BRPI0918053B1

BRPI0918053B1 - Aparelho para o tratamento de fluido contendo material orgânico de demanda de oxigênio com microorganismos e método para reduzir o nível de material que demanda oxigênio em uma corrente de fluido com o uso de um digestor anaeróbico de dois estágios

Info

Publication number: BRPI0918053B1
Application number: BRPI0918053-2A
Authority: BR
Inventors: Thomas Patrick Kelly; Michael Ladislaus Szendry; Gary William Gervais; Amadeu Crevatin Rocha Martins
Original assignee: Biotechnical Processes International Limited
Priority date: 2009-12-04
Filing date: 2009-12-04
Publication date: 2019-04-24
Also published as: EP2558421A1; BRPI0918053A2; EP2558421B1; WO2011066866A1

Abstract

“aparelho para o tratamento de fluido contendo material orgânico de demanda de oxigênio com microorganismos e método para reduzir o nível de material que demanda oxigênio em uma corrente de fluido com o uso de um digestor anaeróbico de dois estágios” um digestor anaeróbico de fluxo descendente de dois estágios (100) é fornecido para o tratamento de fluido que contém material orgânico que demanda oxigênio com microorganismos que compreendem um pré-digestor (10) e ao menos um bioreator anaeróbico (11) que tem uma pluralidade de meio poroso de alta área de superfície (111) adequado para o crescimento de microorganismos contido no mesmo. a corrente influente (50) entra no pré-digestor (10) e flui de forma descendente através do vaso que é, então, retirado do pré-digestor (10) e introduzida no bioreator anaeróbico (11) de tal modo que o fluido flua de forma descendente através do meio (111) engatando assim aos microorganismos suportados por isto. ambos os estágios operam para reduzir o nível de material que demanda oxigênio na corrente de fluido em relação ao nível de material que demanda oxigênio na corrente influente (50). cada um dentre o pré-digestor (10) e o bioreator anaeróbico (11) compreende, ainda, um dispositivo de recirculação (25a, 27a) para recircular fluido dentro de cada vaso. o aparelho compreende, ainda, uma alimentação de circulação de retorno (25b) entre o bioreator anaeróbico (11) e o pré-digestor (10).

Description

“APARELHO PARA O TRATAMENTO DE FLUIDO CONTENDO MATERIAL ORGÂNICO DE DEMANDA DE OXIGÊNIO COM MICROORGANISMOS E MÉTODO PARA REDUZIR O NÍVEL DE MATERIAL QUE DEMANDA OXIGÊNIO EM UMA

CORRENTE DE FLUIDO COM O USO DE UM DIGESTOR ANAERÓBICO DE DOIS ESTÁGIOS” [0001] A presente invenção refere-se a um sistema de tratamento anaeróbico e, em particular, a um sistema que compreende um sistema digestor anaeróbico de dois estágios integrado.

[0002] O tratamento de água servida biológica envolve o uso de um grande número de bactérias contidas em um bioreator para degradar matéria orgânica contida na água servida criando assim uma descarga de água limpa. Durante a degradação ou processo de tratamento novas bactérias proliferam aumentando, deste modo, o número de bactérias presente na água servida. A fim de assegurar que o processo biológico continue a operar em níveis satisfatórios de eficácia, as bactérias em excesso são removidas através do uso de um processo de assentamento que forma um sólido, conhecido como 'lodo' que é, subsequentemente, removida. O uso de bactérias anaeróbicas além de bactérias aeróbicas no tratamento de água servida é preferível em virtude do fato de que as bactérias anaeróbicas produzem um décimo de um quilograma de lodo para cada quilograma de matéria orgânica consumido comparado a metade de um quilograma de matéria orgânica consumido em um sistema aeróbico típico.

[0003] A patente DE n° 10 2005 025508 A1 apresenta um método de desintegração contínua de lamas biotecnológicas, para a desintegração de sólidos suspensos em lamas líquidas de resíduos inevitáveis, restos e matérias-primas, compreendendo pré-fermentação; divisão das macromoléculas orgânicas presentes no lodo líquido; obter o lodo líquido como caldo de pré-fermentação no estágio de fermentação de metano; transferir os produtos divididos

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2/34 presentes no caldo de pré-fermentação; obter a lama líquida como um caldo de fermentação sujo; pós-tratamento sob condição aeróbica e reciclagem como resíduo ainda menor de ocupação de volume.

[0004] A digestão anaeróbica é uma tecnologia antiga e disponível em uma ampla variedade de geometrias e modos de operação. A primeira forma de tratamento de digestão anaeróbica era sob a forma de um tanque anaeróbico de tanque fechado continuamente agitado. A primeira usina de tratamento em escala comercial foi construída na França no final do século 19. Em 1904, Imhoff inventou o “tanque Imhoff', um tanque de sedimentação e digestão anaeróbica combinada. Durante o curso do século vinte, inúmeros aprimoramentos foram incorporados ao projeto de sistemas de digestão anaeróbica a fim de manusear uma variedade de diferentes correntes de água servida.

[0005] Atualmente, há inúmeros tipos diferentes de processos de digestão anaeróbica conhecidos, por exemplo, o processo de contato, o processo de manta de iodo, o processo de leito fluidizado e o processo de filme fixo de fluxo ascendente.

[0006] No processo de digestão anaeróbica há quatro populações principais de bactérias ou micróbios que trabalham de modo sinérgico na destruição dos refugos orgânicos encontrados na corrente água servida. Compreendese que o termo micróbios se refere aos organismos de tamanho microscópico como várias espécies de bactérias.

[0007] Concentrar apenas na trajetória de carbono, e simplificando muito, os nichos metabólicos ocupados por diferentes classes de organismos no bioreator são (1) micróbios facultativos que hidrolisam polímeros orgânicos como amidos, gorduras e proteínas e liberam monômeros simples como açúcares, aminoácidos e ácidos graxos; (2) organismos acidogênicos que consomem os monômeros livres e

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3/34 excretam ácidos orgânicos voláteis e alcoóis simples para o meio; (3) organismos acetogênicos que convertem alcoóis e ácidos voláteis em ácido acético, dióxido de carbono (CO₂) e hidrogênio (H₂); e (4) bactérias archaea metanogênicas que consumem ácido acético e hidrogênio (H₂) para produzir gás metano e dióxido de carbono (CO₂) .

[0008] Simplificando ainda mais, os micróbios facultativos e os organismos acidogênicos são tipicamente referidos como organismos acidogênicos que executam o estágio de acidificação do processo de digestão anaeróbica. O estágio de acidificação consiste na decomposição de polímeros biológicos em seus monômeros componentes como aminoácidos, ácidos graxos e açúcares simples, que são subsequentemente metabolizados para produzir ácidos orgânicos. Os organismos acetogênicos e as bactérias archaea metanogênicas compreendem, juntos, organismos metanogênicos que executam o estágio de formação de metano do processo de digestão anaeróbica; isto converte estes ácidos orgânicos em metano e dióxido de carbono.

[0009] Tipicamente, em processos de digestão anaeróbica, os organismos acidogênicos apresentam crescimento relativamente rápido e robusto, mas os metanogênicos apresentam crescimento extremamente lento e fastidioso. Portanto, a produção de metano é normalmente a etapa de limitação de taxa na destruição anaeróbica de refugos orgânicos em água servida.

[0010] Mais adicionalmente, em processos de digestão anaeróbica típicos, há uma população adicional de micróbios anaeróbicos que processa compostos de enxofre orgânicos e inorgânicos encontrados na corrente água servida. Durante o processo de digestão anaeróbica, os sulfatos mais inorgânicos nas correntes de efluente são reduzidos a sulfeto de hidrogênio. Isto se aproxima de cerca de 95% de sulfatos totais na água servida. Adicionalmente, uma fração

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4/34 significante de enxofre orgânico presente na corrente de refugo original é convertida em sulfeto de hidrogênio (H₂S). No entanto, isto causa um problema para este tipo de sistema já que o sulfeto de hidrogênio é tóxico a todos micróbios, mas especialmente tóxico às bactérias metanogênicas. Consequentemente, as correntes de água servida que contêm enxofre apresentam uma desafio especialmente difícil no projeto de um sistema de tratamento de digestão anaeróbica eficaz.

[0011] Além de ter as condições ambientais corretas para que qualquer reação bioquímica proceda de modo eficaz um número suficientemente grande dos bio-organismos indicados acima deve estar presente. Um problema associado a qualquer processo de tratamento bioquímico de água servida que usa micro-organismos é como manter uma população suficiente de micróbios viáveis dentro do tanque ou do bioreator onde ocorrem as reações bioquímicas reais. Este problema é especialmente agudo no caso de sistemas de digestão anaeróbica devido ao crescimento de população metanogênica ser tão lento e os mesmos são muito fastidiosos e suscetíveis distúrbios ambientais. Um método através do qual uma população bacteriana grande estável pode ser alcançada é cultivar os micróbios sobre uma matriz de suporte através da qual a população microbial está fixada ao suporte sob a forma de um biofilme, que compreende uma população bacteriana embutida em uma matriz extracelular que é produzida através dos próprios micróbios e que é composta de compostos inorgânicos e orgânicos.

