PT1697443E - Material de suporte de bactérias - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO "MATERIAL DE SUPORTE DE BACTÉRIAS" Âmbito da presente invenção A presente invenção refere-se a um material compósito de grãos inorgânicos não metálicos e partículas plásticas, que é especialmente adequado como material de suporte para bactérias. Um domínio de aplicação deste género de materiais de suporte reside na utilização nas etapas biológicas de estações de tratamento de águas residuais.

Estado da técnica

Na maior parte dos processos biológicos utilizados hoje em dia no tratamento de águas residuais recorre-se, em primeiro lugar, à capacidade dos microorganismos para oxidar substâncias poluentes orgânicas com consumo de oxigénio. Por conseguinte, para o funcionamento de estações de tratamento de águas residuais, reveste-se de grande interesse a apresentação de um material de suporte que fornece às bactérias na estação de tratamento de águas residuais uma base vital favorável. Neste contexto, é por um lado decisivo o fornecimento de uma superfície o maior possível que as bactérias possam colonizar, enquanto que por outro lado é vantajoso que o material de suporte tenha uma densidade especifica, correspondente ao líquido a tratar, de forma que o material de suporte flutue no líquido e possa ser virado pelas correntes existentes. Um outro critério para um suporte vantajoso de bactérias consiste na existência de uma superfície suficientemente plana, que possibilite que as lamas que se acumulam sobre o material de suporte, incluindo as bactérias saturadas possam cair do suporte de tempos a tempos, conseguindo-se 2 assim espaço para novo crescimento de bactérias e assim para a regeneração da unidade de tratamento.

Como material de suporte para bactérias, é conhecida a utilização de depósitos piroplásticos e/ou sílex em filtros de leito fixo. Esta variante caracteriza-se porém pela desvantagem de o suporte ser mais pesado que a veiculo e portanto não ter capacidade de flutuação. Uma outra desvantagem reside na ocorrência de grandes perdas de pressão. É igualmente desvantajoso para a utilização destes materiais como suportes de bactérias em estações de tratamento de águas residuais o facto de o problema da contaminação não ser resolvido de forma satisfatória neste caso e de este género de materiais de suporte apresentarem uma superfície reduzida.

Além disso, é conhecida a utilização de suportes de plástico, em especial à base de corpos moldados em estações de tratamento de águas residuais. No entanto, estes caracterizam-se por uma reduzida superfície, no máximo 600 m2/m3, bem como pela sua tendência parcial para flutuar.

Para além destes utilizam-se também suportes de cerâmica que, no entanto, também não satisfazem uma vez que por um lado não podem flutuar e por outro lado são demasiado caros.

Resumo da presente invenção

Tendo em vista o estado da técnica apresentado anteriormente, a presente invenção tem como objectivo a apresentação de um material de suporte para bactérias, destinado à utilização em estações de tratamento de águas residuais, com uma grande superfície específica para a 3 colonização por bactérias, o qual é capaz de flutuar no meio aquoso da estação de tratamento de águas residuais e o qual, graças a uma superfície suficientemente lisa, possibilita a queda das lamas e bactérias saturadas durante o funcionamento.

Este objectivo é atingido de acordo com a presente invenção por meio de um material compósito de acordo com a reivindicação 1. As concretizações preferidas deste material compósito são descritas nas reivindicações 2 e 3 anexas. A presente invenção refere-se ainda à utilização do material compósito de acordo com a presente invenção como material de suporte para bactérias. Este aspecto da presente invenção é descrito nas revindicações 4 a 6.

Além disso a presente invenção refere-se também a um processo para a preparação de do material compósito de acordo com a presente invenção. Este processo é descrito nas reivindicações 7 e 8.

