BRPI0817713B1

BRPI0817713B1 - Processo de tratamento de efluentes contendo nitrogênio sob a forma de amônio, empregando um reator biológico sequencial

Info

Publication number: BRPI0817713B1
Application number: BRPI0817713-9A
Authority: BR
Inventors: Adriana Gonzalez Ospina
Original assignee: Degremont
Priority date: 2007-10-09
Filing date: 2008-10-06
Publication date: 2019-03-19
Also published as: US20100303695A1; BRPI0817713A2; CA2701786A1; FR2921917A1; EP2197800A2; CN101821207A; CA2701786C; CN101821207B; US8298422B2; WO2009080912A2; EP2197800B1; FR2921917B1; MX2010003655A; ES2567568T3; WO2009080912A3

Abstract

processo de tratamento de efluentes contendo nitrogênio sob a forma de amônio, empregando um reator biológico sequencial processo de tratamento de efluentes contendo nitrogênio sob a forma de amônio, segundo o qual: um volume de efluente a tratar em um ciclo completo é introduzido por frações volumétricas sucessivas no reator biológico, cada fração volumétrica tratada em curso de um subciclo: cada subciclo compreende uma fase de alimentação por uma fração volumétrica e, de modo alternado, duas etapas de tratamento, a saber, uma primeira etapa aerada, durante a qual ocorre uma oxidação total ou parcial do amônio em nitritos, seguida de uma segunda etapa não aerada durante a qual os nitritos produzidos e o amônio são convertidos em nitrogênio gasoso. durante a primeira etapa aerada, a concentração em oxigênio dissolvido no reator biológico é mantida entre 0,1 mgo2/l e 0,6 mgo2/l; a relação n-no2: n-nh4 é ajustada para estar compreendida entre 0,9 e 1,5 no início da etapa não aerada; e a fase não aerada é realizada por desamonificação, sem suprimento de substrato carbonado.

Description

“PROCESSO DE TRATAMENTO DE EFLUENTES CONTENDO NITROGÊNIO SOB

A FORMA DE AMÔNIO, EMPREGANDO UM REATOR BIOLÓGICO SEQUENCIAL” [0001] A invenção refere-se a um processo de tratamento de efluentes contendo nitrogênio sob a forma de amônio, empregando um reator biológico sequencial, processo compreendendo.

- uma primeira etapa aerada, durante a qual ocorre uma oxidação total ou parcial do amônio em nitritos,

- seguida por uma segunda etapa não aerada durante a qual os nitritos produzidos e o amônio são convertidos em nitrogênio gasoso, [0002] processo segundo o qual uma pressão de seleção bacteriana, favorável ao desenvolvimento e à atividade das bactérias nitritantes, é exercida para realizar no mesmo reator e de modo alternado as duas etapas de tratamento, e realizada por impactos ou picos de carga amoniacal graças à introdução sucessiva das frações volumétricas conhecidas do efluente a tratar no reator biológico, [0003] um volume de efluente a tratar em um ciclo completo sendo vertido no reator por frações volumétricas sucessivas, o ciclo completo de tratamento sendo dividido em subciclos sucessivos, cada subciclo compreendendo uma fase de alimentação por uma fração volumétrica, depois uma fase de aeração para provocar a nitritação, depois uma fase de anoxia durante a qual a aeração é parada.

[0004] Um processo do tipo definido precedentemente é conhecido de acordo com o pedido de patente FR 2.889.180 A-1. O processo visado por este documento permite transformar o amônio de maneira quase exclusiva em nitritos durante uma primeira fase oxidante aerada, antes de passagem de nitrogênio gasoso durante uma segunda fase de desnitrificação anóxica. Contudo a segunda fase corresponde a uma redução heterotrófica dos nitritos em nitrogênio gasoso e necessita o suprimento de um substrato carbonado facilmente biodegradável, geralmente introduzido sob a forma de metanol ou etanol, acarretando um custo de exploração que é desejável reduzir.

[0005] A invenção refere-se mais particularmente ao tratamento das águas de origem urbana, industrial ou agroalimentar, ou de rejeitos aquosos provenientes da

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2/20 desidratação de lamas digeridas, o tratamento de lamas oxidação úmida, condensados de secagem de lamas, lixiviados das descargas, estrumes, ou qualquer instalação que deve tratar uma água contendo o amônio qualquer que seja a sua concentração e a sua temperatura.

[0006] A ausência de controle sobre a qualidade dos rejeitos de água procedentes da atividade humana, agrícola ou industrial pode gerar, a curto ou longo prazo, danos essenciais sobre a saúde e sobre o meio ambiente. Para preservar o meio natural, regulamentos mais severos são impostos para limitar principalmente os rejeito s de nitrogênio e de fósforo.

[0007] Nas estações de tratamento, as poluições carbonadas e nitrogenadas das águas residuais principalmente são eliminadas por via biológica. Esta via convencional baseia-se sobre a capacidade de microorganismos de eliminar a poluição por assimilação e por biodegradação, de acordo com diferentes processos resumidos a seguir.

1/ NITRIFICAÇÃO CONVENCIONAL [0008] No caso do nitrogênio, distinguem-se essencial mente os tratamentos por nitrificação e desnitrificação. Quando da nitrificação, o amônio oxidado em condições aerados por bactérias autotróficas de acordo com duas etapas: em primeiro lugar, em nitritos por bactérias ditas oxidadoras do amônio AOB (Ammonium-Oxidizing Bactéria), depois em nitratos pelas bactérias ditas oxidadoras dos nitritos NOB (Nitrite-Oxidizing Bactéria). Durante a desnitrificação, os nitratos produzidos finalmente são reduzidos em nitrogênio gasoso em condições de anoxia por um consórcio de bactérias heterotróficas, necessitando de carbono facilmente biodegradável.

