PT1910233E - Processo e instalação de tratamento de efluentes concentrados em azoto num reactor biológico sequencial de ciclos fraccionados - Google Patents

Description

ΕΡ 1 910 233/ΡΤ

DESCRIÇÃO "Processo e instalação de tratamento de efluentes concentrados em azoto num reactor biológico sequencial de ciclos fraccionados" A invenção refere-se a um processo de tratamento de efluentes concentrados em azoto, usando uma oxidação de amónio em nitritos, seguida de uma desnitritação dos nitritos em azoto gasoso num reactor biológico sequencial cujas fases de reacção são fraccionadas, processo segundo o qual um. volume de afluente a tratar é vertido no reactor que contém bactérias nitrificantes, as condições de funcionamento estando previstas para privilegiar a acção das bactérias nitritantes e inibir ao máximo a acção das bactérias nitratantes, compreendendo ciclos de tratamento com pelo menos uma fase de arejamento para provocar a nitrif icação, seguida de uma fase em que o arejamento é interrompido e é introduzida uma fonte de carbono no reactor para a transformação dos nitritos em azoto. A invenção refere-se mais particularmente ao tratamento de efluentes cuja concentração em azoto é superior a 100 mg N/l.

Tratamento do azoto de efluentes concentrados

Muitas instalações de tratamento de poluentes são confrontadas com dificuldades crescentes no que se refere ao controlo e ao tratamento dos seus residuos azotados, principalmente amoniacais, nos meios receptores. O amoniaco é susceptivel de provocar agressões ambientais tais como o empobrecimento em oxigénio dos meios aquáticos, uma toxicidade em relação aos peixes ou fenómenos de eutrofização. Para limitar estes impactos, as regulamentações impõem limites de rejeição cada vez mais restritivos que conduzem frequentemente a reabilitações dispendiosas das estações de tratamento existentes.

Uma das principais vias de tratamento do azoto é o processo biológico de nitrificação/desnitrificação por meio do qual o amónio é oxidado em duas etapas em condições de 2 ΕΡ 1 910 233/ΡΤ arejamento, primeiro em nitritos e depois em nitratos e é finalmente reduzido em azoto gasoso em condições de anoxia. No caso de efluentes concentrados, é possível graças ao controlo de diversos parâmetros realizar um curto circuito a este processo biológico efectuando uma nitrificação parcial em nitritos que são em seguida desnitrifiçados directamente. Este processo designado igualmente por «shunt de nitratos» foi já descrito em EP-A-826639 e WO 00/05176, é teoricamente capaz de reduzir em 25% o consumo de oxigénio para a nitrificação e em 40% os consumos de carbono biodegradável para a desnitrificação, assim como a produção de lamas heterotróficas associada.

As estações de depuração de águas residuais equipadas com digestores anaeróbios produzem fluxos concentrados em amónio (da ordem de 1000 mg N/l) na linha de tratamento de lamas que, quando são recicladas para a entrada da instalação podem representar até 20% da carga azotada total. O seu tratamento específico permitiria portanto, em muitos casos evitar as reabilitações dispendiosas da linha principal de tratamento para respeitar os limites de rejeição. Por outro lado um número crescente de sítios tem a obrigação de tratar os odores ou os efluentes gasosos produzidos, gerando condensados muito carregados em formas amoniacais que se torna imperativo minimizar. Finalmente, os lixiviados das descargas constituem um terceiro tipo de efluentes para os quais o ião amónio representa uma das principais fontes de poluição.

Todos estes efluentes contêm geralmente pouco carbono biodegradável, o que implica que os dispositivos de tratamento biológico podem ser dimensionados quase exclusivamente em relação ao tratamento do azoto. Um tratamento biológico do tipo «shunt de nitratos» permitiria portanto reduções de custo significativas em relação a uma nitrificação/desnitrificação clássica.

Shunt de nitratos em configuração RBS (Reactor Biológico Sequencial)

Fux, C., Lange K., Faessler, A., Huber, P., Grueniger, B. e Siegrist, H. (2003), num artigo intitulado "Nitrogen 3 ΕΡ 1 910 233/ΡΤ removal from digester supernatant via nitrite-SBR or SHARON?" publicado na revista Water Science and Technology, Vol. 48 n°8, pág.9-18 (2003) mostraram o interesse dos reactores biológicos sequenciais (RBS), que compreendem fases de alimentação, de reacção (arejamento + anoxia), de sedimentação e de extracção para a realização do «shunt de nitratos» em efluentes concentrados em azoto. Com efeito, esta configuração RBS permite aplicar cargas volúmicas importantes por retenção de biomassa num mesmo reactor, por oposição ao processo SHARON (patente EP-A-826639) para o qual a ausência de retenção de biomassa permite a lixiviação especifica da biomassa responsável pela oxidação de nitritos em nitratos. De acordo com o processo RBS de Fux & al. um volume de afluente a tratar num ciclo completo é vertido no reactor em fracções volúmicas sucessivas, estando o ciclo completo de tratamento dividido em sub-ciclos sucessivos, compreendendo cada sub-ciclo uma fase de alimentação por uma fracção volúmica, depois uma fase de arejamento para provocar a nitrificação, depois uma fase de anoxia durante a qual o arejamento é interrompido e uma fonte carbonada é introduzida no reactor para a transformação dos nitritos em azoto.

Para descargas tais como os sobrenadantes de digestores anaeróbios, os condensados de tratamento de gás e os lixiviados de descarga é particularmente difícil optimizar as reacções de produção e de redução de nitritos por duas razões principais : • Estas descargas são submetidas a variações de caudal e de concentração em amónio muito importantes que obrigam a adaptar em permanência os critérios de exploração para fornecer um efluente de qualidade constante. • Os meios fortemente carregados em sais e compostos iónicos diversos, tais como os visados pela invenção, são susceptíveis de ter um efeito negativo sobre a sensibilidade das sondas (contaminação das sondas redox por sulfuretos, designadamente) e de provocar derivados que ocasionem uma passagem rápida em modo temporizado degradado. 0 desenvolvimento de um sistema de gestão robusto é portanto desejável para tornar mais fiável o tratamento do azoto de efluentes concentrados por «shunt de nitratos» em reactor RBS. 4 ΕΡ 1 910 233/ΡΤ A presente invenção propõe eliminar o azoto de efluentes concentrados por um processo de nitritação/desnitritação num reactor biológico sequencial (RBS) cuja sequência compreende várias fases de alimentação / arejamento / anoxia fraccionadas, sendo o número e a duração destas fases assim como a adição de reagente carbonado, ajustados graças a uma série de medições em tempo real no efluente a tratar, no rejeitado e no reactor biológico.