Descrição detalhada da presente invenção 1. Definições 1.1 Excepto no caso de indicação em contrário, a presente descrição utiliza o conceito "poro", "poroso" e "porosidade" no sentido de porosidade aberta. Este conceito refere-se portanto a poros acessíveis do exterior. 1.2 A "superfície específica" é determinada pela adsorção de azoto, segundo o método BET, de acordo com a norma DIN 66131. 4 1.3 A "porosidade" acessível (aberta) é determinada por porosimetria de mercúrio, de acordo com a norma DIN 66133. 1.4 A "granulometria" é determinada por meio de análise granulométrica ao peneiro. 1.5 A "porosidade" é definida por meio da fórmula (I), P = V x 100%/ (1/S + V) (I) em que P indica a porosidade [%], S representa a densidade absoluta [g/cm1 2] e V representa o volume de poros específico [cm2/g] . 1.7 O "volume específico de poros" e o "tamanho de poros" são determinados por meio de porosimetria de mercúrio, conforme a norma DIN 66133. Durante a medição do volume específico de poros, segundo a porosimetria de mercúrio, é determinada a quantidade de mercúrio que penetra na amostra e a pressão necessária para tal. Por meio destes dados, conforme a força capilar conhecida do mercúrio, determina-se o volume de poro e o tamanho de poro. Devido ao facto de o mercúrio só poder penetrar nos poros acessíveis obtém-se também apenas a porosidade aberta durante a medição. 1.8 A "densidade absoluta" (densidade real) é obtida por meio da medição de acordo com a norma DIN 66137-2 1

Material inorgânico não metálico 2 O material inorgânico não metálico, utilizado no material compósito de acordo com a presente invenção tem como objectivo proporcionar uma superfície suficientemente grande para a colonização de bactérias. Para que seja 5 adequado à colonização por bactérias, é também decisivo, a par do tamanho da superfície específica, a sua estrutura. Em especial, é preferido para a colonização de bactérias que o material inorgânico não-metálico apresente poros acessíveis do exterior, que não sejam demasiado pequenos a fim de facultar uma boa troca de matéria com o meio envolvente.

De acordo com a presente invenção, os requisitos anteriores são atingidos por um material inerte que apresenta as seguintes características: uma superfície específica de 10.000 a 1.000.000 m2/m3, uma porosidade entre 10 e 80 %, poros, dos quais pelo menos 50 % apresentam uma dimensão de poro entre 0,1 e 1000 pm e

Grãos, dos quais mais de 50 % apresentam uma granulometria de 0,1 a 50 mm.

De preferência, são materiais cuja superfície específica oscila entre 25 000 e 500 000 m2/m3. São especialmente preferidos materiais cuja superfície específica oscila entre 100 000 e 500 000 m2/m3. Do mesmo modo, utilizam-se vantajosamente materiais, nos quais pelo menos 80 % dos poros se encontram entre 0,5 e 100 pm, de preferência 5 a 50 pm. É igualmente preferido que 70 % do material apresente uma granulometria entre 0,1 e 50 mm, especialmente preferido 1 e 20 mm. Para além disso é ainda preferida a utilização de um material cuja porosidade (aberta) constitua 40 a 80 %, com especial preferência 50 a 70%. 6

Além disso, o material inorgânico não metálico (tal como o plástico descrito em seguida) caracteriza-se por ser inerte no meio envolvente em que é utilizado como material de suporte para bactérias (portanto tipicamente um meio aquoso), portanto nem é solúvel nem sofre reacções quimicas. A composição quimica do material inorgânico não metálico mão é identificada mais pormenorizadamente, desde que preencha os requisitos anteriormente mencionados. Por exemplo, podem ser empregues os materiais inorgânico não metálicos indicados em seguida, de acordo com a presente invenção: zeolite, carbono activado, granulado de alumina, materiais de silica porosos.

Um material especialmente preferido é divulgado na DE 100 22 798. A preparação dos materiais inorgânico não metálicos a utilizar de acordo com a presente invenção é realizada segundo técnicas convencionais.

