PT1553057E - Método e dispositivo para o tratamento biológico de uma suspensão num bioreactor com um tratamento hidráulico de lamas flutuantes integrado. - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO "MÉTODO E DISPOSITIVO PARA O TRATAMENTO BIOLÓGICO DE UMA SUSPENSÃO NUM BIORREACTOR COM UM TRATAMENTO HIDRÁULICO DE LAMAS FLUTUANTES INTEGRADO" 0 invento refere-se a um método para o tratamento biológico de uma suspensão num biorreactor, em que para a revolução da suspensão pelo menos uma parte da suspensão é conduzida através de uma zona condutora orientada no sentido vertical, de modo que é produzida uma corrente vertical que se estende até à área do nivel de enchimento da suspensão ou a partir desta área em pelo menos uma parte da suspensão, bem como um dispositivo para a concretização deste método. Métodos para o tratamento biológico de suspensões são por exemplo processos aeróbios ou anaeróbios para o tratamento biológico de águas servidas, lodo de clarificação ou lixo, nos quais as substâncias biologicamente degradáveis, contidas na suspensão, são decompostas por meio de microorganismos.

Por métodos para a produção de gás biológico entende-se no seguinte o tratamento anaeróbio de substâncias biologicamente degradáveis contidas nas suspensões, particularmente a fermentação de detritos ou digestão da lama no tratamento de lodos de clarificação. Neste caso as substâncias biologicamente degradáveis, também designadas por agentes de fermentação, são fermentadas num reactor de fermentação, designado por biorreactor, sob exclusão de ar e transformadas em gás biológico. Para misturar o agente de fermentação no reactor de fermentação frequentemente são utilizados sistemas de agitadores mecânicos ou sistemas de 2 bombas de circulação hidráulicas. Também a injecção de gás na proximidade do fundo do reactor de fermentação é por diversas vezes utilizado.

Nos denominados reactores de circulação é no interior do reactor de fermentação injectado um gás num tubo condutor disposto no centro, pelo que o agente de fermentação é absorvido para dentro do tubo condutor. Deste modo um agente de fermentação pode ser transportado da proximidade do fundo do reactor de fermentação através do tubo condutor até à superfície do agente de fermentação que se encontra no reactor de fermentação. Deste modo, uma grande parte do agente de fermentação pode circular no reactor de fermentação. Um sistema deste género é por exemplo descrito na DE 197 25 823 Al. Este sistema, para além de não existirem peças móveis no reactor de fermentação, proporciona ainda outras vantagens: É por exemplo obtida uma mistura intima pobre em gradientes através da circulação vertical. Além disso é facultada a possibilidade de uma integração de transmissão térmica no reactor de fermentação sob forma de um tubo condutor de envoltório duplo percorrido por água de aquecimento. Devido à injecção de gás na corrente de circulação e a consequente formação de um fluxo na superfície é além disso combatida uma camada flutuante. Devido a condições de correntes definidas próximas do fundo para o transporte de sedimentos em direcção da evacuação no fundo é finalmente também evitada a formação de acumulação de sedimentos.

No entanto comprovou-se na prática que para qualidades especiais de lamas e detritos, os quais são transportados, conforme a instalação, para o reactor de fermentação, podem surgir problemas de uma camada flutuante e de sedimentos, 3 os quais exigem medidas suplementares para superar estes problemas.

Isto refere-se por um lado a lamas com um teor mais elevado de detergentes e partículas de fibras finas de matéria sintética e celulose, tais como as que resultam do tratamento municipal de águas servidas ou de substâncias residuais orgânicas especiais industriais, bem como de lamas de elevada viscosidade, as quais, devido à sua origem, contêm um teor de massa maior em cacos de vidro e outra partículas inertes de fora irregular.