[0012] Os documentos U.S. 4.311.593, U.S. 4.599.167 Benjes et al, apresenta um Processo e Aparelho para o tratamento de água servida. O documento U.S. 4.599.168 Benjes et al, também apresenta um aprimoramento ao aparelho para o tratamento de água servida do documento U.S. 4.599.167 que tem controle de reciclagem seletiva. O

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5/34 aparelho apresentado nisto compreende um digestor anaeróbico de filme fixo de único estágio em que o efluente é transferido para o topo de cada bioreator de modo que o fluxo opere em um modo de fluxo descendente, eliminado assim o problema de tamponamento enquanto os sólidos são afastados com água de maneira contínua.

[0013] A fim de aprimorar e, portanto, maximizar o desempenho de sistemas de tratamento anaeróbico de água servida, uma variedade de sistemas que incorporam um ou mais estágios de tratamento foi publicada. Em resumo, estes sistemas estão divididos em quatro classes separadas, como segue;

(i). Dois estágios de tratamento aeróbico, o primeiro para a remoção máxima de matéria orgânica e o segundo para destruição e/ou nitrificação acentuada de poluentes específicos;

(ii) . Um sistema aeróbico tradicional com um estágio de tratamento anaeróbico secundário para redução de lodo a fim de minimizar o descarte e manuseio de lodo;

(iii) . Um estágio de tratamento anaeróbico seguido por uma etapa de polimento aeróbico para redução adicional em matéria orgânica antes da descarga; e (iv) . Dois (ou mais) estágios de tratamento anaeróbico em série, destinados a otimizar o desempenho do próprio processo de digestão anaeróbica.

[0014] A publicação de M. Ros, G.D. Zupancic. (2004: Two-estágio thermophilic anaerobic-aerobic digestion of waste-activated sludge environmental engineering science.

617 a 626. Doi:10.1089/ees.2004.21.617), sistema digestivo de dois estágios para destruição de lodo que compreende um estágio anaeróbico termofílico inicial seguido por uma etapa de polimento aeróbico termofílico. Este sistema é uma combinação das classes (ii) e (iii) descritas acima. Isto pode ser

2004, 21(5):

apresenta um

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6/34 considerado típico de uma pletora de sistemas aeróbicos e anaeróbicos de dois estágios que foram desenvolvidos para tratamento de água servida de alta resistência. Embora o desempenho geral deste sistema seja muito elevado, conforme medido através de redução em Demanda Química de Oxigênio (COD), isto compartilha problemas similares àqueles de todos processos de digestão aeróbica e anaeróbica termofílicos, como a falta de robustez das bactérias, longos períodos de aumento após fechamento, intolerância das bactérias às mudanças de processo e cargas de choque, bem como os altos custos operacionais inerentes aos sistema aeróbicos.

[0015] O documento WO 9720643, Vogt & Holbein, apresenta um processo que compreende dois estágios de digestão anaeróbica com explosão de corrente de celulósicos refrateis entre os dois estágios. É especificamente projetado para correntes de água servida de sólido altamente suspenso e altamente fibroso já que a hidrólise de celulósicos é extremamente lenta em sistemas de digestão anaeróbica. A lignina presente em celulose atravessa um sistema de digestão anaeróbica típico com muito pouca redução em sua concentração. Este sistema foi especificamente projetado para tratar refugos com alta concentração de sólidos suspensos.

[0016] O documento U.S. 5.630.942, Steiner apresenta um sistema de fluxo descendente de filme fixo de quatro estágios em que cada estágio consiste em micróbios ou bactérias anaeróbicas termofílicas. O sistema é composto de múltiplos bioreatores anaeróbicos em série com meio plástico ordenado para suportar biomassa metanogênica e acidogênica. Os bioreatores também funcionam como dispositivos de decantação para os sólidos/lodo criados. Os dois primeiros bioreatores de filme fixo são operados em um meio de pH ácido. Os canais do meio são inclinados para acentuar a ação de decantação. O efluente do segundo bioreator é

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7/34 transferido para um terceiro bioreator anaeróbico de filme fixo do mesmo projeto e com a mesma embalagem de meio plástico. No entanto, o terceiro bioreator é operado em um ambiente de pH neutro a fim de encorajar o crescimento de bactérias metanogênicas. O efluente do terceiro bioreator é subsequentemente transferido para um quarto bioreator que opera sob as mesmas condições que a do terceiro bioreator. Cada um dentre os quatro bioreatores tem um sistema de refugo de lodo para habilitar a remoção periódica de sólidos. Há circulação interna em cada um dos quatro bioreatores para assegurar mistura homogênea. Este sistema tenta operar cara estágio muito próximo ao seu pH satisfatório, com uma diferença de pH de duas ou mais unidades de pH entre cada estágio. Embora essa bruta separação de pH sirva para maximizar hidrólise ácida e acidificação no primeiro estágio bem como acetogênese e metanogênese no segundo estágio, o custo em agentes de tamponamento como soda cáustica para manter a separação de pH é problemático e a operação do sistema de digestão anaeróbica não é econômica, na prática. Adicionalmente, os canais angulados de fluxo que acentuam o efeito de decantação reduzem o acúmulo de biomassa total sobre o meio; consequentemente, o volume de gás produzido é significantemente reduzido.

[0017] Embora muitos sistemas de dois estágios tenham sido patenteados, os mesmos sofrem de custos operacionais aumentados quando comparados aos sistemas de estágio único, de consumo aumentado de cáusticos para controle de pH e de tolerância diminuída para flutuações de composição de alimentação. Estes sistemas estão inclinados a uma fuga ácida devido à população de formação de ácido no bioreator de primeiro estágio apresentar crescimento mais rápido e mais robusto que a população metanogênica no segundo estágio. Em adição, embora o ácido acético seja a

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8/34 fonte principal de carbono para metanogênese, a população microbial é muito sensível ao pH ácido e a atividade metabólica destes organismos é quase completamente inibida abaixo de pH 6,5.

[0018] É um objetivo da presente invenção fornecer um sistema de tratamento de água servida anaeróbico aprimorado e buscar aliviar os problemas mencionados acima.

[0019] De acordo com a invenção, é fornecido um aparelho para o tratamento de fluido que contém oxigênio que demanda material orgânico com microorganismos que compreende;

um digestor anaeróbico de fluxo descendente de dois estágios que compreende um pré-digestor e ao menos um bioreator anaeróbico conectado em série ao pré-digestor, sendo que cada um dentre o pré-digestor e o ao menos um bioreator anaeróbico compreende um vaso apertado substancialmente fluido, o pré-digestor que tem ao menos uma entrada de prédigestor e ao menos uma saída de pré-digestor em que a entrada e a saída estão dispostas de modo que o fluido entre no digestor anaeróbico de dois estágios a ao menos uma entrada de pré-digestor e flui em uma direção a jusante através do pré-digestor da ao menos uma entrada de prédigestor para a ao menos uma saída de pré-digestor;

o bioreator anaeróbico que tem ao menos uma entrada de bioreator anaeróbico, ao menos uma saída de bioreator anaeróbico e uma pluralidade de meio poroso de alta área de superfície adequado para crescimento de microorganismos intermediários à entrada e à saída preenchendo, em seguida, ao menos uma porção do bioreator anaeróbico, sendo que a entrada e a saída estão dispostas de modo que o fluido entre no bioreator anaeróbico na ao menos uma entrada de bioreator anaeróbico e fluía em uma direção a jusante através do

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9/34 bioreator anaeróbico e engate, deste modo, aos microorganismos no meio;

sendo que ao menos uma saída de pré-digestor está conectada a ao menos uma entrada de bioreator anaeróbico; e sendo que cada um dentre o pré-digestor e o bioreator anaeróbico compreende, ainda, ao menos um dispositivo de recirculação que extrai fluido de uma porção inferior de cada um dentre o pré-digestor e o bioreator anaeróbico e que retorna o fluido extraído para uma porção superior de cada um dentre o pré-digestor e o bioreator anaeróbico respectivamente;

sendo que o digestor anaeróbico de fluxo descendente compreende, ainda, ao menos uma alimentação de circulação de retorno entre ao menos uma saída de bioreator anaeróbico e ao menos uma entrada de pré-digestor; e o fluido sai do digestor anaeróbico de dois estágios na ao menos uma saída de bioreator anaeróbico, sendo que o espaço de cabeça do pré-digestor e do bioreator anaeróbico de fluxo descendente estão ligadas através de um conduto para assegurar pressão de gás igual entre o espaço de cabeça do pré-digestor e do bioreator anaeróbico de fluxo descendente, e sendo que a pluralidade de meio poroso de alta área de superfície são meios plásticos ordenados que estão montados no centro do bioreator anaeróbico de fluxo descendente, de tal forma que, em uso, eles estão submersos no volume líquido do tanque com canais verticais, e em que há espaços vazios de líquido de aproximadamente 1m de profundidade tanto acima quanto abaixo da pilha de meios.

