 a 45 milímetros, isto é, muito menor do que o do conduto associado 22, por meio do qual a mistura líquido-gás sai do bocal com alta velocidade criando turbulência, ajudando também a quebrar ou partir bo- lhas de gás óxico na mistura em bolhas menores que são prontamente consumidas ou dis- solvidas no corpo principal do líquido, proporcionando uma mistura homogênea, e oferecen- do agitação para o corpo principal do líquido. Geralmente, bocais suficientes 28 são forneci- dos para um nível adequado de agitação a ser mantido dentro do recipiente principal sem a necessidade de recorrer a agitadores mecânicos adicionais. Os bocais 28 geralmente dire- cionam o líquido radialmente para dentro. Essa configuração permite que as bolhas de gás óxico permaneçam por mais tempo no líquido dentro do recipiente 4 e ajuda a regular a quantidade de oxigênio perdido para a atmosfera.

O aparelho, apresentado na figura 1, pode, por exemplo, ser utilizado para tratar e clarear 1000 m3 ou seus múltiplos de água contaminada por dia, com uma concentração de sólidos de bactérias aeróbicas de até 40 kg/m3, geralmente dissolve até 5000 kg (5 tonela- das) ou seus múltiplos por dia de água contaminada com uma BOD de até 25000 mg/L, e uma COD de até 50000 mg/L, utilizando uma bomba 8 capaz de transportar entre 1000 - 2000 m3/dia de água em torno do aparelho com uma pressão de aproximadamente 2 χ 10^5 Pa (2 bar) a 7 χ 10^5 Pa (7 bar).

Uma pluralidade de dispositivos de monitoramento (DO) de oxigênio dissolvido 34 e dispositivos de monitoramento de pH 32 são fornecidos dentro do volume do líquido no reci- piente 4 (dispositivos únicos indicados na figura 1, mas dispositivos múltiplos podem ser utilizados). Ambos os dispositivos 32 e 34 são conectados a um dispositivo de controle 36, que pode ser, por exemplo, um microprocessador ou dispositivo de controle lógico progra- mável. O dispositivo 36 é também conectado às entradas do gás 12A e 12B a montante do separador de membrana 10 e das entradas de gás adicionais 26A e 26B. Pode também ser adequado para os dispositivos 32 e 34 permanecerem no conduto 6.

A medida que a força do líquido aquoso no recipiente 4 aumenta, os níveis da DO percebidos pelo dispositivo 34 serão reduzidos a medida que as bactérias aeróbicas conso- mem oxigênio na degradação dos constituintes orgânicos, de acordo com a fórmula 1 acima. Para as bactérias se desenvolverem, a demanda de oxigênio deve ser consumada. Em um ponto de configuração pré-determinado de DO ou demanda de oxigênio, o dispositivo de controle 36 aciona a entrada do gás 12A para aumentar a taxa de fluxo do primeiro gás óxi- co, geralmente o oxigênio, fornecido a montante do separador de membrana 10. Se a de- manda de oxigênio percebida for alta o suficiente, a taxa de fluxo de gás óxico fornecida pela entrada 12A pode atingir um limite no qual o separador 10 seja capaz de lidar, antes que sua habilidade para separar o fluxo pressurizado seja comprometida. Neste caso, o dis- positivo de controle 36 aciona a entrada do gás 26A para fornecer gás óxico adicional para a corrente pressurizada no conduto 22A, para reabastecer o oxigênio necessário pelas bacté- rias aeróbicas no recipiente 4.

Ao contrário, quando a água contaminada foi tratada, ou apresenta baixa força, os níveis da DO aumentarão e, portanto, a demanda instantânea percebida no recipiente cairá. Neste caso, o dispositivo de controle 36 irá reduzir a taxa de fluxo do oxigênio das entradas 12A e 26A ou acionar as válvulas 12B e 26B para diluir, ou substituir o oxigênio por ar para reduzir os custos de processamento da fábrica.