Para os materiais mencionados em primeiro lugar pode ocorrer uma cremagem por flotação com acumulação na zona exterior da superfície do produto de fermentação no reactor, onde a turbulência, que diminui radialmente, já não é suficiente para uma mistura. Em sedimentos não semelhantes a areias (grãos de quartzo arredondados) pode ocorrer um enlaçamento das partículas devido às suas arestas fracturadas irregulares, significando isto uma resistência aumentada em relação ao transporte hidráulico para descarga centrada no fundo. 0 invento tem por objectivo o de aperfeiçoar um método do género inicialmente mencionado de modo que os problemas de lamas flutuantes são evitados de forma fiável.

Este quesito é solucionado pelo método de acordo com o invento pelo facto de, por se introduzir um fluído na zona do nível de enchimento da suspensão, a superfície da suspensão e/ou de lamas flutuante sobre a superfície da suspensão serem postos numa corrente de rotação. Neste caso o fluído é de preferência por meio de um injector 4 introduzido no biorreactor como um jacto livre de um liquido. A ideia fundamental do invento consiste portanto no facto de sobrepor ao principio do reactor de circulação um sistema de jacto hidráulico. Deste modo podem ser aproveitadas as vantagens técnicas do sistema de um reactor de circulação com um tubo condutor e ao mesmo tempo podem ser combatidos problemas que possam surgir com agentes específicos, sem aumentar significativamente a aplicação de energia no sistema do biorreactor. Cálculos técnicos comprovam que um jacto livre de liquido injectado no biorreactor à altura do nivel de enchimento provoca uma rotação das massas de liquido próximas da superfície. Em consequência da sobreposição da, na proximidade da superfície da curva de circulação vertical do reactor, corrente orientada no sentido radial para fora com a corrente induzida pelo jacto livre do líquido, ocorre uma corrente de rotação à volta do centro do reactor.

De acordo com o invento realiza-se um tratamento mais intenso de lamas flutuantes por meio de um sistema de injectores, os quais estão próximos da superfície instalados na periferia do recipiente. Neste caso o fluído extraído do biorreactor é parcialmente ou numa sequência temporal introduzido de tal modo através de pelo menos um injector instalado na zona da altura do nível de enchimento da suspensão, que a superfície da suspensão e/ou a lama flutuante na superfície da suspensão é posta numa corrente de rotação. 5 0 fluído de preferência é introduzido no biorreactor através de injectores instalados tangencialmente na periferia do recipiente. Convenientemente neste caso é como fluído utilizada uma parte da suspensão, a qual foi extraída do biorreactor. Os injectores são de preferência actuados com o fluído em desfasamento temporal. É particularmente preferencial quando os injectores são actuados com uma bomba comum e por meio de uma comutação cíclica actuados em série.

As lamas flutuantes e as partículas de espuma que se acumulam na proximidade da periferia do recipiente, têm a longo prazo a tendência de colarem e de se solidificarem. Devem portanto ser constantemente humidificadas e mantidas deslizantes, devem ser fluidizadas no composto e libertadas de pequenas bolhas de gás aderentes, para reduzir a impulsão. Eventualmente deve ser proporcionada uma descarga na proximidade da superfície.

Um combate completo em toda a periferia do reactor não é tecnologicamente razoável, visto que principalmente os reactores de fermentação fabricados em aço normalmente no que diz respeito à estabilidade não estão preparados para um nível de líquido na zona da inclinação da cobertura. Consequentemente a superfície livre do líquido corresponde à secção transversal da parte cilíndrica do reactor.

De acordo com uma forma de concretização particularmente preferencial do invento o problema é solucionado quando a camada flutuante, pela corrente superficial radial da zona condutora para a borda do recipiente agregada no exterior em círculo, for de forma hidráulica, preferencialmente por pelo menos dois injectores dispostos tangencialmente na 6 periferia do recipiente, actuada com jactos livres de liquido e posta em rotação por meio do impulso transmitido. Neste caso o circulo de lama flutuante passa pelas zonas do jacto sendo então, como pretendido, humidificado e fluidizado.

Um dispositivo de descarga para lamas flutuantes disposto no sentido radial da parede interior do recipiente, com uma conduta forçada deslocável na altura da superfície do líquido, possibilita de forma conveniente, quando necessária, a extracção do material flutuante que já não pode ser misturado na suspensão. Por meio da alteração do nível de enchimento no biorreactor, as condições podem ser reguladas de tal modo que a camada flutuante está em rotação por cima do dispositivo de descarga ou o material é empurrado por ciclos para a caixa de descarga.