[0020] De acordo com a invenção, é, ainda, fornecido um aparelho para o tratamento de fluido que contém oxigênio que demanda material orgânico com microorganismos que compreende;

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10/34 um digestor anaeróbico de fluxo descendente de dois estágios que compreende um pré-digestor e ao menos um bioreator anaeróbico conectado em série ao pré-digestor, sendo que cada um dentre o pré-digestor e o ao menos um bioreator anaeróbico compreende um vaso apertado substancialmente fluido, o pré-digestor que tem ao menos uma entrada de prédigestor e ao menos uma saída de pré-digestor através da qual a entrada e a saída estão dispostas de modo que o fluido entre no digestor anaeróbico de dois estágios na ao menos uma entrada de pré-digestor e flua em uma direção a jusante através do pré-digestor da ao menos uma entrada de pré-digestor para a ao menos uma saída de pré-digestor;

o pré-digestor que opera sob condições anaeróbicas em uma faixa de pH entre 6,0 e 7,0;

o bioreator anaeróbico que tem ao menos uma entrada de bioreator anaeróbico, ao menos uma saída de bioreator anaeróbico e uma pluralidade de meio poroso de alta área de superfície adequado para crescimento de microorganismos intermediários à entrada e à saída preenchendo, em seguida, ao menos uma porção do bioreator anaeróbico, sendo que a entrada e a saída estão dispostas de modo que o fluido entre no bioreator anaeróbico na ao menos uma entrada de bioreator anaeróbico e flua em uma direção a jusante através do bioreator anaeróbico e engate, microorganismos no meio;

o bioreator anaeróbico que anaeróbicas em uma faixa de pH entre 7,0 e 8,0;

sendo que a diferença de pH entre o pré-digestor e o ao menos um bioreator anaeróbico é de aproximadamente 0,5 a 1 unidade de pH;

sendo que ao menos uma saída de pré-digestor está conectada a ao menos uma entrada de bioreator anaeróbico; e deste modo, aos opera sob condições

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11/34 sendo que cada um dentre o pré-digestor e o bioreator anaeróbico compreende, ainda, ao menos um dispositivo de recirculação que extrai fluido de uma porção inferior de cada um dentre o pré-digestor e o bioreator anaeróbico e que retorna o fluido extraído para uma porção superior de cada um dentre o pré-digestor e o bioreator anaeróbico, respectivamente;

sendo que o digestor anaeróbico de fluxo descendente compreende, ainda, ao menos uma alimentação de circulação de retorno entre ao menos uma saída de bioreator anaeróbico e ao menos uma entrada de pré-digestor; e o flui sai do digestor anaeróbico de dois estágios na ao menos uma saída de bioreator anaeróbico.

[0021] De acordo com a invenção, também é fornecido um método para reduzir o nível de material que demanda oxigênio em uma corrente de fluido com o uso de um digestor anaeróbico de dois estágios que compreende um pré-digestor e um bioreator anaeróbico que tem uma pluralidade de meio poroso de alta área de superfície adequado para o crescimento de microorganismos, sendo que o espaço de cabeça do pré-digestor e do bioreator anaeróbico de fluxo descendente estão ligadas através de um conduto para assegurar pressão de gás igual entre o espaço de cabeça do pré-digestor e do bioreator anaeróbico de fluxo descendente, e

sendo que a pluralidade de meio poroso de alta área de superfície são meios plásticos ordenados que estão montados no centro do bioreator anaeróbico de fluxo descendente, de tal forma que, em uso, eles estão submersos no volume líquido do tanque com canais verticais, e em que há espaços vazios de líquido de aproximadamente 1m de profundidade tanto acima quanto abaixo da pilha de meios, em que as etapas do método compreendem as etapas de;

(a) introduzir uma corrente de fluido influente ao

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12/34 digestor anaeróbico de dois estágios para uma entrada no pré-digestor;

(b) fluir o dito fluido de modo descendente através do pré-digestor para uma saída do pré-digestor;

(c) fluir uma porção do fluido de uma saída do prédigestor para uma entrada no bioreator anaeróbico, recircular uma porção adicional do dito fluido de uma porção inferior do pré-digestor para uma porção superior do prédigestor e extrair uma porção adicional do fluido como uma corrente de efluente de uma saída no pré-digestor;

(d) fluir o fluido de uma entrada no bioreator anaeróbico de forma descendente através do bioreator anaeróbico para uma saída no bioreator anaeróbico de tal modo que o fluido atravesse o meio e engate aos microorganismos de modo a reduzir o nível de material que demanda oxigênio no fluido em relação ao nível de material que demanda oxigênio na corrente de fluido influente;

(e) recircular uma porção do fluido de uma porção inferior do bioreator anaeróbico para uma porção superior do bioreator anaeróbico;

(f) recircular uma porção adicional do fluido da porção inferior do bioreator anaeróbico para a porção superior do pré-digestor; e (g) extrair o fluido remanescente como uma corrente de efluente da saída no bioreator anaeróbico, em que, preferencialmente, os nutrientes compreendem uma ou mais selecionados do grupo de macronutrientes que compreende uréia e/ou fosfato de amônio e/ou um ou mais selecionados do grupo de micronutrientes que compreende sob a forma de Cloreto de Zinco dissolvido (ZnCl2), Cloreto de Molibdênio (MoCl2), Cloreto de Cobalto (CoCl2), Cloreto de Manganês (MnCl2), Cloreto de Potássio (KCl), Cloreto de Magnésio (MgCl2) e outros,

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13/34 em que, preferencialmente, um agente tampão pode ser adicionado ao fluido intermediário aos estágios de prédigestor e de digestor anaeróbico.

[0022] De acordo com a invenção, também é fornecido a método para reduzir o nível de material que demanda oxigênio em uma corrente de fluido com o uso de um digestor anaeróbico de dois estágios que compreende um pré-digestor e um bioreator anaeróbico que tem uma pluralidade de meio poroso de alta área de superfície adequado para o crescimento de microorganismos, em que o pré-digestor opera sob condições anaeróbicas em uma faixa de pH entre 6,0 e 7,0, o bioreator anaeróbico opera sob condições anaeróbicas em uma faixa de pH entre 7,0 e 8,0, sendo que a diferença de pH entre o pré-digestor e o bioreator anaeróbico é de aproximadamente 0,5 a 1 unidade de pH, sendo que as etapas do método compreendem as etapas de;

(a) introduzir uma corrente de fluido influente ao digestor anaeróbico de dois estágios para uma entrada no pré-digestor;

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14/34 (e) recircular uma porção do fluido de uma porção inferior do bioreator anaeróbico para uma porção superior do bioreator anaeróbico;

(f) recircular uma porção adicional do fluido da porção inferior do bioreator anaeróbico para a porção superior do pré-digestor; e (g) extrair o fluido remanescente como uma corrente de efluente da saída (28) no bioreator anaeróbico.

[0023]

O digestor anaeróbico de fluxo descendente de dois estágios (DAB) da invenção fornece um método altamente eficaz para que contém alta ou níveis de Demanda Compreende-se que o tratamento de fluido concentração de matéria orgânica Química de Oxigênio (COD) solúvel termo COD é usado para descrever o nível geral de matéria orgânica em fluido que é determinado através da medição da quantidade de oxigênio necessária para oxidar completamente a matéria orgânica em uma amostra de fluido. Compreende-se também que o fluido que contém alta concentração de matéria orgânica ou níveis de Demanda Química de Oxigênio (COD) solúvel também é referido com água servida.

[0024] Compreende-se também que o aparelho da invenção pode ser usado para tratar qualquer água servida que tem contaminantes orgânicos ou de qualquer outro tipo que tem um nível de demanda química de oxigênio (COD) que é adequado para ser influenciado por bactérias ou micróbios para reduzir a quantidade de ou oxidar os contaminantes orgânicos. Em particular, o sistema e o processo da invenção são adequados para uso no tratamento de águas servidas de destilaria de álcool (vinhaça).

[0025] De preferência, o sistema é limitado a tratar as correntes de água servida nas quais não mais que 10% ± 2% dos sólidos totais estão sob a forma de material suspenso e nos quais o volume dos sólidos é idealmente solúvel. Os exemplos de Indústrias que produzem correntes de água

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15/34 servida de sólidos suspensos de modo inferior e de elevada resistência que são adequadas para o sistema de digestão anaeróbica de dois estágios da invenção estão listados na tabela abaixo;

Indústria	Exemplos
	•	Sorvete
Laticínios	•	Processadores de leite
	^•	Usinas de soro de queijo
	•	Usinas de fermentação
	•	biofarmacêuticos
Farmacêutic		Fabricantes de ingredientes ativos (usinas de químicos em
os		volume)
	•	Fabricantes de
		nutracêuticos e vitaminas
	^•	Usinas de antibióticos
	•	Usinas de suco
	•	Fábricas de conservas
	•	Embaladores de carne
Processador	_•	Moinhos de amido
es de
Alimento	^•	Xarope de milho de alta
		frutose
	•	Processadores de Alimento
		para Bebês
	•	Cervej arias
Bebidas	•	Vinícolas
Alcoólicas	•	Destiladores de Rum
	^•	Outros licores destilados

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Indústria	Exemplos
	• Polpa e papel
Outras	• Usina de Proteína de Célula Única
Indústrias de Produtos	• Fermentações de solvente orgânico
Naturais	• Usinas de extração (por exemplo, usina de café descafeinado)
Outra	• Redução de lama
Remediação de Refugo	• Lixiviados de aterros

[0026] De preferência, o digestor anaeróbico de dois estágios compreende um pré-digestor continuadamente misturado e ao menos um bioreator anaeróbico de fluxo descendente. Idealmente, o vaso apertado de fluido para cada um dentre o pré-digestor e o bioreator anaeróbico de fluxo descendente compreende um tanque de aço vedado.