De acordo com a invenção, o processo de tratamento de efluentes concentrados em azoto, do género definido inicialmente e de acordo com o qual um volume de afluente a tratar num ciclo completo é vertido no reactor em fracções volúmicas sucessivas estando o ciclo de tratamento completo dividido em sub-ciclos sucessivos, compreendendo cada sub-ciclo uma fase de alimentação por uma fracção volúmica, depois uma fase de arejamento para provocar a nitrificação, depois uma fase de anoxia durante a qual o arejamento é interrompido e é introduzida uma fonte carbonada no reactor para a transformação dos nitritos em azoto, é caracterizado por se efectuar uma série de medições em tempo real no efluente a tratar, no rejeitado e no reactor biológico, por se avaliar a carga volúmica azotada a tratar no afluente e por se determinar o número de fases de alimentação de um ciclo completo em função desta carga azotada e do volume mínimo de líquido no reactor, de acordo com a fórmula seguinte:

FnH4, j

Nalimmin = - ( [NH4+] inhib — [NH4+ ] ef f ) * Vmin * Nrbs em que,

Nalimmin: número mínimo de ciclos de alimentação Fnh4,í: carga azotada diária [NH4+]eff: concentração em amónio no efluente que sai do reactor Vmin :volume líquido minimal (após extracção e antes da alimentação) Nrbs: número de ciclos completos RBS por dia [NH4+] inhib: concentração em amónio inibidora da biomassa nitritante, de modo que a concentração em azoto da fracção volúmica injectada é diluída no volume de líquido que permanece no 5 ΕΡ 1 910 233/ΡΤ reactor, ο que permite evitar a inibição das bactérias nitritantes, sendo entretanto a carga azotada da fracção volúmica suficiente para assegurar no reactor um «golpe» ou pico de carga amoniacal na descarga de cada fracção, favorável ao desenvolvimento da biomassa produtora de nitritos

De preferência, avalia-se a carga volúmica azotada a tratar no afluente por medição da condutividade (X) e do caudal (Q) do afluente.

De preferência, mede-se e controla-se a concentração em oxigénio dissolvido no reactor para a manter em valores fracos limitando a duração das fases arejadas e adaptando o fornecimento de oxigénio à carga a tratar. É possível determinar um número mínimo Nbiolmin de sub-ciclos aeróbio/anoxia, de maneira a não ultrapassar uma duração total de reacção biológica dada, escolhida a fim de limitar as oscilações de concentração em oxigénio dissolvido entre 0 e 2mg O2/I. O pH no reactor é medido e assegura-se uma auto-regulação do pH por alternância de fases vizinhas de nitritação e de desnitritação, limitando as oscilações de pH entre 6,5 e 8,5, de preferência entre 7 e 8. São predefinidos ciclos biológicos do tipo «aeróbio/anoxia», com durações das fases arejadas e anóxicas fixadas, e a duração total tC destas fases de reacção é calculada em função do número de ciclos NC:

tC (Úrbs - t alim tsedim textract ) /NC onde Úrbs : duração do ciclo RBS global taiim: duração global da alimentação (não fraccionada) tsedim: duração da fase de sedimentação textract: duração da fase de extracção O ciclo biológico «aeróbio/anoxia» efectivamente aplicado é aquele cuja duração do arejamento corresponde 6 ΕΡ 1 910 233/ΡΤ melhor à duração de arejamento teórica calculada a partir da carga de entrada, da configuração do sistema de arejamento do reactor e da cinética da reacção. A duração das fases não arejadas é limitada de maneira a limitar os riscos de anaerobiose. O tempo de injecção da fonte carbonada durante a fase não arejada é determinado a partir de medições da carga azotada de entrada. De preferência, o rendimento de eliminação de azoto é calculado e comparado a um rendimento minimo e que a injecção da fonte carbonada durante a fase não arejada é optimizada de acordo com os resultados da comparação, adaptando o fornecimento de reagente à carga a tratar. O processo é aplicado vantajosamente ao tratamento de sobrenadantes de digestores anaeróbios ou ao tratamento de condensados de tratamento de gás ou ao tratamento de lixiviados de descarga. A invenção refere-se igualmente a uma instalação de tratamento de efluentes concentrados em azoto, contendo em particular mais de lOOmg N/l, usando uma oxidação de amónio em nitritos, seguida de uma desnitritação dos nitritos em azoto gasoso num reactor biológico sequencial no qual as fases de reacção são fraccionadas, contendo esse reactor bactérias nitrificantes, estando as condições de funcionamento previstas para privilegiar a acção das bactérias nitritantes e inibir ao máximo a acção das bactérias nitratantes, sendo vertido no reactor em fracções volúmicas sucessivas um volume de afluente a tratar num ciclo completo, estando o ciclo de tratamento completo dividido em sub-ciclos sucessivos, compreendendo cada sub-ciclo uma fase de alimentação com uma fracção volúmica, depois uma fase de arejamento para provocar a nitritação, depois uma fase de anoxia durante a qual o arejamento é interrompido e uma fonte carbonada é introduzida no reactor para a transformação dos nitritos em azoto, instalação caracterizada por comportar meios para avaliar a carga volúmica azotada a tratar no afluente, nomeadamente por uma sonda de medição da condutividade (X) e por um caudalimetro para medir o caudal (Q) do afluente, e um meio de cálculo e de comando do número 7 ΕΡ 1 910 233/ΡΤ de fases de alimentação de um ciclo completo em função dessa carga azotada e do volume minimo de liquido no reactor, de modo que a concentração em azoto da fracção volúmica injectada é diluída no volume de líquido que permanece no reactor, o que permite evitar a inibição das bactérias nitritantes, sendo entretanto a carga azotada da fracção volúmica suficiente para assegurar no reactor um «golpe» ou pico de carga amoniacal na descarga de cada fracção, favorável ao desenvolvimento da biomassa produtora de nitritos. A instalação pode compreender uma sonda de medição de condutividade e um caudalímetro no efluente de saída, e diferentes sensores no reactor, em particular sensores de condutividade, de concentração em oxigénio dissolvido, de potencial redox e de pH, estando todas estas sondas e sensores ligados ao controlador para permitir um acompanhamento contínuo da evolução do tratamento e para comando das acções correctivas.

