BRPI0717486B1

BRPI0717486B1 - sistema de tratamento de lodo, e, métodos de redução de lodo e de redução de biossólidos em um processo de tratamento de água residual

Info

Publication number: BRPI0717486B1
Application number: BRPI0717486A
Authority: BR
Inventors: Ezekiel Fabiyi Malcolm; A Novak Richard
Original assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2018-07-17
Also published as: US20080128352A1; EP1905743A1; EP1905743B1; CA2664679A1; CA2664679C; NO341674B1; NO20091686L; DE602007006260D1; ES2341370T3; DK1905743T3; BRPI0717486A2; CN101516791A; US7695622B2; JP2010505602A; WO2008042751A1; CN101516791B; US7309432B1; ATE466820T1

Description

(54) Título: SISTEMA DE TRATAMENTO DE LODO, E, MÉTODOS DE REDUÇÃO DE LODO E DE REDUÇÃO DE BIOSSÓLIDOS EM UM PROCESSO DE TRATAMENTO DE ÁGUA RESIDUAL (51) Int.CI.: C02F 3/12; C02F 1/78; C02F 11/06 (30) Prioridade Unionista: 29/09/2006 US 11/541,100 (73) Titular(es): PRAXAIR TECHNOLOGY, INC.

(72) Inventor(es): MALCOLM EZEKIEL FABIYI; RICHARD A. NOVAK / 19 “SISTEMA DE TRATAMENTO DE LODO, E, MÉTODOS DE REDUÇÃO DE LODO E DE REDUÇÃO DE BIOSSÓLIDOS EM UM PROCESSO DE TRATAMENTO DE ÁGUA RESIDUAL”

Campo da invenção [1] A invenção atual refere-se a métodos e a sistemas para o tratamento de lodo ativado, e mais especialmente, à utilização de ozônio para a redução de biossólidos no processo de tratamento de lodo ativado. Fundamentos [2] Os métodos tradicionais de tratamento de água residual envolvem a colocação de uma corrente de água residual em contato com bactérias, de acordo com um processo do tipo aeróbico ou anaeróbico o qual é conhecido como tratamento de lodo ativado. Estas bactérias consomem parte do material de substrato ou de descarte contido na água residual, que tipicamente são compostos orgânicos contendo carbono, nitrogênio, fósforo, enxofre, e semelhantes. Tipicamente, uma porção do descarte é consumida para estender o metabolismo das células bacterianas ou para manter o funcionamento fisiológico das células bacterianas. Além disso, uma porção do descarte é também consumida como parte do processo da síntese de células bacterianas novas. O processo de tratamento de lodo ativado produz uma certa quantidade de lodo e sólidos associados que devem ser continuamente removidos do tanque de tratamento para a manutenção do equilíbrio do lodo continuamente, o que é crítico para o funcionamento efetivo do sistema de tratamento de lodo ativado.

[3] Para manter a capacidade de remoção do descarte da planta de tratamento continuamente, é importante controlar-se a geração de células bacterianas novas dentro do processo de tratamento de lodo ativado. A síntese em demasia de células bacterianas novas além do que é requerido para o tratamento do descarte continuamente ou quase continuamente, resulta no excesso de formação de biossólidos atribuível à acumulação de tais células

Petição 870180000594, de 03/01/2018, pág. 11/34 / 19 bacterianas sintetizadas recentemente, mas não requeridas. Este excesso de biossólidos deve ser removido continuamente durante o processo de tratamento de lodo ativado.

[4] Os métodos existentes para lidar com a remoção de lodo incluem o transporte de lodo para aterros, a utilização do lodo para aplicação de terra ou para fins agrícolas, e a incineração do lodo. A maior parte das operações de descarte de lodo requer algum tratamento preliminar do lodo; um processo conhecido na arte como a manipulação de sólidos. Os processos de manipulação de sólidos, com freqüência, são dispendiosos e são operações que consomem tempo e tipicamente envolvem uma ou mais das seguintes etapas: (a) a concentração do lodo em um equipamento espessador, usualmente requerendo o uso de polímeros; (b) a digestão do lodo para estabilizar a bactéria e para reduzir ainda mais o volume e o teor de patogênos do lodo; (c) a desidratação do lodo para atingir aproximadamente um teor de 15 - 25% de sólidos; o que envolve a passagem do lodo através de centrífugas ou outros dispositivos do tipo de separação sólido-líquido; (d) a estocagem do lodo; e (e) o transporte para locais para aterro, a aplicação de terra por fazendeiros, ou outro uso final.

[5] Estima-se que os custos associados com os processos de manuseio e descarte de sólidos podem ser entre 20 - 60% dos custos totais de operação associados com o processo geral de tratamento de água residual. Devido ao custo e ao tempo associado com o manuseio e descarte de sólidos, é benéfico minimizar-se a quantidade de excesso de lodo produzida no processo de tratamento de água residual.

[6] Em sistemas e métodos de tratamento convencional de lodo ativado, é requerido oxigênio, tanto para a oxidação química do material de substrato (i.e. descartado) como para a síntese de células novas e processos metabólicos das células bacterianas. O uso de ozônio além do oxigênio para o tratamento do lodo também tem sido relatado. Mais especialmente, o

Petição 870180000594, de 03/01/2018, pág. 12/34 / 19 tratamento do lodo com ozônio tem sido relatado em combinação com agitadores mecânicos e/ou uma bomba que produz a força motriz de mistura. O contato lodo-ozônio tipicamente ocorre em um modo de reação em tanque agitado continuamente (CSTR), e a lise (quebra da integridade da parede da célula) resulta como conseqüência da forte ação de oxidação do ozônio sobre as paredes das células. A lise leva à liberação do teor das células ricas com substrato das células bacterianas. Desta forma, as células sólidas, que de outra forma seriam descarregadas como excesso de lodo, são desintegradas, e assim o fazendo, elas são transformadas em substrato que pode ser consumido pelas bactérias no tanque de tratamento.