Para este efeito é de preferência antes do dispositivo de descarga de lodo flutuante instalado um injector com uma tal distância que o material ainda possa ser levado com um impulso suficiente para a caixa de descarga. No lado oposto está no entanto de preferência instalado um segundo injector o qual realiza o movimento e a humidificação. 0 funcionamento destes dois injectores efectua-se convenientemente também de forma cíclica. 0 fluído é de preferência introduzido no biorreactor a uma velocidade de circulação de 10 até 15 m/s e com um caudal de 300 até 600 m3/h.

Além de um método para a obtenção de gás biológico o invento também se refere a um dispositivo para o tratamento biológico de uma suspensão com um biorreactor para a 7 admissão da suspensão, em que no espaço interior do biorreactor se encontra instalado um dispositivo condutor para a revolução da suspensão, com orientação vertical, que chega até à zona da altura do nivel de enchimento da suspensão.

Quanto ao dispositivo o quesito imposto de acordo com o invento é solucionado pelo facto de que na zona do nivel de enchimento da suspensão esteja instalado pelo menos um injector para a introdução de um fluido no biorreactor. 0 injector pode ser actuado com a suspensão de forma adequada por meio de um tubo adutor ligado com o espaço interior do biorreactor e uma bomba. De preferência vários injectores são na proximidade da superfície distribuídos na periferia do biorreactor, convenientemente com uma orientação tangencial. Neste caso os injectores estão de preferência ligados com uma bomba comum. 0 injector, de forma conveniente, apresenta um diâmetro de 50 até 120 mm. A seguir o invento será explicado em pormenor na base de um exemplo de concretização representado esquematicamente na figura.

Na figura é representada de forma exemplificativa uma instalação para a fermentação de resíduos húmidos. Os resíduos húmidos são, nas fases de tratamento prévio não mostrados na figura, preparados de tal modo que se forma uma pasta respectivamente um produto de hidrólise. A pasta respectivamente o produto de hidrólise são como suspensão, designada como agente de fermentação, através da conduta 1 introduzidos no biorreactor, designado por reactor de fermentação 2. No reactor de fermentação 2 é realizada a 8 metanização da pasta respectivamente do produto de hidrólise. Para este efeito o reactor de fermentação 2 é mantido sob condições anaeróbias e o conteúdo do reactor de fermentação é revolvido. A massa biológica anaeróbia contida na pasta respectivamente no produto de hidrólise em fermentação converte as substâncias parcialmente em dióxido de carbono e metano. O gás biológico que então resulta é extraído do reactor de fermentação 2 através da conduta 3.