De preferência, a instalação compreende uma fonte carbonada e uma bomba doseadora comandada pelo controlador para o tempo de injecção da fonte carbonada durante uma fase de anoxia, sendo este tempo de injecção determinado a partir de medições da carga azotada de entrada. A instalação compreende meios de arejamento comandados por um controlador de acordo com as medições de concentração em oxigénio dissolvido. A invenção permite, por um fraccionamento optimizado das etapas de alimentação, de arejamento e de não arejamento de um ciclo RBS em várias fases, criar efeitos benéficos comparativamente a um tratamento do azoto por « shunt » de nitratos : a) «golpe» de carga amoniacal

Num sistema de alimentação continua, por exemplo, de acordo com EP 0826639, a concentração em substrato no reactor é igual à que é medida à saída do reactor. Uma vez que a concentração amoniacal determina directamente as cinéticas de 8 ΕΡ 1 910 233/ΡΤ produção de nitritos, é muito difícil obter em simultâneo uma velocidade e um rendimento de conversão elevados.

Num RBS, o facto de funcionar por fracções volúmicas ou lotes sucessivos permite concentrar o ião amónio no início do sub-ciclo e favorecer a acção das bactérias nitritantes, inibindo as bactérias nitratantes, e assim alcançar fortes velocidades reaccionais. Por outro lado, dada a forte concentração amoniacal do meio, convém fraccionar estes golpes de carga para os diluir no reactor e evitar uma inibição da biomassa produtora de nitritos. O processo da invenção permite um fraccionamento óptimo de alimentação, permitindo maximizar as velocidades de conversão do amónio evitando em simultâneo a inibição da biomassa. b) Gestão de um arejamento limitado A configuração RBS permite uma retenção de biomassa. Por conseguinte, uma selecção da biomassa produtora de nitritos por limitação da idade das lamas (princípio do processo de EP 0826639) já não é aplicável. A manutenção de uma concentração fraca em oxigénio dissolvido no tanque biológico durante a fase arejada torna-se necessária para assegurar a formação de nitritos, evitando a formação de nitratos.

Devido à forte variabilidade do efluente a tratar, existe um risco de má adaptação dos fornecimentos de oxigénio, quer se trate de uma falta em quantidade ou de uma distribuição inapropriada do oxigénio no tempo, no decurso das sequências aeróbio/anoxia. A invenção permite um melhor controlo da concentração em oxigénio dissolvido a valores fracos, limitando a duração das fases arejadas e adaptando o fornecimento de oxigénio à carga a tratar. c) Auto-regulação do pH do meio

A manutenção do pH entre 6,5 e 8,5 permite evitar a inibição da biomassa oxidante do amónio. Ora, o processo RBS 9 ΕΡ 1 910 233/ΡΤ aplicado ao «shunt» de nitratos é susceptível de amplificar os choques de carga amoniacal em relação à biomassa oxidante do amónio no início de cada lote e indirectamente, de conduzir a valores de pH mais fracos durante a fase arejada. Com efeito, são libertados protões durante a produção de nitritos e são libertados iões hidroxilo durante a desnitritação. O seu impacto sobre o pH do meio é mais forte se eles se puderem acumular num lote. A invenção permite uma melhor auto-regulação do pH do meio por alternância de fases vizinhas de nitritação e de desnitritação. d) Gestão optimizada da fase anoxia A manutenção de durações de não arejamento prolongadas em condições de carga fraca pode conduzir ao estabelecimento de condições anaeróbias, alterando o bom funcionamento do processo e podendo ocasionar uma contaminação dos sensores empregues. A invenção permite limitar os riscos de anaerobiose por limitação da duração das fases não arejadas.

Por outro lado, a disponibilidade do carbono biodegradável durante a fase não arejada deve ser assegurada para completar a desnitritação. Uma vez que os efluentes considerados contêm tipicamente muito pouco carbono biodegradável, a etapa de desnitrificação requer geralmente a adição de uma fonte externa. E muito importante optimizar a quantidade de reagente adicionado que representa um dos principais factores de custo do processo. Regra geral, é aplicada uma certa dosagem constante em função de uma carga azotada média pré-estabelecida, de acordo com uma relação estequiométrica teórica ou de acordo com uma razão estabelecida experimentalmente. A invenção permite uma optimização da adição de carbono biodegradável, adaptando o fornecimento de reagente à carga a tratar. A invenção consiste, para além das disposições expostas acima, num certo número de outras disposições das quais se fará mais explicitamente questão em seguida a propósito de um 10 ΕΡ 1 910 233/ΡΤ exemplo de realizaçao descrito com referência aos desenhos anexos, mas que não é de forma nenhuma limitativo.

Nas figuras : A Fig. 1 é um esquema de uma instalação com um reactor biológico sequencial para a realização do processo de acordo com a invenção. A Fig. 2 é um gráfico que ilustra a variação do nivel dentro do reactor, em função do tempo, no decurso de um ciclo de tratamento. A Fig. 3 ilustra as fases sucessivas de um ciclo, com sub-ciclos. A Fig. 4 é um esquema sinóptico da instalação funcionando de acordo com o processo. A Fig. 5 é um gráfico que ilustra as variações, dentro do reactor, dos valores : • da altura de água, expressa em metros (m), • da concentração em oxigénio dissolvido expressa em mg/1, • do pH, • da condutividade X expressa em mS/cm (milisiemens por centímetro) • e a concentração em amónio expressa em mgN/1 no eixo das ordenadas, em função do tempo em horas representado no eixo das abcissas, e A Fig. 6 é um gráfico que ilustra as variações de concentração amoniacal expressa em mgN/1 e de caudal expresso em m3/d (m3/dia) representados no eixo das ordenadas, em função do tempo, expresso em dias, representado no eixo das abcissas.

