PT925258E - Processo de depuracao da poluicao carbonada e de desnitrificacao em meio oxigenado de aguas residuais - Google Patents

Description

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EPO 925 258/PT

DESCRIÇÃO "Processo de depuração da poluição carbonada e de desnitrificação em meio oxigenado de águas residuais" A presente invenção refere-se a um processo e a um dispositivo aperfeiçoados de eliminação da poluição carbonada e do azoto contido nos efluentes, designadamente de águas residuais, por via biológica e fazendo uso do acoplamento de uma lama anóxica de muito alta carga com uma nitrificação a grande velocidade, em cultura fixada sobre um suporte fixo ou móvel.

Os processos de eliminação de compostos azotados das águas residuais por via biológica comportam, regra geral, duas etapas: a nitrificação e a desnitrificação. A nitrificação é uma reacção de oxidação, por bactérias autotróficas, do azoto amoniacal em azoto nitroso ou nítrico. As bactérias autotróficas, responsáveis por esta transferência, são bactérias que crescem unicamente na presença de oxigénio. A segunda etapa, a desnitrificação, consiste numa redução em azoto gasoso, por bactérias heterotróficas desnitrificantes, dos nitritos ou nitratos produzidos aquando das reacções de nitrificação. As bactérias heterotróficas desnitrificantes, responsáveis pela transformação dos nitritos ou nitratos em azoto gasoso, são bactérias aeróbias facultativas que crescem quer em meio arejado na presença de oxigénio, quer em meio anóxico na ausência de oxigénio livre, mas em presença do oxigénio constituinte dos nitratos e/ou nitritos.

Os processos de eliminação dos compostos azotados das águas residuais devem portanto comportar duas zonas diferentes: uma zona ou etapa anóxica para a desnitrificação e uma zona ou etapa de arejamento para a nitrificação.

No domínio do tratamento de águas, pode-se recorrer a duas formas de populações bacterianas para proceder à eliminação do azoto por via biológica: as culturas livres e as culturas fixadas.

Na figura 1 dos desenhos anexos, foi representado, de forma esquemática, um sistema clássico de eliminação do azoto aquando do tratamento das águas residuais. Num tal sistema, a cultura livre, por exemplo uma lama activada, é uma mistura de diferentes microrganismos em suspensão,

83 022 ΕΡ 0 925 258/ΡΤ sob a forma de flocos. Assim, as bactérias autotróficas nitrificantes estão presentes no mesmo floco que as bactérias heterotróficas desnitrificantes e que numerosos outros microrganismos. O conjunto de microrganismos rio floco percorre a totalidade do sistema, a saber, as zonas anóxica 2 e arejada(s) 9, para ser separado da água tratada 10 por decantação no clarificador 6 e recirculado 7 para a cabeça do sistema. A razão de recirculação, do licor nitrificado 7 para a zona anóxica 2, está frequentemente compreendida entre 100 e 600%, sendo este valor dependente quer da concentração de carbonato orgânico disponível na água residual, quer do tempo de residência mínimo admissível na zona anóxica 2. O principal inconveniente de uma configuração deste tipo, reside no facto de as bactérias autotróficas nitrificantes serem obrigadas a atravessar a zona anóxica onde, na ausência de oxigénio, não se reproduzem.

De forma semelhante, as bactérias heterotróficas desnitrificantes devem atravessar a zona arejada, utilizando o oxigénio dissolvido como aceitador final de electrões em vez do azoto nítrico ou nitroso. Estas passagens repetidas em meio arejado têm geralmente como consequência uma desactivação temporária das enzimas que participam nas reacções de desnitrificação, o que se traduz por um tempo de latência no início do período anóxico, correspondente a uma reactivação destas enzimas. Por conseguinte, o sistema de reacções assim posto em jogo não é óptimo e reduz as cinéticas e a eficácia dos processos de eliminação de azoto por culturas livres.

Além disso, a etapa limitante de um processo clássico de nitrificação/desnitrificação por lamas activadas é a nitrificação, pois as bactérias autotróficas, responsáveis pela transformação do azoto amoniacal em azoto nítrico ou nitroso, possuem taxas de crescimento muito baixas. A idade mínima de lamas para permitir uma nitrificação satisfatória deve portanto ser bastante elevada, o que influencia de forma negativa as bactérias heterotróficas desnitrificantes, as quais são, pelo contrário, mais activas para idades de lamas muito baixas e para cargas orgânicas muito elevadas. Assim, estes sistemas ditos convencionais são conhecidos pelos peritos na arte como sendo processos de baixa carga aplicada.