[0009] A restrição essencial ligada ao tratamento convencional do nitrogênio por nitrificação e desnitrificação é causada notadamente por:

• as grandes necessidades de oxigênio para a oxidação do amônio em nitrato (4,57 mgO2/mgN) • a necessidade de volumes reacionais elevados para manter uma idade de lamas elevada e permitir o desenvolvimento dos

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3/20 microorganismos nitrificantes com baixa taxa de crescimento, • a ausência ou a limitação de carbono biodegradável disponível para a desnitrificação que impõe a utilização de uma fonte externa de reativo carbonado com necessidades elevadas (2,86 mgC/mgN) [0010] O custo adicional deste tratamento convencional é notadamente penalizante quando os efluentes a tratar são caracterizados por relações de tipologias DCO/N baixas (DCO = demanda química de oxigênio; N = nitrogênio).

2/ NITRIFICAÇÃO PARCIAL OU NITRITAÇÃO = SHUNT DOS NITRATOS [0011] Para minimizar o impacto do tratamento por via biológica convencional, a nitrificação parcial e a desnitrificação heterotrófica a partir de nitritos foi proposta e descrita em EP 0,826.639 A-1 e FR 2.889.180 A-1, já citado. Este tratamento chamado igualmente Shunt de nitratos, permite transformar o amônio em nitritos durante uma primeira fase oxidante aerada, depois em passar diretamente em nitrogênio gasoso durante uma segunda fase de desnitrificação anóxica. O acúmulo dos nitritos é obtido graças à manutenção de condições de operação como as baixas concentrações em oxigênio dissolvido, o pH, uma temperatura elevada e fortes concentrações em amônio. É por isso que inicialmente este tipo de tratamento foi proposto para os efluentes concentrados de tipo centrados de digestão.

[0012] Em relação ao tratamento biológico convencional descrito previamente, cerca de 25% da energia de aeração, 40% das necessidades de carbono biodegradável e 25% da produção de lamas podem ser economizados por este tipo de tratamento.

[0013] Os mecanismos descritos em EP 0,826.639 A-1 acarretam uma lixiviação específica da biomassa responsável pela oxidação dos nitritos em nitratos (NOB) pela utilização de um reator tipo chemostat sem retenção de biomassa (vazão de saída igual à vazão de entrada) no qual a idade das lamas é fixada pelo tempo de permanência hidráulica. A lixiviação é em parte física, por evacuação da biomassa, e em parte devido a uma inativação das bactérias em razão dos parâmetros de funcionamento.

[0014] Em oposição a este sistema, FR 2.889.180 A-1 mostrou o interesse de

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4/20 utilizar os reatores biológicos sequenciais para a nitrificação parcial introduzindo sequências de tratamento específicas com duração limitada permitindo exercer de maneira estabilizada, por picos ou impactos de carga amoniacal, uma pressão de seleção favorável ao desenvolvimento da biomassa responsável pela oxidação do amônio em nitritos (AOB) e tratar as cargas maiores graças à retenção de biomassa no reator biológico sequencial.

[0015] Nos dois casos, a redução heterotrófica dos nitritos em nitrogênio gasoso necessita o suprimento de um substrato carbonado facilmente biodegradável para ocorrer.

3/ NITRITAÇÃO E REAÇÃO ANAMMOX = DESAMONIFICAÇÃO [0016] Para limitar sensivelmente a utilização de substratos carbonados exógenos, até mesmo reduzir os mesmos completamente, o tratamento do nitrogênio é também possível graças a uma reação completamente autotrófica na qual a oxidação do amônio tem lugar utilizando os nitritos como aceitantes de elétrons em condições de anoxia estrita.

[0017] Nesta solução, chamada igualmente “desamonificação”, é necessário oxidar primeiro uma parte do amônio em nitritos (por nitritação) depois de provocar a reação de desamonificação a partir do amônio restante e os nitritos produzidos para formar nitrogênio gasoso (N₂). O ponto sensível desta reação é a manutenção de uma relação estabilizada nitritos/amônio durante a primeira etapa de tratamento. Os ganhos em relação ao tratamento biológico convencional do nitrogênio são associados às economias sobre as necessidades de energia de aeração que são reduzidas em 60% e ao fato de não há mais necessidade de carbono facilmente biodegradável para a desnitrificação.

[0018] Várias realizações foram propostas para esta aplicação utilizando um ou dois reatores (WO 00 5176 e EP 0,931.023 B1). Quando dois reatores são utilizados para efetuar o tratamento, a etapa de nitritação é realizada correntemente em um reator de tipo chemostat sem retenção de biomassa com, como principal limite, a estabilidade da produção dos nitritos que não pode ser garantida facilmente porque depende muito neste sistema da concentração em bicarbonatos do efluente. Além

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5/20 disso, as cargas máximas admissíveis por este processo são limitadas por um tempo de permanência hidráulica de 1 a 2 dias.

[0019] Levando em conta as fracas taxas de crescimento das bactérias Anammox, a reação de desamonificação é realizada em reatores fluidizado com biofilme ou reatores biológicos sequenciais nos quais a retenção de biomassa é favorecida.

[0020] W02007/033393 A-1 descreve um processo de regulação baseado no pH com o qual é possível tratar o nitrogênio em paralelo, ou de maneira simultânea, por nitritação e desamonificação em um reator biológico sequencial. Os ciclos de tratamento são caracterizados por uma alimentação contínua durante as fases de reação e por uma aeração intermitente controlada pelo pH. O funcionamento da aeração por intermitência é regulado em função dos valores teóricos em pH para os quais as variações mínimas e máximas são de 0,02 e 0,05 unidades.