Fazendo referência à Fig. 1 dos desenhos, observa-se uma instalação para o tratamento de efluentes concentrados em amónio, geralmente possuindo uma concentração em azoto superior a 100 mg N/l (100 mg de azoto/litro) . A instalação 11 ΕΡ 1 910 233/ΡΤ compreende um reactor biológico sequencial 1 que é cheio, para um ciclo completo, por fracções volúmicas ou lotes, e esvaziado após o tratamento. Os efluentes vertidos no reactor 1 são igualmente denominados «afluentes». Um volume minimo de liquido Vmin subsiste dentro do reactor 1 após esvaziamento, sendo o nivel deste liquido esquematizado pela linha horizontal 2 na Fig. 1. O reactor biológico sequencial, abreviadamente RBS, contém bactérias nitrificantes, compreendendo bactérias nitritantes (oxidantes do amónio em nitritos) e bactérias nitratantes (oxidantes de nitritos em nitratos). As condições de funcionamento são previstas de modo a privilegiar a acção das bactérias nitritantes que transformam o amónio em nitritos e inibir ao máximo a acção das bactérias nitratantes, para evitar a transformação dos nitritos em nitratos.

Está previsto um reservatório tampão a montante do reactor 1. A alimentação do reactor 1 com afluente a tratar é assegurada por uma bomba 4 montada sobre uma conduta 5 proveniente do reservatório tampão 3. O esvaziamento é assegurado, por exemplo, por uma bomba 6 e por uma conduta 7 que forma o tubo de imersão até ao nivel 2. Está prevista uma fonte carbonada 8, por exemplo um reservatório de metanol, para permitir a uma bomba doseadora 9 a injecção dentro do reactor, no decurso das fases de anoxia, de uma dose de metanol ou de uma outra fonte carbonada. No fundo do reactor 1 estão previstos meios de arejamento 10, por exemplo, tubos perfurados, ligados a uma fonte de ar sob pressão, por exemplo um sobrepressor 11 por intermédio de uma electroválvula 12.

No decurso de um sub-ciclo de tratamento, após alimentação da fracção volúmica, numa primeira fase aeróbia, um arejamento do reactor 1 é assegurado por envio de ar pelos tubos 10 e formação de bolhas no afluente contido no reactor para provocar a transformação do amónio em nitritos sob a acção das bactérias nitritantes (nitritação). Numa fase seguinte de anoxia, o arejamento é interrompido e uma fonte carbonada, por exemplo metanol, é introduzida no reactor 1 com auxilio da bomba doseadora 9, para a transformação dos 12 ΕΡ 1 910 233/ΡΤ nitritos em azoto. 0 conjunto da fase aeróbia e da fase de anoxia constitui o ciclo biológico do sub-ciclo.

Designa-se por «ciclo completo» o conjunto das operações efectuadas para tratar um volume correspondente à capacidade do reactor entre o nível máximo 13 e o nível mínimo 2 de líquido. No início do ciclo completo o nível é mínimo, depois o reactor é cheio até ao nível máximo 13 e, após tratamento, o reactor é esvaziado até ao seu nível mínimo 2. 0 reactor 1, para um ciclo completo, é alimentado por fracções volúmicas sucessivas. O volume de afluente de cada fracção não representa senão uma parte da capacidade do reactor, de tal forma que a concentração em azoto do afluente é diluída no conteúdo do reactor e permanece aceitável para evitar uma inibição das bactérias nitritantes por uma concentração demasiado forte em azoto. Assim, as fracções sucessivas de afluente introduzidas no reactor farão elevar o nível de líquido por degraus sucessivos 14, 15, 16 e 13 (Fig. 2), ou seja quatro degraus no exemplo considerado. Se o afluente entrar numa concentração largamente superior à concentração inibitória das bactérias nitritantes a não ultrapassar, o fraccionamento da alimentação provoca uma diluição da fracção vertida no volume de líquido que se encontra já dentro do reactor 1, o que permite evitar a ultrapassagem da concentração inibitória.

No início da injecção de cada fracção volúmica de afluente é produzido um «golpe» ou pico P (Fig. 5) de carga amoniacal, favorável ao desenvolvimento da biomassa nitritante em detrimento da biomassa nitratante, e isto apesar da retenção de lamas próprias do reactor 1. De preferência, o pico P permanece superior a 125% da concentração amoniacal que caracteriza o fim do sub-ciclo em questão, durante um tempo no máximo igual a um quarto da duração do sub-ciclo.

Estão previstas sondas de medição e sensores em diferentes locais da instalação. Uma sonda 17 de medição de condutividade do efluente e um caudalímetro 18 estão previstos sobre a conduta de chegada do efluente. Os resultados das medições são enviados sob a forma de sinal 13 ΕΡ 1 910 233/ΡΤ eléctrico a meios de cálculo e de comando electrónicos, designadamente formados por um computador ou controlador C com microprocessador. Estas medições de condutividade e de caudal permitem a C determinar a carga azotada que entra no reactor 1 durante um determinado intervalo de tempo. Uma sonda 19 de medição e um caudalimetro 20 são previstos sobre a conduta de esvaziamento; os resultados das medições são enviados igualmente para o controlador C. No liquido no reactor 1, que constitui o tanque biológico, está prevista uma sonda 21 de medição de oxigénio dissolvido, uma sonda 22 de medição do potencial redox, uma sonda 23 de medição de pH e um sensor 24 de temperatura. Todas estas sondas ou sensores estão ligados ao controlador C, o qual comanda a entrada em funcionamento ou paragem das bombas 4, 6 e 9, assim como a abertura ou fecho da electroválvula 12 e o funcionamento ou paragem do sobrepressor 11.