[7] O teor das células é uma matriz líquida que é composta de proteínas, lipídios, polissacarídeos e outros açúcares, DNA, RNA e íons orgânicos. Por causa da baixa seletividade que ocorre quando o contato do ozônio com o lodo é executado no modo de um reator com agitação contínua, quantidades em excesso de ozônio são consumidas utilizando-se os métodos anteriores para a ozonização do lodo. Além disso, alguns usos anteriores relatados de ozônio requeriam um pré-tratamento especializado ou a modificação do lodo. Tais pré-tratamentos e modificações poderão incluir o ajuste do pH do lodo, aumentando a temperatura do lodo, aumentando a pressão do vaso de tratamento de ozônio, ou passando o lodo através de etapas de pré-digestão anaeróbica. Assim sendo, o uso anterior de ozônio no tratamento de lodo envolvia uma complexidade adicional, materiais, equipamentos e os custos aumentados associados com os mesmos.

[8] São conhecidos três métodos mais importantes para sistemas de reator, estes sendo o sistema de reator de tanque com agitação contínua (CSTR), o reator de fluxo em pistão (PFR) altamente seletivo e o sistema de reator em batelada (BRS). A diferença principal entre os diferentes modos de reator se situa fundamentalmente em: (i) quantidade média de tempo que uma molécula permanece dentro do espaço da reação, também conhecida como

Petição 870180000594, de 03/01/2018, pág. 13/34 / 19 distribuição do tempo de residência; e (ii) a interação entre os “pacotes” de reação, por exemplo existe uma mistura retroativa significativa no CSTR, enquanto que o PFR é caracterizado por uma mistura retroativa, se alguma, muito limitada; e (iii) o rendimento obtido. Os sistemas de reator em batelada, tipicamente são aplicados para operações de tratamento de água residual em pequena escala.

Sumário da Invenção [9] A invenção poderá ser caracterizada de forma ampla como um método para a redução de lodo em um processo de tratamento de água residual. Em um aspecto, o método de redução de lodo é composto das etapas de: (a) tratamento da água residual em um tanque de lodo ativado; (b) o desvio de uma corrente líquida contendo biossólidos no tanque de lodo ativado para um reator de ozonização; (c) a introdução de um gás enriquecido com ozônio na corrente líquida, ou a montante do reator de ozonização de uma forma controlada que promove o contato efetivo líquido-gás entre a corrente líquida e o gás enriquecido com ozônio e otimiza a distribuição de tempo de residência dos biossólidos na corrente ozonizada; (d) a reação do ozônio e um dos biossólidos na corrente líquida para provocar a lise das células bacterianas, dessa forma facilitando a eliminação dos biossólidos; e (e) a descarga da corrente líquida ozonizada para o tanque de lodo ativado ou outro ponto de descarga.

[10] A invenção poderá também ser caracterizada como um sistema de tratamento de lodo. Com relação a isto, o sistema de tratamento de lodo é composto de: um reator de ozonização acoplado a um tanque de tratamento de lodo ativado e adaptado para receber uma corrente líquida contendo biossólidos; uma fonte de gás rica em ozônio; um sistema de injeção de gás acoplado na fonte de gás enriquecido com ozônio e adaptada para injetar o gás enriquecido com ozônio na corrente líquida no, ou a montante do reator de ozonização; e um duto de retorno acoplado ao reator de ozonização para o transporte da corrente líquida ozonizada para o ponto de descarga. O reator de

Petição 870180000594, de 03/01/2018, pág. 14/34 / 19 ozonização é um reator de alta seletividade, como um reator de fluxo em pistão adaptado para o controle da distribuição do tempo de residência dos biossólidos para facilitar a lise dos biossólidos e a redução geral do lodo.

[11] Finalmente, a invenção poderá também ser caracterizada como um processo de tratamento composto das etapas de: direcionamento de uma corrente líquida contendo biossólidos para um reator de ozonização de alta seletividade; a introdução de um gás enriquecido com ozônio na corrente líquida, para induzir a lise dos biossólidos através da interação dos biossólidos com ozônio dentro do reator de ozonização; e a descarga da corrente líquida ozonizada contendo subprodutos resultantes da lise induzida, para um biorreator para a biooxidação adicional dos subprodutos; onde a relação entre os biossólidos reduzidos em kg e a utilização de ozônio em kg é igual ou maior do que 10. Breve descrição dos desenhos [12] Os aspectos acima e outros aspectos, características, e vantagens da invenção atual ficarão mais aparentes a partir da seguinte descrição mais detalhada dos mesmos, apresentada em conjunto com os desenhos seguintes, onde:

A figura 1 é uma representação esquemática de um sistema de tratamento de lodo ativado incorporando uma realização do sistema e processo atual de ozonização de lodo;

A figura 2 é um gráfico que detalha o desempenho de operação de um processo de tratamento de lodo em excesso de acordo com as realizações apresentadas atualmente;

A figura 3 é uma representação esquemática de uma realização alternativa do sistema atual e processo de ozonização de lodo onde o gás enriquecido com ozônio é introduzido em vários locais dentro do reator de ozonização de lodo;

A figura 4 é uma representação esquemática de outra realização alternativa do sistema atual de ozonização de lodo, onde a linha de

Petição 870180000594, de 03/01/2018, pág. 15/34 / 19 descarga do reator de ozonização de lodo é acoplada a algum outro processo de tratamento posterior do lodo a jusante do reator;