Por outro lado, é bem sabido pelos peritos na arte que estes sistemas são muito sensíveis pontas de carga, devido por um lado ao risco de sobrecargas 3 83 622 ΕΡ Ο 925 258/ΡΤ hidráulicas (risco de perda de lamas do decantador) e por outro ao risco de sobrecargas biológicas (inibição parcial da nitrificação devido a um excesso de poluição carhonada ou a um défice de arejamento).

Contrariamente às culturas livres, o modo de concretização de culturas fixadas, como ilustrado pelo esquema da figura 2 dos desenhos anexos, permite separar as populações autotróficas nitrificantes 9 e heterotróficas desnitrificantes 2. Assim, as bactérias imobilizadas sobre um suporte sólido encontram-se, em permanência, em meio mais favorável, sem passagens periódicas por condições nas quais a sua actividade seria reduzida. Este tipo de concretização tem por resultado o aumento notável das cinéticas das reacções biológicas. A solução ideal consiste portanto na separação das populações autotróficas e heterotróficas. Até ao presente, esta separação não foi concretizada senão para culturas fixadas (Water Science and Technology, vol. 19, 139-150 1987; EP-A 0 293 521). No que se refere ao domínio das culturas livres, a concretização de uma lama activada evoluindo em permanência em meio anóxico, na ausência de oxigénio dissolvido, permite manter uma biomassa desnitrificante de muito alta actividade. Este facto, já conhecido no domínio do tratamento de águas (Korrespondenz Abwasser, Vol. 41, n.11, pág. 2077-2081, 1994), nunca conduziu, no entanto, a uma aplicação industrial, principalmente por defeito de controlo das condições do meio anóxico e da razão de recirculação do azoto nítrico. A EP-A-0 442 337 descreve um processo biológico de depuração comportando três reactores, nos quais a biomassa é idêntica. Nesta publicação anterior, a lama activada é de baixa carga e assegura todas as funções: nitrificação, desnitrificação e eliminação do carbono. Não existe, nesta publicação anterior, nenhuma separação das biomassas heterotrófica e autotrófica. A JP-56-00 2892 descreve um processo de tratamento biológico comportando um acoplamento do tanque anóxico (desnitrificação) ao tanque aeróbio (nitrificação), sem nenhuma separação das biomassas, efectuando a biomassa única todas as funções: nitrificação, desnitrificação e eliminação do 4 83 622 ΕΡ Ο 925 258/ΡΤ carbono. Trata-se, também aqui, de uma lama activada convencional de baixa carga. A presente invenção refere-se a uma configuração original da concretização e condução de uma cultura livre de bactérias heterotróficas, que evoluem em meio anóxico, denominada daqui em diante por lama anóxica, e seu acoplamento com uma cultura de bactérias autotróficas fixadas, as duas culturas estando perfeitamente separadas uma da outra, em dois recipientes distintos; a cultura fixada serve de fonte de azoto nitroso ou nítrico para a lama anóxica.

Por conseguinte, esta invenção é relativa a um processo biológico de depuração de águas residuais com vista à produção de um efluente com baixo teor em carbono e em compostos oxigenados de azoto, comportando uma etapa de desnitrificação, por tratamento por lamas activadas, associada a uma clarificação, seguida de uma etapa de nitrificação e comportando uma recirculação parcial do efluente nitrado para montante da etapa de tratamento por lamas activadas, este processo sendo caracterizado por se realizar a eliminação do carbono, aquando da etapa de tratamento por lamas activadas, num mesmo reactor biológico, fazendo-se esta eliminação de acordo com as características caudal-poluição da água a tratar, em presença: - do oxigénio constituinte dos compostos nitrados, a etapa de eliminação do carbono comportando uma desnitrificação simultânea, - do oxigénio fornecido por um arejamento controlado, contínuo ou descontínuo, e portanto com oxidação directa do carbono, - simultaneamente, do oxigénio constituinte dos compostos nitrados e do oxigénio fornecido pelo arejamento controlado, contínuo ou descontínuo, e portanto com desnitrificação e oxidação simultâneas do carbono, por a condução do processo ser assegurada pela medição em contínuo do potencial de oxidação-redução do meio anóxico, esta medição estando acoplada: - a uma medição da concentração de nitratos no efluente intermédio, 5 83 622 ΕΡ Ο 925 258/ΡΤ - a um dispositivo que faz a dependência dos meios de fornecimento de ar de perfazimento à lama anóxica e, - a uma regulação do caudal de recirculação do licor nitrificado e por - a dita medição da concentração de nitratos estar acoplada à recirculação do licor nitrificado.