Como ilustrado esquematicamente pela parte inferior da Fig. 3, um ciclo completo compreende vários sub-ciclos sucessivos, cada sub-ciclo comportando as etapas seguintes : - alimentação de uma fracção volúmica, - e um ciclo biológico com uma fase de arejamento para tratamento aeróbio de nitritação, e uma fase de anoxia para transformação dos nitritos em azoto. O ciclo completo termina com uma etapa de sedimentação, seguida de um esvaziamento. As durações das diferentes fases e etapas podem variar. A parte superior da Fig. 3 ilustra esquematicamente os «golpes» ou picos P de carga amoniacal [NH4+], expressa em mgN/1, provocados pela alimentação no inicio de cada sub-ciclo. Os picos P apresentam-se de maneira mais precisa sobre o gráfico da Fig. 5. A fim de adaptar o funcionamento do processo à variabilidade do afluente a tratar, a determinação do número e da duração das fases e a adição de reagente carbonado 8 é efectuada pelo controlador C, de acordo com um programa introduzido neste controlador, a partir de medições em tempo real a três níveis : 14 ΕΡ 1 910 233/ΡΤ 1) no afluente bruto, para determinar a carga azotada de entrada e afinar o número de sub-ciclos «alimentação / arejamento / anoxia», o tempo de arejamento e a adição de fonte carbonada, 2) no rejeitado, para determinar o rendimento do tratamento e permitir um ajustamento retroactivo do processo, 3) no reactor biológico, para controlar o bom desenrolar dos processos biológicos durante os ciclos arejados e não arejados.

Os diferentes elementos do processo da invenção são detalhados no que se segue. 1) Utilização de medições no afluente a tratar A carga azotada que entra durante um determinado intervalo de tempo é determinada graças, por exemplo, à medição da condutividade com a sonda 17 e do caudal com o caudalímetro 18 ou à utilização de sensores específicos : • Um fraccionamento óptimo da alimentação no decurso do ciclo global do RBS é efectuado de maneira a dopar as cinéticas de produção de nitritos por golpes de concentração amoniacal, mas evitando alterar a actividade bacteriana. • Este fraccionamento é obtido comandando a operação ou paragem da bomba 4. • As necessidades diárias em oxigénio são estimadas, assim como a duração da fase de arejamento necessária para satisfazer esta exigência, em função da potência de arejamento instalada e do número de ciclos de arejamento/não arejamento aplicados. O sobrepressor 11 e a válvula 12 são comandados consequentemente por C. • As necessidades em carbono biodegradável são calculadas a partir de razões teóricas ou experimentais e o tempo de funcionamento da bomba doseadora 9 de reagente carbonado durante a fase de anoxia é fixado em consequência. O funcionamento da bomba 9 é comandado por C. O número mínimo de fases de alimentação Nalirnmin (ou número de fracções volúmicas sucessivas) de um ciclo completo RBS é determinado pelo controlador C em função da carga 15 ΕΡ 1 910 233/ΡΤ volúmica azotada a tratar (uma carga mais forte implica um aumento do número de ciclos), de maneira a evitar a inibição pela concentração amoniacal. A fórmula que se segue poderá ser empregue para calcular o fraccionamento minimo a aplicar à carga diária : fNH4,j

Nalimmin ([NH4+]inhib — [ NH4+ ] ef f ) * Vmin * Nrbs em que,

Nalirnmin: número minimo de fases de alimentação (ou fracções volúmicas)

Fnh4,4: carga azotada diária [NH4+]eff: concentração em amónio no efluente que sai do reactor

Vmin: volume liquido mínimo (após esvaziamento/extracção e antes da alimentação)

Nrbs: número de ciclos completos RBS por dia [NH4+]inhib: concentração em amónio inibidora da biomassa nitritante, depende do pH e da temperatura do meio e da concentração em amoníaco inibitória [NH3]inhib da população bacteriana presente no reactor, sob a forma : 17 *(KW/Kb+10pH) emqlle „ 344/<273+7ΤΟ)

Concentrações da ordem de 10 mg N-NH3/I podem já ser tóxicas para as bactérias nitritantes. O controlador C determina um número mínimo Nbiolmin de sub-ciclos aeróbio /anoxia de maneira a não ultrapassar uma duração total de reacção biológica dada, escolhida de maneira a evitar oscilações de concentração em oxigénio dissolvido e de pH demasiado importantes, assim como períodos de anoxia prolongados. A fim de manter a robustez e a regularidade do tratamento, convém fazer coincidir o número de alimentações com o número de sub-ciclos aeróbio/anoxia, de maneira a 16 ΕΡ 1 910 233/ΡΤ aplicar um único sub-ciclo «alimentação/ aeróbio /anoxia». O número NC de sub-ciclos efectivamente aplicado será portanto o valor maior entre Nalimmin e Nbiolmln.

Uma vez definido o número de sub-ciclos «alimentação / aeróbio / anoxia», é predefinido um certo número de sub-ciclos do tipo «aeróbio / anoxia», cujas durações das fases são fixadas. A duração total tC destas fases de reacção será calculada em função do número de sub-ciclos NC: tC = (t RBS talim tsedim textract ) /nc O sub-ciclo «aeróbio / anoxia» efectivamente aplicado será aquele cuja duração de arejamento corresponda melhor à duração de arejamento teórico calculada pelo controlador C a partir da carga de entrada, da configuração do sistema de arejamento do reactor e da cinética de reacção. Da mesma maneira, um tempo de funcionamento da bomba doseadora 9 de metanol poderá ser determinado por C a partir de medições da carga azotada de entrada. O cálculo da carga azotada média é efectuado sobre um período pertinente, por exemplo o da duração do ciclo biológico, do período de alimentação, do tempo de residência hidráulico ou da jornada, uma vez que dada a variabilidade intrínseca aos tipos de efluentes tratados, um passo de tempo demasiado curto conduziria a uma instabilidade do sistema e um passo de tempo demasiado longo conduziria a um nível de arejamento e/ou de adição de fonte carbonada geralmente inadequado à qualidade do efluente a tratar. 2) Utilização de medições no rejeitado É possível aperfeiçoar a conduta de arejamento introduzindo um ajustamento automático retroactivo em função do rendimento de eliminação de azoto do tratamento biológico, calculado por C a partir de medições em linha na entrada e na saída do reactor 1. A fim de optimizar a adição do reagente carbonado, é possível instaurar um sistema de retro-ajustamento automático do tempo de funcionamento da bomba doseadora 9, a partir de 17 ΕΡ 1 910 233/ΡΤ medições na entrada (17, 18) e na saída (19, 20) do tanque biológico. Se o rendimento de eliminação de azoto calculado pelo controlador C for superior a um rendimento mínimo predeterminado, o controlador C comanda uma diminuição do tempo de funcionamento da bomba doseadora 9 com vista a reduzir a quantidade de reagente carbonado adicionado (inicialmente calculada em função da carga de entrada). Em caso de deterioração da qualidade do afluente tratado que sai do reactor 1, a primeira acção correctiva comandada pelo controlador C será o reestabelecimento do tempo inicial de funcionamento da bomba doseadora 9. A periodicidade deste reajustamento deverá aguardar no mínimo 3 idades de lamas para não introduzir perturbações muito importantes no sistema. Relembra-se que a idade das lamas é a razão entre a massa de lamas presentes no reactor e a massa de lamas diárias extraídas do reactor.

