PT2834198T - Resumo - Google Patents

Description

Descrição

Tratamento híbrido de águas residuais Campo de invenção 0 invento refere-se a um processo de tratamento de águas residuais melhorado utilizando um reator de lamas ativadas num processo híbrido incluindo um reator de biomassa aeróbica granular.

An tecedentes

Na prática comum, as estações de tratamento de águas residuais (ETAR) incluem um passo de processo biológico no qual uma parte das águas residuais contendo matéria sólida, substâncias orgânicas e nutrientes suspensas e solúveis é tratada por lamas ativadas (constituídas principalmente por microrganismos). Este processo pode ter lugar quer anaerobiamente ou aerobicamente. 0 processo mais aplicado para o tratamento aeróbio de águas residuais é chamado de processo de "lamas ativadas convencionais" (CAS). Ele envolve ar ou oxigénio sendo introduzido num reator de tratamento biológico que contém uma mistura de esgoto tratado e, às vezes, primariamente tratada ou de águas residuais industriais e biomassa de purificação, também referida como "lodo ativado". Os sólidos em suspensão de licor misto (MLSS) desenvolvem-se num floco contendo biomassa, o qual tipicamente cresce em agregados macios suspensos. 0 tanque de decantação subsequente (normalmente referido como "clarificador final") é utilizado para permitir que os flocos biológicos se estabeleçam, separando assim a lama purificadora da água tratada. 0 lodo sedimentado é reciclado por processo biológico como "lodo ativado de retorno" (RAS). Para manter a biomassa no reator de tratamento a um nível desejado durante o crescimento de biomassa, periodicamente parte do RAS é desperdiçada como "lodo ativado com resíduos" (WAS). 0 processo CAS é aplicado numa variedade de configurações, compreendendo um ou vários tanques em (s) trem (s) de tratamento paralelo ou sequencial. Tais tanques podem, por exemplo, ser operados como um reator de fluxo aberto, como reator de tanque agitado contínuo (CSTR) ou como reator de lote de sequenciação (SBR) . Embora o processo CAS seja amplamente utilizado, ele tem várias desvantagens importantes, tais como: fracas características de sedimentos de sedimentação e limitação a baixas concentrações de MLSS, tendência para desenvolver lamas flutuantes e tempo definido de permanência de lamas ativadas. Estas desvantagens são brevemente descritas a seguir.

Fracas características de lama de decantação

Devido à sua estrutura semelhante a flocos, as características de sedimentação das lamas ativadas são relativamente pobres, mesmo quando a instalação está a funcionar bem. Isto resulta na necessidade de grandes clarificadores finais e consequentemente elevados custos de construção e grande pegada da planta. Muitas melhorias no passado, portanto, centraram-se na obtenção de melhores técnicas de separação. Um deles é o uso de microfiltração para separar o lodo ativado da água tratada num Reator Biológico de Membrana (MBR). Outra é a adição de produtos químicos para melhorar as características de assentamento da biomassa. Em W096/14912 descreve-se um método que melhora as propriedades de sedimentação de lamas ativadas por extração de gás e criação de uma maior densidade de biomassa. 0 método de retirar seletivamente as lamas de sedimentação fracas é descrito em EP1627854.

Limitação para baixas concentrações de MLSS 0 processo CAS está limitado a uma concentração relativamente baixa de MLSS, tipicamente 3-5 g MLSS/L. Concentrações mais elevadas de MLSS levam a uma retenção de lamas prolongadas, não favorável, em clarificadores finais e, especialmente em condições com fluxos hidráulicos superiores à média, à lavagem potencial de lamas. Medidas de ponta para aumentar o nivel de focagem MLSS na aplicação de microfiltração para separação de lamas/água (Reatores Bio Membrana) em vez de sedimentação ou utilização de material de suporte submerso para aumentar a concentração de biomassa, como por exemplo descrito em WO03/068694.

Lamas flutuantes 0 processo de CAS coincide com uma ocorrência periódica de "lama de volume" flutuante ou muito difícil de sedimentar, um fenômeno causado por um crescimento aumentado de microrganismos filamentosos nos flocos de lamas ativadas. As medidas de neutralização típicas incluem a oxidação quimica para destruir principalmente os organismos filamentosos ou a utilização de reatores especiais de seleção de biomassa antes da lama ativada em que o crescimento de microrganismos filamentosos é reduzido.

Tempo de residência de lama ativada definida 0 processo de CAS para a remoção de nutrientes é tipicamente concebido com um tempo de residência de lama ativada definido no sistema de 5-15 dias. Este período de tempo estabelece um limite para a acumulação de espécies favoráveis de microrganismos com baixas taxas de crescimento, que não podem ser mantidas no sistema de tratamento. As medidas para prolongar o tempo de residência da lama incluem o Reator Biológico de Membrana, a adição de material de suporte submerso para o crescimento ligado e o uso de bio aumento. Nestes processos de bio aumento, uma população específica de microrganismos é cultivada e muitas vezes imobilizada em reatores de bio aumento. Os reatores são alimentados com o substrato específico ou as correntes de lado de resíduos integrados da instalação de tratamento de águas residuais e depois são doseados para o sistema CAS, como descrito em, por exemplo EP0562466. Outro exemplo de um tal processo de bio aumento insitu é descrito em WOOO/ 05177: descreve um reator de bio aumento externo para enriquecer organismos específicos na matriz de lamas ativadas.