No estado anterior da arte relativo à técnica objecto da invenção, (Stuttgarter Berichte, Bd 103, pág. 103, 1988; Water Science & Technology, vol 26, n° 5/6, pág. 1097-1104, 1992; WO 93/13023; Korrespondenz Abwasser, vol. 41, n° 11, pág. 2077-2081, 1994) é feito recurso a uma lama activada, utilizando parcialmente ou totalmente o azoto nítrico ou nitroso como aceitador de electrões, estes compostos azotados sendo provenientes, por intermédio de uma tubagem de recirculação, de um reactor de leito bacteriano nitrificante. situado a jusante da cultura livre.

Tal como é entendido, o processo objecto da presente invenção distingue-se nitidamente do estado anterior da técnica: - por condições particulares de concretização da cultura livre, permitindo a sua evolução de maneira permanente em meio anóxico e para carga aplicada muito forte, - pela medição simultânea do potencial de oxidação-redução e das concentrações de nitratos ou de azoto amoniacal, permitindo o controlo em contínuo do sistema e a condução do processo, - pelo acoplamento de dois sistemas diferentes (cultura livre de lama anóxica e cultura fixada nitrificante), funcionando a carga aplicada muito forte.

As culturas livres de carga aplicada forte ou muito forte, apresentam, por comparação com os sistemas de baixa carga, um grande interesse para o perito na arte. Um tal sistema mantém a população microbiana heterotrófica em grande actividade, o que se traduz por cinéticas de nitrificação muito rápidas, que permitem a concepção de obras compactas. No entanto, as culturas livres cm alta carga interditam a nitrificação. 6 83 G22 ΕΡ Ο 925 258/ΡΤ Ο estado anterior da arte relativo à técnica objecto da invenção não permite ao perito na arte comandar a concretização e a condução de um processo de muito alta carga.

No caso das referências acima: Stuttgarter Berichte, Bd 103, pág. 103-110, 1988 e Water Science and Technology, vol. 26, n. 5/6, pág. 1097-1104, 1990, trata-se de sistemas de lamas anóxicas ou anóxicas/aeróbias de baixa carga aplicada, seguidas de uma nitrificação em leito bacteriano, igualmente de baixa carga. A WO-93/13023 descreve um sistema que utiliza uma lama anaeróbia/anóxica acoplada a uma nitrificação por cultura fixada. Esta publicação não comporta nenhuma indicação que permita a concretização ou o comando deste processo e a experiência demonstra que o perito na arte não pode comandar o funcionamento do sistema assim descrito. Assim, nesta última publicação, não está previsto um dispositivo de regulação ou de condução, nem um meio de arejamento auxiliar da parte anaeróbia/anóxica, indispensáveis aquando do arranque do sistema ou para tratar concentrações muito elevadas. Finalmente, o documento Korrespondenz Abwasser, vol. 41, n. 11, pág. 2077-2081, 1984 descreve um processo de lamas activadas que evoluem em meio anóxico, acopladas a um leito bacteriano nitrificante de baixa carga. A parte anóxica funciona a cargas aplicadas da ordem de 0,44 a 3 kg CQO/kg MV.dia, (Unidades: kg Carência Química de Oxigénio/kg de Matéria Volátil e por dia) mas não é sugerida qualquer regulação ou condução do meio anóxico nesta publicação anterior. Nestas condições, não é possível viabilizar o tratamento, designadamente em períodos de variação de cargas hidráulicas ou em condições de funcionamento com alta ou muito alta carga anóxica. A medição do potencial de oxidação-redução caracteriza de maneira global o estado de oxidação-redução do meio, integrando as condições de funcionamento da instalação. 0 interesse prático deste parâmetro para a regulação dos processos de eliminação de azoto por lamas activadas foi sublinhado em diversas ocasiões (Water Supply, vol. 6, pág. 275-285, 1988; T.S.M. - L'eau, n. 7-8, pág. 393-398, 1989; Water Science and Technology, vol. 21, pág. 1209-1223, 1989; T.S.M. L'eau n. 4, pág. 187-194, 1992, FR-A-2 685 692). O estado da arte descrito nas publicações acima mencionadas faz surgir essencialmente a dependência dos meios de arejamento da medição do 7 83 622 ΕΡ Ο 925 258/ΡΤ potencial de oxidação-redução, para assegurar a condução dos processos de lamas activadas em tanque único, nos quais os períodos arejados se sucedem a períodos sem arejamento. Este tipo de regulação baseia-se na variação do valor do potencial de oxidação-redução entre dois limites: um limite baixo (LB) e um limite alto (LA). 0 valor de LB, geralmente fixado em 50 mV/EHN, indica o esgotamento de nitratos e/ou nitritos e o início da anaerobiose. O valor de LA, geralmente entre 350 e 450 mV/EHN, indica a progressão do estado de oxidação do meio de degradação resultante da função de nitrificação. Nos valores indicados acima, EHN significa Eléctrodo de Hidrogénio Normal.