Esta aplicação é particularmente útil no âmbito do tratamento de efluentes concentrados em azoto aos quais se aplica o processo da invenção, para os quais foram reportados processos alternativos de desnitrificação autotrófica, conduzindo a necessidades praticamente nulas em carbono biodegradável.

Com o objectivo de comandar uma acção correctiva apropriada, é frequentemente útil acoplar esta informação àquela fornecida por sensores testemunha do estado do sistema no tanque biológico, isto é no líquido contido no reactor 1. 3) Utilização de medições no tanque biológico O processo pode utilizar a informação fornecida por diferentes sensores no tanque biológico, tais como sensores de condutividade 21, de concentração em oxigénio dissolvido 22, de potencial redox 23 e de pH 24, ligados ao controlador C e que vão permitir seguir em contínuo a evolução do tratamento e o comando de acções correctivas. Estão previstos sensores de temperatura : mede-se a temperatura no reactor e assegura-se uma regulação da temperatura de maneira a mantê-la entre 5 e 45°C. A duração das fases arejadas e não arejadas inicialmente definida em função da carga azotada a tratar e eventualmente 18 ΕΡ 1 910 233/ΡΤ do rendimento de eliminação do azoto pode portanto ser modulada pelo controlador C em função de valores indicativos ou limite de condutividade, de concentração em oxigénio dissolvido, de potencial redox e/ou de pH. Assim, o funcionamento do dispositivo de arejamento 10, 11 pode ser : • Regulado em função de um valor indicativo em oxigénio dissolvido e/ou da derivada do potencial redox e/ou da condutividade. • Parado ou recomeçado em função de limites de oxigénio dissolvido e/ou de potencial redox e/ou de pH, o controlador C comandando o arranque ou a paragem do sobrepressor 11 com abertura ou fecho da válvula 12. A escolha dos sensores e do tipo de regulação do arejamento será orientada em função dos constrangimentos técnico-económicos particulares do sistema. O esquema da figura 4 ilustra um sistema de gestão completo com base nas medições do caudal Q e da condutividade X na entrada e na saída do reactor 1 e com base nas medições de concentração em oxigénio dissolvido 02, de pH, de potencial redox ORP e de condutividade X no reactor biológico 1. A medição da carga na entrada do reactor permite definir um número NC de sub-ciclos de duração tC, e uma duração das fases arejadas (t aer) e das fases não arejadas (t anox). Uma afinação na opção inferior C(x-l) ou superior C(x+1) é efectuada em função de cálculos de rendimento (R) e das medições em linha no reactor biológico.

Exemplo A carga azotada média de um sobrenadante de centrifugação de lamas de digestão é de 150 kg N/d para uma concentração média de 600 mg N-NH4VI, mas variável entre 400 e 1000 N-NH4VI. Considera-se igualmente que a alimentação é parada durante três dias na sequência de uma avaria das centrífugas próximo do vigésimo dia, o que tem como consequência um caudal nulo (Figura 6).

Esta carga azotada é tratada num reactor biológico sequencial (RBS) de 450 m3 cuja altura de líquido varia 19 ΕΡ 1 910 233/ΡΤ entre 3 e 4 m, de acordo com 3 ciclos completos de 8h/d. Um fraccionamento da alimentação mínima (Nalirnmin) em 4 fases foi calculado tomando as hipóteses seguintes: [NH4+]eff = 50 mg N/l, [NH3] inhib = 10 mg N-NH3/I, pH = 8,3, T = 25°C. O tempo tC biológico resultante, de 90 minutos, era coerente com o minimo fixado para o sistema. Quatro sub-ciclos « alimentação / arejamento / anoxia » são portanto aplicados antes das etapas de sedimentação e de remoção, com o objectivo de evitar a inibição pela concentração amoniacal aos pH mais elevados, com o objectivo de aplicar uma duração de arejamento suficiente e com o objectivo de evitar periodos de anoxia prolongados. Nesta configuração, foram definidas cinco opções de durações de reacção biológica (arejamento/anoxia) (Tabela 1).

Tabela 1 : Ciclos completos e ciclos biológicos (dos sub-ciclos) do reactor RBS empregue para o tratamento do azoto de efluentes de digestor por «shunt» de nitratos. N° de ciclos RBS/d 3 Duração do ciclo RBS 8 h Duração da alimentação 60 min Duração da sedimentação 3 0 min Duração da extracção 30 min N° de ciclos biol/ciclos RBS 4 Tempos biol/ciclo RBS 9 0 min

Ciclo biológico min/ciclo h/d arejamento anoxia arejamento anoxia Ciclo 1 15 75 6 18 Ciclo 2 30 60 9 15 Ciclo 3 45 45 12 12 Ciclo 4 60 30 15 9 Ciclo 5 75 15 18 6 A carga azotada que entra é calculada pelo controlador C uma vez por dia a partir das médias das medições de condutividade, fornecidas pela sonda 17 e de caudal de alimentação fornecida pelo caudalimetro 18. A relação condutividade/amónio foi estabelecida previamente para este efluente. Os tempos de arejamento e de não arejamento teóricos são calculados a partir da carga a tratar em função das necessidades em oxigénio (em relação ao intermediário 20 ΕΡ 1 910 233/ΡΤ nitrito), verificando que as cinéticas de reacção não são limitantes. Desta maneira, é aplicada a mais próxima das cinco opções de durações pré-definidas. Em paralelo, o tempo de funcionamento da bomba doseadora 9 de metanol é determinado em função das necessidades em carbono biodegradável (em relação ao intermediário nitrito) da carga de entrada, verificando que as cinéticas não são limitantes. A Figura 5 retoma uma evolução típica dos parâmetros de seguimento e de controlo no reactor 1 durante os quatro sub-ciclos de um ciclo completo de 8h : • Concentração em oxigénio dissolvido A sonda 22 de oxigénio dissolvido permite a regulação do arejamento entre os valores indicativos de 1 e 2 mg O2/I; uma duração de fase arejada mais longa implicaria paragens e rearranques mais frequentes do sobrepressor 11. A curva de 02 a tracejado da Fig. 5 representa as variações da concentração de 02 que aumenta em aerobiose e que diminui e se anula em anoxia.