[0027] Na modalidade preferencial da invenção, o pré-digestor é operado sob condições anaeróbicas em níveis de pH ácido a fim de otimizar a hidrólise e acidificação da matéria orgânica na água servida. Idealmente, o prédigestor é operado sob condições anaeróbicas em uma faixa de pH entre 6,0 e 7,0 e mais preferencialmente a um nível de pH de aproximadamente 6,5.

[0028] Na modalidade preferencial da invenção, o bioreator anaeróbico é operado sob condições anaeróbicas em pH neutro a fim de maximizar a produção de metano. Idealmente, o bioreator anaeróbico é operado sob condições anaeróbicas em uma faixa de pH entre 7,0 e 8,0 e, mais preferencialmente, a um nível de pH de aproximadamente 7,5.

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17/34 [0029] Convenientemente, na modalidade preferencial da invenção, a diferença de pH entre o pré-digestor e o bioreator anaeróbico é de aproximadamente 0,5 a 1 unidade de pH.

[0030] De preferência, o bioreator anaeróbico de fluxo descendente contém um meio poroso de alta área de superfície comumente conhecido como meio plástico disposto de modo que o fluxo de efluente através do tanque opere em modo de fluxo descendente. Idealmente, o efluente/alimentação de líquido transferido para o bioreator anaeróbico de fluxo descendente escoa através de uma ou mais cabeças de difusor passivo submerso que estão posicionadas no espaço de cabeça do bioreator anaeróbico de fluxo descendente para assegurar fluxo homogêneo através de um leito embalado de meio plástico.

[0031] Na modalidade preferencial, o meio poroso de alta área de superfície ou o meio plástico suporta crescimento de e mantém uma população fixa grande de bactérias anaeróbicas, populações primeiramente metanogências e acetogênicas, que converte, então, os ácidos orgânicos voláteis produzidos no pré-digestor em biogás. Convenientemente, as bactérias produzem, primeiramente, metano e dióxido de carbono e uma pequena quantidade de sulfeto de hidrogênio.

[0032] Idealmente, a população fixa de biomassa microbial viável fixada ao meio plástico produz um filme de bactérias, que é embutido em uma matriz extracelular de compostos inorgânicos e orgânicos produzidos através dos próprios micróbios. A vantagem disto é que o filme fixo fornece o bioreator anaeróbico de fluxo descendente com sua robustez e rápida capacidade de recomeçar. No entanto, a fim de converter, com sucesso, matéria orgânica de refugo em biogás valioso, o bioreator de fluxo descendente ainda deve

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18/34 operar dentro do limites ajustados pelas necessidades estritas do ambiente da população microbial residente.

[0033] Os organismos acidogênicos preferem um pH ácido, enquanto os micróbios metanogênicos preferem um ambiente levemente alcalino, em que todos os sistemas de estágio único de digestão anaeróbica devem operar em pH próximo a neutro a fim de permitir que a atividade metabólica das populações microbiais ocorra. Infelizmente, este compromisso incorre uma troca em eficácia, já que nenhuma das populações bacterianas operam próximo ao seu pH satisfatório. Isto é essencialmente importante para os metanogênicos, que mostram basicamente produção de gás zero abaixo de um nível de pH de aproximadamente 6,5. Os mesmos ainda podem ser exterminados se o pH cair muito em direção à faixa ácida. Isto é problemático dado que os organismos acidogênicos produzem, de forma contínua, copiosamente quantidades de ácidos orgânicos no estágio de acidificação.

[0034] Vantajosamente, o bioreator anaeróbico de fluxo descendente de dois estágios separa o próprio processo microbial em dois estágios com cada estágio operando em uma faixa diferente de pH. É preferível que o pré-digestor compreenda um ou o primeiro estágio do processo de dois estágios e que o bioreator anaeróbico compreenda o estágio dois ou o segundo estágio do processo de dois estágios.

[0035] Na modalidade preferencial da invenção, o pré-digestor suporta crescimento de uma cultura suspensa completamente misturada de organismos bacterianos facultativos que executam funções acidogênicas. Idealmente, isto é um bioreator de cultura suspensa completamente misturada que opera na faixa ácida e, então a população consiste primeiramente (mas não exclusivamente) de organismos facultativos que executam funções acidogênicas.

[0036] Convenientemente, o efluente do pré-digestor alimenta o segundo estágio, que é composto de um ou mais

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19/34 bioreatores anaeróbico de fluxo descendente modificados. O estágio dois opera sob condições suavemente alcalinas ou neutras para maximizar produção de metano. A população microbial no bioreator anaeróbico de fluxo descendente consiste primeiramente (mas não exclusivamente) de anaeróbios obrigatoriamente acetogênicos ou metanogênicos. Ao operar os dois estágios sob dois regimes diferentes de pH, cada população microbial se encontra em um ambiente muito mais próximo se seu ambiente satisfatório e, então, todos os processo microbiais são acelerados.

[0037] Vantajosamente, em uma modalidade da invenção, o sistema anaeróbico de fluxo descendente de dois estágios é projetado para otimizar o custo de operação em lugar da eficácia geral de atividade microbial e, então, o sistema de bioreator anaeróbico de fluxo descendente é controlado para manter uma diferença de pH entre o estágio um e o estágio dois de aproximadamente 0,5 a 1 unidade de pH.

[0038] De preferência, o efluente do pré-digestor que é usado para alimentar o bioreator anaeróbico de fluxo descendente é tratado com um agente tampão, por exemplo, soda cáustica para assegurar que o efluente que serve de alimentado para o digestor anaeróbico de fluxo descendente tenho o pH neutro. Um ambiente de pH neutro fornece condições satisfatórias para a produção de metano. Convenientemente, em contraste, o bioreator anaeróbico de fluxo descendente opera a um nível de pH de aproximadamente 7,5 a 8 para maximizar a taxa de geração de metano.

[0039] Convenientemente, o biogás produzido acumula no topo do bioreator anaeróbico de fluxo descendente o qual é conhecido como o 'espaço de cabeça do tanque. Opcionalmente, o biogás também pode coletar no topo do prédigestor. Idealmente, as duas fases de gás estão ligadas através de um conduto para assegurar pressão de gás igual

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20/34 entre o espaço de cabeça do pré-digestor e do bioreator anaeróbico de fluxo descendente. Isto também assegura que o gás em cada espaço de cabeça misture e, portanto, possibilite que a composição de gás em cada espaço de cabeça tenha a mesma composição.

[0040] De preferência, cada um dentre o pré-digestor e o bioreator anaeróbico de fluxo descendente tem circulação interna contínua dos conteúdos de cada tanque, respectivamente, para assegurar mistura completa e redução satisfatória dos compostos orgânicos na água servida sendo tratada pelo sistema. Convenientemente, na modalidade preferencial da invenção, o dispositivo de recirculação no pré-digestor opera a uma taxa de recirculação de entre três e dez vezes a taxa de fluxo volumétrico da ao menos uma entrada de pré-digestor e, mais preferencialmente, a aproximadamente três vezes a taxa de fluxo volumétrico da ao menos uma entrada de pré-digestor. Igualmente, é preferível que o bioreator anaeróbico opere a uma taxa de recirculação de entre três e dez vezes a taxa de fluxo volumétrico da ao menos uma entrada de bioreator anaeróbico e, mais preferencialmente, a aproximadamente três vezes a taxa de fluxo volumétrico da ao menos uma entrada de bioreator anaeróbico.

[0041] Na modalidade preferencial da invenção, algum do efluente do bioreator anaeróbico de fluxo descendente retorna para o pré-digestor. Idealmente, a taxa de recirculação do bioreator anaeróbico de fluxo descendente corrente de efluente de volta para o pré-digestor se situa na faixa de zero a um terço da taxa de fluxo de alimentação.

[0042] A vantagem de ter uma alimentação de circulação de retorno é que isto reduz a demanda por produtos químicos dispendiosos normalmente necessários para controlar o desempenho do sistema. Uma vantagem adicional disto é que o efluente do bioreator anaeróbico de fluxo

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21/34 descendente atua como um agente tampão no efluente que entra no pré-digestor. Consequentemente, o volume de consumo de agente tampão adicional necessário para ajustar o pH da solução é reduzido significantemente.