De acordo com o estado anterior da arte no que se refere à técnica objecto da invenção, os meios de arejamento são dependentes da medição do potencial de oxidação-redução da seguinte forma: - quando a etapa de desnitrificação está completa, os nitratos e/ou nitritos são transformados em azoto gasoso, o valor de LB é atingido e o dispositivo de arejamento arranca; - quando a etapa de nitrificação termina, o azoto amoniacal está oxidado em azoto nítrico e/ou nitroso, o valor de LA é atingido e o dispositivo de arejamento pára.

Em certos casos descritos na literatura, o arranque ou paragem do dispositivo de arejamento, após obtenção dos valores de LA ou LB, é precedido de uma curta temporização. Noutros casos, (FR-A-2 685 692) uma medição complementar do teor em azoto no efluente tem por único objectivo ajustar os valores dos limites LA e LB.

Este tipo de regulação conhecido não foi concretizado senão em sistemas convencionais de lamas activadas, comportando um único tanque de arejamento, de grande volume, para assegurar a eliminação do azoto (nitrif icação/desnitrif icação).

Em resumo, o estado anterior da arte relativo à técnica objecto da invenção, põe em evidência uma regulação do processo de lamas activadas por dependência dos meios de arejamento da medição do potencial de oxidação- 8 83 622 ΕΡ Ο 925 258/ΡΤ redução, por intermédio dos valores de LB e LA. É o único parâmetro dependente da medição do potencial de oxidação-redução.

De acordo com o processo objecto da presente invenção, a condução optimizada é assegurada, como se verá mais adiante, pela medição do potencial de oxidação-redução do meio anóxico, acoplada a uma medição da concentração em nitratos do efluente intermédio. Esta medição influencia, por sua vez, dois parâmetros de funcionamento: o caudal de recirculação do licor nitrificado e o aporte episódico de ar de perfazimento. Noutros casos, (FR-A-2 685 692) uma medição complementar do teor em azoto no efluente tem por único objectivo ajustar os valores dos limites LA e LB. A cinética da reacção de desnitrificação, assim como o seu rendimento, dependem da relação entre a poluição carbonada introduzida pela água residual e a concentração de nitratos e/ou nitritos recirculados, sendo esta relação expressa em CQO/N-Nox aplicado ao reactor anóxico.

Quando a relação CQO-N-Nox é muito baixa, em geral inferior a 15, o aporte de carbono orgânico pela água residual é muito baixo e o caudal de recirculação do licor nitrificado deve então ser reduzido. Esta redução é dependente da medição do potencial de oxidação-redução, uma vez que esta situação é detectada por um valor elevado deste último, entre 100 e 150 mV/EHN. Pelo contrário, quando a relação CQO-N-Nox é muito elevada, em geral superior a 25, o caudal de recirculação do licor nitrificado deve ser aumentado porque a mistura que entra no reactor anóxico contém um excesso de poluição carbonada. Esta situação é indicada por um valor determinado do potencial de oxidação-redução, que se situa num intervalo de 60 a 110 mV/EHN. Quando o caudal de recirculação está já ajustado no seu máximo, o excesso de carbono facilmente assimilável deve ser eliminado pela introdução de uma quantidade suficiente de ar. Neste caso, o valor do potencial de oxidação-redução continua a baixar até um valor determinado, que se situa num domínio de 30 a 60 mV/EHN. É neste momento que são fornecidos aportes limitados de ar, estabelecidos em função da medição do potencial de oxidação-redução, durante um dado período de tempo e portanto controlado. O caudal de recirculação pode ser vantajosamente ajustado com o auxílio de uma medição da concentração de nitratos a jusante do reactor anóxico. Esta 9 03 622 ΕΡ 0 925 258/ΡΤ medição caracteriza ο nível de tratamento e indica, por meio de um valor limite e de um alarme, que o caudal limite de recirculação, que possibilita uma desnitrificação quase completa, foi atingido. Este parâmetro de segurança pode corrigir eventuais falhas ou anomalias do sistema de condução pela dependência da recirculação da medição do potencial de oxidação-redução.

De acordo com uma característica desta invenção, o tempo de residência hidráulico total do efluente bruto aquando da etapa de tratamento por lamas activadas (desnitrificação) e do efluente intermédio aquando da etapa de nitrificação, sem contar com a recirculação, está compreendido entre 1,5 e 5 horas, de preferência entre 2 e 3 horas.

De acordo com a invenção, a concentração da lama anóxica, aquando da etapa de desnitrificação, está compreendida entre 1 e 4 g/l, de preferência entre 1 e 2 g/l.