As desvantagens dos sistemas CAS típicos são superadas em grande parte pelo processo e sistema de biomassa granular aeróbica (AGB) desenvolvido pela Delft University of Technology (W02004/024638). Neste processo é cultivada biomassa granular com um tamanho típico de 0,2-3,0mm que tem características muito diferentes dos flocos tal como crescido em CAS. Por exemplo, a velocidade de sedimentação dos grânulos aplicados está na gama de 5,0-50,0 m/h (em comparação: o CAS típico seria de 0,5-1,0 m/h). Os índices de volume de lama (SVI) para biomassa granular aeróbia são 70 ml/g ou inferior e tipicamente são comparáveis em valor após 5 e 30 minutos de tempo de sedimentação. Além disso, as concentrações MLSS podem ser mantidas em níveis 2-4 vezes maiores do que nos sistemas CAS, resultando em aproximadamente 2-4 vezes mais "poder de purificação". Além disso, tanto a estrutura em camadas de grânulos em zonas aeróbicas, anóxicas e anaeróbias e a gama de tamanhos de grânulos resultam em uma grande distribuição de idades de lodo. Isto permite que micro-organismos específicos e favoráveis com baixas taxas de crescimento sobrevivam no processo AGB.

Contudo, uma desvantagem do processo AGB é o facto de os grânulos necessitarem de ser crescidos num sistema alimentado de forma descontínua, em reatores descontínuos de sequenciação. Foi relatado que a AGB só pode desenvolver-se e ser mantida em operações descontínuas, durante as quais os microrganismos de crescimento lento são seleccionados a concentrações de alimentação elevadas seguidas de um regime de fome durante as condições de não alimentação (ver W02004/024638) . Tais condições não podem, por definição, ser estabelecidas facilmente em sistemas CAS alimentados continuamente.

Portanto, a tecnologia não pode ser facilmente usada para adaptar sistemas CAS alimentados continuamente em sistemas voltados para o crescimento de AGB. A substituição dos sistemas CAS contínuos amplamente utilizados significaria um grande desinvestimento de capital. Esforços para desenvolver um sistema AGB continuamente alimentado têm sido relatados na literatura, mas até agora não são viáveis em condições práticas. Faz-se referência a um estudo sobre a formação e estabilidade de grânulos aeróbios num sistema contínuo: (N. Morales, et al., Separation and Purification Technology, volume 89, página 199-205, 2012). Também foram feitos esforços para substituir a lama ativada em sistemas MBR contínuos com biomassa granular aeróbica de modo a reduzir a incrustação da membrana. Foi investigado se o lodo ativado nos sistemas MBR contínuos poderia ser substituído por biomassa granular cultivada em reatores de cultivo ou cultivada em reatores de biomassa granular. Os resultados mostraram que não era viável manter os grânulos aeróbios no sistema MBR: os grânulos deterioraram-se rapidamente (Referência: Xiufen et al., Characteristics of Aerobic Biogranules from Membrane Bioreactor System, Journal of Membrane Science, 287, page 294-299, 2006). Como consequência, no atual estado da arte, atualizar o desempenho dos sistemas CAS existentes usando biomassa granular aeróbia só é possível através da adaptação dos sistemas CAS nos reatores AGB de sequenciamento em batelada.

Mesmo se num caso hipotético a biomassa granular pudesse sobreviver em CAS, o tamanho e as características de sedimentação dos grânulos são tais que em muitos CAS a intensidade de mistura não é suficiente e eles se assentarão para o fundo e como tal ficam inativos para o processo de tratamento.

Uma desvantagem assumida de sistemas operados em lote, como o sistema AGB, é a sensibilidade a flutuações de carga hidráulicas altas fora da especificação. Isso ocorre porque todas as operações ocorrem num tanque e a alimentação de um tanque é descontínua. Isto é diferente dos sistemas CAS equipados com clarificadores finais grandes, que os clarificadores podem atuar como o tanque do tampão para impedir a perda da lama. Esta desvantagem pode ser combatida pela instalação de tanques tampão de alimentação ou pelo ajuste de padrões de alimentação nos vários tanques de processo AGB. O documento JP-A 2009-090161 descreve um tratamento de águas residuais aeróbicas compreendendo uma série (não uma disposição em paralelo) de tanques de arejamento. As lamas em flocos granulares são produzidas num leito oscilante com material de suporte no primeiro tanque arejado e alimentadas para o segundo tanque. A JP-A 2007-136368 descreve um tratamento de águas residuais aeróbicas em que a lama é granulada num tanque de contacto, e a lama é então alimentada para um reator a jusante; o excesso de lama granular do reator aeróbio é retornado ao tanque de contato. O documento WO 2007/029509 descreve um processo de tratamento de águas residuais aeróbias com retorno de lamas, utilizando um tanque ventilado particionado e microrganismos imobilizados num suporte no primeiro compartimento.

Sumário da invenção

Verificou-se surpreendentemente que as deficiências e desvantagens dos processos da técnica anterior poderiam ser superadas por adição de um sistema AGB a um sistema CAS e manipulação dos fluxos de lamas a partir do sistema AGB. O acoplamento do processo híbrido resultante melhora consideravelmente o desempenho e a flexibilidade das modernas estações de tratamento de águas residuais. A invenção compreende assim um novo processo para tratamento biológico de águas residuais em que o desempenho dos sistemas CAS é melhorado. A adição de um ou mais reatores AGB serve para dois propósitos: 1) tratar uma parte das águas residuais não tratadas e, deste modo, contribuir para o desempenho global do tratamento da instalação de tratamento híbrida global e 2) melhorar sinergicamente o desempenho das instalações existentes CAS sem adição de produtos químicos, sem reformar do sistema CAS completo para a operação em série, sem usar medidas de desgaseificação ou usando membranas, sem usar material de suporte de biomassa submersa e sem bio aumento com microrganismos cultivados especiais ou imobilizados produzidos por substrato externo. Também, as flutuações hidráulicas da carga podem ser acomodadas ao manter o tratamento eficaz do desperdício.

Breve descrição dos Desenhos

Nos desenhos anexos: A Figura 1 representa esquematicamente um equipamento híbrido de tratamento de águas residuais da invenção; A Figura 2 representa esquematicamente uma variação do processo híbrido de tratamento de águas residuais da invenção, tal como operado numa fase de arranque; A Figura 3 representa esquematicamente outra variação do processo de tratamento de águas residuais híbridas da invenção que compreende uma unidade de processamento de lamas de resíduos; A Figura 4 representa esquematicamente um reator a ser utilizado para o processo granular aeróbico da invenção.