• pH A curva de pH representa as variações do pH que diminui em fase aeróbia e aumenta em fase anoxia. O pH permanece compreendido entre 6,5 e 8,5, praticamente entre 7 e 8. Se a alimentação não fosse fraccionada, o pH teria provavelmente descido, durante as fases aeróbias, até valores que inibem a actividade das bactérias oxidantes do amónio. • Condutividade A curva X (condutividade) revela uma diminuição de condutividade durante a fase de desnitritação anoxia como consequência da passagem de formas iónicas azotadas a azoto gasoso. No final do período, a derivada da condutividade tende para zero, reflectindo uma desnitrificação completa. A curva de NH4+ faz aparecer os picos P de concentração amoniacal, ou «golpe de carga» amoniacal, no início da alimentação de cada fracção volúmica, em correspondência com 21 ΕΡ 1 910 233/ΡΤ os degraus da curva H de altura da água. Os picos P atingem 100 mgN/1 e não permanecem superiores a 65 mgN/1 (125% dos 52 mg N/l medidos no final do sub-ciclo) senão durante um intervalo de tempo inferior a um quarto da duração do sub-ciclo . A eliminação do azoto amoniacal do sistema tem lugar por meio de «shunt» dos nitratos, com uma oxidação do amónio em nitritos durante a fase arejada e uma redução dos nitritos em azoto gasoso durante a fase anoxia graças ao metanol adicionado. A pressão exercida pelos «golpes» amoniacais no inicio de cada sub-ciclo biológico, unida à manutenção de concentrações fracas em oxigénio dissolvido durante a fase arejada, permitem desenvolver selectivamente a biomassa nitritante em detrimento da biomassa nitratante e isto apesar da retenção de lamas própria do reactor RBS. A medição de condutividade no fim do tratamento, pela sonda 19, permite uma avaliação regular do rendimento da eliminação de azoto e serve de alarme para corrigir eventuais derivas do sistema. Assim, estando fixado um rendimento mínimo de 80%, este desceu para 70% quando o ciclo biológico n°2 foi aplicado. O controlador C verificou que a concentração em oxigénio dissolvido não tinha ultrapassado 1 mg/1 durante as fases arejadas da jornada, reflectindo uma oxidação incompleta da carga amoniacal e o ciclo n°3, que comporta uma fase arejada mais longa foi necessário. A medição da condutividade, pelo sensor 21 no reactor biológico pode igualmente revelar-se útil. Assim, alguns dias mais tarde foi observada uma nova baixa de rendimento enquanto a derivada da medição da condutividade durante as fases anoxia não tendia para 0, reflectindo uma desnitrificação incompleta. A acção subsequente consistiu em aplicar o ciclo n°2.

Um circuito de reajustamento da adição de metanol foi finalmente instaurado, de maneira a reduzir todos os 15 dias o tempo de funcionamento da bomba doseadora 9. Em caso de baixa do rendimento de eliminação do azoto abaixo do valor mínimo fixado, o tempo de funcionamento da bomba 9 foi reestabelecido no valor precedente. O processo da invenção permite realizar economias consideráveis em relação à energia de arejamento (25%), à 22 ΕΡ 1 910 233/ΡΤ adição de reagente carbonado (40% no mínimo) e à produção de lamas (cerca de 30%), mas sempre fornecendo em permanência quantidades de ar e de carbono suficientes para tratar a carga poluente num reactor biológico sequencial. Esta configuração permite aplicar cargas volúmicas superiores às de outros reactores de alimentação contínua descritos anteriormente para um tratamento do azoto por «shunt» de nitratos.

Lisboa, 2013-06-19

Claims (17)