[0021] O inconveniente deste sistema reside na estratégia adotada para a alimentação em efluente que não se revela compatível com a estabilidade da relação nitritos/amônio (N-NO₂: N-NH₄) requerida para a desamonificação e as velocidades reacionais típicas das bactérias AOB. Com uma alimentação contínua, é difícil garantir um funcionamento estabilizado. Com efeito, a adição contínua de amônio parece incompatível com uma conversão até de 50% do amônio durante a fase de aeração, e a manutenção durante toda a fase de não aeração de uma relação estável N-NO₂: N-NH₄. Isto é reforçado pelo fato de a estreita gama de pH fixada para regular a duração da introdução ou da parada do ar conduzirá sensivelmente para etapas irregulares de aeração e de anoxia que poderão potencialmente conduzir a mau funcionamento acentuado durante o tratamento. DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO [0022] Para remediar estes inconvenientes, e a fim de melhorar a solução descrita em FR 2.889.180 A-1, a presente invenção propõe tratar os efluentes contendo amônio por nitritação e desamonificação em um reator biológico sequencial com ciclos fracionados no qual fases de reação em meio aerado e não aerado tem uma duração limitada e são regulados em função pelo menos da

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6/20 condutividade medida no reator biológico, e preferivelmente igualmente da concentração de oxigênio dissolvido medido no reator.

[0023] De acordo com a invenção, o processo de tratamento de efluentes contendo nitrogênio sob a forma de amônio, empregando um reator biológico sequencial, processo segundo o qual:

- um volume de efluente a tratar em um ciclo completo é introduzido por frações volumétricas sucessivas no reator biológico, cada fração volumétrica sendo tratada durante um subciclo, a introdução sucessiva das frações volumétricas permitindo exercer uma pressão de seleção bacteriana favorável ao desenvolvimento e à atividade das bactérias nitritantes por impactos de carga amoniacal,

- cada subciclo compreende uma fase de alimentação por uma fração volumétrica e, de modo alternado, duas etapas de tratamento: a saber

- seguido por uma segunda etapa não aerada, em anoxia, durante a qual os nitritos produzidos e o amônio são convertidos em nitrogênio gasoso, [0024] é caracterizado pelo fato de que:

- durante a primeira etapa aerada a concentração de oxigênio dissolvido no reator biológico é mantida entre 0,1 mgO2/L e 0,6 mgO2/L,

- a relação N-NO2: N-NH4 é ajustada para estar compreendida entre 0,9 e 1,5 no início da segunda etapa não aerada,

- e a etapa não aerada é realizada por desamonificação, sem suprimento de substrato carbonado.

[0025] Preferivelmente, a primeira etapa aerada é controlada em função pelo menos da condutividade (X) medida no reator biológico. Vantajosamente, a primeira etapa aerada é controlada em função igualmente da concentração de oxigênio dissolvido medida no reator biológico.

[0026] Durante a primeira etapa aerada a concentração de oxigênio dissolvido

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7/20 pode ser mantida entre dois valores limiares por parada ou em colocação em funcionamento do fornecimento de ar no reator biológico.

[0027] A duração da primeira etapa aerada é controlada com vantagem pela medida da condutividade (X) no reator biológico, e o fornecimento em ar é parado se um valor limiar (limite superior) em condutividade for atingido antes de uma duração fixada.

[0028] De acordo com um primeiro modo de operação, na primeira etapa aerada uma parte apenas do fluxo de amônio suprido por um volume de efluente a tratar é transformada em nitritos, a parte restante do fluxo de amônio sendo suficiente de modo que, na segunda etapa não aerada, os nitritos produzidos e o amônio não oxidado quando da primeira etapa sejam convertidos em nitrogênio gasoso.

[0029] A parte do fluxo de amônio transformada em nitritos no fim da primeira etapa aerada está compreendida entre 40 e 60% do fluxo suprido.

[0030] De acordo com um segundo modo de operação, durante a primeira etapa aerada, o fluxo de amônio suprido por um volume de efluente a tratar é completamente oxidado em nitritos, e no início da segunda etapa não aerada, um suprimento suplementar em efluente a tratar contendo amônio é realizado em proporção do fluxo de nitritos produzidos na primeira etapa aerada de modo que a relação N-NO₂: N-NH₄ esteja compreendida entre 0,9 e 1,5.

[0031] O suprimento suplementar em efluente amoniacal pode ser realizado em proporção sensivelmente igual ao fluxo dos nitritos produzidos, de modo que a relação N-NO₂: N-NH₄ seja sensivelmente igual a 1.

[0032] O suprimento suplementar em efluente amoniacal a introduzir no início da segunda etapa não aerada é determinado com vantagem levando-se em conta um rendimento de oxidação do amônio compreendido entre 75% e 98% e uma relação N-NO₂: N-NH₄ a manter para a desamonificação entre 0,9 e 1,5.

[0033] O suprimento suplementar em efluente a introduzir no início da segunda etapa não aerada pode representar entre 50% e 110% do volume de efluente inicial.

[0034] O tempo de alimentação em efluente a tratar representa geralmente 7 a

10% da duração total do ciclo de tratamento.

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8/20 [0035] O número e a duração dos subciclos e das fases de subciclos podem ser ajustados graças a uma série de medidas em tempo real da vazão, do oxigênio dissolvido, da condutividade e do pH no efluente a tratar, no reator biológico e no rejeito.

[0036] O número de subciclos está geralmente compreendido entre 2 e 8 por ciclo.

[0037] A duração de um ciclo de tratamento pode estar compreendida entre 4 e 8 horas.

[0038] A concentração de oxigênio é medida em linha no reator biológico sequencial com a ajuda de uma sonda, e é mantida entre dois valores limiares fixados, e é dirigida por um computador ou controlador que em tempo real integra as medidas e permite parar ou re-iniciar o fornecimento de ar no reator.

[0039] Medidas em linha da concentração amoniacal e da condutividade são vantajosamente levadas em conta como indicadores de conversão do amônio. A concentração em N-NH₄ no reator pode ser medida indiretamente pela condutividade e diretamente por uma sonda amoniacal específica e o fluxo amoniacal no efluente a tratar pela condutividade e a vazão.

[0040] Preferivelmente, o processo utiliza as informações de diferentes sensores situados:

- no efluente a tratar (vazão Q, condutividade X, temperatura T, pH) para determinar a carga de nitrogênio a tratar e o número de sequências de tratamento a efetuar,

- no reator biológico sequencial (oxigênio dissolvido O₂, condutividade X, temperatura T, pH e concentração amoniacal) para controlar o desenrolar do processo biológico durante as fases de aeração e de não aeração e determinar sua duração,

- na água de rejeito (condutividade X, vazão Q) para determinar o rendimento do tratamento e ajustar de modo retroativo o processo, [0041] estes sensores sendo ligados a um computador ou controlador que integra as medidas em tempo real e permite assim o desenvolvimento dos ciclos de

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9/20 tratamento em modo automático.