Descrição detalhada da invenção 0 invento proporciona assim um processo de tratamento de águas residuais que compreende submeter uma parte de um abastecimento de águas residuais a um processo de lamas ativadas utilizando biomassa aeróbica semelhante a flocos e alimentar parte do efluente a um processo de biomassa granular utilizando biomassa granular aeróbica, Isto é, a biomassa residual e os sólidos em suspensão, provenientes do processo de biomassa granular são alimentados ao processo de lamas ativadas. 0 processo de lamas ativadas (CAS) e o processo de biomassa granular (reatores AGB) são executados em paralelo, o que significa que a corrente de águas residuais principal é dividida em um fluxo submetido ao sistema CAS e um fluxo submetido ao (s) reator (es) AGB, e as correntes separadas não são substancialmente misturadas durante o processo de tratamento, exceto em quantidades baixas que acompanham a transferência de biomassa do sistema AGB para o sistema CAS. A configuração paralela é descrita em mais detalhes abaixo. A parte da biomassa do processo de biomassa granular que é alimentada ao processo de lama ativada, isto é, os sólidos em suspensão, é especialmente a parte mais leve da biomassa, ou seja, a parte que tem tamanhos de partícula mais pequenos e/ou uma velocidade de sedimentação mais baixa (em particular menor velocidade de sedimentação) do que a parte que não é alimentada ao sistema CAS, ou seja, permanece no reator AGB. 0 excesso de biomassa granular dos reatores AGB não é de preferência alimentado para o sistema CAS, mas será processado ou reutilizado fora do processo. 0 lodo em excesso do sistema CAS é de preferência não alimentado ao processo de biomassa granular.

Tal como aqui utilizado, a biomassa granular aeróbica (AGB), a ser utilizada no processo de biomassa granular, e a biomassa aeróbica tipo floco, a utilizar no processo convencional de lamas ativadas (CAS), distinguem-se por uma ou mais características: (1) índice de volume de lama (SVI30), definido como o volume em mililitros ocupado por lg de uma suspensão após 30 minutos de sedimentação: a biomassa granular aeróbia tem um SVI 30 inferior a 70ml/g, de preferência inferior a 60 ml/G, mais preferencialmente inferior a 50ml/g, mais preferencialmente inferior a 40ml/g; Enquanto a biomassa aeróbica semelhante a flocos tem tipicamente um SVI 30 superior a 70ml/g, particularmente mais do que 80ml/g, mais em particular entre 90 e 150 ml/g; Uma biomassa de lama, tal como aqui utilizada, pode assim ser referida como granular, se o SVI 30 for inferior a 70ml/g, e sob a forma de flocos, se o SVI 30 for superior a 70ml/g. Além disso, o SVI correspondente após 5 minutos de sedimentação, referido como SVI 5 para biomassa granular aeróbia, é inferior a 150 ml/g, de preferência inferior a lOOml/g, mais preferencialmente inferior a 70ml/g, mais preferencialmente inferior a 60ml/g; enquanto que a biomassa aeróbica semelhante a flocos tem um SVI 5 superior a 150ml/g, tipicamente mais de 250ml/g, A biomassa de lama, tal como aqui utilizada, pode assim ser alternativamente ou adicionalmente referida como granular, se o SVI 5 for inferior Superior a 150ml/g, e sob a forma de flocos, se o SVI 5 for superior a 250ml/g. (2) velocidade de sedimentação, definida como a altura do lodo sedimentado por hora: a biomassa granular aeróbia tem uma velocidade de sedimentação de pelo menos 3m/h, de preferência pelo menos 4m/h, mais preferencialmente entre 10 e 50m/h, enquanto que a biomassa aeróbica semelhante a flocos tem uma velocidade de sedimentação inferior a 3m/h, particularmente inferior a 2m/h, mais particularmente entre 0,5 e 1,5 m/h; Uma biomassa de lama, tal como aqui utilizada, pode assim ser referida como granular, se a velocidade de sedimentação for superior a 3 m/h, e como flocos, se a velocidade de sedimentação for inferior a 3m/h. (3) tamanho médio de partícula: a biomassa granular aeróbia compreende partículas discretas que após peneiramento mecânico em laboratório sob lavagem com água suave tem um tamanho médio de partícula de pelo menos 0,2mm, de preferência entre 0,4 e 3mm, enquanto a biomassa aeróbico tipo floco aglomerados durante a peneiração mecânica no laboratório sob lavagem com água leve mostram um tamanho médio de partícula inferior a 0,2 mm, particularmente inferior a 0,1 mm; uma biomassa de lamas como utilizada Pode assim ser referido como granular, se o tamanho médio de partícula da lama for superior a 0,2 mm e como flocos, se a dimensão média das partículas da lama for inferior a 0,2mm. A parte da biomassa que sai do processo de biomassa granular que é alimentada para o processo de lama ativada tem tipicamente características que são intermediárias entre as características da biomassa granular aeróbia e da biomassa aeróbica semelhante a flocos tal como definida acima. Deste modo, a parte da biomassa transferida do (s) reator (es) AGB para o sistema CAS terá um índice de volume de lama (SVI 30) como definido acima entre 40 e 90ml/g, especialmente entre 50 e 90ml/g e um SVI 5 entre 70 e 250 ml/g, especialmente entre 150 e 250ml/g. Da mesma forma, a parte da biomassa transferida do (s) reator (es) AGB para o sistema CAS terá uma velocidade de sedimentação entre 1,5 e 10 m/h, especialmente entre 3 e lOm/h. Adicionalmente ou alternativamente, a parte da biomassa transferida do (s) reator (es) AGB para o sistema CAS terá um tamanho médio de partícula entre 0,1 e 0,4 mm.