Como a pasta respectivamente o produto de hidrólise também contêm hidrossulfuretos, iria se formar sem qualquer outra medida também H2S, o qual finalmente estaria presente no gás biológico. Para minimizar a proporção indesejada de H2S no gás biológico, o total conteúdo do reactor de fermentação é transportado de forma definida através de uma zona oxigenada 5 com um suficiente período de tempo de contacto entre o gás oxigenado e o agente de fermentação. Para este efeito o reactor de fermentação 2 é estruturado como reactor de fermentação de circulação interna sob forma de um tubo condutor 5 centrado, disposto no sentido vertical, o qual tem a função da zona oxigenada. Neste caso gás biológico bombeado para a parte inferior do espaço interior do tubo condutor, o qual é desviado através de uma conduta secundária 6 de gás biológico da conduta de gás biológico 2, serve como gás propulsor. Em consequência da descida da densidade da mistura no tubo condutor 5 e da força de impulsão do gás, o agente de fermentação é transportado de baixo para cima através do tubo condutor 5. Neste caso as condições hidráulicas são reguladas pela escolha da geometria do tubo condutor e do fluxo de gás biológico injectado de tal forma que a totalidade do conteúdo do reactor de fermentação é bombeada pelo menos duas vezes por hora pelo tubo condutor 5. Para o interior 9 do fluxo ascendente do tubo condutor 5 é por meio de uma conduta de admissão de ar 7 doseado ar numa relação de quantidade tal que o agente de fermentação durante a passagem pelo tubo condutor 5 receba um contacto suficiente de oxigénio, para limitar de forma pretendida a formação de H2S no processo de metabolismo. Ao mesmo tempo o oxigénio é decomposto bioquimicamente até ao ponto do gás biológico já não conter um teor de oxigénio que possa afectar o processo. 0 consumo de ar pode neste caso ser minimizado de tal modo que o nitrogénio no gás biológico não conduza a uma significativa redução da qualidade do gás para aproveitamentos calóricos que se seguem. Para a manutenção de uma temperatura de serviço optimizada de um tratamento biológico do agente de fermentação, o tubo condutor 5 pode ser aquecido. Para este efeito o tubo condutor 5 está provido de um revestimento de parede dupla, o qual apresenta uma entrada 8 e uma saida 9 para água de aquecimento. Adicionalmente o conteúdo do reactor de fermentação pode ser temperado por meio de um permutador térmico 19 situado no exterior através do qual fluí água de aquecimento.

Para combater os casos problemáticos que ocorrem especificamente com os agentes, principalmente em problemas de sedimentação que surjam com qualidades especiais de lodos e detritos, é sobreposto ao princípio do reactor de circulação com gás induzido um sistema de jacto hidráulico. Deste modo podem ser aproveitadas vantagens técnicas do processo de um reactor de circulação com um tubo condutor 5 e injecção de gás 7 e ao mesmo tempo são solucionados problemas que possam surgir relacionados com os agentes, sem aumentar significativamente a introdução de energia no sistema de fermentação. Para este efeito é, através da 10 conduta 15 e da bomba 16, extraído agente de fermentação do reactor de fermentação 2 e transportado através da conduta 12 a um injector 11.

Através do injector 11 o agente de fermentação é introduzido no reactor de fermentação 2 numa zona próxima do fundo como jacto livre de líquido a uma velocidade de circulação de 10 até 15 m/s e com um caudal de 300 até 600 m3/h. Nos reactores de fermentação de um volume de reacção até 8000 m3 e um diâmetro até 24 m é deste modo gerado o necessário fluxo de impulso, para por a massa de líquido próxima do fundo em rotação a aproximadamente 0,5 m/s próximo da parede do recipiente. Neste caso o injector 11, o qual apresenta um diâmetro de 50 até 120 mm, é, em dependência do tamanho do recipiente e dos parâmetros do processo, orientado por 40 até 60° para com o jacto radial, para determinar o binário. O ângulo de inclinação do injector 11 para com a horizontal entre 0 e 10° compensa as forças de impulso no campo do jacto condicionadas pelo agente. Na prática estão instalados sobre toda a periferia do recipiente do reactor de fermentação, conforme a dimensão do reactor, entre dois a cinco injectores em correspondentes distâncias periféricas. Por motivos de clareza é na figura somente representado um injector 11. Todos os injectores instalados estão ligados a uma única bomba, isto é a bomba 16, e são por esta actuados em série por meio de uma comutação cíclica. Isto permite um funcionamento eficiente e de reduzida manutenção.

Para combater problemas com lamas flutuantes, sai a partir da bomba 16 uma conduta secundária 14 para um injector 13 instalado na periferia do recipiente do reactor de fermentação na proximidade da superfície. A ligação 11 hidráulica deste injector 13 efectua-se através da bomba 16, quando os ciclos de funcionamento podem ser considerados reduzidos e que possa ser adaptado ao sistema de fundo um ou dois ciclos de funcionamento adicionais. Quando em dependência do agente o funcionamento do injector 13 for frequente, é preferível instalar uma bomba separada. Como nos injectores 11 dispostos na proximidade do fundo, também em relação ao injector 13 previsto na proximidade da superfície, é aconselhável instalar vários injectores. Por motivos de clareza é no entanto na figura também só representado um injector 13.