A figura 5 é ainda uma representação esquemática de uma outra realização alternativa do sistema atual de ozonização de lodo, onde o sistema de injeção de gás enriquecido com ozônio injeta o gás enriquecido com ozônio na, ou próximo da bomba que é associada com o reator de ozonização de lodo;

A figura 6 é ainda outra realização do sistema atual e processo de ozonização de lodo, onde o lodo é processado previamente antes do reator de ozonização de lodo;

A figura 7 é ainda uma outra realização alternativa do sistema atual de ozonização de lodo, onde o contato gás-líquido entre o gás enriquecido com ozônio e a corrente líquida ocorre a montante do reator de ozonização de lodo; e

A figura 8 é ainda uma outra realização do sistema atual de ozonização de lodo, onde a corrente líquida tratada é uma corrente de licor misturado do tanque de lodo ativado.

[13] Os números de referência correspondentes indicam componentes correspondentes através das várias vistas dos desenhos. Descrição Detalhada [14] Em sistemas métodos convencionais de tratamento de lodo ativado, é requerido o oxigênio, tanto para a oxidação química do material do substrato como para a síntese de células novas e os processos metabólicos das células bacterianas. Os requisitos de oxigênio para a oxidação química do material de substrato no processo de tratamento, com freqüência, são referidos como demanda de oxigênio químico (COD) enquanto que os requisitos de oxigênio para a remoção do substrato através do consumo do substrato para a síntese de células novas e a manutenção dos processos metabólicos das células bacterianas é referido como demanda de oxigênio biológico (BOD).

Petição 870180000594, de 03/01/2018, pág. 16/34 / 19 [15] A figura 1, mostra uma ilustração esquemática de um sistema de tratamento de lodo ativado (10) incorporando uma realização do sistema atual de ozonização de lodo (12). Conforme visto no mesmo, o sistema típico de tratamento de lodo ativado (10) inclui um duto de entrada (14) adaptado para receber a água residual, vários dispositivos de processamento prévio (16) e um tanque de lodo ativado (20), um ou mais clarificadores (22) adaptados para a separação do líquido limpo do lodo acumulado, um duto de saída (24) para o transporte do líquido limpo para uma descarga (23), uma linha de lodo ativado descartado (26) e uma linha de retorno de lodo ativado (RAS) (28) adaptada para transportar e retornar o lodo de volta para o tanque de lodo ativado (20). Também são mostrados um digestor (25) e um dispositivo de desidratação (27). Diferentemente dos sistemas da arte anterior, onde os biossólidos são incluídos como parte do lodo ativado descartado (WAS), os biossólidos também são transportados ao longo da linha RAS (28) a partir dos clarificadores (22) para o tanque de lodo ativado (20). Ao longo do caminho, uma quantidade prescrita do líquido que incluía o lodo e os biossólidos é desviada para o reator de ozonização de lodo (30) para a ozonização. No entanto, a corrente desviada não necessita ser tratada ou modificada antes de entrar no reator (30). O sistema atual e processo de ozonização de lodo (12) envolve o uso de um reator (30) projetado para realizar um esquema de reação de alta seletividade acoplado operativamente na linha RAS (28). Na realização ilustrada, o reator, de preferência, é um reator de fluxo em pistão (30) que tem uma corrente secundária (32) a partir da linha RAS (28) [16] A vazão volumétrica total de lodo através do reator de fluxo em pistão (30), de preferência, varia de cerca de uma vez a vazão volumétrica equivalente de lodo ativado descartado (WAS) até 40 vezes a vazão volumétrica equivalente do lodo ativado descartado (WAS). Esta faixa entre cerca de 1 a 40 vezes a vazão volumétrica equivalente de lodo ativado descartado (WAS) estabelece em parte, a relação ótima entre o gás e o líquido

Petição 870180000594, de 03/01/2018, pág. 17/34 / 19 dentro do reator de fluxo em pistão (30). De preferência, a relação entre o gás e o líquido deve ser menor do que, ou igual a 1,0. A vazão total volumétrica de lodo, é ajustável e, de preferência, é controlada em conjunto com o fluxo de gás enriquecido com ozônio e a concentração de ozônio no fluxo de gás enriquecido no reator de fluxo em pistão, para obter o nível desejado de redução em biossólidos enquanto minimizam a dosagem requerida de ozônio.

[17] Conforme é visto na figura 1, a corrente secundária desviada de lodo (32) é passada através de uma bomba (34) para um reator de ozonização de lodo mostrado como o reator de fluxo em pistão (30). O reator de fluxo em pistão (30) inclui um comprimento de tubo suficiente (36) que, em conjunto com o fluxo, assegura um tempo de residência do lodo no reator de fluxo em pistão (30) que é adequado para assegurar a dissolução efetiva do ozônio e a reação do ozônio com os biossólidos. As realizações ilustradas também incluem um ou mais sistemas de injeção de gás (40) através dos quais um gás enriquecido em ozônio é introduzido no reator de fluxo em pistão (30). Os sistemas de injetor de gás preferidos (40) são compostos de uma fonte de gás enriquecido em ozônio e um ou mais orifícios ou dispositivos do tipo venturi (42) para a injeção do gás enriquecido com ozônio no lodo. De preferência, a fonte de gás enriquecido em ozônio é um gerador de ozônio (44) acoplado a uma fonte de suprimento de gás oxigênio (não mostrada). Alternativamente, a corrente de gás enriquecido com ozônio (46) pode ser fornecida a partir de sistemas especializados de estocagem de ozônio, no local. De preferência, a concentração de ozônio desejada é maior do que ou é igual a 6%. Concentrações maiores de ozônio são preferidas porque essas concentrações mais elevadas auxiliam a assegurar que a relação entre gás e líquido no contactor de lodo seja mantido dentro de uma faixa ótima.