[0042] A invenção é igualmente relativa a uma instalação de tratamento de efluentes contendo amônio para a realização de um processo tal como definido precedentemente, que comporta um reator biológico sequencial, e um conjunto de equipamentos associados ao reator compreendendo:

- um dispositivo de alimentação do reator biológico em efluente, por frações volumétricas sucessivas,

- meios de aeração colocados no fundo do reator e ligados a uma fonte de ar sob pressão,

- pelo menos um meio de agitação mecânica, no reator,

- um sistema de evacuação de água tratada, a partir do reator,

- um sistema de extração de lamas em excesso,

- e diferentes sensores situados no efluente a tratar a fim de determinar a carga em nitrogênio a tratar e o número de sequências de tratamento a efetuar, [0043] sendo caracterizado pelo fato de que comporta pelo menos um sensor para a condutividade (X) e um sensor para o oxigênio dissolvido O₂ previstos no reator biológico sequencial a fim de controlar o desenvolvimento do processo biológico durante as fases de aeração e de não aeração e determinar a sua duração, [0044] os sensores sendo ligados a um computador ou controlador que integra as medidas em tempo real e permite assim o desenvolvimento dos ciclos de tratamento em modo automático.

[0045] Com vantagem, a instalação comporta, na água de rejeito, pelo menos um sensor para a condutividade (X) e um sensor para a vazão, a fim de determinar o rendimento do tratamento e ajustar de modo retroativo o processo.

[0046] A invenção consiste, além das disposições expostas acima, em diversas outras disposições que serão descritas mais explicitamente abaixo com relação aos exemplos de realização descritos com referência aos desenhos anexos mas que não são de modo algum limitativos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

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10/20 [0047] Nos desenhos:

[0048] Figura 1 é um corte vertical esquemático de uma instalação de acordo com a invenção com reator sequencial biológico.

[0049] Figura 2 é um diagrama ilustrando as variações das concentrações NNO₂, N-NH_4j N-NO₃ no reator biológico em função do tempo, de acordo com um primeiro modo de operação.

[0050] Figura 3 é um diagrama ilustrando as variações da concentração de oxigênio dissolvido e a condutividade em função do tempo traçado em abscissa.

[0051] Figura 4 é um diagrama ilustrando as variações das concentrações NNO₂, N-NH₄, N-NO3, e da concentração em oxigênio dissolvido, no reator biológico em função do tempo traçado em abscissa.

[0052] Figura 5 é um diagrama, semelhante ao da Figura 4, ilustrando as variações das concentrações em N-NO₂, N-NH₄, N-NO₃ em função do tempo, e da relação nitrito/amônio no reator biológico em função do tempo.

[0053] Figura 6 é um diagrama, semelhante ao da figura 2, ilustrando as variações das concentrações em N-NO₂, N-NH₄, N-NO₃ no reator biológico em função do tempo, de acordo com um segundo modo de operação.

[0054] Figura 7 é um diagrama ilustrando as variações das concentrações em NNO₂, N-NH₄, N-NO3, bem como as variações da condutividade no reator biológico em função do tempo, de acordo com 0 segundo modo de operação. Figura 8 é um diagrama ilustrando, para um exemplo de realização, as variações das concentrações em nitrogênio em mg/L (N-NH₄ entrada, N-NO₂ saída, N-NH₄ saída, e N-NO3 saída) traçadas em ordenada, em função do tempo expresso em dias, traçado em abscissa, e [0055] Figura 9 é um diagrama ilustrando, para 0 mesmo exemplo que a figura 8, a variação da concentração em nitrogênio (em mg/L) traçada sobre 0 eixo das ordenadas situado à esquerda, e 0 rendimento de eliminação do nitrogênio (%) traçado sobre 0 eixo das ordenadas situado à direita, em função do tempo expresso em dias, traçado em abscissa.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

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11/20 [0056] Com referência à Figura 1 dos desenhos, pode-se ver que a instalação de tratamento do amônio por nitritação e desamonificação compreende um reator biológico sequencial 1, sob a forma de uma bacia, com a montante uma bacia tampão 2 na qual é armazenado, se necessário, o efluente a tratar.

[0057] A instalação compreende igualmente um conjunto de equipamentos, associados ao reator 1 e à bacia 2, descritos a seguir:

- um dispositivo de alimentação 3 do reator biológico em efluente, notadamente sob a forma de uma bomba cuja aspiração é ligada à a parte inferior da bacia 2 e cujo recalque é carregado em um conduto desembocando no reator 1;

- meios de aeração 4, notadamente formados por bicos, colocados no fundo do reator 1 e ligados a uma fonte de ar sob pressão 5 através de uma eletroválvula 6,

- pelo menos um meio de agitação mecânico 7, no reator 1;

- um sistema de evacuação de água tratada, partir do reator 1, constituído notadamente por uma bomba 8 e um contudo 9 formando um tubo mergulhador até um nível 10 no reator 1;

- e um sistema de extração de lamas em excesso, se necessário, com a ajuda de uma bomba 11 cuja aspiração é ligada à parte inferior do reator 1 e cujo recalque é carregado em um conduto de rejeito.

[0058] No reator 1 as frações de efluente a tratarem são distribuídas de maneira sucessiva com a ajuda do dispositivo 3. Elas são adicionadas ao volume biológico do reator definido pelo nível mínimo 10 até atingir um nível máximo 12. O volume hidráulico admitido durante um ciclo de tratamento determina a capacidade máxima do reator; este volume está compreendido entre o nível mínimo 10 e o nível máximo 12.

[0059] Após a realização de diferentes sequências (subciclos) de tratamento e uma etapa de decantação, a descarga da água tratada é realizada, graças ao sistema dedicado de evacuação, do nível 12 até ao nível 10. As lamas produzidas em excesso são evacuadas, se necessário, no fim do ciclo de tratamento através do

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12/20 sistema dedicado 8 e 9.