É também de preferência submergir o sensor de temperatura 38 no volume do li- quido no recipiente 4, ou conduto 6, que combinado com o dispositivo de controle 36 permite a variação na solubilidade do oxigênio de acordo com a temperatura e, portanto, altera a taxa de fluxo e/ou proporção do ar e oxigênio fornecida para a corrente ou correntes pressu- rizadas desta forma. O sensor de temperatura 38 pode também ser utilizado para controlar a obtenção do resfriamento (ou aquecimento) no recipiente 4 para manter a temperatura com um valor mais próximo ou dentro de uma faixa mais próxima.

O CO2 formado na degradação dos constituintes orgânicos, de acordo com a fórmu- la 1, se dissolve na água para formar ácido carbônico, podendo afetar adversamente as bac- térias aeróbicas. O dispositivo 32 é empregado juntamente com o dispositivo 36 para moni- torar e gerenciar o pH, e também os níveis de CO2 livre/ácido carbônico, na água. Em uso, quando o dispositivo 32 percebe um pH menor do que 6,5, a água deve ser desgaseificada, logo, o dispositivo de controle 36 aciona as entradas de gás 12B ou 26B para introduzir o ar no fluxo pressurizado do líquido tratado e/ou corrente pressurizada, respectivamente. A adi- ção do ar causa a desgaseificação ou separação do volume do líquido no recipiente 4. Quando o pH aumenta para em torno de 6,9, o dispositivo 36 aciona as entradas de gás 12B ou 26B para reduzir a taxa de fluxo do ar. É de preferência manter o pH entre 6,5 e 6,9 por- que esse valor é alto o suficiente para proteger os sólidos de bactérias e permitir a dissolu- ção do oxigênio, enquanto fornece um fluxo de ácido suavemente pressurizado do líquido tratado no recipiente 4 para evitar e remover a camada fina formada na superfície dos tubos da membrana 11.

Existe um número de estratégias de controle alternativas para as descritas anteri- ormente. A estratégia de controle escolhida pode depender da "força" da água a ser tratada. Geralmente, não será possível tratar adequadamente efluentes fortes com a única fonte de gás óxico, que é fornecida a montante do separador de membrana 10. Ao contrário, será desejável fornecer um segundo gás óxico para a corrente pressurizada no conduto 22 em parte ou em todo o tratamento. Deve-se também ter em mente que uma das vantagens da clarificação da membrana em relação à clarificação por assentamento natural pela gravida- de é que a primeira permite a utilização de altas concentrações dos sólidos de bactérias suspensos no recipiente de tratamento 4. Como conseqüência, o tratamento no recipiente 4 pode ser intensificado em relação a um tratamento convencional, com um aumento conco- mitante na demanda de oxigênio pela água contaminada que está sendo tratada e uma taxa maior de formação de dióxido e carbono. O método e aparelho de acordo com a invenção podem fornecer o oxigênio necessário não somente através do primeiro gás óxico, mas também através do segundo gás óxico. Além disso, o segundo gás óxico pode ser selecio- nado de acordo com o pH instantâneo percebido e com a concentração de oxigênio dissol- vido da água contaminada no recipiente 4. Se o valor do pH é aceitável, ou seja, superior a 6, 5, o oxigênio pode se fornecido para os condutos 22A e, conseqüentemente, dissolvido na água contaminada. Utilizando o oxigênio no lugar do ar, taxas maiores dos níveis de transfe- rência e/ou de oxigênio dissolvido podem ser obtidas. Uma vez que o nível de oxigênio dis- solvido for aumentado para um mínimo escolhido, o fornecimento de oxigênio para o condu- to 22A pode ser interrompido ou reduzido e ao contrário, o ar ser fornecido para os condutos 22B. Se o valor do pH cair para abaixo de um mínimo escolhido, ou seja, 6,5, então a taxa de fornecimento de ar para a água contaminada no recipiente 4 é aumentada. Logo, aumen- tando a taxa de fornecimento de ar aumenta a taxa na qual o dióxido de carbono é retirado da solução, e portanto, o valor do pH é aumentado novamente. Caso uma condição de baixo pH seja percebida quando o oxigênio está sendo fornecido como o segundo gás óxico, o fornecimento do oxigênio é interrompido, e é iniciado o fornecimento de ar em sua maior taxa. Desta forma, alternando entre oxigênio e ar como o segundo gás óxico e variando sua taxa de fornecimento, concentrações adequadas de oxigênio dissolvido e níveis de pH po- dem ser mantidos na água contaminada a ser tratada. Se tal estratégia de controle é adota- da, é conveniente fornecer o primeiro gás óxico com uma taxa constante e uma composição constante.