[18] O gás enriquecido com ozônio, de preferência, é fornecido para a realização ilustrada em pressões nominais e tipicamente em pressões menores do que as pressões de operação dentro da porção do reator de fluxo

Petição 870180000594, de 03/01/2018, pág. 18/34 / 19 em pistão (30) próxima dos dispositivos de injeção (42). Desta forma, o gás enriquecido com ozônio é inserido para dentro e através dos dispositivos de injeção (42) através de sucção a vácuo gerada pela queda de pressão através dos dispositivos de injeção (42). No entanto, uma pessoa adestrada na arte poderá verificar que existem realizações onde o gás enriquecido com ozônio é fornecido em pressões maiores do que a pressão dentro do reator de fluxo em pistão (30) ou outro receptáculo contendo o gás-líquido.

[19] O sistema injetor de gás (40) também inclui um meio ou mecanismo de controle adequado (não mostrado) que permite o controle da operação de injeção, o tempo, e o volume do gás enriquecido com ozônio. O controle da injeção de gás, tempo de injeção, e volume do gás enriquecido com ozônio são projetados para produzirem o contato eficiente gás-líquido e para promover a dissolução ótima do ozônio na corrente líquida escoando através do reator de fluxo em pistão (30). Mais especialmente, o controle do sistema de injeção de gás, de preferência, é ajustado para se situar dentro de uma faixa prescrita de relação entre o fluxo de gás e o fluxo de líquido, onde o fluxo de gás é assegurado pela vazão de injeção, tempo e volume de gás através dos dispositivos de injeção (42) e o fluxo de líquido representa o fluxo de lodo através do reator de fluxo em pistão (30). A faixa preferida de relações entre gás e líquido é menor do que, ou é igual a cerca de 1,0. Esta relação entre gás e líquido assegura que o gás ou ozônio seja dispersado adequadamente no líquido e adicionalmente assegura que não haja um excesso de gás na mistura fluida. O excesso de mistura retroativo e de formação de pasta é minimizado. Mais importante, as relação entre gás e líquido descritas acima juntamente com outras características de fluxo relacionadas, operam para minimizar o excesso de mistura retroativa e a formação de pasta, assim como evita a estratificação dos fluxos respectivos.

[20] Após passar através do reator de fluxo em pistão (30), o lodo ozonizado é retornado para a linha RAS da planta (28) através de uma linha

Petição 870180000594, de 03/01/2018, pág. 19/34 / 19 de retorno (50). Alternativamente, o lodo ozonizado ou corrente líquida que sai do reator de fluxo em pistão (30) poderá ser retornado para o tanque de lodo ativado (20) em uma linha separada do resto do fluxo RAS, ou poderá ser retornado para uma porção diferente da planta de tratamento de água residual. Geralmente, se o fluxo principal de RAS está indo para um tanque anóxico ou anaeróbico, então poderá ser preferível que o lodo ozonizado (que agora está também altamente oxidado) vá para um tanque óxico ou aeróbico. Se não, o teor de oxigênio do lodo ozonizado poderia prejudicar as condições requeridas nos estágios anóxicos ou anaeróbicos.

[21] No final da linha RAS (28) ou linha de retorno (50) está um mecanismo opcional de ejetor, edutor, ou de arranjo de orifício de saída (não mostrado) adaptado para retornar o lodo ozonizado na superfície ou em uma profundidade suficiente no tanque de lodo ativado (20) e para assegurar uma boa mistura do lodo ozonizado com o volume de líquido no tanque de lodo ativado (20). O mecanismo do ejetor ou o arranjo de orifício de saída (não mostrado) também serve para promover a recuperação de oxigênio no processo identificado acima.

[22] Os princípios de operação por trás do sistema de tratamento de ozonização de lodo apresentado envolvem o contato dos biossólidos e do ozônio dissolvido em um reator de fluxo em pistão, no qual ocorre o contato primário e a reação entre o oxidante (ozônio dissolvido) e os biossólidos. O processo atual requer o contato efetivo gás-líquido entre a corrente líquida de lodo ou licor misturado e um gás enriquecido com ozônio para promover a dissolução eficiente de ozônio na corrente líquida. O contato efetivo gáslíquido é obtido com reatores de fluxo em pistão projetados de forma apropriada e técnicas de injeção de gás enriquecido com ozônio.

[23] Na reação entre o gás enriquecido com ozônio e os biossólidos no reator de fluxo em pistão, as paredes das células bacterianas são rompidas ou enfraquecidas como resultado da oxidação química induzida pelo ozônio

Petição 870180000594, de 03/01/2018, pág. 20/34 / 19 nas paredes celulares da bactéria. Este rompimento das paredes das células das bactérias é conhecido como lise e leva à liberação do teor celular das células bacterianas. O teor celular, geralmente, é uma matriz líquida que é composta de proteínas, lipídios, polissacarídeos e outros açúcares, DNA, RNA e íons orgânicos. Como resultado da lise, as células sólidas dos biossólidos, que de outra forma teriam se acumulado e sido descarregadas no processo de manipulação de sólidos, são transformadas em componentes do substrato (COD) e posteriormente são consumidas pela bactéria no tanque de tratamento de lodo ativado.