Numa forma de realização vantajosa, o processo de lama ativada do processo híbrido da invenção é operado num modo contínuo convencional, em que o efluente do reator de lamas ativadas é continuamente alimentado para um clarificador, no qual o efluente é separado num líquido clarificado e uma fração de lama. Preferencialmente, o líquido clarificado é combinado com a áqua tratada proveniente do processo de biomassa qranular, quando desejado com pós-tratamentos adicionais. Parte do material não dissolvido (isto é, a fração de lama) separada do clarificador é devolvida ao processo de lama ativada e a parte pode ser descarreqada ou tratada adicionalmente como descrito abaixo. As formas de realização alternativas, tais como a utilização de um reator descontínuo de sequenciação, sem clarificador final, são também parte da invenção. 0 processo de biomassa qranular do processo híbrido da invenção é vantajosamente operado por lotes. 0 processo granular pode ser operado por passos alternados como também descrito no documento W02004/024638 como se segue: (a) adição de águas residuais à biomassa granular aeróbica num reator enquanto se descarrega água tratada a partir do reator, (b) fornecimento de gás contendo oxigénio, em particular ar, para as águas residuais adicionadas no reator, mantendo o nível de oxigénio nas águas residuais no reator entre 0,2 e 5 mg/1, de preferência entre 0,4 e 4mg/l, mais preferencialmente entre 1 e 3 mg/1, C) permitir que a biomassa granular assente, e (d) descarregar parte do biomassa (sólidos em suspensão: MLSS) do reator; e depois retornando ao passo (a) . Pelo menos parte desta biomassa descarregada é alimentada ao processo de lama ativada. A etapa (d) do processo, isto é, a descarga de uma parte dos sólidos em suspensão, não precisa de ser incluída em cada ciclo do processo, dependendo das necessidades relativas de lamas do processo de lama ativada e do processo granular.

Por exemplo, o passo (d) pode ser incluído em cada segundo ou terceiro ciclo etc.

Em vez de descarregar a água tratada no passo (a), isto é, ao mesmo tempo que a alimentação de águas residuais não processadas para o reator, a água tratada pode ser descarregada juntamente com a descarga da parte da biomassa do reator no passo (d), isto é, para o passo de alimentação (a) que segue o passo (d). Neste caso, a água tratada e a biomassa podem ser alimentadas ao processo de lama ativada. Isto é particularmente útil ao iniciar o sistema.

Uma característica importante do presente processo é que o tamanho médio de partícula e/ou a velocidade de sedimentação da biomassa (sólidos em suspensão) que é removida do processo granular aeróbio e que pode ser introduzida no processo de lama ativada é inferior ao tamanho médio de partícula e/ou velocidade de sedimentação da biomassa granular aeróbica remanescente no reator granular aeróbio. Contudo, a biomassa transferida terá um tamanho de partícula maior e/ou uma velocidade de sedimentação maior do que o tamanho médio de partícula e/ou velocidade de sedimentação da lama no processo de lama ativada, como explicado acima e melhora o desempenho do processo de lama ativada. 0 processo de biomassa granular é operado num modo de fluxo ascendente, em que as águas residuais no passo (a) são fornecidas a partir do fundo e deslocam para cima a água tratada na parte superior do reator. 0 gás contendo oxigénio é fornecido no passo (b) no fundo do reator, não mais cedo do que após o fornecimento das águas residuais frescas.

No passo (c), a matéria suspensa que compreende precursores de biomassa parcialmente granulares, biomassa granular mais pequena e bio aglomerados com menor velocidade de sedimentação é descarregada entre 30 e 90% da altura do reator medida de baixo para cima, enquanto que a biomassa granular excedente é periodicamente removida do processo a partir da parte de fundo do reator. Mais detalhes podem ser vistos na Figura 4 descrita abaixo. Deste modo, podem ser descarregados dois tipos de biomassa a partir do processo granular aeróbio: em primeiro lugar os sólidos em suspensão, isto é, a parte relativamente leve, de pequena dimensão e lentamente sedimentada da biomassa granular, que é frequentemente desperdiçada a pelo menos 30% da altura do reator a partir do fundo, e em segundo lugar a biomassa granular pesada, que pode ser desperdiçada a uma frequência mais baixa a partir do fundo do reator.

Numa configuração de processo preferida ilustrada na Figura 1, é construído um reator AGB (4) e ligado ao reator CAS existente (3) é tal que, em paralelo ao reator CAS, o reator AGB é alimentado com a parte (2) das águas residuais em bruto ou pré tratadas (1), enquanto o material em suspensão desperdiçado dos reatores de biomassa aeróbica granular (10) é frequentemente alimentado para o sistema CAS (3+5) e gradualmente resulta em capacidade melhorada e capacidades de purificação do CAS.

Na Figura 1 (5) representa o clarificador final, alimentado continuamente (6) por transbordo do reator CAS, enquanto

(7) representa o fluxo de retorno do lodo, dividido em RAS

(8) e WAS (9) . O efluente AGB (12) é levado diretamente para o efluente (13) a partir do clarificador final, para descarga direta ou tratamento terciário. Os grânulos excedentes maiores e totalmente crescidos são periodicamente desperdiçados a partir do reator AGB (11). O novo AGB (S) reator (es) pode (m) ser construído (s) através da adição de novos tanques ou da modernização de parte do (s) reator (es) existente (s) ou dos seus compartimentos ou através da modernização de tanques ou clarificadores existentes. A proporção da parte do efluente alimentado para o processo de biomassa granular e a parte do efluente alimentado para o processo de lodo ativado pode ser controlada dependendo da qualidade do efluente. Mais tipicamente a razão de fluxo de AGB e fluxo de CAS é selecionada entre 5:95 e 75:25, particularmente entre 10:90 e 50:50. Deste modo, a configuração do processo da invenção pode ser utilizada para reduzir uma das desvantagens da AGB alimentada em batelada, sendo o desafio de lidar com grandes flutuações na carga hidráulica, com maiores proporções entre os fluxos de tempestade e de seca que ocorrem em áreas com sistemas combinados de esgoto. Por exemplo, durante as condições de fluxo de água de tempestade, quando as águas residuais são abundantes e relativamente diluídas, a maior parte da carga hidráulica pode ser alimentada ao sistema CAS alimentado continuamente e tratada com a ajuda do clarificador final, enquanto a carga hidráulica para o AGB é apenas ligeiramente aumentado. Por outro lado, uma proporção relativamente elevada das águas residuais pode ser alimentada ao processo de biomassa granular no caso de menores volumes de águas residuais relativamente concentradas, tal como pode ocorrer sob condições de tempo seco. Em circunstâncias particulares, as águas residuais podem ser alimentadas exclusivamente ao processo de lama ativada ou ao processo granular. Esta configuração do processo pode reduzir significativamente o volume do tanque de AGB ou o volume do tanque de reserva de água de tempestade e economiza o custo geral de construção.