[0043] De preferência, tanto o pré-digestor quanto o bioreator anaeróbico de fluxo descendente operam na mesma temperatura. Opcionalmente, o digestor anaeróbico de dois estágios é operacional a temperaturas adequadas ou para bactérias termofílicas ou mesofílicas. Idealmente, a temperatura ideal para bactérias mesofílicas se situa dentro da faixa de 38°C a 40°C +/- 2°C. Idealmente, a temperatura ideal para bactérias termofílicas é de 50°C a 55°C +/- 2°C. Idealmente, quando o sistema é operado a temperaturas termofílicas (53°C a 55°C+/- 2°C), a taxa de destruição de sólidos orgânicos na água servida é acentuada. Isto, por sua vez, reduz o tamanho do tanque necessário. No entanto, a operação termofílica reduz a tolerância à carga de cheque do sistema e aumenta o tempo de elevação seguinte ao desligamento do sistema.

[0044] De preferência, a ao menos uma saída de prédigestor está conectada a ao menos uma entrada de bioreator anaeróbico através de um conduto. Convenientemente, o efluente do pré-digestor é transferido para o topo do bioreator anaeróbico de fluxo descendente através do conduto entre a ao menos uma saída de pré-digestor e ao menos uma entrada de bioreator anaeróbico. Opcionalmente, os nutrientes também podem ser injetados na linha de recirculação e/ou linha de alimentação do pré-digestor a fim de otimizar a produção de biogás e a redução de COD. Os nutrientes são, de preferência, selecionados a partir de um grupo que compreende macronutrientes, primeiramente uréia e/ou fosfato de amônio, e/ou micronutrientes sob a forma de Cloreto de Zinco dissolvido (ZnCl₂), Cloreto de Molibdênio (MoCl₂) , Cloreto de Cobalto (CoCl₂) , Cloreto de Manganês

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22/34 (MnCl₂), Cloreto de Potássio (KCl), Cloreto de Magnésio (MgCl₂) e outros. A quantidade de macronutrientes e micronutrientes a ser adicionada é baseada na composição química da corrente de alimentação de água servida e no desempenho do bioreator em termos de taxa de produção de biogás e redução de COD.

[0045] De preferência, o nível de líquido no prédigestor pode ser controlado a fim alterar a razão de volumes de trabalho do pré-digestor para o do bioreator anaeróbico de fluxo descendente. A razão de volume pode, então, ser otimizada para aprimorar o desempenho de sistema. Mais adicionalmente, o pré-digestor pode ser projetado com excesso de capacidade de modo que a capacidade de tratamento adicional futura possa ser criada através da construção de módulos de bioreator anaeróbico de fluxo descendente adicionais, conforme for necessário. O volume de trabalho do pré-digestor pode, então, ser aumentado através da alteração do nível de ponto de ajuste, conforme for necessário, para prestar mais módulos de bioreator anaeróbico de fluxo descendente enquanto os mesmos são alinhados já que as necessidades do tratamento aumentam com o passar do tempo.

[0046] Opcionalmente, em uma modalidade da invenção, o fundo do pré-digestor compreende um clarificador para remover o excesso de sólidos suspensos. Uma linha de saída separada pode ser fornecida para refugar periodicamente os sólidos do fundo do pré-digestor. O assentamento de sólidos pode ser promovido através do fechamento periódico da circulação interna no pré-digestor a fim de permitir assentamento de sólidos densos por várias horas antes de refugar o lodo. Vantajosamente, a remoção de sólidos suspensos nesta conjuntura irá aumentar a vida útil do meio plástico.

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23/34 [0047] Uma modalidade alternativa do sistema incorpora um decantador de gravidade de fluxo contínuo alinhado entre o pré-digestor e o bioreator anaeróbico de fluxo descendente. O sobrenadante do decantador serve como alimento para o bioreator anaeróbico de fluxo descendente, linha de efluente de fundo do decantador, enriquecida por sólidos suspensos como precipitados de cálcio, é disposta de maneira alternativa para proteger o bioreator anaeróbico de fluxo descendente dos precipitados de cálcio e aumentando assim a vida útil do meio ordenado.

[0048] Qualquer nitrogênio orgânico que é liberado durante a hidrólise de compostos orgânicos e que não é convertido em proteínas bacterianas é tipicamente reduzido em amônia no ambiente de redução do bioreator anaeróbico. Muitos dos aminoácidos livres produzidos durante a hidrólise de proteínas são removidos de seus grupos carboxila de nitrogênio em uma reação de deaminação, e a amina é liberada como amônia. Durante este processo, é produzido hidrogênio reduzido adicional. Estas reações são inibidas em altas concentrações de hidrogênio, já que a presença de acetogênicos e metanogênicos para consumir H₂, conforme isto se forma, é essencial para assegurar destruição completa de proteínas. Vantajosamente, a amônia e os carbonatos na solução produzida como consequência destas reações fornecem uma contribuição significante para o tamponamento do bioreator anaeróbico de fluxo descendente.

[0049] Uma vantagem da presente invenção é que a população microbial mantém a viabilidade e é robusta o suficiente suportar períodos de desligamento estendidos e tem capacidade de recomeço rápido. Em adição, a população microbial se recupera rapidamente do choque para população como uma mudança para o ambiente de pH causados por distúrbios de processo. Esta estabilidade é uma atração primária do sistema de bioreator anaeróbico de fluxo

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24/34 descendente quando comparado as sistemas de crescimento suspenso disponíveis no mercado como as mantas de lodo anaeróbico de fluxo ascendente que são usadas como padrão industrial para tratar águas servidas municipais.

[0050] Vantajosamente, o biogás produzido como um subproduto do processo de digestão anaeróbico é coletado e está disponível para uso adicional se for desejado.

[0051] Uma vantagem do sistema da invenção é que a eficiência do bioreator anaeróbico de fluxo descendente é aperfeiçoada pela adição de um pré-digestor e pela operação do pré-digestor anaeróbico em um pH inferior (que é a condição ótima para a acidificação) enquanto mantém constante ou aumenta o pH do bioreator anaeróbico de fluxo descendente (ótimas condições para acetogênese e metanogênese). Vantagens adicionais do sistema da invenção incluem uma redução na necessidade de agentes tampão para controlar o pH pela incorporação da recirculação do efluente do bioreator anaeróbico de fluxo descendente (rico em carbonatos) de volta para o pré-digestor a fim de auxiliar o tamponamento da reação de acidificação e inibir a fuga do ácido ao mesmo tempo em que minimiza o consumo de agentes tampão caros.

[0052] A partir desse momento em diante no presente documento a invenção será mais particularmente descrita com referência aos desenhos em anexo que ilustram, por meio de exemplo apenas, três modalidades da invenção.

[0053] Nos desenhos:

[0054] A Figura 1 é um fluxograma esquemático do sistema de digestão anaeróbico de dois estágios da invenção.

[0055] Com referência à Figura 1, é mostrado um fluxograma esquemático do sistema de digestão anaeróbico de dois estágios 100 que compreende o seguinte;

[0056] O pré-digestor 10:

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25/34 [0057] O pré-digestor 10 é um reator de tanque agitado completamente misturado. Esse tem aproximadamente um terço do volume de trabalho do bioreator anaeróbico de fluxo descendente 11. Alternativamente, um único pré-digestor 10 pode operar com três bioreatores anaeróbicos de fluxo descendente de dois estágios 11 que operam em paralelo entre si. A água servida é fornecida como alimento ao pré-digestor 10 através da entrada 50 do tanque de retenção de água servida 50a.

[0058] O volume do pré-digestor 10 é modificado uma a duas vezes por dia por uma bomba centrífuga de velocidade variável 25a. Uma linha de sucção 101 extrai sólidos suspensos acumulados do fundo do tanque através de um tubo de diâmetro largo. O pré-digestor 10 tem um fundo inclinado 10a para facilitar a coleta de líquido e evitar áreas estagnadas. A linha de recirculação de efluente 25 da bomba 25a retorna o fluxo ao topo do tanque do pré-digestor 10. A linha de recirculação 25 é combinada com o fluxo líquido de retorno 28 do bioreator anaeróbico de fluxo descendente de dois estágios 11.

[0059] Na modalidade preferencial do sistema de digestão anaeróbico de fluxo descendente de duas partes 100, o fundo inclinado 10a do pré-digestor 10 atua como um clarificador para remover sólidos suspensos acumulados e, especialmente, precipitados de cálcio do sistema 100. Dependendo da concentração de cálcio na corrente de alimentação 50 e da taxa de acúmulo de precipitados de carbonato de cálcio no sistema, a bomba de recirculação 25a pode ser desligada por até três horas periodicamente para permitir o assentamento de sólidos suspensos e precipitados. O fundo do tanque do pré-digestor 10a inclui uma válvula de saída manual ou automática conectada a uma bomba de manuseio de sólidos 20 como uma bomba MOYNO^tm ou equivalente. Após o assentamento e antes de reiniciar a bomba de circulação 25a,

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26/34 a válvula de liberação de sólidos é aberta e os sólidos assentados acumulados são removidos com o uso da bomba de manuseio de sólidos 20. Os sólidos removidos podem ser descartados como resíduos sólidos ou utilizados como adubo orgânico.