[24] Um reator de fluxo em pistão é utilizado para se obter uma seletividade elevada da reação de lise, através do fornecimento de uma faixa estreita de tempo de contato entre o excesso de células de bactérias ou biossólidos e o ozônio dissolvido, de forma que o ozônio é utilizado somente, ou predominantemente, para o processo de oxidação que leva à lise da célula bacteriana (reação primária). Idealmente, a dosagem de ozônio e o tempo de contato líquido-gás são limitados para não oxidar ainda mais os teores das células (reações secundárias). Isto produz um uso mais eficiente de ozônio, levando à redução máxima de lodo com a dosagem mínima de ozônio. O tempo de contato preferido varia entre cerca de 10 a 60 segundos.

[25] A dosagem de ozônio ingerida para dentro do lodo é também controlável através de ajustes na concentração de ozônio no fluxo de gás ou ajustes no fluxo de gás enriquecido com ozônio injetado no lodo, ou ambos. O controle da dosagem de ozônio é projetado para se obter a atividade desejada de lise da célula com um mínimo de utilização de ozônio.

[26] Retornando agora à figura 2, é ilustrado um gráfico detalhando o desempenho de operação de um processo de tratamento de lodo ativado com ozonização do lodo no reator de fluxo em pistão de acordo com as realizações apresentadas, quando comparado com um processo de redução de lodo conforme ensinado na arte anterior, que é composto de um processo de tratamento de lodo ativado com a ozonização aplicada em um modo de reação

Petição 870180000594, de 03/01/2018, pág. 21/34 / 19 com agitação em uma porção da RAS, que então é retornada diretamente para o tanque de lodo ativado. A mesma vazão de ozônio é aplicada em ambos os exemplos. Conforme visto lá, o perfil mais agudo da curva (60) associado com o processo atual de ozonização indica uma velocidade mais rápida na qual ocorre o processo de lise e uma redução ou eliminação geral aumentada de sólidos por unidade de ozônio aplicado. Aproximadamente 1.600 mg/l de sólidos são removidos dentro dos 40 minutos iniciais utilizando-se o processo atual de ozonização conforme detalhado pela curva (60) e comparado com cerca de 400 mg/l de sólidos removidos utilizando-se o processo convencional de ozonização, conforme detalhado pela curva (62) com a mesma dosagem total de ozônio aplicada em ambos os casos.

[27] A tabela 1 mostra outra comparação de produção de biossólidos em uma instalação de tratamento de água residual utilizando o processo de ozonização descrito acima com a produção de biossólidos na mesma instalação de tratamento de água residual sem a utilização do reator atual de ozonização de lodo e processo associado.

[28] A tabela 2 também mostra uma comparação do desempenho de redução de lodo do sistema e processo de ozonização de lodo apresentado atualmente com vários outros exemplos relatados de ozonização de lodo. Conforme visto lá, o fator de remoção (i.e., kg de lodo total removido por quilo de ozônio utilizado) do sistema de ozonização de lodo apresentado atualmente excede em muito o fator de remoção aparente dos sistemas apresentados na literatura da técnica anterior.

	Sem o sistema de ozonização	Com o sistema de ozonização
COD removido (por dia)	10.000 kg	10.000 kg
Ozônio consumido (por dia)	0 kg	70 kg
Taxa de produção de biossólidos (SS)	0,35 kg SS/kg COD	0,21 kg SS/kg COD
Biossólidos produzidos (SS)	3500 kg	2100 kg
Dosagem de ozônio (kg ozônio/kg SS reduzido)	0	0,05
% biossólidos reduzidos	0%	40%
Proporção - kg biossólidos reduzidos/kg ozônio	0	20

Tabela 1. Redução de biossólidos

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Referencia	Dosagem de ozônio (kg de ozônio por kg de lodo tratado)	Consumo de ozônio (kg de ozônio por kg de lodo tratado)	Fator de remoção (kg de lodo reduzido por kg de ozônio)
Yasui et al (1996) Wat Sci. Tech (3-4) pp 395-404	0,05	0,165	6,06
Sakai et al (1997) Wat. Sci. Tech 36-(11) pp 163-170	NR	0,133	7,52
Sakai et al (1997) Wat. Sci. Tech 36-(11) pp 163- 170	NR	0,148	6,76
Sakai et al (1997) Wat. Sci. Tech 36-(11) pp 163-170	0,034	0,178	5,62
Kobayashi et al (2001) Proceedings of the 15th Ozone World Conference, London	NR	0,250	4,00
Sievers et al (2003) Proc. of the 3rd Conf. for Water and Wastewater Treatment, Goslar	0,05	0,395	2,53
Sistema atual de ozonização de lodo	0,003-0,01	0,050	20,00

Tabela 2: Comparações de Sistema de Redução de Lodo [29] As figuras 3 - 8 ilustram realizações alternativas do processo atual de tratamento de lodo. Especialmente, a figura 3 ilustra uma realização do processo de tratamento de lodo onde o gás enriquecido com ozônio é injetado ou é introduzido de outra forma em vários locais no, ou próximo do reator de fluxo em pistão (30). A injeção em vários pontos pode ser benéfica para controlar com mais precisão ou realizar o contato melhorado gás-líquido que necessita ocorrer no reator de fluxo em pistão (30).

[30] A figura 4 também ilustra outra realização do sistema atual e processo de tratamento de lodo onde o duto de retorno (50) do reator de fluxo em pistão (30) não é retornado diretamente para o tanque de lodo ativado (20), mas ao contrário, para algum outro processo de pós-tratamento a jusante do reator de fluxo em pistão (30), como um digestor, uma unidade de estabilização de lodo, ou um tanque secundário de tratamento (70).

[31] A figura 5 ilustra uma realização do sistema atual e processo

Petição 870180000594, de 03/01/2018, pág. 23/34 / 19 de tratamento de lodo onde o reator de fluxo em pistão (30) inclui uma bomba (34) e um sistema de injeção de gás enriquecido com ozônio (40) adaptado para injetar o gás enriquecido com ozônio na, ou perto da bomba (34).