Lisboa,

Claims (18)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Método para o tratamento biológico de uma suspensão num biorreactor, no qual para a revolução da suspensão pelo menos uma parte da suspensão é conduzida por uma zona condutora orientada no sentido vertical, de modo que é realizada uma corrente vertical, que vai até à zona da altura do nivel de enchimento da suspensão, de pelo menos uma parte da suspensão, sendo a corrente vertical induzida pela injecção de um gás na zona condutora, caracterizado pela introdução de um fluido na zona da altura do nível de enchimento da suspensão, a superfície da suspensão e/ou a lama flutuante na superfície da suspensão seja posta numa corrente de rotação.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o fluido ser introduzido no biorreactor através de injectores instalados tangencialmente na periferia do recipiente.

3. Método de acordo com a reivindicação 1 e 2, caracterizado por ser como fluído utilizada a suspensão extraída do biorreactor.

4. Método de acordo com a reivindicação 2 e 3 caracterizado por os injectores serem actuados com o fluído em desfasamento temporal.

5. Método de acordo com uma das reivindicações 2 até 4, caracterizado por os injectores serem accionados com uma bomba comum e serem actuados sucessivamente por esta por meio de uma comutação cíclica. 2

6. Método de acordo com uma das reivindicações 1 até 5, caracterizado por pelo menos uma parte da lama flutuante na corrente de rotação ser extraída através de um dispositivo de extracção de lama flutuante previsto na parede do biorreactor, na zona da altura do nível de enchimento da suspensão.

7. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por o lodo flutuante ser levado para o dispositivo de extracção de lodo flutuante por meio de um fluído introduzido na proximidade do dispositivo de extracção de lodo.

8. Método de acordo com a reivindicação 7 caracterizado por no lado oposto do dispositivo de extracção de lodo flutuante ser introduzido um fluído, o qual mantém o lodo flutuante em movimento e humidifica o mesmo.

9. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por o fluído ser introduzido, através de um injector previsto na proximidade do dispositivo de extracção de lodo flutuante, com tal impulso que o lodo flutuante é transportado para o dispositivo de extracção de lodo flutuante.

10. Método de acordo com uma das reivindicações 1 até 9, caracterizado por o fluído ser introduzido com velocidade de circulação de 10 até 15 m/s.

11. Método de acordo com uma das reivindicações 1 até 10, caracterizado por o fluído ser introduzido com um caudal de 300 até 600 m3/h. 3

12. Dispositivo para o tratamento biológico de uma suspensão com um biorreactor para a admissão da suspensão, sendo instalado no espaço interior do biorreactor um dispositivo condutor com uma orientação vertical que chega até à zona da altura do nivel de enchimento da suspensão e um dispositivo para a injecção de um gás para a revolução da suspensão, caracterizado por na zona da altura de enchimento da suspensão estar instalado pelo menos um injector para a introdução do fluido no biorreactor.

13. Dispositivo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por o injector ser actuado com a suspensão por uma bomba, através de uma conduta de admissão ligada com o espaço interior do biorreactor.

14. Dispositivo de acordo com a reivindicação 12 e 13, caracterizado por estarem dispostos vários injectores distribuídos na zona da altura do nível de enchimento da suspensão na periferia do biorreactor.

15. Dispositivo de acordo com a reivindicação 12 até 14, caracterizado por na zona na altura do nível de enchimento da suspensão estar no sentido radial instalado um dispositivo de extracção de lodo flutuante, fixado na parede interior do biorreactor.

16. Dispositivo de acordo com a reivindicação 15, caracterizado por na proximidade do dispositivo de extracção de lodo flutuante estar instalado um injector para a introdução de um fluído.

17. Dispositivo de acordo com a reivindicação 15 e 16, caracterizado por num lado do biorreactor oposto ao 4 dispositivo de extracção de lodo flutuante, estar disposto um injector para a introdução de um fluido.

18. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 12 até 17, caracterizado por o injector apresentar um diâmetro de 50 - 120 mm. Lisboa,