[0060] O pH da corrente de recirculação/alimentação 25b pode ser ajustado pela injeção de um agente tampão como soda cáustica na linha de recirculação 25. Durante a operação em estado estável de um bioreator maduro 11, o pH é tipicamente mantido entre 6,0 e 7,0. O ponto de ajuste real do pH pode variar, dependendo do custo da soda cáustica versus os resultados de desempenho desejados, incluindo redução de COD e produção de biogás.

[0061] Os nutrientes também podem ser injetados conforme necessário na linha de recirculação 25 fim de

são	normalmente
forma de	Cloreto	de
(MoCl₂) ,	Cloreto	de
(MnCl₂) ,	Cloreto	de

otimizar a produção de biogás e a redução de COD. Em adição aos macronutrientes principais, principalmente, uréia e/ou fosfato de amônio e, dependendo da composição da alimentação de água servida, pode ser necessário incluir micronutrientes. Os micronutrientes digeridos de maneira anaeróbica sob a Zinco (ZnCl₂), Cloreto de Molibdênio Cobalto (CoCl₂) , Cloreto de Manganês

Potássio (KC1), Cloreto de Magnésio (MgCl₂) dissolvido e outros. A quantidade de macronutrientes e micronutrientes a ser adicionada é baseada na composição química da corrente de alimentação de água servida e do desempenho do bioreator em termos de redução de COD e taxa de produção de biogás.

[0062] O nível de líquido no pré-digestor 10 pode ser controlado a fim de alterar a razão entre o pré-digestor 10 e os volumes de trabalho do bioreator anaeróbico de fluxo descendente 11. A razão de volume pode, dessa forma, ser otimizada para aperfeiçoar o desempenho do sistema 100. Adicionalmente, o pré-digestor 10 pode ser projetado com

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27/34 excesso de capacidade, de modo que a capacidade de tratamento adicional futura possa ser criada pela construção adicional de módulos do bioreator anaeróbico de fluxo descendente conforme necessário. O volume de trabalho do pré-digestor 10 pode, então, ser aumentado pela alteração do ponto de ajuste do nível, conforme se fizer necessário, para servir a mais módulos do bioreator anaeróbico de fluxo descendente, na medida em que são colocados em nível devido ao aumento nos requisitos de tratamento com o passar do tempo.

[0063] Uma modalidade alternativa do sistema incorpora um decantador de gravidade de fluxo contínuo alinhado entre o pré-digestor e o bioreator anaeróbico de fluxo descendente. O sobrenadante do decantador é o alimento para o bioreator anaeróbico de fluxo descendente, enquanto que a linha de efluente de fundo do decantador, enriquecida por sólidos suspensos como precipitados de cálcio, é descartada em um modo alternativo para proteger o bioreator anaeróbico de fluxo descendente de precipitados de cálcio e, assim, aumentar a vida útil dos meios plásticos ordenados

111.

[0064] O efluente líquido remanescente do prédigestor 10 é transferido via conduto 26 até a tubulação de distribuição de entrada (não mostrada) no topo 11a do bioreator anaeróbico de fluxo descendente 11 por uma bomba de transferência centrifuga 26a. Essa alimentação é combinada com o líquido das linhas de circulação interna 27 do bioreator anaeróbico de fluxo descendente 11.

[0065] O bioreator anaeróbico de fluxo descendente

11:

[0066] O núcleo 11c do bioreator anaeróbico de fluxo descendente 11 tem uma pluralidade de meios plásticos ordenados 111 submersa no volume líquido do tanque com canais verticais. Os meios são empilhados no centro do

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28/34 bioreator anaeróbico de fluxo descendente e um sistema de suporte é incluído no projeto que suporta a pilha de meios na altura desejada com interrupção mínima de fluxo. Há espaços vazios de líquido 11b e 11d de aproximadamente 1m de profundidade tanto acima quanto abaixo da pilha de meios

111. Os meio plásticos 111 montados no centro 11c do volume líquido do bioreator anaeróbico de fluxo descendente 11 ocupam 75% do volume de líquido total. Os plásticos e suportes deslocam não mais do que 5% do volume do leito dos meios, o lúmen dos canais de fluxo ocupa 95% do volume do leito total.

[0067] À medida que o efluente de recirculação flui através dos canais de meios, esse serve como alimentação para micróbios suspensos e fixos que consomem ácidos orgânicos e outros nutrientes e produzem um metano rico em biogás. À medida que o bioreator anaeróbico de fluxo descendente 11 amadurece com o tempo, a biomassa aderida cultura uma camada grossa sobre as paredes dos meios plásticos 111. A camada consiste em matriz extracelular de proteínas, carboidratos e outros polímeros orgânicos secretados pelas bactérias anaeróbicas, bem como precipitados de cálcio e outros sólidos inorgânicos que podem ser capturados no biofilme de crescimento. O biofilme maduro ajuda a proteger os micróbios anaeróbicos, especialmente os metanogenes, de modo que possam sobreviver de maneira satisfatória a períodos de falta de alimentação ou a outros choques, por exemplo, durante paradas extensas de operações. O bioreator anaeróbico de fluxo descendente 11 é capaz de reiniciar rapidamente após paradas extensas devido ao reservatório robusto de biomassa anaeróbica. Isso é diferente de outros sistemas anaeróbicos que mantêm sua biomassa bacteriana em suspensão líquida. Em adição, o filme anexado retém a biomassa dentro do bioreator sem a necessidade de um decantador a jusante para recuperar

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29/34 sólidos microbianos para retornarem ao bioreator. Essa é uma vantagem significativa comparada a sistemas de digestão anaeróbica que usam culturas de bactérias suspensas, como a manta de lodo de fluxo ascendente ou o reator de tanque continuamente agitado.

[0068] A alimentação/efluente líquido flui através dos canais verticais criados no leito embalado de meios plásticos 111. Com a finalidade de otimizar a taxa de destruição de componentes de resíduo orgânico e a produção de biogás, os tamanhos dos canais da matriz ou do leito embalado dos meios plásticos foram otimizados para (i) maximizar o contato entre o líquido no lúmen e a matriz de biomassa aderida, (ii) minimizar a restrição de fluxo de líquido, (iii) minimizar o riso de bloqueio dos canais devido ao acúmulo de sólidos e precipitados, (iv) fornecer suporte estrutural suficiente, de modo que a pilha de meios não entre em colapso mediante seu próprio peso com o acúmulo de biossólidos.

[0069] Os canais verticais permitem uma fácil evasão das bolhas de biogás produzidas pelo metabolismo microbiano. O metano é insolúvel em água, de modo que coleta no gás espaço de cabeça 10b do bioreator anaeróbico de fluxo descendente 11. O gás liberado acumula nos espaços de cabeça 10b e 10b tanto do pré-digestor 10 quanto no bioreator anaeróbico de fluxo descendente 11. Os espaços de cabeça são conectados juntos com tubos de gás 40, 40a e 40b para garantir uma pressão de gás igual e constante e a mistura do biogás 41 entre o pré-digestor 10 e o bioreator anaeróbico de fluxo descendente 11. A composição de gás produzida no pré-digestor 10 é diferente daquela produzida no bioreator anaeróbico de fluxo descendente 11, portanto, permitindo que os gases se misturem e garantindo uma composição de gás mais uniforme. O gás produzido no prédigestor 10 é depletado em metano comparado com o gás do

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30/34 bioreator anaeróbico de fluxo descendente 11; entretanto, é enriquecido em CO₂ e H₂. Isso é devido ao fato de que a maioria dos formadores de metano é encontrada no bioreator anaeróbico de fluxo descendente 11 enquanto que a maioria das bactérias acidogênicas ocorre no pré-digestor 10.

[0070] O fluxo constante de bolhas de gás desobstrui a superfície do filme fixado, ajudando a manter abertos os canais de fluxo. Em adição, as bolhas também ajudam a misturar o efluente/líquido a fim de facilitar o transporte da massa de nutrientes entre os meios de volume e as paredes dos canais nas quais a biomassa microbiana é aderida. A mistura assegura que o transporte de massa de fase líquida não será uma limitação de tráfego para o metabolismo microbiano que é essencial para garantir a taxa máxima de destruição de resíduos orgânicos durante o tempo de permanência do líquido dentro do bioreator anaeróbico de fluxo descendente. Devido ao fato de os canais de fluxo serem verticais, o efeito de desobstrução das bolhas de gás não é excessivo, consequentemente, a biomassa microbiana de volume não é removida da superfície dos meios plásticos.