[0060] O processo utiliza as informações de diferentes sensores situados:

- no efluente a tratar: sensor 13 para a vazão Q; sensor 14 para a condutividade X; sensor 15 para a temperatura T; sensor 16 para o pH, a fim de determinar a carga de nitrogênio a tratar e o número de sequências de tratamento a efetuar,

- no reator biológico sequencial: sensor 17 para a condutividade X; sensor para o oxigênio dissolvido 02; sensor 19 para a temperatura T; sensor 20 para o pH e sensor 21 para a concentração amoniacal, [0061] a fim de controlar o desenvolvimento do processo biológico durante as fases de aeração e de não aeração e determinar a sua duração,

- na água de rejeito: sensor 22 para a condutividade X; sensor 23 para a vazão Q, [0062] para determinar o rendimento do tratamento e ajustar de modo retroativo o processo.

[0063] Estes sensores são ligados a um computador ou controlador C que integra as medidas em tempo real e permite assim o desenvolvimento dos ciclos de tratamento em modo automático.

[0064] Como exposto previamente, a reação de desamonificação emprega bactérias específicas com uma taxa de crescimento baixa e necessita de condições especiais para ocorrer. Assim, a etapa preliminar de nitritação é importante para a manutenção do tratamento por desamonificação porque ela determina a proporção dos dois substratos da reação, o amônio e os nitritos.

[0065] A invenção propõe um sistema combinando um reator biológico 1 capaz de manter a biomassa para limitar ao máximo as perdas de atividade por lixiviação das lamas, e um sistema de gestão robusto para tornar confiável o tratamento.

[0066] De acordo com a invenção, o tratamento do amônio realizado no reator biológico sequencial 1 é efetuado seguindo um ciclo de tratamento (Figuras 2 e 6) fracionado em vários subciclos de alimentação/aeração/anoxia. Sobre a Figura e 6 dos desenhos, as fases de cada subciclo são indicadas por menções completas ou

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13/20 siglas: ALIM (para alimentação), AER (para aeração), ANOX (para anoxia). O número e a duração dos subciclos são ajustados graças a uma série de medidas em tempo real (condutividade, oxigênio dissolvido, vazão, pH) no efluente a tratar, no reator e no rejeito. O número de subciclos varia comumente entre 2 e 8 por ciclo.

[0067] Cada ciclo termina por uma fase de decantação, seguida de uma fase de drenagem.

[0068] Esta gestão permite, em especial, evitar fenômenos de inibição das bactérias Anammox que seriam devido a uma forte concentração de nitritos, permitindo, ao mesmo tempo, estabelecer condições de manutenção estável da relação (N-NO₂: N-NH₄).

[0069] O volume de efluente a tratar em um ciclo de tratamento, cuja duração está compreendida entre 4 e 8 horas, é despejado no reator contendo a biomassa depuradora por frações volumétricas sucessivas de maneira a exercer uma pressão de seleção favorável ao desenvolvimento e à atividade das bactérias nitritantes. O volume de efluente introduzido é determinado de acordo com a carga a tratar, calculado em função da vazão Q e da condutividade X do efluente. O tempo de alimentação em efluente a tratar representa apenas 7 a 10% da duração total do ciclo de tratamento.

PRIMEIRO MODO DE OPERAÇÃO [0070] De acordo com um primeiro modo de operação, o tratamento é realizado do seguinte modo.

[0071] Durante a primeira etapa aerada de um subciclo, durante a qual ocorre a oxidação em nitritos, uma parte apenas do fluxo em amônio suprido por um volume de efluente a tratar é oxidado em nitritos.

[0072] A gestão proposta permite atingir e manter estável durante esta etapa aerada a relação nitritos/amônio necessária para a desamonificação. Esta gestão é ilustrada na Figura onde o eixo das ordenadas é graduado em percentagem de N.

[0073] As curvas 24 em traço cheio representam a variação da concentração em

N-NH₄, enquanto que as curvas em traços 25 representam a variação da concentração em N-NO₂. Quando do suprimento de uma fração volumétrica no

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14/20 reator, a concentração em nitrogênio N é devida em 100% ao amônio de modo que a curva 24 começa na graduação 100 no fim da fase de alimentação (ALIM) que é efetuada com aeração. A curva 24 é decrescente.

[0074] A curva 25, correspondendo à proporção de N devida aos nitritos NO₂, começa alguns momentos após o início da aeração, e é crescente. As duas curvas 24 e 25 cruzam-se, em fim de fase de aeração, em ponto A cuja ordenada corresponde a uma relação N-NO₂) N-NH₄ compreendida entre 0,9 e 1,5. De acordo com o esquema da Figura 2, o ponto A situa-se em cerca de 50%, ou seja em uma relação N-NO₂) N-NH₄ próxima de 1.

[0075] A aeração então é parada, e começa a segunda etapa não aerada, em anoxia, durante a qual o amônio é oxidado utilizando os nitritos como aceitantes de elétrons, para dar nitrogênio gasoso. A curva 26, sensivelmente retilínea, ilustra a diminuição da concentração em nitrogênio no reator 1 durante a fase de anoxia, a concentração anulando-se, ou estando próxima do valor nulo, no fim da fase de anoxia.

[0076] O primeiro subciclo é então terminado e um segundo subciclo pode começar por uma alimentação com uma nova fração volumétrica.

[0077] O número de subciclos pode variar entre dois e oito por ciclo.

[0078] No exemplo da figura 2, três subciclos estão previstos.

[0079] Figura 3 é um diagrama ilustrando, em função do tempo traçado em abscissa, as variações da concentração de oxigênio dissolvido segundo uma curva 30, e as variações da condutividade de acordo com uma curva β. A condutividade é proporcional à soma das formas nitrogenadas iônicas (amônio, nitritos e nitratos), ela aumenta com o estado de oxidação dos compostos de nitrogênio. A condutividade varia em sentido oposto da concentração em oxigênio dissolvido, e constitui um parâmetro que permite efetivamente seguir e controlar o tratamento.