Segundo uma forma de realização do processo objecto da invenção, a razão de recirculação do licor nitrificado para a etapa de desnitrificação, está compreendida entre 50 e 400%.

De acordo com um modo de realização preferido da invenção, a separação da lama activada e do efluente intermédio é efectuada de preferência por decantação lamelar numa obra separada, situada a jusante do reactor no qual se efectua a etapa de desnitrificação.

Segundo um outro aspecto, esta invenção visa igualmente um dispositivo para a realização do processo tal como especificado acima, este dispositivo sendo caracterizado por compreender: - um reactor de cultura livre que evolui em meio anóxico na presença de azoto nítrico ou nitroso, este reactor comportando meios de agitação mecânica que funcionam de forma contínua, meios de introdução de ar de perfazimento dependentes da medição do potencial de oxidação-redução e uma sonda de medição do potencial de oxidação-redução do meio anóxico; - um clarificador, separado do reactor, que efectua a separação da lama anóxica e do efluente nitrificado; 10 83 622 ΕΡ Ο 925 258/ΡΤ - um circuito de reciclagem da lama anóxica separada para o referido reactor de cultura livre; - um meio de medição em contínuo da concentração de nitratos no efluente intermédio, acoplado à reciclagem do licor nitrificado, de forma a diminuir automaticamente a razão da referida reciclagem quando é atingido o limite LB de concentração de nitratos, a fim de corrigir as eventuais falhas ou anomalias do sistema de regulação da recirculação pela medição do potencial de oxidação-redução, que conduzem a uma desnitrificação incompleta, o referido meio de medição estando igualmente acoplado à sonda de medida do potencial de oxidação-redução do meio anóxico; - um reactor de nitrificação de biomassa fixada a suporte fixo (filtro biológico) ou móvel (leito fluidizado ou leito móvel), que recebe o efluente intermédio proveniente do clarificador com, em opção, uma medição em contínuo da concentração de azoto amoniacal à saída deste reactor e, - um circuito de recirculação de uma parte do efluente final para o reactor de cultura livre contendo a lama anóxica, sendo o caudal de recirculação dependente da medição do potencial de oxidação-redução da lama anóxica no reactor anóxico.

De acordo com um modo de realização do dispositivo de acordo com a invenção, o reactor de nitrificação do efluente intermédio é um biofiltro nitrificante de corrente ascendente, que funciona com um tempo de residência hidráulico extremamente curto (alguns minutos, designadamente da ordem de 1 a 10 minutos) e com velocidades de passagem elevadas que se situam entre 8 e 30 m/h.

Ainda segundo um outro exemplo de realização deste dispositivo, o reactor de nitrificação do efluente intermédio é um reactor de cultura fixada, do tipo de leito móvel ou leito fluidizado, utilizando um material suporte móvel.

Tal como são compreendidos, o processo e o dispositivo propostos pela presente invenção caracterizam-se pela supressão de qualquer decantação prévia, fazendo assim participar a poluição orgânica particulada nas reacções de 11 83 622 ΕΡ Ο 925 258/ΡΤ nitríficação, sendo ο funcionamento por outro lado caracterizado, de uma forma muito vantajosa, por cargas orgânicas aplicadas muito elevadas, a saber superioras a 3 kg CQO/kg MV.dia, (a comparar com 0,1-0,2 kg CQO/kg MV.dia, para os sistemas clássicos e com 0,4-3 kg CQO/kg MV.dia, citados nas referências mencionadas acima. Estas condições operatórias permitem manter uma lama anóxica muito activa, com cinéticas de desnitrificação muito elevadas e uma excelente decantabilidade das lamas (IVL (SVI): índice de Volume de Lamas sensivelmente igual a 50 ml/g).

Assim, a eliminação quase total das poluições carbonada e azotada é possível num tempo muito curto, sendo o tempo de residência hidráulico global da água bruta, de acordo com processo objecto da invenção, de 1,5 a 5 horas e, de preferência, de 2 a 3 horas.

Além disso, estas condições que conduzem à selecção de populações específicas, permitem funcionar com índices de volume de lamas muito baixos, o que facilita a separação da lama anóxica num clarificador.