Em princípio, qualquer água residual que não seja excessivamente tóxica para a biomassa utilizada pode ser tratada pelo processo da invenção. Por exemplo, as águas residuais podem conter resíduos orgânicos a um nível entre lOmg e 8g, expressos em COD, por 1, em particular entre 50mg e 2g de COD por 1. Alternativamente ou adicionalmente, as águas residuais podem conter azoto total (Como amoníaco e/ou outros compostos azotados) a um nível entre 0,2 e 1000, em particular entre 1 e 75mg por 1 (como azoto), o que resultará numa remoção pelo menos parcial do azoto como explicado abaixo. Além disso, as águas residuais podem conter fósforo total (como fosfato e/ou outros compostos de fósforo) entre 0,05 e 500, particularmente entre 1 e 15mg por 1 (como fósforo). A configuração de processo acima mencionada pode ser aplicada favoravelmente para aumentar a capacidade global das ETARs que operam com sistemas CAS. Nesta configuração de processo, um ou mais novos reatores AGB são construídos num comboio de tratamento paralelo, junto aos sistemas CAS existentes. Os sistemas CAS existentes são alimentados com grande parte das águas residuais brutas ou pré tratadas, mas uma parte restante é tratada pelos sistemas AGB. Dessa forma, o tamanho e a capacidade do trem de tratamento AGB para a extensão projetada podem ser reduzidos porque a capacidade e o desempenho dos sistemas CAS existentes são sinergicamente aumentados. Entretanto, a pequena dimensão do sistema AGB muitas vezes permite que ele seja construído como uma extensão da capacidade da planta junto ao (s) sistema (s) CAS existente nas mesmas instalações, o que é importante quando a expansão da planta é limitada ou onerosa.

Deste modo, o processo de lama ativada, isto é, o sistema CAS, pode compreender dois, três, quatro ou mais trens de tratamento em paralelo. 0 efluente CAS dos reatores CAS combinados podem ser alimentados a um único clarificador, ou alternativamente cada reator CAS pode ser fornecido com o seu próprio clarificador. De preferência, cada um dos múltiplos reatores CAS correndo em paralelo é alimentado com biomassa a partir do processo granular aeróbico, embora a alimentação de biomassa não seja necessariamente idêntica ou continua a cada reator de lama ativada. Quando são utilizados múltiplos reatores CAS, o processo de biomassa granular pode compreender um comboio de tratamento ou, alternativamente, várias unidades de tratamento granular. Também é concebível que o processo compreenda um único sistema CAS e dois, três ou mais trens granulares aeróbios. A configuração hibrida de AGB e CAS em paralelo tem uma vantagem adicional de que é necessário um tanque tampão adicional para equilibrar o fluxo de resíduos descontínuos do reator AGB para permitir o espessamento e desidratação contínua de lamas com capacidades de equipamento reduzidas. Aplicando a nova configuração de processo desta invenção, toda a biomassa desperdiçada e outro material em suspensão do reator AGB podem ser alimentados de forma descontínua no sistema CAS paralelo e continuamente processados com as lamas ativadas nas instalações de tratamento de lamas CAS.

As vantagens inesperadas da invenção foram testadas e demonstradas. Um reator AGB foi construído para substituir um sistema CAS existente e para acomodar a capacidade aumentada necessária e o desempenho de purificação da ETAR existente. 0 sistema AGB foi operado em paralelo ao sistema CAS como mostrado na Figura 2. 0 efluente limpo do sistema AGB (12) foi temporariamente direcionado para o clarificador final do sistema CAS. Os resíduos do sistema AGB (10), contendo matérias em suspensão, que compreendem precursores de biomassa parcialmente granulares, biomassa granular mais pequena e bio aglomerados, foram também temporariamente desperdiçados para o sistema CAS existente, que estava a funcionar em paralelo com o AGB. Os resíduos do sistema AGB (4) foram gradualmente transferidos para o sistema CAS (3 + 5) através de (11-6-5-7-8) . Isto foi feito como uma medida temporária para compensar a eficiência reduzida de remoção de nutrientes do sistema AGB durante o arranque. Verificou-se então surpreendentemente que o desempenho e a estabilidade do processo do sistema CAS melhoraram gradualmente mas significativamente como resultado desta interação com o sistema AGB. Esta melhoria continuou a desenvolver-se no tempo quando a descarga de material residual já não passou (11) mas diretamente para o sistema CAS (3) e o efluente foi descarregado diretamente para (12) após o clarificador final (5), conforme ilustrado na Figura 1.

Conforme descrito acima, o material de lamas de resíduos (sólidos em suspensão) do processo de biomassa granular é direcionado para o processo de lama ativada. Também o efluente líquido do processo de biomassa granular pode ser dirigido de forma descontínua ao processo de lama ativada.

Antes do arranque do novo reator AGB, os índices de volume de lama (DSVI 30) no sistema CAS foram de 125-175 mL/g, o que caiu significativamente para 75-100 mL/g sem qualquer alteração no sistema CAS. Como resultado, a concentração de biomassa no sistema CAS poderia ser aumentada de 3-4 g MLSS/L para 4-5g MLSS/L sem afetar o nível de sólidos em suspensão no seu efluente. Claramente, a biomassa de resíduos do sistema AGB foi amplamente capturada no sistema CAS, para sua vantagem. Além disso, a concentração total de biomassa de resíduos do sistema CAS aumentou de 8g MLSS/L para 12g MLSS/L em um fluxo hidráulico reduzido para as instalações de tratamento de lamas.