[0080] Figura 4 é um diagrama ilustrando a oxidação parcial do amônio em nitritos que dura a primeira etapa aerada ou etapa de nitritação, por controle do oxigênio dissolvido. O exemplo ilustrado corresponde a uma concentração média do efluente de 660 mg N-NHVL. O tempo é traçado em abscissa. Em ordenada, sobre a

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15/20 escala de esquerda, é traçado o teor de nitrogênio expresso em mg/L enquanto sobre a escala de direita é traçado o teor de oxigênio dissolvido O₂ (expresso em mg/L). A curva 27 ilustra a evolução da concentração de N-NO₂, que permanece próxima de 300 mg/L. A curva 28 representa a evolução do teor em N-NH₄ que continua compreendido entre 250 e 300 mg/L. A curva 29 ilustra a evolução N-NO₃cuja concentração permanece baixa, inferior a 50 mg/L, o que mostra que a oxidação em nitratos é praticamente inexistente.

[0081] A curva 30 ilustra as variações da concentração em oxigênio dissolvido. As partes crescentes desta curva correspondem às fases de aeração e as partes descendentes às fases de anoxia.

[0082] Figura 5 é um diagrama semelhante ao da Figura 4 com em abscissa o tempo e sobre o eixo as ordenadas, situado à esquerda, o teor em nitrogênio expresso em mg/L Notam-se as curvas 27, 28 e 29 da Figura 4. Sobre o eixo das ordenadas situado à direita são traçados os valores da relação N-nitritos/N- amônio (N-NO₂: N-NH4). Os pontos de medida da relação N-nitritos/N-amônio são designados pela referência 31 e estão compreendidos entre 1 e 1,3.

[0083] Durante cada subciclo, a oxidação do fluxo amoniacal provido pelo volume de água despejado no reator é controlada por concentrações baixas em oxigênio dissolvido (entre 0,1 mgO₂/L e 0,6 mgO₂/L) o que permite oxidar em nitritos apenas entre 40 e 60% do amônio suprido (Figura 2).

[0084] A concentração em oxigênio, medida em linha no reator biológico sequencial 1 com a ajuda da sonda 18, é mantida entre dois valores limiares fixados, e é controlada pelo computador ou controlador C que, em tempo real, integra as medidas e permite parar ou re-iniciar o fornecimento em ar no reator, por fechamento ou abertura da válvula 6. Medidas em linha da concentração amoniacal e da condutividade são consideradas como indicadores de conversão do amônio.

[0085] A conversão do amônio e dos nitritos produzidos em nitrogênio gasoso é realizada em condições de anoxia estrita na segunda etapa de tratamento. A duração da etapa de anoxia é controlada pela medida em linha da condutividade X (que diminui progressivamente) no reator biológico sequencial 1, com a ajuda da

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16/20 sonda específica 17. A parada da etapa de anoxia é produzida antes da duração prevista inicialmente, em função da carga nitrogenada e do rendimento de eliminação do nitrogênio, se o valor limiar inferior em condutividade controlada pelo computador C for atingido. A concentração de lamas no reator biológico sequencial será compreendida entre 2g/L e 12 g/L e a idade de lamas entre 4 e 35 dias. SEGUNDO MODO DE OPERAÇÃO [0086] Considera -se agora um segundo modo de operação possível.

[0087] Durante a primeira etapa aerada de nitritação, o fluxo de amônio suprido pelo volume de efluente é completamente oxidado em nitritos.

[0088] No fim da primeira etapa aerada, e no início da segunda etapa não aerada, um suprimento suplementar em efluente amoniacal é realizado em proporção igual ao fluxo dos nitritos produzidos na primeira etapa aerada. Com uma relação nitritos: amônio (N-NO₂: N-NH₄) estabilizada, o amônio e os nitritos são convertidos em nitrogênio gasoso em condições de anoxia estrita quando da segunda etapa não aerada.

[0089] A concentração em oxigênio dissolvido no reator biológico é mantida entre 0,1 mgO₂/L e 0,6 mgO₂/L durante a etapa de aeração. A duração desta etapa é controlada pela medida em linha da condutividade X graças à sonda específica 17 que permite integrar a medida e parar o fornecimento em ar se um valor limiar superior em condutividade (traduzindo um estado de oxidação elevada dos compostos de nitrogênio) for atingido antes da duração fixada.

[0090] As frações volumétricas de efluente a introduzir em meio não aerado são calculadas levando em conta um rendimento de oxidação do amônio compreendido entre 75% e 98% e de uma relação N-NO₂: N-NH₄ a manter para a desamonificação entre 0,9 e 1,5. Elas representam entre 50% e 110% do volume de efluente inicial.

[0091] A concentração em N-NH₄ no reator é medida indiretamente pela condutividade X, graças à sonda 17, e diretamente pela sonda amoniacal específica

21. O fluxo amoniacal no efluente a tratar é determinado pela condutividade X, graças à sonda 14, e pela vazão Q graças ao sensor 13.

[0092] Figura 6 ilustra, similarmente à Figura 2, um ciclo de tratamento para a

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17/20 eliminação do nitrogênio por nitritação e desamonificação, de acordo com o segundo modo de operação. O fluxo de amônio suprido é completamente oxidado em nitritos quando da primeira etapa aerada.

[0093] Um subciclo compreende uma primeira fase (alimentação + aeração), representada por uma zona B, durante a qual uma fração volumétrica do fluxo a tratar é introduzida no reator. A curva ascendente em traço cheio 32 traduz este suprimento de NH₄ até percentagem de 100% antes que comece a oxidação de nitritos ilustrada pela curva em traços 33.

[0094] O fluxo de amônio é completamente oxidado em nitritos durante a fase de aeração de modo que o teor N-NNH₄ diminua de acordo com a curva 34 em traço cheio até um valor nulo ou sensivelmente nulo em fim de fase de aeração. Durante o mesmo tempo, a curva 33 representando a proporção de N-NO₂ atinge sensivelmente o valor dos 100% em fim de fase de aeração.