Tal como já especificado acima, o princípio da condução optimizada do processo objecto da presente invenção baseia-se na dependência de dois parâmetros distintos: o caudal de recirculação do licor nitrificado para a lama anóxica e a activação de meios de aporte de ar de perfazimento à etapa desnitrificante. Estes dois parâmetros são dependentes da medição em contínuo do potencial de oxidação-redução do meio anóxico, acoplada à medição em contínuo da concentração de nitrato do efluente intermédio e, em opção, da medição da concentração de azoto amoniacal do licor nitrificado. 0 potencial de oxidação-redução caracteriza o estado de oxidação do meio e, indirectamente, a razão CQO/N-Nox aplicada ao reactor anóxico. O interesse de uma condução optimizada, realizada em conformidade com o processo objecto da invenção, é portanto o de manter uma relação CQO/N-Nox sensivelmente constante, mantendo o potencial de oxidação-redução do meio entre 50 e 150 mV/EHN, de preferência entre 80 e 110 mV/EHIM. Nesta relação, o parâmetro CQO que representa a poluição carbonada introduzida pela água bruta, varia ao longo do dia e não pode ser controlado pelo explorador de uma estação de tratamento. Pelo contrário, o parâmetro N-Nox que representa o fluxo de nitratos introduzido pela recirculação do licor nitrificado constitui um parâmetro cujo valor é ajustável pelo explorador. 12 83 622 ΕΡ Ο 925 258/ΡΤ Ο modo de condução posto em prática pelo processo objecto da invenção assegura não apenas a estabilidade do meio anóxico, e por consequência, das condições hinlógicas, mas permite igualmente obter um caudal total (água residual + recirculação) muito pouco variável ao longo do sistema. Quando o caudal de água bruta aumenta bruscamente, por exemplo, na sequência de um episódio de pluviosidade, a diluição da fonte de carbono orgânico provoca um abaixamento da relação CQO-N-Nox aplicada, o qual se traduz por um aumento do potencial de oxidação-redução. Esta variação provoca em seguida uma diminuição do caudal de recirculação, permanecendo o caudal total relativamente constante graças ao sistema de condução optimizada de acordo com a invenção. Este funcionamento, absolutamente característico do processo objecto da invenção, permite assim resistir às pontas de poluição e tomar em linha de conta as sobrecargas hidráulicas.

Outras características e vantagens da presente invenção sobressairão da descrição feita em seguida com referência às figuras 3, 4 e 5 dos desenhos anexos, nos quais: A figura 3 é uma representação esquemática do princípio de condução optimizada do processo objecto da presente invenção; A figura 4 é uma representação esquemática de um dispositivo pondo em prática um primeiro exemplo de realização da invenção, e A figura 5 é uma vista esquemática, similar à figura 4, de uma variante de realização.

Faz-se referência em primeiro lugar à figura 3 que representa o princípio da condução optimizada do processo de acordo com a invenção.

Aquando de pontas diárias, a concentração em CQO da água residual aumenta, da mesma forma que a relação CQO/N-Nox aplicada ao reactor anóxico. Esta evolução traduz-se por um abaixamento do potencial de oxidação-redução, sendo este abaixamento o factor determinante do aumento da recirculação de licor nitrificado: para manter a relação CQO/N-Nox num valor óptimo, em geral entre 15 e 40 e de preferência entre 20 e 30, é portanto necessário aumentar o fluxo de nitratos e consequentemente a razão de 13 83 622 ΕΡ Ο 925 258/ΡΤ recirculação do licor nitrifiçado. De maneira idêntica, uma diminuição da concentração em CQO da água residual é acompanhada de um aumento do valor do potencial de oxidação-redução. Este aumento é o índice de um excesso de nitratos, em relação à poluição carbonada disponível. O valor crescente do potencial de oxidação-redução provoca então uma diminuição da razão de recirculação e, em consequência, da afluência de nitratos ao reactor anóxico.

Quando o excesso de carbono orgânico, em relação ao fluxo de nitratos, é suficientemente importante para que a razão de recirculação seja ajustada ao seu máximo e que, apesar disto, o potencial de oxidação-redução continue a diminuir para valores inferiores a um valor limite S0, os meios de fornecimento de ar de perfazimento são então activados por um período de tempo determinado to, situando-se o valor de to de preferência entre 1 e 10 minutos. O ar é fornecido em contínuo enquanto não é atingido o valor to. Assim, o excesso do carbono orgânico que não é utilizado aquando da reacção de desnitrificação é simultaneamente oxidado, sem no entanto perturbar a desnitrificação. 0 valor deste limite do potencial de oxidação-redução situa-se então numa gama de 30 a 70 mV/EHN, de preferência de 40 a 60 mV/EHN.

De acordo com a figura 3 dos desenhos anexos, a introdução de ar de perfazimento é dependente do valor do limite S0 e o caudal de recirculação é dependente de um valor do potencial de oxidação-redução que se situa entre dois limites S, e S2. 0 valor do limite S, é seleccionado entre 50 e 80 mV/EHN, de preferência entre 60 e 70 mV/EHN e o valor do limite S2 é seleccionado entre 100 e 150 mV/EHN, de preferência entre 110 e 120 mV/EHN. 0 valor do limite S2 corresponde a um estado de oxidação-redução do meio caracterizado por um excesso relativo da afluência de nitratos em relação ao teor em carbono orgânico disponível. Em princípio, este valor não é nunca ultrapassado, mas em caso de falha ou anomalia, está previsto um alarme que é accionado a fim de alertar imediatamente o explorador. É feita seguidamente referência à figura 4, na qual foi esquematizado um primeiro modo de concretização do processo objecto da invenção.