Verificou-se, surpreendentemente, que a população de microrganismos no sistema CAS tornou-se mais diversificado e também apresentava significativamente mais microrganismos especializados e de crescimento mais lento do que antes. A biomassa do sistema CAS manteve ainda a sua estrutura semelhante a flocos mas tornou-se mais densa com inclusões de biomassa granular residual pequena, resultando em capacidade de purificação melhorada e capacidade de sedimentação. Também foi medido que a concentração de bio polímeros e substâncias poliméricas extracelulares na biomassa do sistema CAS tinha aumentado significativamente. Além destes achados, o sistema CAS altamente carregado, totalmente gaseificado mostrou uma forte capacidade melhorada para a desnitrificação. Uma descoberta notável, porque tal alta taxa de desnitrif icação teria sido impossível com base nas condições aeróbicas predominantes e na idade do lodo no sistema CAS. Os testes mostraram que a concentração de NO 3-N no efluente diminui de 8-10g de NO 3-N/L para 3-4g de NO 3-N/L.

As partículas no efluente residual do sistema AGB deslocarão parte do lodo ativado no sistema CAS. Este material de resíduos AGB (sólidos em suspensão) contém frações de pequenos grânulos aeróbios, precursores de grânulos, bio aglomerados e frações de grânulos, resultantes da quebra de grânulos maiores (e mais velhos). Conforme mencionado, o AGB e suas partes contêm uma população de microrganismos altamente diversificada, incluindo microrganismos especializados e favoráveis de crescimento lento. Verificou-se surpreendentemente que as caracteristicas físicas deste material particulado de AGB não se deterioraram no sistema CAS e o material também não perdeu a sua capacidade de desnitrificação como típico para grânulos maiores.

Numa outra configuração do processo, o efeito sinérgico de operar um sistema AGB em configuração híbrida com um sistema CAS pode ser vantajosamente utilizado para remover eficientemente componentes azotados de águas residuais. Faz uso das capacidades aumentadas dos sistemas AGB para remover os altos níveis de compostos nitrogenados das águas residuais. Nesta configuração do processo, como representado na Figura 3, o sistema AGB (4) é (parcialmente) alimentado por uma corrente lateral (16) do sistema CAS (3+5) contendo altos níveis de compostos azotados, por exemplo, unidade de processamento de lodo residual (14).

Na maior parte, estes fluxos laterais são pequenos em volume mas elevados em concentrações de nutrientes (azoto, compostos de fósforo) em comparação com o influente (1), que pode ser tratado pelo AGB. Exemplos de tais correntes laterais são: rejeitar água de dispositivos de desidratação, decantar água de digestores, água de tanques de seleção anóxicos e misturas de tais correntes com água corrente. 0 efluente do sistema AGB (12), juntamente com o seu material em suspensão de resíduos e/ou biomassa (10), é direcionado para o sistema CAS. Esta configuração de processo de sistemas híbridos AGB/CAS prova outro exemplo do efeito positivo da adição de um sistema AGB a um sistema CAS sobre o desempenho global de uma ETAR.

Surpreendentemente verificou-se que a invenção também proporciona uma solução rentável para melhorar a capacidade de remoção biológica de fósforo (P) de um sistema CAS existente equipado com remoção química de P. para a remoção de P biológico convencional em sistemas CAS, o pré-condicionamento anaeróbio do lodo ativado é necessário para obter a liberação de P primeiro antes que a absorção aumentada de P possa ocorrer no sistema CAS sob condições anóxicas/aeróbicas subsequentes. Conforme é conhecido a partir da W02004/024638, os sistemas AGB têm capacidades de remoção de P biológicas aumentadas, relacionadas com a proliferação de organismos de acumulação de fosfatos (PAOs) no grânulo em camadas aeróbia/anóxica. É também sabido que, devido aos perfis de pH no grânulo, pode ocorrer uma precipitação de fosfato bio catalisada, melhorando ainda mais a capacidade de remoção de P do sistema AGB. 0 invento pode ser utilizado para adicionar capacidade biológica de remoção de fosfato a um sistema de ETAR existente e combiná-lo com características de sedimentação de biomassa CAS melhoradas como explicado anteriormente. No entanto, verificou-se que a capacidade de remoção de P biológico total dos sistemas AGB/CAS híbridos era muito maior do que poderia ser calculada com base na soma dos dois processos combinados. Observou-se uma diminuição significativa na exigência da dosagem química para a precipitação de P no CAS, resultando num produto químico muito mais baixo favorável produção de lamas. Demonstrou-se novamente que os resíduos de AGB dirigidos para o sistema CAS resultaram na substituição ou união de bandos de biomassa CAS com biomassa granular pequena proveniente do sistema AGB. Esta matéria particulada ainda apresentava as boas capacidades biológicas de remoção de P sob condições aeróbias no sistema CAS. A invenção permite que a capacidade de remoção de P biológica adicional seja introduzida no sistema CAS sem a construção elaborada de compartimentos anóxicos e anaeróbios separados no sistema CAS e com a remoção de P químico no sistema CAS tornando-se menos importante ou mesmo supérflua. A invenção também pode ser utilizada para otimizar o desempenho de um sistema CAS que trata misturas de águas residuais incluindo produtos orgânicos de baixo peso molecular. Tais compostos resultam muitas vezes em lodo de granulação por microrganismos filamentosos, que são difíceis de resolver. Um tanque seletor como primeiro passo no processo de tratamento biológico é frequentemente utilizado para minimizar este problema. Em tais tanques seletores, estes componentes são seletivamente biodegradáveis. Verificou-se que quando essas águas residuais ou parte das águas residuais foram tratadas no sistema AGB que funcionava em paralelo ao sistema CAS, parte dos orgânicos de baixo peso foram bio degradados pelo AGB em zonas anaeróbicas dos grânulos. Isso resulta em menor consumo de energia para aeração e produção de biogás, que poderia ser capturado e utilizado. Especialmente, foi altamente notável que a degradação anaeróbia de compostos de álcool inferiores tais como metanol e etanol foi medida, uma vez que tais compostos em reatores anaeróbios tradicionais dificilmente são convertidos. Além disso, notou-se que esta notável capacidade de tratamento anaeróbio foi transferida do AGB para o sistema CAS no sistema híbrido CAS/AGB.