[0095] No fim desta fase de aeração, e no início da segunda fase não aerada em anoxia, um suprimento suplementar em efluente amoniacal na zona B1 do diagrama é realizado em proporção igual ao fluxo dos nitritos produzidos. Este suprimento é ilustrado pela curva em traço cheio 35 que junta o topo da curva 33 ao ponto A-1. O suprimento suplementar de efluente amoniacal na zona B1 está compreendido entre 50 a 110% do volume inicial da fração volumétrica B de acordo com a relação (NNO₂: N-NH₄) desejada (preferivelmente compreendido entre 0,5 e 1.9).

[0096] O suprimento em fluxo amoniacal ilustrado pela curva 35 é determinado partir das diversas medidas efetuadas na instalação de modo que no fim deste suprimento suplementar a relação nitritos: amônio (N-NO₂.N-NH₄) seja igual a 1 ou próxima de 1.

[0097] Durante a fase seguinte de anoxia, a concentração em nitrogênio, devido à oxidação do amônio a partir dos nitritos, diminui até anular-se, como ilustrado pela curva 36 em pontilhados.

[0098] O subciclo termina quando a curva 36 chega ao eixo das abscissas. Um segundo subciclo é lançado pela introdução de uma nova fração volumétrica e pela colocação em funcionamento da aeração.

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18/20 [0099] O ciclo completo de tratamento de efluente compreende pelo menos dois subciclos e preferivelmente menos de oito subciclos. De acordo com o exemplo de figura 6, três subciclos estão previstos.

[0100] Figura 7 é um diagrama ilustrando a gestão das fases de aeração por medida de condutividade quando do tratamento do nitrogênio por nitritação e desamonificação em um reator biológico sequencial 1. O tempo, expresso em horas e minutos, é traçado em abscissa enquanto em ordenada, sobre o eixo situado à esquerda, são traçadas as concentrações de nitrogênio expressas em mg/L e sobre o eixo situado em direita é traçada a condutividade expressa em microsiemens/cm (pS/cm). O diagrama da Figura 7 corresponde a um efluente a tratar contendo 746 mg N-NH4/L e apresentando uma condutividade de 5340 pS/cm.

[0101] A curva 37 ilustra as variações da concentração em N-NH₄. A sucessão de curvas 38 ilustra as variações da concentração em N-NO₂. A curva 39 ilustra as variações da concentração em N-NO₃ e indica que a presença de nitrato é negligenciável. A curva 40 ilustra as variações da condutividade medida em diferentes momentos pelos quais N-NH₄ e N-NO₂ são medidos igualmente; os resultados de medida figuram sob a forma de pontos situados sobre uma mesma vertical.

[0102] Cada curva 38 comporta uma parte esquerda montante, que corresponde à fase de aeração e a curva 33 da Figura 6, ilustrando a oxidação do amônio em nitritos. A concentração em N-NH₄ diminui, 0 que corresponde à parte decrescente da curva 37. A curva de condutividade 40 passa por um máximo relativo correspondendo ao máximo da curva 38. Geralmente, a condutividade traduz 0 estado de oxidação do amônio, a condutividade aumentando ou diminuindo de acordo com 0 aumento ou a diminuição do estado de oxidação.

[0103] A parte direita descendente de cada curva 38 corresponde à fase anoxia e à curva 36, com liberação de nitrogênio gasoso. Os segmentos 41 do eixo das abscissas separando as duas curvas 38 correspondem à introdução da fração volumétrica suplementar ilustrada pela curva 35 sobre Figura 6. As partes extremas das curvas 37 e 40 situadas à direita do diagrama da Figura 7 correspondem às

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19/20 fases de decantação e descarga da Figura 6.

[0104] Um exemplo dos resultados obtidos aplicando as disposições deste pedido de patente é dado a seguir.

[0105] As condições de funcionamento do reator são descritas abaixo.

Volume útil do reator	4,1 m³
Fase de alimentação em centrado	7,5% do ciclo
Fase de aeração	32% do ciclo
Fase de desamonificação	45% do ciclo
Concentração média em oxigênio durante a aeração	0,55 mg/L
Concentração média em amônio no efluente a tratar	410 mg/L
Condutividade média do efluente a tratar	3850 pS/cm

[0106] Os resultados da aplicação do processo são apresentados sob a forma de gráficos (diagramas) sobre Figura 8 e 9.

[0107] As concentrações em amônio em entrada e saído do processo bem como as em nitritos e nitrato são apresentadas, em função do tempo.

[0108] Depois do primeiro mês de funcionamento, observa-se o desaparecimento total dos nitratos e o acúmulo dos nitritos no efluente de saída do reator. A relação NO2/NH4 é da ordem de 1,2 em fim de fase aerada.

[0109] Após dois meses e meio de tratamento, a atividade de desamonificação aparece e permite eliminar uma parte dos nitritos produzidos. Em três meses, a atividade de desamonificação permite tratar a totalidade do fluxo de nitritos produzidos em fase aerada. A robustez do produto permitiu, aliás, durante este período de instalação da atividade de desamonificação aumentar a concentração em amônio a tratar de 350 mg/L a 750 mg/L em menos de um mês (Figura 8).

[0110] O rendimento de eliminação do nitrogênio por nitrificação/ desamonificação atinge 95% em um mês e meio. Os nitratos, produtos finais da reação de desamonificação representam 90% do nitrogênio contido no efluente tratado (Figura 9).

[0111] As condições descritas no pedido de patente permitem obter em um prazo curto (três meses) um rendimento de desamonificação de 95% sem suprimento de biomassa externa enquanto que as informações disponíveis sobre o estado da

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20/20 técnica [Startup of reators for anoxic ammonium oxidation: experiences from the first full-scale anammox reactor in Rotterdam. W.R.L. Van der Star, W. R. Abma, D. Blommers, J-W Mulder, T. Tokutomi, M. Strous, C. Piciorenu, M.C.M.. Van Loosdrecht. Water Research 41 (2007) 4149-4163.] e [(Treatment of sludge return liquors: experiences from the operation of full-scale plants. N. Jardim, D. Thôle, B. Wett.) Weftec (2006)] indicam uma inicialização em pelo menos em seis meses com suprimento grande de biomassa proveniente de um outro reator de desamonificação (suprimento acumulado até 24%).