As granulometrias adequadas do material inorgânico não metálico são obtidas por meio de moagem e/ou tamisagem. 3. Partículas plásticas

As partículas plásticas utilizadas de acordo com a presente invenção têm por um lado o objectivo de possibilitar através da sua ligação a um material inorgânico não metálico um densidade específica do material compósito correspondente ao meio envolvente, de forma que o material compósito seja capaz de flutuar neste meio. 7

Por outro lado, o material plástico, graças à superfície lisa em comparação com o material inorgânico não metálico possibilita uma separação das lamas e bactérias saturadas da superfície do material compósito.

Para atingir este objectivo é vantajoso quando as partículas plásticas apresentam uma densidade específica de 0,6 a 1,2 g/cm3, de preferência 0,9 a 1,1 g/cm3 e uma superfície específica de 50 a 1000m2/m3, de preferência 100 a 500 m2/m3, de forma que mais de 50 % das partículas plásticas tenham uma granulometria de 5 a 100 mm, de preferência 8 a 60 mm.

Fundamentalmente, todo o material plástico é adequado para utilização de acordo com a presente invenção desde que se possa preparar a partir deste material partículas com as características anteriormente mencionadas. Os plásticos típicos adequados para utilização de acordo com a presente invenção são PE (polietileno), PP (polipropileno), PS (poliestireno), PU (poliuretano), ABS (acrilonitril-butadieno-estireno) e PVC (cloreto de polivinilo). A forma das partículas plásticas não é obrigatória e podem-se utilizar partículas esféricas, lenticulares e cúbicas, tal como formas mistas e partículas totalmente irregulares. O tamanho e forma das partículas é determinado pelo processo de preparação. 4. Material compósito

Um aspecto essencial do material compósito reside na existência tanto de grãos do material inorgânico não metálico como de partículas plásticas. A proporção relativa 8 de peso destes componentes situa-se tipicamente entre (material inorgânico não metálico : partículas plásticas) = 85:15 e 15:85. A proporção exacta de peso dos componentes fica implícita através da densidade específica desejada do material compósito, bem como através das densidades específicas dos componentes e pode ser facilmente averiguada pelo especialista. A densidade específica desejada do material compósito, no caso da utilização como material de suporte de bactérias em estações de tratamento de águas residuais, é o resultado da densidade específica do meio na estação de tratamento de águas residuais. Quanto à capacidade de flutuação das partículas poderá ser vantajoso escolher uma densidade específica do material compósito de forma que não se afaste em mais de 20% da densidade específica. São mais preferidos materiais compósitos, cujas densidades específicas não se desviem em mais de 10% da do meio. São especialmente preferidos materiais compósitos com uma densidade específica por volta de ± 5% da densidade específica do meio. Isto significa por exemplo, para meios com uma densidade específica de 1 g/cm3, que a densidade específica do material compósito deve estar entre 0,8 e 1,2 g/cm3, de preferência a 0,9 a 1,1 g/cm3 e com especial preferência entre 0,95 e 1,05 g/cm3.

Os componentes do material compósito estão vantajosamente tão ligados entre si que quando são utilizados (por exemplo no funcionamento de uma estação de tratamento de águas residuais) resistem aos esforços mecânicos a que são sujeitos. O tipo de ligação dos componentes não é definido mais detalhadamente e tanto pode incluir uma prensagem com 9 fusão das partículas plásticas como uma colagem dos componentes. A disposição espacial dos componentes dentro do material compósito também não é definida mais detalhadamente. Assim, no material compósito de acordo com a presente invenção podem existir, a par dos pontos de contacto entre os grãos do material inorgânico não metálico e partículas plásticas, também pontos de contacto entre grãos inorgânicos não metálicos entre si e/ou entre partículas plásticas entre si.