Concluindo, outra configuração da invenção é a operação de um sistema AGB em paralelo com um sistema CAS para melhorar as características de sedimentação de lamas, ao mesmo tempo que reduz a capacidade de aeração necessária na EDAR total. 0 funcionamento do processo granular aeróbico é ilustrado esquematicamente na Figura 4, mostrando um reator granular aeróbico 4. 0 reator é operado num modo de fluxo ascendente compreendendo um leito inferior 40 contendo a biomassa granular maior e uma parte superior 41 contendo matéria em suspensão compreendendo precursores de biomassa parcialmente granulares, biomassa granular mais pequena e bio aglomerados. A água residual 2, e opcionalmente a corrente lateral 16, são introduzidas na parte inferior através dos meios de entrada 42. O ar é introduzido através da entrada 43 na parte inferior com meios de distribuição (não ilustrados), e o ar gasto sai do reator na parte superior. O efluente 12 limpo sai do reator através do excesso e da saida 45. O material em excesso 10, com um tamanho médio de partícula que é inferior ao tamanho médio de partícula da biomassa granular no reator, pode ser descarregado através da saída 46, que está localizada entre 30 e 90% da altura (líquida) do reator. A biomassa granular 11 em excesso pode ser removida através da saída 44. A entrada 42 e 43 e as saídas 44, 45 e 46 são preferencialmente providas com uma válvula para controlar o fluxo de entrada e saída dos vários fluxos. Em particular, os meios de fornecimento e de distribuição de ar 43 são proporcionados com um regulador de fluxo controlado pelo nível de oxigénio no conteúdo do reator de modo a manter uma concentração de oxigénio no conteúdo do reator dentro dos limites requeridos, isto é 0,2-5mg/Biomassa.

Num outro processo vantajoso, a configuração híbrida dos sistemas CAS e AGB é aplicada à granulação alvo no AGB em vez do tratamento de águas residuais. O excedente produzido de grânulos cultivados pode ser colhido como valiosa biomassa residual e vendido como material de semente para novos sistemas AGB. A invenção compreende ainda equipamento para implementar a configuração do processo híbrido com sistemas AGB e CAS como descrito. Tal equipamento compreende vantajosamente um reator de lama ativada (3) com uma entrada de líquido, uma saída de líquido, uma entrada de gás, um reator de biomassa granular (4) com uma entrada de líquido (42) no fundo do reator e uma saída de líquido) . No topo do reator e uma saída (46) a pelo menos um terço da altura do reator (4), uma entrada de gás (43) no fundo do reator, uma linha de líquido que liga uma saída do recipiente granular (3), e de preferência um separador (5) ligado a uma saída de líquido do reator de lama ativada (3), tendo o separador uma saída de lama e uma saída de líquido clarificado, e compreendendo ainda uma válvula de controlo para regular o fluxo de líquido relativo para a entrada de líquido do reator de lama ativada (3) e a entrada de líquido do reator de biomassa granular (4). 0 equipamento pode compreender múltiplos reatores de lama ativada (3) e/ou múltiplos reatores de massa biológica granular (4) dispostos em paralelo.

REFERÊNCIAS CITADAS NA DESCRIÇÃO

Esta lista de referências citadas pelo Titular tem como único objectivo ajudar o leitor e não forma parte do documento de patente europeia. Ainda que na sua elaboração se tenha tido o máximo cuidado, não se podem excluir erros ou omissões e a EPO não assume qualquer responsabilidade a este respeito.

Documentos de Pedidos de Patente citadas na descrição

WO 9614912 A EP 1627854 A WO 03068694 A EP 0562466 A WO 0005177 A WO 2004024638 A JP 2009090161 A JP 2007136368 A WO 2007029509 A

Literatura que não é Patente citada na descrição N. MORALES et al. Separation and Purification Technology, 2012, vol. 89, 199-205 XIUFEN et al. Characteristics of Aerobic Biogranules from Membrane Bioreactor System. Journal of Membrane Science, vol. 287, 294-299

Claims (15)