Se desejado, mais sistemas de controle sofisticados podem ser empregados. Por exemplo, as concentrações escolhidas de oxigênio dissolvido máximas e mínimas podem ser alteradas de acordo com a temperatura percebida da água a ser tratada. Em outro e- xemplo, a taxa de fornecimento do gás óxico pode ser adicionalmente alterada em resposta à taxa de alteração das concentrações de oxigênio dissolvido.

Embora seja vantajoso utilizar a corrente de reciclo pressurizada como a corrente na qual o segundo gás óxico é introduzido, dessa forma eliminando a necessidade de outra corrente de água pressurizada ser introduzida no volume de água no recipiente, em certas situações, por exemplo, durante a manutenção do separador de membrana 10, outra corren- te pressurizada pode ser transportada ao longo do conduto 52, do fluxo pressurizado do líquido tratado no conduto 6, para o conduto 20.

Deve ser compreendido que o reciclo dos sólidos de bactérias para o recipiente 4, que é um aspecto inerente ao método e aparelho, de acordo com a invenção, tende a acu- mular esses sólidos. Como resultado, os sólidos de bactérias são descartados de preferên- cia do recipiente 4 através de uma saída 50, de tempo em tempo, e o sedimento resultante é descartado por incineração ou submetido à digestão ou a outro processo de tratamento bem conhecido na área.

Claims (16)

1. Método para o tratamento de líquido aquoso apresentando uma demanda de oxi- gênio, CARACTERIZADO pelo fato de compreender: recebimento de um fluxo de líquido em um recipiente; redução da demanda de oxigênio de um volume de líquido no recipiente através do tratamento com sólidos de bactérias aeróbicas em suspensão, na presença de oxigênio dis- solvido; transporte do recipiente para um separador de membrana clarificante do fluxo do lí- quido tratado pressurizado, com esse fluxo contendo sólidos de bactérias aeróbicas em suspensão, e o separador de membrana contendo um arranjo de membranas capazes de clarificar o fluxo pressurizado; separação do dito fluxo pressurizado através do separador de membrana em i) uma corrente de reciclo pressurizada concentrada nos sólidos de bactéria aeróbi- cas e ii) uma corrente de saída de líquido transparente; limpeza das membranas com um primeiro gás óxico, selecionado do oxigênio e ar e suas misturas, com o primeiro gás óxico sendo transportado para fora do separador de membrana na corrente de reciclo pressurizada; retorno da corrente de reciclo pressurizada para abaixo da superfície do volume do líquido no frasco, dessa forma oferecendo no mínimo algum oxigênio que é então dissolvido; introdução de um segundo gás óxico selecionado do oxigênio e ar e suas misturas na corrente de reciclo pressurizada e/ou em uma outra corrente pressurizada de líquido a- quoso fluindo para o dito volume, e controle da taxa total de introdução do primeiro e do segundo gás com relação ao pH e à concentração do oxigênio dissolvido do dito volume de líquido aquoso ou aos parâ- metros relacionados.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de fração molar do oxigênio molecular no primeiro e/ou no segundo gás óxico ser alterada com rela- ção ao pH e/ou à concentração de oxigênio dissolvido do dito volume de líquido.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADO pelo fato das bolhas do primeiro e do segundo gás óxico serem formadas na corrente ou correntes de líquido aquoso pressurizadas, de forma que quando essa ou essas correntes são submeti- das à suficiente pressão e velocidade na entrada do volume do líquido no recipiente, as bo- lhas do dito gás óxico se quebram em bolhas menores.