Além disso, é preferível que os componentes do material compósito sejam escolhidos e ligados entre si, de forma que a superfície específica do material compósito se encontre entre 500 e 750 000 m2/m3, com especial preferência entre 10 000 e 700 000 m2/m3. A forma e tamanho das partículas do material compósito não é basicamente definida. No entanto, revelaram-se vantajosas as partículas em forma de disco, com uma superfície em cruz, um diâmetro entre 1 e 10 cm, de preferência 2 a 6 cm e uma espessura de 2 a 20 mm, de preferência 5 a 10 mm, podendo estas partículas em forma de disco apresentar grandes espaços ocos. 5. Utilização do material compósito O material compósito de acordo com a presente invenção é especialmente adequado como material de suporte para bactérias, para utilização na fase de tratamento biológico das estações de tratamento de águas residuais. Tipicamente, utiliza-se numa quantidade que corresponde entre 5 a 50 % em vol., de preferência 10 a 40% do recipiente da reacção. 10

Durante o arranque da operação do material, o material de suporte pode ser inoculado com as bactérias correspondentes mas esta operação não é absolutamente necessária. A utilização do material compósito de acordo com a presente invenção não se limita porém a estações de tratamento de águas residuais. Pelo contrário, o material compósito adequa-se mais a suporte de bactérias para outros fins, como por exemplo biorreactores na indústria química, reactores de fermentação na indústria de produtos alimentares, etc. No caso destas aplicações poderá ser necessário ajustar os componentes utilizados às condições e requisitos presentes no que se refere à solidez, densidade específica, toxicidade, etc. O ajuste pode ser facilmente realizado com ajuda de experiências de rotina e com base nos conhecimentos gerais dos técnicos envolvidos. 6. Preparação do material compósito O material compósito de acordo com a presente invenção pode ser preparado a partir dos componentes por meio de (1) mistura do material inorgânico não metálico com as partículas plásticas; (2) colocação da mistura no molde já preparado; (3) fusão da superfície das partículas plásticas e eventualmente (4) prensagem das partículas plásticas fundidas com os grãos do material inorgânico não metálico; 11 podendo a etapa (4) ser realizada tanto em simultâneo com a etapa (3) como subsequente à etapa (3). A fusão na etapa (3) tem lugar por meio do aquecimento das partículas plásticas a uma temperatura acima do ponto de fusão do plástico, ao longo de um intervalo de 5 a 60 min. De preferência, deveria ser apenas fundida a área periférica da partícula, de forma que a estrutura e forma da partícula sejam mantidas pelo seu núcleo. No entanto, pequenas deformações da partícula não são prejudiciais. O processo da preparação abrange tipicamente a mistura do material inorgânico não metálico com o material plástico, o preenchimento de um molde de sinterização adequado e eventualmente prensagem. Em seguida realiza-se a sinterização da mistura nas instalações de sinterização, segundo um programa de sinterização pré-determinado com os parâmetros temperatura e tempo de permanência (TP). Durante o tempo de permanência nas instalações de sinterização tem lugar uma sinterização das partículas plásticas com exclusão do material inorgânico não metálico.

Numa concretização preferida consegue-se a ligação entre as partículas plásticas e o material inorgânico não metálico recorrendo a um pó de plástico. O pó de plástico pode ser adicionado num momento facultativo antes da fusão. As dimensões do grão de pó de plástico preferidas têm entre 0,2 e 1,5 mm, com especial preferência entre 0,2 e 1,0 mm. Graças a estas dimensões reduzidas do grão é mais fácil a fusão e portanto a ligação dos componentes. O pó de plástico actua portanto como intermediário. 12