1. Reivindicações

   1. Processo de tratamento de águas residuais compreendendo a separação de uma corrente principal de águas residuais em (i) uma corrente de águas residuais submetida a um processo de lamas ativadas utilizando uma biomassa aeróbica tipo floco e (ii) uma parte da corrente de água residual alimentada a um processo de biomassa granular operado em Paralelo ao referido processo de lama ativada e utilizando biomassa granular aeróbica, em que parte da biomassa proveniente do processo de biomassa granular é alimentada ao processo de lama ativada, em que a referida parte da biomassa alimentada para o processo de lama ativada tem uma velocidade de sedimentação mais baixa do que a Parte da biomassa do processo de biomassa granular que não é alimentada ao processo de lamas ativadas.
2. 2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a biomassa granular aeróbia ser caracterizada por um ou mais dos seguintes: um índice de volume de lama, definido como o volume em mililitros ocupado por lg de uma suspensão após 30 min de sedimentação, que é inferior a 70 ml/g, de preferência inferior a 50ml/g; uma velocidade de sedimentação de pelo menos 3m/h, de preferência entre 10 e 50m/h; e um tamanho médio de partícula de pelo menos 0,2mm, preferencialmente entre 0,4 e 3mm, e em que a parte da biomassa que sai do processo de biomassa granular que é alimentada ao lodo ativado é caracterizada por um ou mais dos seguintes: uma lama, definido como o volume em mililitros ocupado por lg de uma suspensão após 30 minutos de sedimentação, que está compreendido entre 40 e 90ml/g, de preferência entre 50 e 90ml/g; uma velocidade de sedimentação entre 1,5 e lOm/h, de preferência entre 3 e lOm/h; e um tamanho médio de partícula entre 0,1 e 0,4 mm.
3. 3. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que a biomassa aeróbica semelhante a flocos é caracterizada por um ou mais dos seguintes: um índice de volume de lama, definido como o volume em mililitros ocupado por lg de uma suspensão após 30 minutos de sedimentação, de mais de 70ml/g, mais especialmente entre 90 e 150 ml/g; uma velocidade de sedimentação inferior a 3m/h, mais particularmente entre 0,5 e 1,5 m/h; e um tamanho médio de partícula inferior a 0,2 mm, particularmente inferior a 0,1 mm.
4. 4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por a biomassa granular aeróbia ser caracterizada por um índice de volume de lama, definido como o volume em mililitros ocupado por lg de uma suspensão após 5 min de sedimentação, sendo inferior a 150ml/g, de preferência inferior a 100 ml/g.
5. 5. Processo de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 4, caracterizado por a biomassa aeróbica semelhante a flocos ser caracterizada por um índice de volume de lama, definido como o volume em mililitros ocupado por lg de uma suspensão após 5 min de sedimentação, mais de 250 ml/g.
6. 6. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-5, em que no processo de biomassa granular é operado pelos passos consecutivos de (a) adição de águas residuais à biomassa granular aeróbia num reator enquanto se descarrega água tratada a partir do reator, (b) fornecimento de gás contendo oxigénio, em particular ar, ao reator, mantendo o nível de oxigénio nas águas residuais no reator entre 0,2 e 5mg/l, (c) permitindo a deposição da biomassa granular e (d) extração parte da biomassa do reator e, pelo menos parcialmente, alimentando-a ao processo de lama ativada, em que o tamanho médio de partícula da biomassa que é retirada é inferior ao tamanho médio de partícula da biomassa que permanece no reator.
7. 7. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-6, em que no processo de biomassa qranular é operado pelos passos consecutivos de (a) adição de águas residuais à biomassa granular aeróbia num reator, (b) fornecimento de gás contendo oxigénio, em particular ar, para o reator, mantendo o nível de oxigénio nas águas residuais no reator entre 0,2 e 5mg/l, (c) permitindo a sedimentação da biomassa granular e (d) descarregando água tratada do reator incluindo a remoção da parte da biomassa proveniente do reator e pelo menos parcialmente alimentando-o ao processo de lama ativada, em que o tamanho médio de partícula da biomassa que é extraída é inferior ao tamanho médio de partícula da biomassa que permanece no reator.
8. 8. Processo de acordo com a reivindicação 7, em que o processo de biomassa granular é operado num modo de fluxo ascendente, em que o efluente no passo (a) é fornecido a partir do fundo e desloca a água tratada, que é descarregada no mesmo passo no reator, o gás contendo oxigénio no passo (b) é fornecido no fundo do reator e no passo (d) a biomassa com o menor tamanho de partícula é extraída entre 30 e 90% da altura do reator de baixo para cima.
9. 9. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-8, em que a proporção da parte da água residual alimentada para o processo de biomassa granular e a parte da água residual alimentada para o processo de lama ativada pode ser controlada dependendo da qualidade e é selecionada entre 5:95 e 75:25, particularmente entre 10:90 e 50:50.
10. 10. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, no qual as águas residuais contêm resíduos orgânicos a um nível entre lOmg e 8g, expressos em DQO, por 1, e/ou azoto total (como amoníaco e/ou outro composto de azoto) a um nível entre 0,2 e lOOOmg por 1, particularmente entre 1 e 75mg por 1, e/ou fósforo total (como fosfato e/ou outros compostos de fósforo) entre 0,05 e 500mg por 1, particularmente entre 1 e 15mg por 1.
11. 11. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado por o processo de lama ativada compreender dois ou mais trens de tratamento.
12. 12. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado por o processo de biomassa granular compreender um comboio de tratamento.
13. 13. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado por o processo de biomassa granular compreender dois ou mais trens de tratamento.
14. 14. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-13, caracterizado por pelo menos parte de um processo de fluxo lateral, derivado do processo de lama ativada e contendo níveis de nutrientes superiores às águas residuais iniciais, ser devolvido ao processo de biomassa granular.
15. 15. Uma instalação para a realização do processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, compreendendo um reator de lama ativada (3) com uma entrada de liquido, uma saída de liquido, uma entrada de gás, um reator de biomassa granular (4) com uma entrada de liquido no fundo do reator, uma ou mais (4) e uma saída de líquido na parte inferior do reator (4), uma entrada de gás no fundo do reator, uma linha de líquido que liga uma saída do ou dos (3) e um separador (5) ligado a uma saída de líquido do reator de lama ativada (3), com uma entrada do reator de lama ativada (3) e um separador (5) ligado a uma saída de líquido do reator de lama ativada , tendo uma saída de lodo e uma saída de líquido clarificado, e compreendendo ainda um dispositivo para regular o fluxo de líquido relativo para a entrada de liquido do reator de lama ativada (3) e a entrada de liquido do reator de biomassa granular (4). Resumo Processo para o tratamento biológico de águas residuais em que o desempenho de um sistema convencional de lamas ativadas é melhorado pela adição de um sistema de biomassa granular aeróbica numa configuração de processo paralelo hídrico. A biomassa residual e material em suspensão do sistema de biomassa aeróbica granular é introduzido no sistema convencional de lamas ativadas para este fim. Na configuração do processo híbrido as vantagens de ambos os sistemas são combinadas para produzir novas vantagens, enquanto as desvantagens dos sistemas individuais são reduzidas em grande extensão.