4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADO pelo fato da introdução da corrente ou correntes pressurizadas no volu- me do líquido causar agitação suficiente para manter os sólidos em suspensão.

5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADO pelo fato do fluxo do líquido tratado, corrente ou correntes serem pres- surizados através de uma bomba.

6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADO pelo fato do primeiro gás óxico ser fornecido com uma taxa constante.

7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADO pelo fato do segundo gás óxico compreender no mínimo um primeiro fluxo de oxigênio e no mínimo um segundo fluxo de ar.

8. Método, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato das taxas relativas do primeiro fluxo de oxigênio e do segundo fluxo de ar serem alteradas em relação à concentração percebida de oxigênio dissolvido instantaneamente.

9. Método, de acordo com a reivindicação 7 ou 8, CARACTERIZADO pelo fato das taxas relativas do primeiro fluxo de oxigênio e do segundo fluxo de ar serem alteradas em relação ao pH do dito volume de líquido aquoso.

10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADO pelo fato do volume do líquido no recipiente ser mantido com o valor do pH 7 ou menor.

11. Método, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADO pelo fato do vo- lume do líquido no recipiente ser mantido com o valor do pH entre 6,9 e 6,5.

12. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADO pelo fato do separador de membrana incluir membranas de fluxo cruza- do com poros tubulares.

13. Método, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADO pelo fato de ca- da membrana apresentar uma abertura com uma face porosa interna e uma face porosa externa, apresentando um gradiente de aumento do diâmetro do poro da face interna para a face externa.

14. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADO pelo fato dos sólidos de bactérias aeróbicas serem mesofílicos.

15. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 13, CARACTERIZADO pelo fato dos sólidos de bactérias aeróbicas serem termofílicos.

16. Aparelho para o tratamento de líquido aquoso que apresenta uma demanda de oxigênio, CARACTERIZADO pelo fato de compreender um recipiente de tratamento para receber o fluxo do líquido aquoso, com uma demanda de oxigênio; um dispositivo de disso- lução do oxigênio no dito líquido, na presença de bactérias aeróbicas para reduzir a deman- da de oxigênio de um volume do dito líquido; um dispositivo de transporte do fluxo pressuri- zado do líquido tratado, contendo sólidos de bactérias aeróbicas, do recipiente através de um conduto para um separador de membrana capaz de clarificar o dito líquido tratado em uma corrente de reciclo pressurizada, concentrada em sólidos de bactérias aeróbicas, e uma saída de líquido transparente; um dispositivo para introduzir um primeiro gás óxico, selecionado do oxigênio e ar e suas misturas, para o dito separador de membrana para lim- par o dito separador de membrana; um conduto para transportar a dita corrente de reciclo pressurizada e o dito primeiro gás óxico de volta para abaixo da superfície do volume do líquido aquoso que apresenta demanda de oxigênio no recipiente; um dispositivo para intro- duzir um segundo gás óxico, selecionado do oxigênio e ar e suas misturas, no conduto para transporte do dita corrente de reciclo pressurizada e o dito primeiro gás óxico de volta para abaixo da superfície do volume do líquido aquoso que apresenta demanda de oxigênio no recipiente e/ou no conduto para transporte de uma outra corrente pressurizada do líquido aquoso fluindo para o dito volume de líquido aquoso que apresenta demanda de oxigênio no recipiente; e, um dispositivo de controle da taxa total de introdução do primeiro e do segun- do gás óxico com relação ao pH e à concentração de oxigênio dissolvido do dito volume de líquido aquoso ou aos parâmetros relacionados.