[32] A figura 6 ilustra ainda outra realização do sistema de ozonização de lodo (12) onde o lodo para o tratamento no reator de fluxo em pistão (30) é previamente processado através de um espessador de lodo ou outro dispositivo para a concentração de sólidos (80). Alternativamente, o lodo a ser desviado para o reator de fluxo em pistão (30) poderá ser diluído com água (não mostrado) para produzir uma corrente líquida com uma concentração menor de sólidos que entra no reator de fluxo em pistão (30).

[33] Ainda outra técnica de processamento prévio ou tratamento prévio que poderia ser utilizada com as realizações apresentadas da invenção, envolve a passagem do lodo através de um digestor ou outro meio para a estabilização do lodo ou a manipulação de sólidos antes do desvio para o reator de fluxo em pistão. Ainda outras técnicas de tratamento prévio do lodo que são compatíveis com o sistema e processo atual de ozonização de lodo incluem a adição de agentes de solubilização no lodo, a aplicação de ondas ultra-sônicas, a homogeneização, e outros meios de mistura ou agitação. O uso de agentes químicos que facilitam a lise das células bacterianas ou aumentam a capacidade para a digestão do lodo também poderiam ser utilizados.

[34] A figura 7 ilustra uma realização do sistema atual e método de ozonização de lodo (12) onde o contato inicial gás-líquido entre o gás enriquecido com ozônio e a corrente líquida ocorre a montante do reator de fluxo em pistão (30) e/ou na linha RAS (28). Na realização ilustrada, um dispositivo de contato com o lodo-gás (82) como regadores, difusores, dispositivos de venturi ou orifícios de mistura em alta velocidade são colocados a montante do reator de fluxo em pistão (30). O dispositivo contactor de lodo-gás (82) descarrega a mistura no reator de fluxo em pistão

Petição 870180000594, de 03/01/2018, pág. 24/34 / 19 onde ocorrem a lise da célula bacteriana e outras reações.

[35] Naquelas realizações do sistema atual e processo de ozonização de lodo onde o contato inicial gás-líquido ocorre na linha RAS (28) ou a montante do reator de fluxo em pistão (30), o gás enriquecido com ozônio poderá ser fornecido para o espaço vapor acima da corrente líquida ou poderá ser fornecido sob pressão para uma região de mistura prescrita com uma orientação relativa prescrita para a corrente líquida (por exemplo, a região do rotor de um dispositivo contactor de lodo-gás agitado mecanicamente ou dispositivos de injeção, tais como orifícios, regadores, e difusores que são orientados em um ângulo prescrito de distância vis-à-vis a superfície líquida).

[36] A figura 8 detalha uma realização alternativa onde o fluido tratado não é clarificado submerso ou desviado de outra forma do RAS, mas ao contrário, é um fluido de licor misturado extraído através do duto 39 do tanque aerado 29.

[37] Para sistemas de tratamento de lodo ativado utilizando uma configuração de biorreator de membrana, o arranjo alternativo não envolveria o uso de um clarificador e ao contrário utilizaria uma unidade de membrana polimérica ou de cerâmica (não mostrado) acoplada no reator de fluxo em pistão (30) ou outro reator de ozonização de alta seletividade. Em tal arranjo, o reator de fluxo em pistão ou outro reator de ozonização trataria uma corrente líquida do tipo licor misturado com o ozônio.

[38] A ozonização eficiente e efetiva em custo do lodo nas realizações descritas acima requer a presença de três condições de processo (i) o uso predominantemente de ozônio para a lise ou quebra das células, i.e., obtendo uma alta seletividade para a reação de lise; (ii) limitando a exposição das células totalmente ou parcialmente desintegradas a ozônio adicional dentro do reator, porque isto poderia levar à liberação completa do teor celular no reator e à oxidação química dispendiosa subseqüente dos substratos

Petição 870180000594, de 03/01/2018, pág. 25/34 / 19 liberados pelo ozônio adicional, ao invés da opção muito mais barata da biooxidação dos substratos liberados pela células bacterianas no tanque de lodo ativado; e (iii) a realização de uma faixa muito estreita de distribuições de tempo de residência para as células bacterianas dentro do reator.

[39] Através do uso de uma estratégia de reação de fluxo em pistão, todas estas condições desejadas podem ser executadas dentro do reator ou contactor. A estratégia de reação de fluxo em pistão é obtida especificamente projetando-se o fluxo de ozônio no lodo para que ocorra com um mínimo de mistura retroativa, e para que o contato ocorra a maior parte no máximo em uma configuração tubular. Especificamente, as realizações ilustradas possuem um tempo de residência prescrito ou controlado e alcançam uma alta seletividade da reação de lise. Nas realizações descritas acima, é utilizada uma reação de fluxo em pistão para se obter uma alta seletividade da reação de lise através do fornecimento de uma faixa estreita de tempo de contato entre as células e o ozônio dissolvido (i.e., distribuição estreita de tempo de residência), de forma que o ozônio seja utilizado somente para as reações que levam à lise da célula (reações primárias), e de forma que a ozonização não continue para oxidar ainda mais os teores das células (reações secundárias) nem para oxidar os produtos das reações primárias (reações terciárias). Isto produz o uso mais eficiente de ozônio, levando à redução máxima de biossólidos ou de lodo com a dosagem mínima de ozônio.