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Processo de tratamento de efluentes contendo nitrogênio sob a forma de amônio, empregando um reator biológico sequencial (1), segundo o qual:

- um volume de efluente a tratar em um ciclo completo é introduzido por frações volumétricas sucessivas no reator biológico, cada fração volumétrica sendo tratada durante um subciclo, a introdução sucessiva das frações volumétricas permitindo exercer uma pressão de seleção bacteriana favorável ao desenvolvimento e à atividade das bactérias nitritantes por impactos de carga amoniacal,

- cada subciclo compreende uma fase de alimentação por uma fração volumétrica e, de modo alternado, duas etapas de tratamento, a saber:

- uma primeira etapa aerada, durante a qual ocorre uma oxidação total ou parcial do amônio em nitritos,

- seguido por uma segunda etapa não aerada, em anoxia, durante a qual os nitritos produzidos e o amônio são convertidos em nitrogênio gasoso, caracterizado pelo fato de que:

- durante a primeira etapa aerada a concentração de oxigênio dissolvido no reator biológico é mantida entre 0,1 mgO₂/L e 0,6 mgO₂/L,

- a relação N-NO₂: N-NH₄ é ajustada para estar compreendida entre 0,9 e

1,5 no início da etapa não aerada,

- e a etapa não aerada é realizada por desamonificação, sem suprimento de substrato carbonado.
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira etapa aerada é regulada em função pelo menos da condutividade (X) medida no reator biológico.
3. Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a primeira etapa aerada é regulada em função igualmente da concentração em oxigênio dissolvido medida no reator biológico.
4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que durante a primeira etapa aerada a

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2/4 concentração em oxigênio dissolvido é mantida entre dois valores limiares por para ou colocação em funcionamento do fornecimento de ar no reator biológico.
5. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a duração da primeira etapa aerada é controlada pela medida da condutividade (X) no reator biológico, e o fornecimento em ar é parado se um valor limiar (limite superior) em condutividade for atingido antes de uma duração fixada.
6. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que na primeira etapa uma parte apenas do fluxo em amônio suprido por um volume de efluente a tratar é transformada em nitritos, a parte restante do fluxo de amônio sendo suficiente para que, na segunda etapa não aerada, os nitritos produzidos e o amônio não oxidado quando da primeira etapa sejam convertidos em nitrogênio gasoso.
7. Processo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a parte do fluxo em amônio transformada em nitritos no fim da primeira etapa aerada está compreendida entre 40 e 60% do fluxo suprido.
8. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que, durante a primeira etapa aerada, o fluxo de amônio suprido por um volume de efluente a tratar é completamente oxidado em nitritos, e que no início da segunda etapa não aerada, um suprimento suplementar em efluente a tratar contendo amônio é realizado em proporção do fluxo de nitritos produzidos na primeira etapa aerada de modo que a relação N-NO₂.N-NH₄ seja compreendido entre 0,9 e 1,5.
9. Processo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o suprimento suplementar em efluente amoniacal é realizado em proporção sensivelmente igual ao fluxo dos nitritos produzidos, de modo que a relação N-NO₂: N-NH₄ seja sensivelmente igual a 1.
10. Processo de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizado pelo fato de que o suprimento suplementar em efluente amoniacal a introduzir no início da segunda etapa não aerada é determinado levando em conta um rendimento de

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3/4 oxidação do amônio compreendido entre 75% e 98% e de uma relação N-NO₂: NNH₄ a manter para a desamonificação entre 0,9 e 1,5.
11. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 10, caracterizado pelo fato de que o suprimento suplementar em efluente a introduzir no início da segunda etapa não aerada representa entre 50% e 110% do volume de efluente inicial.
12. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o tempo de alimentação em efluente a tratar representa 7 a 10% da duração total do ciclo de tratamento.
13. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o número e a duração dos subciclos e das fases dos subciclos são ajustados graças a uma série de medidas em tempo real da vazão, do oxigênio dissolvido, da condutividade e do pH no efluente a tratar, no reator biológico e no rejeito.

14. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado Delo fato de que o número de subciclos está compreendido entre 2 e 8 por ciclo. 15. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações

precedentes, caracterizado pelo fato de que a duração de um ciclo de tratamento está compreendida entre 4 e 8 horas.
16. Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a concentração em oxigênio é medida em linha no reator biológico sequencial (1) através de uma sonda (18), e é mantida entre dois valores limiares fixados, e é gerida por um computador ou controlador (C) que, em tempo real, integra as medidas e permite parar ou re-iniciar o fornecimento em ar no reator.
17. Processo de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que medidas em linha da concentração amoniacal e da condutividade são levadas em conta como indicadores de conversão do amônio.
18. Processo de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que a concentração em N-NH₄ no reator (1) é medida indiretamente pela

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4/4 condutividade (X) e diretamente por uma sonda amoniacal específica e o fluxo amoniacal no efluente a tratar pela condutividade (X) e a vazão (Q).
19. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que ele utiliza as informações de diferentes sensores situados:

- no efluente a tratar (vazão Q, condutividade X, temperatura T, pH) para determinar a carga em nitrogênio a tratar e o número de sequências de tratamento a efetuar,

- no reator biológico sequencial (oxigênio dissolvido O₂, condutividade X, temperatura T, pH e concentração amoniacal) para controlar o desenvolvimento do processo biológico durante as fases de aeração e de não aeração e determinar a sua duração,

- na água de rejeito (condutividade X, vazão Q) para determinar o rendimento do tratamento e ajustar de modo retroativo o processo, estes sensores sendo ligados a um computador ou controlador (C) que integra as medidas em tempo real e permite assim desenvolver os ciclos de tratamento em modo automático.