[0071] O bioreator anaeróbico de fluxo descendente 11 incorpora uma rede de tubulação com bocais que apontam para baixo 27c suspensos no espaço vazio de líquido 11d embaixo da pilha dos meios plásticos. Os tubos são conectados em duas tubulações de absorção (não mostradas) que conduzem o fluido para uma das duas linhas de recirculação 27 posicionadas em cada lado do tanque via bomba 27a. O fluxo de recirculação é extraído do fundo do tanque 11d e retorna à tubulação de distribuição de alimentação 27b no teto do tanque, onde é misturado com a alimentação de entrada 11a do pré-digestor 10 para a reinjeção no topo do leito embalado através das cabeças difusoras 27d.

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31/34 [0072] A taxa de recirculação é, tipicamente, dez vezes a taxa de alimentação da alimentação fresca do prédigestor. A alta taxa de recirculação devolve carbonatos ao topo do bioreator anaeróbico de fluxo descendente 11 ao mesmo tempo em que aumenta o tempo de permanência médio aparente do líquido dentro do bioreator anaeróbico de fluxo descendente. A alimentação ácida 11a do pré-digestor 10 é neutralizada com nenhuma ou mínima injeção adicional de soda cáustica devido à alta capacidade de tamponamento dos carbonatos. Isso representa economias significantes nos custos de operação. Entretanto, a fim de minimizar ainda mais os custos, o fluxo de recirculação 27 pode ser moderado, dependendo da concentração de COD da alimentação para o bioreator anaeróbico de fluxo descendente 11, bem como seu desempenho e estabilidade do pH. Em um mínimo, o volume do bioreator anaeróbico de fluxo descendente deveria ser recirculado pelo menos duas vezes em um período de 24 horas.

[0073] Em uma modalidade particular da invenção, o bioreator anaeróbico de fluxo descendente 11 é praticamente de auto-tamponamento quando alimentado com vinhaça de destilaria de rum, que tem uma alcalinidade inerente muito alta. As correntes de alimentação com baixas concentrações de alcalinidade natural podem exigir um ajuste de pH mais frequente. Em qualquer caso, as linhas de recirculação 27 do bioreator anaeróbico de fluxo descendente 11 incluem a capacidade de injeção de soda cáustica a fim de evitar as excursões do pH. O sistema é automaticamente controlado por um sistema de controle de pH e a faixa de pH de operação desejada está entre 7,5 e 8,0. Isso é próximo ao ótimo pH da bactéria metanogênica no sistema.

[0074] A alimentação para o bioreator anaeróbico de fluxo descendente 11 é distribuída através de uma rede de cabeças difusoras submersas 27d no espaço de cabeça do

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32/34 líquido acima do leito embalado dos meios plásticos 111. Os difusores são espaçados simetricamente ao redor do topo do tanque, de modo que todas as áreas do fluxo de líquido recebam o mesmo fluxo, assegurando uma distribuição homogênea da alimentação por todo o leito embalado 111. A quantidade de difusores depende do fluxo volumétrico total da alimentação (alimentação fresca do pré-digestor mais a recirculação do fundo do bioreator anaeróbico de fluxo descendente) e da área transversal do bioreator anaeróbico de fluxo descendente 11. O fluxo através dos tubos difusores deve estar dentro de um regime de fluxo laminar. Na modalidade preferencial da invenção, os tubos difusores têm um diâmetro interno de aproximadamente 10,2 cm (4 polegadas).

[0075] Circulação de retorno para o pré-digestor 10 do bioreator anaeróbico de fluxo descendente 11:

[0076] Em adição à recirculação de líquido interna das tubulações de absorção para o topo do bioreator anaeróbico de fluxo descendente 11, existe uma circulação de retorno adicional de efluente tratado 28 do bioreator anaeróbico de fluxo descendente 11 que retorna ao prédigestor de primeiro estágio 10. O efluente do bioreator anaeróbico de fluxo descendente é dividido de modo que o volume do fluxo seja descarregado ou processado a jusante de modo subsequente, conforme necessário, enquanto uma fração do fluxo é divergida de volta à linha de alimentação para o pré-digestor de primeiro estágio 10.

[0077] Ao retornar parte do efluente rico em carbonato (pH levemente alcalino) para a alimentação do pré-digestor 10, a acidez inicial da alimentação para o prédigestor 10 é parcialmente neutralizada, reduzindo significativamente a necessidade de soda cáustica no sistema de controle do pH no pré-digestor 10. Retornando parte do efluente para a alimentação do pré-digestor 10, o desempenho

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33/34 do sistema geral é melhorado de maneira significativa, na medida em que reduz a necessidade de produtos químicos caros para operar o pré-digestor 10. Isso resulta em uma economia de custo significante para o sistema 100. A taxa de circulação de retorno do efluente do bioreator anaeróbico de fluxo descendente para o pré-digestor 10 é controlada por uma bomba de velocidade variável 28a. A taxa de fluxo máxima é aproximadamente um terço da taxa de alimentação volumétrica da água servida fresca para o pré-digestor 10. A taxa de fluxo é variável e, em conformidade, pode ser ajustada a um valor inferior a fim de economizar nos custos de operação, dependendo do desempenho do sistema e da quantidade de agente tampão consumido para o controle do pH. Em adição ao tamponamento do pré-digestor 10, a circulação de retorno constante ajuda a manter a população mais saudável da biomassa anaeróbica no pré-digestor 10 sem a adição de sistema de coleta de lodo a jusante.

[0078] O pré-digestor 10 é operado em pH ácido, entre 6 e 7, para maximizar a eficiência da hidrólise e da acidificação de resíduos orgânicos na alimentação sem incorrer em custos excessivos pela soda cáustica. O bioreator anaeróbico de fluxo descendente 11 é operado próximo a um pH 7,5, e as excursões de pH acima de 8 ou inferiores a 7,0 devem ser evitadas prevenir problemas de controle e uma redução possível na produção de metano.

[0079] O pré-digestor 10 e o bioreator anaeróbico de fluxo descendente 11 operam na mesma temperatura mesofílica, com um ponto de ajuste da temperatura de aproximadamente 40°C. Não deve ser permitido que a temperatura do sistema desvie da faixa de temperatura de 38 a 42°C a fim de evitar a ocorrência de choques para a biomassa microbiana, o que poderia levar a reduções temporárias na eficiência e na produção de biogás.

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34/34 [0080] Em uma modalidade alternativa da invenção, a temperatura da operação pode ser aumentada levemente para 53 a 55°C +/- 2°C a fim de elevar a taxa metabólica dos micróbios e melhora a taxa de destruição da matéria orgânica. Entretanto, a solidez e a estabilidade da operação do sistema em temperaturas mesofílicas podem ser reduzidas quando a opção de operação termofílica é implantada.

[0081] No exemplo da invenção em que o sistema de digestão anaeróbico de dois estágios 100 é usado para tratar água servida gerada pela indústria de destilaria conhecida como vinhaça, o sistema 100 remove aproximadamente 70 a 80% da COD solúvel total na vinhaça influente. O efluente do bioreator anaeróbico de fluxo descendente 11 ainda contém compostos inorgânicos e, especialmente, minerais nutrientes de plantas como potássio e fósforo, que estavam presentes na água servida de alimentação inicial. Em adição, o efluente contém concentrações significantes de nitrogênio e compostos de enxofre reduzidos. A concentração de sólidos suspensos tipicamente aumenta de modo suave devido à presença de micróbios anaeróbicos no efluente, desprendidos do bioreator anaeróbico de fluxo descendente 11. Esses sólidos suspensos podem ser usados para formar um adubo.

[0082] Logicamente será compreendido que a invenção não está limitada aos detalhes específicos descritos no presente documento, que são dados apenas a título de exemplo, e que as inúmeras modificações e alterações são possíveis no escopo da invenção conforme definido nas reivindicações em anexo.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Aparelho (100) para o tratamento de fluido contendo material orgânico de demanda de oxigênio com microorganismos, caracterizado por compreender:

um digestor anaeróbico de fluxo descendente de dois estágios (100) que compreende um pré-digestor (10) e pelo menos um biorreator anaeróbico (11) conectado em série com o pré-digestor (10), em que cada um dos pré-digestores (10) e o pelo menos um biorreator anaeróbico (11) compreendem um vaso apertado substancialmente fluido, o pré-digestor (10) tem pelo menos uma entrada do prédigestor (50) e pelo menos uma saída do pré-digestor (26) através das quais a entrada (50) e a saída (26) são dispostas de modo que o fluido penetre no digestor anaeróbico de dois estágios (100) na pelo menos uma entrada do pré-digestor (50) e flua em uma direção para baixo através do pré-digestor (10) a partir da pelo menos uma entrada do pré-digestor (50) para a pelo menos uma saída do pré-digestor (26);