[40] Conforme descrito com relação às realizações ilustradas, um ou uma multiplicidade de pontos de injeção de gás são utilizados para que a quantidade de ozônio a ser suprido para a dissolução seja equivalente à quantidade de reação de biossólidos com o ozônio dissolvido ao longo do comprimento prescrito do reator de fluxo em pistão. Isto evita o super ou subsuprimento de ozônio, promovendo o uso eficiente de ozônio para a lise da célula, ao mesmo tempo evitando o uso de ozônio para a oxidação dos teores da célula.

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Aplicabilidade Industrial [41] Utilizando-se as realizações apresentadas atualmente do processo atual de tratamento de lodo, é desejável controlar-se os parâmetros escolhidos, através do projeto do sistema ou na operação do sistema. De preferência, a quantidade de ozônio fornecida para a diluição é correlacionada com a velocidade da reação de biossólidos com o ozônio dissolvido ao longo do comprimento do reator de fluxo em pistão. Esta correlação do suprimento de ozônio com a velocidade de reação dos biossólidos dentro do reator de fluxo em pistão evita o super-suprimento ou sub-suprimento de ozônio e portanto promove o uso eficiente de ozônio para a lise das células bacterianas, ao mesmo tempo evitando o uso de gás ozônio para as reações secundárias.

[42] O reator de fluxo em pistão com injeção de ozônio é projetado e operado de uma forma tal que um só passe de lodo através do reator de fluxo em pistão consegue uma lise quase completa e substancialmente uniforme das células bacterianas não requeridas ou em excesso. De preferência, variando-se o volume do lodo que é desviado e processado através do reator de fluxo em pistão, controlando-se cuidadosamente a distribuição de tempo de residência, ou variando-se a dosagem de ozônio, é possível controlar-se a quantidade de lodo que é reduzida. Alternativamente, o reator de alta seletividade pode ser projetado e operado de uma forma onde são requeridos vários passes através do reator para se conseguir a remoção de lodo desejada. Também, como o tempo de residência obtido em um sistema de reator em batelada é controlado dentro de uma faixa estreita conforme o reator de fluxo em pistão, é possível obter-se uma boa seletividade de reação com um reator em batelada no lugar de um reator de fluxo em pistão.

[43] Valores típicos para a relação alimento-microorganismo (F/M), i.e., a relação entre as gramas de material de substrato que entra no tanque de lodo ativado em uma base diária comparado com a quantidade em gramas de células bacterianas no tanque de lodo ativado, varia de cerca de

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0,04 a 2,0 g de material de substrato por dia/grama de células bacterianas, dependendo do tipo de processo de lodo ativado que é utilizado. Da mesma forma, o rendimento de células bacterianas sintetizadas após o consumo de bactérias do material do substrato é em torno de 0,2 a 0,6 kg de biossólidos/kg de material de substrato consumido. Assim sendo, a utilização do processo atual para a ozonização de lodo poderia modelar ou determinar empiricamente a quantidade de lodo a ser desviada para o reator de fluxo em pistão, o tempo de residência, e a quantidade de ozônio a ser injetada no reator que é necessária para reduzir entre cerca de 0,2 a 0,6 kg a massa média (em quilos) de material de substrato novo introduzido no tanque de lodo ativado por dia. Do ponto de vista econômico, pode-se calcular as economias de custo com a eliminação da manipulação de sólidos associada com o volume de biossólidos contra o custo do ozônio consumido no processo.

[44] Os métodos e sistemas identificados acima para o tratamento de lodo utilizando ozônio podem ser utilizados sozinhos ou em conjunto com outras técnicas de redução de lodo. Além disso, cada uma das etapas específicas envolvidas no processo preferido descrito aqui, e cada um dos componentes dos sistemas preferidos são facilmente modificados ou adaptados para atenderem a um projeto peculiar e a requisitos de operação do sistema específico de tratamento de lodo ativado no qual ele é usado e o ambiente de operação previsto para o determinado processo de tratamento de lodo ativado.

[45] Por exemplo, a fonte de gás usada em conjunto com o sistema de geração de ozônio poderia ser constituída de ar, ar enriquecido com oxigênio, gás oxigênio puro, ou gás oxigênio quase puro. No entanto, como o processo de tratamento de lodo ativado do núcleo também tem um requisito básico de oxigênio, o uso de gás oxigênio puro ou quase puro como uma fonte de gás é o preferido. Além disso, o uso de uma fonte de oxigênio puro ou quase puro e a injeção do gás enriquecido com ozônio no, ou próximo do

Petição 870180000594, de 03/01/2018, pág. 28/34 / 19 reator de fluxo em pistão poderia ser controlada de uma forma tal que toda ou uma fração substancial do requisito geral de oxigênio para o tratamento biológico no processo de lodo ativado no tanque de lodo ativado é fornecido pelo sistema de ozonização de lodo.

[46] Com base no que foi dito anteriormente, deve-se considerar que a invenção atual apresenta, portanto, um método e um sistema para o tratamento de lodo utilizando gás enriquecido com ozônio. Embora a invenção apresentada aqui tenha sido descrita por intermédio de realizações específicas e processos associados às mesmas, podem ser feitas numerosas modificações e variações na mesma por aqueles adestrados na arte sem se afastarem do escopo da invenção, conforme apresentado nas reivindicações ou sem sacrificar todas as suas vantagens materiais.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema de tratamento de lodo, caracterizado pelo fato de ser composto de:

um reator de ozonização do tipo de fluxo em pistão (30) compreendendo um tubo acoplado de forma fluida a um tanque de tratamento de lodo ativado (20) e adaptado para receber uma corrente líquida contendo biossólidos do tanque de tratamento de lodo ativado;

uma fonte de gás enriquecido com ozônio (44);