1. ΕΡ 1 910 233/ΡΤ 1/5 REIVINDICAÇÕES 1. Processo de tratamento de efluentes concentrados em azoto, usando uma oxidação de amónio em nitritos, seguida de uma desnitritação dos nitritos em azoto gasoso num reactor biológico sequencial no qual as fases de reacção são fraccionadas, contendo esse reactor bactérias nitrificantes, estando as condições de funcionamento previstas para evitar uma inibição das bactérias nitritantes por uma concentração demasiado forte em azoto e inibir ao máximo a acção das bactérias nitratantes, processo de acordo com o qual um volume de afluente a tratar num ciclo completo é vertido no reactor em fracções volúmicas sucessivas, estando o ciclo de tratamento completo dividido em sub-ciclos sucessivos, compreendendo cada sub-ciclo uma fase de alimentação com uma fracção volúmica, depois uma fase de arejamento para provocar a nitritação, depois uma fase de anoxia durante a qual o arejamento é interrompido e uma fonte carbonada é introduzida no reactor para a transformação dos nitritos em azoto, caracterizado por se efectuarem uma série de medições em tempo real no efluente a tratar, no rejeitado e no reactor biológico, por os resultados das medições serem enviados para um meio de cálculo e de comando (C) , em particular um controlador, o qual de acordo com um programa avalia a carga volúmica azotada a tratar no afluente e determina o número mínimo de fases de alimentação de um ciclo completo em função dessa carga azotada e do volume mínimo de líquido no reactor, de acordo com a fórmula seguinte: FnH4, j NaliitVn ( [NH4+ ] inhib — [NH4+ ] ef f ) * Vmin * NRBS onde Nalirnmin: número mínimo de fases de alimentação FNH4,j: carga azotada diária [NH4+]eff: concentração em amónio no efluente que sai do reactor Vmin: volume líquido mínimo (após extracção e antes da alimentação) da biomassa NRbs : número de ciclos completos RBS por dia [NH4+] inhib: concentração em amónio inibidora nitritante, ΕΡ 1 910 233/ΡΤ 2/5 de modo que a concentração em azoto da fracção volúmica injectada é diluída no volume de líquido que permanece no reactor, o que permite evitar a inibição das bactérias nitritantes, sendo entretanto a carga azotada da fracção volúmica suficiente para assegurar no reactor um «golpe» ou pico (P) de carga amoniacal na descarga de cada fracção, favorável ao desenvolvimento da biomassa produtora de nitritos.
2. 2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por se avaliar a carga volúmica azotada a tratar no afluente por medição da condutividade (X) e do caudal (Q) do afluente.
3. 3. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por a carga azotada da fracção volúmica injectada ser suficiente para assegurar, na descarga desta fracção no reactor, um pico (P) de carga amoniacal que é e permanece superior a 125% da concentração amoniacal que caracteriza o fim do sub-ciclo em questão, durante um período de tempo no máximo igual a um quarto da duração do sub-ciclo.
4. 4. Processo de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado por se medir e controlar a concentração em oxigénio dissolvido no reactor para a manter em valores entre 0 e 2 mg O2/I, limitando a duração das fases arejadas e adaptando o fornecimento de oxigénio à carga a tratar.
5. 5. Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por as oscilações de concentração em oxigénio dissolvido serem limitadas entre 0 e 2 mg O2/I por um número mínimo Nbiolmin de sub-ciclos aeróbio/anoxia.
6. 6. Processo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por o número (NC) de sub-ciclos efectivamente aplicados ser o maior valor entre Nalirnmin e Nbiolmin.
7. 7. Processo de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado por se medir o pH no reactor e se assegurar uma alternância das fases vizinhas de nitritação e de desnitritação, limitando as variações de pH entre 6,5 e 8,5, de preferência entre 7 e 8. ΕΡ 1 910 233/ΡΤ 3/5 reivindicações temperatura no temperatura de
8. 8. Processo de acordo com uma das precedentes, caracterizado por se medir a reactor, e se assegurar uma regulação da maneira a mantê-la entre 5 e 45°C.
9. 9. Processo de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado por os ciclos biológicos do tipo «aeróbio/anoxia», com durações das fases arejadas e anóxicas fixadas, serem predefinidos e a duração total tC destas fases de reacção ser calculada em função do número de ciclos NC: tC = (tr - t alim -sedim -extract /NC onde tRBs: duração do ciclo RBS global taiim: duração global da alimentação (não fraccionada) tsedim: duração da fase de sedimentação textract · duração da fase de extracção
10. 10. Processo de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado por o tempo de injecção da fonte carbonada durante a fase não arejada ser determinado a partir das medições da carga azotada de entrada.
11. 11. Processo de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado por ser aplicado ao tratamento de sobrenadantes de digestores anaeróbios.
12. 12. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado por ser aplicado ao tratamento de condensados de tratamento de gás.
13. 13. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado por ser aplicado ao tratamento de lixiviados de descarga.
14. 14. Instalação de tratamento de efluentes concentrados em azoto, contendo em particular mais de lOOmg N/l, usando uma oxidação de amónio em nitritos, seguida de uma desnitritação dos nitritos em azoto gasoso num reactor biológico sequencial (1) no qual as fases de reacção são fraccionadas, contendo esse reactor bactérias nitrificantes, ΕΡ 1 910 233/ΡΤ 4/5 estando as condições de funcionamento previstas para evitar uma inibição das bactérias nitritantes por uma concentração demasiado forte em azoto e inibir ao máximo a acção das bactérias nitratantes, sendo vertido no reactor em fracções volúmicas sucessivas um volume de afluente a tratar num ciclo completo, estando o ciclo de tratamento completo dividido em sub-ciclos sucessivos, compreendendo cada sub-ciclo uma fase de alimentação com uma fracção volúmica, depois uma fase de arejamento para provocar a nitritação, depois uma fase de anoxia durante a qual o arejamento é interrompido e uma fonte carbonada é introduzida no reactor para a transformação dos nitritos em azoto, caracterizada por comportar meios de medição (17, 18), designadamente uma sonda (17) de medição da condutividade (X) e um caudalímetro (18) para medir o caudal (Q) do afluente, para efectuar uma série de medições em tempo real no efluente a tratar, no rejeitado e no reactor biológico, estando estes meios de medição ligados a um meio de cálculo e de comando (C), em particular um controlador, o qual de acordo com um programa avalia a carga volúmica azotada a tratar no afluente e determina o número de fases de alimentação de um ciclo completo em função dessa carga azotada e do volume mínimo de líquido no reactor, de acordo com a fórmula seguinte: fNH4,j Nalirnmin = - ([NH4+]inhib — [NH4+ ] eff ) * Vmin * Nrbs onde Nalirnmln: número mínimo de fases de alimentação FNH4,j: carga azotada diária [NH4+] eff: concentração em amónio no efluente que sai do reactor Vmin: volume líquido mínimo (após extracção e antes da alimentação) Nrbs : número de ciclos completos RBS por dia [NH4+] inhib: concentração em amónio inibidora da biomassa nitritante, de modo que a concentração em azoto da fracção volúmica injectada é diluída no volume de líquido que permanece no reactor, o que permite evitar a inibição das bactérias nitritantes, sendo entretanto a carga azotada da fracção ΕΡ 1 910 233/ΡΤ 5/5 volúmica suficiente para assegurar no reactor um «golpe» ou pico (P) de carga amoniacal na descarga de cada fracção, favorável ao desenvolvimento da biomassa produtora de nitritos.
15. 15. Instalação de acordo com a reivindicação 14, caracterizada por compreender uma sonda de medição de condutividade (19) e um caudalimetro (20) no efluente de saida, e diferentes sensores no reactor (1), em particular sensores de condutividade (21), de concentração em oxigénio dissolvido (22), de potencial redox (23) e de pH (24), estando todas estas sondas e sensores ligados ao controlador (C) para permitir um acompanhamento continuo da evolução do tratamento e para comando das acções correctivas.
16. 16. Instalaçao de acordo com a reivindicação 14 ou 15, caracterizada por compreender uma fonte carbonada (8) e uma bomba doseadora (9) comandada pelo controlador (C) para o tempo de injecção da fonte carbonada durante uma fase de anoxia, sendo este tempo de injecção determinado a partir de medições da carga azotada de entrada.
17. 17. Instalação de acordo com uma das reivindicações 14 a 16, caracterizada por compreender meios de arejamento (10,11,12) comandados por um controlador (C) de acordo com as medições de concentração em oxigénio dissolvido. Lisboa, 2013-06-19