o biorreator anaeróbico (11) tem pelo menos uma entrada do biorreator anaeróbico (11a), pelo menos uma saída do biorreator anaeróbico (28) e uma pluralidade de meios porosos de alta área de superfície (111) adequada para o cultivo de microorganismos intermediários à entrada (11a) e à saída (28), em razão disso, preenchendo pelo menos uma porção (11c) do biorreator anaeróbico (11), através do qual a entrada (11a) e saída (28) são dispostas de modo que o fluido penetre no biorreator anaeróbico (11) na pelo menos uma entrada do biorreator anaeróbico (11a) e flua em uma direção para baixo através do biorreator anaeróbico (11) e, dessa forma, se engate aos microorganismos nos meios (111);

sendo que pelo menos uma saída do pré-digestor (26) é

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2/7 conectada a pelo menos uma entrada do biorreator anaeróbico (11a); e sendo que cada um dentre o pré-digestor (10) e o biorreator anaeróbico (11) compreende adicionalmente pelo menos um dispositivo de recirculação (25, 25a, 27, 27a) que retira o fluido de uma porção inferior de cada dentre o prédigestor (10) e o biorreator anaeróbico (11d) e retorna o fluido retirado para uma porção superior de cada dentre o prédigestor (10) e o biorreator anaeróbico respectivamente (11b);

sendo que o digestor anaeróbico de fluxo descendente (100) compreende adicionalmente pelo menos uma alimentação de circulação de retorno (25b) entre pelo menos uma saída do biorreator anaeróbico (28) e pelo menos uma entrada da prédigestor (50); e o fluido sai do digestor anaeróbico de dois estágios (100) na pelo menos uma saída do biorreator anaeróbico (28, 20), sendo que os espaços de cabeça do pré-digestor (10) e do biorreator anaeróbico de fluxo descendente (11) são ligadas através de um conduto para assegurar pressão de gás igual entre os espaços de cabeça do pré-digestor (10) e do biorreator anaeróbico de fluxo descendente (11); e sendo que a pluralidade de meio poroso de alta área de superfície (111) são meios plásticos ordenados que estão montados no centro (11c) do biorreator anaeróbico de fluxo descendente (11), de tal forma que, em uso, eles estão submersos no volume líquido do tanque com canais verticais, e em que há espaços vazios de líquido (11b, 11d) de aproximadamente 1m de profundidade tanto acima quanto abaixo da pilha de meios (111).

2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1,

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3/7 caracterizado por o digestor anaeróbico de dois estágios compreendet um pré-digestor continuamente misturado (10) e pelo menos um biorreator anaeróbico de fluxo descendente (11).

3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1 ou reivindicação 2, caracterizado por os meios porosos de alta área de superfície (111) serem adequados para o cultivo de bactérias anaeróbicas metanogênicas e acetogênicas.
4. Aparelho, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-3, caracterizado por o pré-digestor (10) sustentar o cultivo de uma cultura suspensa completamente misturada de organismos bacterianos facultativos que exercem funções acidogênicas.
5. Aparelho, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por pelo menos uma saída do pré-digestor (26) ser conectada a pelo menos uma entrada do biorreator anaeróbico (11a) por um conduto.
6. Aparelho, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por o fundo do prédigestor (10a) compreender um clarificador para remover sólidos suspensos em excesso, em que, preferencialmente, uma linha de saída separada (101) é fornecida para remover periodicamente sólidos do fundo do pré-digestor, ou em que o digestor anaeróbico de fluxo descendente de dois estágios (100) compreende adicionalmente um decantador de gravidade de fluxo contínuo entre o pré-digestor (10) e o biorreator anaeróbico de fluxo descendente (11).
7. Método para reduzir o nível de material que demanda oxigênio em uma corrente de fluido com o uso de um digestor anaeróbico de dois estágios (100) que compreende um prédigestor (10) e um biorreator anaeróbico (11) que tem uma pluralidade de meio poroso de alta área de superfície (111)

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4/7 adequado para o crescimento de microorganismos, em que os espaços de cabeça do pré-digestor (10) e do biorreator anaeróbico de fluxo descendente (11) são ligadas através de um conduto para assegurar pressão de gás igual entre os espaços de cabeça do pré-digestor (10) e do biorreator anaeróbico de fluxo descendente (11) e em que a pluralidade de meio poroso de alta área de superfície (111) são meios plásticos ordenados que estão montados no centro (11c) do biorreator anaeróbico de fluxo descendente (11), de tal forma que, em uso, eles estão submersos no volume líquido do tanque com canais verticais, e em que há espaços vazios de líquido (11b, 11d) de aproximadamente 1m de profundidade tanto acima quanto abaixo da pilha de meios (111), caracterizado por as etapas do método compreenderem as etapas de;

(a) introduzir uma corrente de fluido influente ao digestor anaeróbico de dois estágios (100) através de uma entrada (50) no pré-digestor (10);

(b) fluir o dito fluido de forma descendente através do pré-digestor (10) para uma entrada (25, 26) no pré-digestor (10);

(c) fluir uma porção do fluido da saída do pré-digestor (26) através de uma entrada (11a) no biorreator anaeróbico (11), recircular uma porção adicional do dito fluido de uma porção inferior do pré-digestor (10) para uma porção superior do pré-digestor (10) e extrair uma porção adicional do fluido como uma corrente de efluente da saída (101) no pré-digestor (10);

(d) fluir o fluido da entrada (11a) no biorreator anaeróbico (11) de forma descendente através do biorreator anaeróbico (11) para uma entrada (27, 28) no biorreator anaeróbico (11) de tal modo que o fluido atravesse o meio

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5/7 (111) e engate aos microorganismos de modo a reduzir o nível de material que demanda oxigênio no fluido em relação ao nível de material que demanda oxigênio na corrente de fluido influente;

(e) recircular uma porção do fluido de uma porção inferior do biorreator anaeróbico (11d) para uma porção superior do biorreator anaeróbico (11b);

(f) recircular uma porção adicional do fluido da porção inferior do biorreator anaeróbico (11d) para a porção superior do pré-digestor (10); e (g) extrair o fluido remanescente como uma corrente de efluente da saída (28) no biorreator anaeróbico (11), em que, preferencialmente, os nutrientes compreendem uma ou mais selecionados do grupo de macronutrientes que compreende ureia e/ou fosfato de amônio e/ou um ou mais selecionados do grupo de micronutrientes que compreende sob a

forma de Cloreto de Zinco dissolvido (ZnCl2) , Cloreto de Molibdênio (MoCl2) , Cloreto de Cobalto (CoCl2) , Cloreto de Manganês (MnCl2) , Cloreto de Potássio (KCl), Cloreto de

Magnésio (MgCl₂) e outros, em que, preferencialmente, um agente tampão pode ser adicionado ao fluido intermediário aos estágios de prédigestor (10) e de digestor anaeróbico (11).
8. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por o pré-digestor (10) ser operado sob condições anaeróbicas em uma faixa de pH entre 6,0 e 7,0, o biorreator anaeróbico (11) ser operado sob condições anaeróbicas em uma faixa de pH entre 7,0 e 8,0 e em que a diferença de pH entre o prédigestor (10) e o biorreator anaeróbico (11) ser de aproximadamente 0,5 a 1 unidades de pH.
9. Método, de acordo com a reivindicação 7 ou

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6/7 reivindicação 8, caracterizado por o pré-digestor (10) ser operado sob condições anaeróbicas em um nível de pH de aproximadamente 6,5.
10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7-9, caracterizado por o biorreator anaeróbico (11) ser operado sob condições anaeróbicas em um nível de pH de aproximadamente 7,5.
11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7-10, caracterizado por pelo menos um dispositivo de recirculação (25, 25a) no pré-digestor (10) operar em uma taxa de recirculação entre três e dez vezes a taxa de fluxo volumétrico de pelo menos uma entrada do pré-digestor (50) e, com mais preferência, aproximadamente em três vezes a taxa de fluxo volumétrico de pelo menos uma entrada do pré-digestor (50).
12. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7-11, caracterizado por pelo menos um dispositivo de recirculação (27, 27a) no biorreator anaeróbico (11) operar em uma taxa de recirculação entre três e dez vezes a taxa de fluxo volumétrico de pelo menos uma entrada do biorreator anaeróbico (11a) e, com mais preferência, aproximadamente em três vezes a taxa de fluxo volumétrico de pelo menos uma entrada do biorreator anaeróbico (11a).
13. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7-12, caracterizado por uma alimentação de circulação de retorno (25b) entre pelo menos uma saída do biorreator anaeróbico (28) e pelo menos uma entrada do pré-digestor (50) operar em uma taxa de recirculação na faixa de zero a um terço da taxa de fluxo de fluido no digestor anaeróbico de dois estágios (100) .
14. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações

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7/7

7-13, caracterizado por o pré-digestor (10) e o biorreator anaeróbico de fluxo descendente (11) operarem na mesma temperatura.
15. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7-14, caracterizado por o pré-digestor (10) e o biorreator anaeróbico de fluxo descendente (11) operarem em temperaturas adequadas para bactérias mesofílicas ou termofílicas, em que, preferencialmente, o pré-digestor (10) e o biorreator anaeróbico de fluxo descendente (11) operam na faixa de 38 °C a 40 °C ± 2 °C ou na faixa de 50 °C a 55 °C ± 2