Neste exemplo, não limitativo, de realização, a água bruta ou mecanicamente pré-tratada 1, numa obra de desarenamento ou desengorduramento, é enviada directamente e sem decantação primária para o 14 83 622 ΕΡ Ο 925 258/ΡΤ reactor 2 para ser misturada com uma cultura microbiana livre, a lama anóxica. O reactor 2 é mecanicamente agitado 3, com a possibilidade de uma introdução muito limitada de ar de perfazimento dependente da medição do potencial de oxidação-redução. A reacção entre o carbono orgânico presente na água bruta ou pré-tratada 1 e o azoto nítrico ou nitroso recirculado 11 para o reactor 2, tem por resultado a transformação completa do azoto nítrico ou nitroso em azoto gasoso. 0 crescimento das bactérias heterotróficas desnitrificantes é portanto assegurado graças à energia fornecida por esta reacção. Na ausência de oxigénio livre, o azoto nítrico ou nitroso representa o único aceitador de electrões à disposição das bactérias heterotróficas. Na presença de uma concentração muito baixa de oxigénio dissolvido, geralmente inferior a 0,2 mg/l, observa-se uma oxidação do carbono orgânico, em simultâneo com a desnitrificação anóxica. A proporção de bactérias heterotróficas capazes de efectuar a reacção de desnitrificação na lama anóxica é mais importante que a de uma lama activada clássica. Isto tem por resultado cinéticas de desnitrificação várias vezes mais elevadas do que as observadas em sistemas convencionais de cultura livre, bem como volumes de obras sensivelmente reduzidos. A ausência de um decantador primário conduz a um aumento da carga orgânica, participando a poluição particulada nas reacções de desnitrificação. A concretização da lama anóxica é caracterizada por condições de muito alta carga aplicada, a saber, superior a 3 kg CQO/kg MV.dia e, de preferência superior ou igual a 4 kg CQO/kg MV.dia e por um excelente índice de volume de lamas (IVL sensivelmente igual a 50 ml/g). A fim de manter em permanência condições anóxicas e de concretizar uma condução optimizada do processo objecto da invenção, o reactor 2 é equipado com uma sonda 4 que mede o potencial de oxidação-redução· do licor misto, acoplada à medição em contínuo da concentração em azoto nítrico 12. Este sistema permite ao processo funcionar em condições óptimas, a saber, a uma relação CQO/N-Nox constante e com um valor do potencial de oxidação-redução que assegura uma desnitrificação completa do licor nitrificado. A dependência do ar de perfazimento de um valor do potencial de oxidação-redução (SD) permite além disso, em certas condições extremas, eliminar o excesso do carbono por oxidação, mantendo a desnitrificação em simultâneo.

83 622 ΕΡ Ο 925 258/ΡΤ

Tal como é entendido na presente invenção, a associação de um processo de lamas anóxicas de muito alta narga a um sistema de condução optimizada, baseada na dependência dos meios de recirculação do licor nitrificado e de introdução de ar de perfazimento, da medição do potencial de oxidação-redução do meio anóxico, permite não só obter um nível elevado de tratamento num reactor compacto, como, sobretudo, controlar o processo e os seus desempenhos ao longo do tempo, mesmo aquando de períodos de sobrecarga hidráulica (tempo de chuva). O resultado do tratamento pela lama anóxica é também controlado por uma medição em contínuo 12 de nitratos no efluente intermédio, sendo o objectivo da desnitrificação pela lama anóxica a obtenção de um efluente intermédio contendo o mínimo de nitratos residuais. Quando um limite S3, previamente fixado, de preferência entre 0,3 e 2 mg N-Nox/I e melhor, entre 0,5 e 1,5 mg N-Nox/I, é atingido, é dado o sinal para diminuir a recirculação do licor nitrificado, independentemente do valor real do potencial de oxidação-redução. Pode igualmente ser accionado um alarme se após um tempo determinado, o valor do potencial de oxidação-redução não diminuir suficientemente. Com efeito, a ultrapassagem do limite S3 significa que a reacção de desnitrificação foi efectuada de maneira incompleta e com um rendimento diminuído, o que tem por causa, provavelmente, uma relação CQO/N-Nox muito baixa. Neste caso, é inútil recircular mais nitratos que não podem ser desnitrificados pela lama anóxica. A medição dos nitratos constitui assim uma segurança do sistema de dependência da medição do potencial de oxidação-redução e o seu papel é, antes de mais, corrigir as eventuais falhas do sistema de regulação.