um sistema de injeção de gás (40) acoplado na fonte de gás enriquecido com ozônio (44) e adaptado para injetar gás enriquecido com ozônio na corrente líquida no reator de ozonização do tipo fluxo em pistão (30);

o reator de ozonização do tipo fluxo em pistão (30) sendo adaptado para limitar o tempo de contato dos biossólidos com o gás enriquecido de ozônio dentro do reator de ozonização do tipo fluxo em pistão de 10 a 60 segundos para facilitar a lise dos biossólidos e a redução do lodo; e um duto de retorno (28) acoplado ao reator de ozonização do tipo fluxo em pistão (30) para o transporte da corrente líquida ozonizada para o tanque de tratamento de lodo ativado (20).
2. Sistema de tratamento de lodo ativado de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da fonte de gás enriquecido com ozônio (44) ser ainda composta de um gerador de ozônio acoplado a uma fonte de oxigênio (44) e o gás enriquecido com ozônio é um gás oxigênio enriquecido com ozônio.
3. Sistema de tratamento de lodo ativado de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da fonte de gás enriquecido com ozônio ser ainda composta de um gerador de ozônio acoplado a uma fonte de ar ambiente e o gás enriquecido com ozônio ser ar enriquecido com ozônio.
4. Sistema de tratamento de lodo ativado de acordo com a

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2 / 4 reivindicação 1, caracterizado pelo fato da fonte de gás enriquecido com ozônio ser ainda composta de um gerador de ozônio acoplado a uma fonte de ar enriquecido com oxigênio e o gás enriquecido com ozônio ser uma mistura de oxigênio-ar enriquecido com ozônio.
5. Sistema de tratamento de lodo ativado de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do sistema de injeção de gás (40) ser ainda composto de um ou mais orifícios colocados no reator de ozonização do tipo fluxo em pistão (30).
6. Sistema de tratamento de lodo ativado de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do sistema de injeção de gás (40) ser ainda composto de um dispositivo de venturi (42) colocado no reator de ozonização do tipo fluxo em pistão (30).
7. Sistema de tratamento de lodo ativado de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do sistema de injeção de gás (40) ser ainda composto de uma pluralidade de dispositivos de injeção colocados próximos do reator de ozonização do tipo fluxo em pistão (30).
8. Sistema de tratamento de lodo ativado de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do sistema de tratamento de lodo incluir ainda uma linha de retorno de lodo ativado (RAS) (28) adaptada para reciclar o lodo ativado para o tanque de tratamento de lodo ativado e o reator de ozonização do tipo fluxo em pistão (30) ser acoplado na linha RAS, a qual retorna a corrente ozonizada para o tanque de tratamento de lodo ativado.
9. Sistema de tratamento de lodo ativado de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser ainda composto de um subsistema de pré-tratamento (80) intercalado entre o tanque de tratamento de lodo ativado (20) e o reator de ozonização do tipo fluxo em pistão (30), o subsistema de pré-tratamento de lodo adaptado para condicionar a corrente líquida para otimizar a lise dos biossólidos no reator de ozonização.
10. Sistema de tratamento de lodo ativado de acordo com a

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3 / 4 reivindicação 1, caracterizado pelo fato da corrente líquida ser uma corrente de licor misturado.
11. Sistema de tratamento de lodo ativado de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da corrente líquida ser uma corrente de lodo.
12. Método de redução de lodo, caracterizado pelo fato de ser constituído das etapas de:

tratamento da água residual em um tanque de lodo ativado (20);

desvio de uma corrente líquida contendo biossólidos do tanque de lodo ativado (20) para um reator de ozonização do tipo fluxo em pistão (30) de alta seletividade;

introdução de um gás enriquecido com ozônio na corrente líquida no, ou a montante do reator de ozonização do tipo fluxo em pistão (30), promovendo o contato efetivo líquido-gás entre a corrente líquida e o gás enriquecido com ozônio e otimizando a distribuição de tempo de residência dos biossólidos na corrente ozonizada para induzir a lise dos biossólidos através da interação dos biossólidos com ozônio dentro do reator de ozonização do tipo fluxo em pistão; e descarga da corrente líquida ozonizada contendo os subprodutos resultantes da lise para um biorreator para uma bio-oxidação adicional dos referidos subprodutos, em que o tempo de contato entre o ozônio e os biossólidos varia entre 10 e 60 segundos.
13. Método de redução de lodo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de ser ainda composto da etapa de produção de um gás enriquecido com ozônio através da geração de ozônio e mistura do ozônio com um gás, e onde a percentagem de ozônio está entre 6 e 15% em volume.
14. Método de redução de lodo de acordo com a reivindicação

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12, caracterizado pelo fato de ser ainda composto da etapa de produção de um gás enriquecido com ozônio, através da geração de ozônio e mistura do ozônio com uma mistura de oxigênio e ar ambiente, e onde a percentagem de ozônio está entre 6 e 15% em volume.
15. Método de redução de lodo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de ser ainda composto da etapa de pré- tratamento da corrente líquida contendo biossólidos.
16. Método de redução de lodo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato da etapa de introdução de um gás enriquecido com ozônio no reator de ozonização do tipo fluxo em pistão (30) ser ainda composta da injeção do gás enriquecido com ozônio em uma pluralidade de locais dentro do reator de ozonização do tipo fluxo em pistão.
17. Método de redução de lodo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato da etapa de descarga da corrente líquida ozonizada ser ainda composta da descarga da corrente líquida ozonizada de volta para o tanque de lodo ativado (20).
18. Método de redução de lodo de acordo com qualquer uma das reivindicações 12 a 17, caracterizado pelo fato da relação entre os biossólidos reduzidos em quilograma e a utilização de ozônio em quilograma é igual ou maior do que 10.

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