Como material para o pó de plástico, é adequado o material das partículas plásticas, no entanto podem também ser utilizados materiais semelhantes. Por "materiais semelhantes" designam-se, neste contexto, materiais com uma densidade específica de 0,6 a 1,2 gcm3, de preferência 0,9 a 1,1 g/cm3. Além disso, o ponto de fusão do pó de plástico deve ser semelhante ao das partículas plásticas. De preferência, o ponto de fusão não deve ser ultrapassar em mais de 10% o das partículas plásticas e não deve ser inferior em mais de 30% ao das partículas plásticas. A quantidade de pó de plástico a utilizar vantajosamente depende dos outros materiais utilizados e pode ser determinada por meio de ensaios preliminares simples. Em todo o caso, a quantidade de pó de plástico deve vantajosamente ser tão grande que impeça a separação dos componentes do material compósito. Por outro lado não é vantajoso aumentar a quantidade relativa de pó de plástico tanto que ultrapasse a quantidade necessária para uma simples cobertura de todas as superfícies. 7. Exemplo

Preparou-se um material compósito por meio da ligação de um material cerâmico com as seguintes propriedades. 0,1 a 100 pm 2,2 g/cm3 60% 350 000 m2/m3

Materiais de partida: Material silicioso Dimensão de poros: Densidade do material: Porosidade:

Superfície: 13

Material plástico:

HDPE

Densidade: Pó de plástico:

Densidade:

Temperatura de amolecimento:

Temperatura de processamento: TP:

Densidade especifica:

Dimensão de partícula:

Superfície específica:

1,035 g/cm3 HDPE 0,951 g/cm3 84 °C (Vicat B50 segundo a norma ISO 306) 230 °C 20 min cerca 1 g/cm3 20 a 50 mm cerca de 175 000 O material compósito era capaz de flutuar num meio de uma estação de tratamento de águas residuais e possibilitou a colonização com bactérias. Numa exploração piloto de uma estação de tratamento de águas residuais verificou-se que o suporte colonizado com bactérias tinha boa capacidade de regeneração visto que as bactérias e as lamas podiam ser facilmente libertadas do suporte.

Lisboa, 20 de Agosto de 2007

Claims (8)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Material compósito com uma densidade específica entre 0,8 e 1,2 g/cm3, incluindo os seguintes componentes: (a) um ou vários grãos de um material inorgânico não metálico com uma superfície específica de 10.000 a 1.000.000 m2/m3, com uma porosidade de 10 a 80 %, com poros dos quais pelo menos 50 % têm uma dimensão de poro entre 0,1 e 1000 pm, em que mais de 50 % dos grãos têm mais de 0,1 a 50 mm e (b) uma ou várias partículas plásticas com uma densidade específica de 0,6 a 1,2 g/cm3 e uma superfície específica entre 50 e 1000 m2/cm3, mais de 50 % das quais têm uma dimensão de partícula entre 0,01 e 100 mm.

2. Material compósito de acordo com a reivindicação 1, em que o material inorgânico não metálico apresenta uma superfície específica entre 25 000 e 500 000 m2/m3.

3. Material compósito de acordo com uma ou várias das reivindicações 1 ou 2, ou a proporção de peso do material inorgânico não metálico para as partículas plásticas é de 15:85 a 85:15.

4. Utilização do material compósito de acordo com uma ou várias das reivindicações 1 a 3 como material de suporte de bactérias. 2

5. Utilização de acordo com a reivindicação 4 em estações de tratamento de águas.

6. Utilização de acordo com a reivindicação 4 ou 5, em que a densidade especifica do material compósito corresponde à densidade especifica do meio envolvente.

7. Processo para a preparação do material compósito de acordo com uma ou várias das reivindicações 1 a 3 incluindo as etapas: (1) mistura do material inorgânico não metálico com as partículas plásticas; (2) enchimento de um molde com a mistura; (3) fusão da superfície das partículas plásticas e eventualmente (4) prensagem das partículas plásticas fundidas com os grãos do material inorgânico não metálico; podendo a etapa (4) ser realizada tanto em simultâneo com a etapa (3) como subsequente à etapa (3).

8. Processo de acordo com a reivindicação 7, em que antes da etapa (3) é adicionado um pó de plástico, constituído por um material idêntico ou semelhante ao material das partículas plásticas. Lisboa, 20 de Agosto de 2007