Após ter completado a reacção de desnitrificação, a lama anóxica é separada do efluente desnitrificado num clarificador intermédio 6. Este clarificador pode ser, muito vantajosamente, um separador lamelar. A lama anóxica separada e concentrada é em seguida recirculada 7 para o reactor anóxico 2. 0 efluente intermédio 8, rico em azoto amoniacal que não foi eliminado pela lama anóxica, é enviado para o reactor de nitrificação de biomassa fixada 9, caracterizado por um tempo de residência hidráulico muito curto e por uma forte carga aplicada. Ao atravessar este reactor o azoto amoniacal é oxidado em azoto nitroso ou nítrico por bactérias autotróficas 16 83 622 ΕΡ Ο 925 258/ΡΤ fixadas. Uma parte do efluente 10 é em seguida recirculado 11 para o reactor anóxico 2 para aí ser desnitrificado pela lama anóxica. Como exemplo de um sistema de nitrificação por biomassa fixada, pode-se citar o biofiltro arejado de fluxo ascendente do tipo "Biofor", comercializado pela presente Requerente.

De preferência, de acordo com a invenção, a concentração da lama anóxica no reactor 2 está compreendida entre 1 e 4 g/l, de preferência entre 1 e 2 g/l. 0 tempo de residência hidráulico do efluente bruto 1, sem contar com a recirculação, no reactor anóxico 2, situa-se entre 0,5 e 3 horas, de preferência entre 1 e 2 horas.

De acordo com a invenção, o tempo de residência hidráulico global do efluente no reactor anóxico 2 e do efluente intermédio no reactor 9, sem contar com a recirculação, está compreendido entre 1,5 e 5 horas, de preferência entre 2 e 3 horas.

De acordo com uma forma de concretização do processo objecto da invenção, a concentração em azoto amoniacal do efluente final é controlada em permanência por um dispositivo de medição 15 colocado à saída do reactor 9, a fim de manter esta concentração a um valor residual inferior a 2 mg N-NH4/I, de preferência igual ou inferior a 1 mg N-NH4/I.

De acordo com a invenção, a etapa de nitrificação pode igualmente ser realizada por uma cultura de microrganismos autotróficos, fixada sobre ou num material móvel, A figura 5 mostra uma tal configuração. Contrariamente à configuração precedente, um reactor de cultura fixada sobre um material móvel 9' é seguido de um clarificador final 13 que tem por fim reter a fracção de cultura livre que se escapou do reactor 9'. Como exemplo de um sistema de nitrificação deste tipo,, pode-se mencionar um reactor de leito móvel, por exemplo do tipo descrito em FR-A-2706883, ou fluidizado. Nos dois casos, a fracção de biomassa que permanece livre no reactor não é senão uma fracção reduzida em relação à biomassa fixada (<5 a 30%), da mesma forma, a quantidade de biomassa autotrófica arejada reciclada 11 é muito reduzida em relação à do sistema clássico de lamas activadas (cf Figura 1). Isto não reduz as vantagens descritas acima para o sistema anóxico.

83 622 ΕΡ Ο 925 258/ΡΤ É bem evidente que a concretização do processo objecto da invenção não se limita unicamente às configurações descritas acima, a título de exemplo. A lama anóxica pode apresentar todas as configurações conhecidas do perito na arte, na condição de respeitar as condições de concretização descritas acima (muito alta carga hidráulica, curto tempo de residência hidráulica, condução optimizada, razão CQO/N-Nox aplicada estável ou óptima, ...). A concretização do processo objecto da invenção, permite separar a biomassa desnitrificante da biomassa nitrificante, ou seja optimizar a actividade das bactérias heterotróficas desnitrificantes da lama anóxica. 0 facto de elas evoluírem constantemente em meio anóxico e, sobretudo, a uma razão CQO/N-Nox estável ou óptima, permite-lhes ter em permanência enzimas activas, mesmo em presença de uma quantidade limitada de oxigénio dissolvido, o que tem por resultado uma cinética de desnitrificação muito elevada. As cinéticas de desnitrificação elevadas permitem tratar cargas mais importantes, num lapso de tempo reduzido. Para manter o potencial de desnitrificação da cultura o mais elevado possível, o sistema deve trabalhar a muito alta carga orgânica, de preferência igual ou superior a 3 kg CQO/kg MV.dia, com uma idade de lamas muito reduzida, da ordem de 2 a 4 dias e a uma razão CQO/N-Nox óptima. A utilização da lama anóxica e a sua condução optimizada permitem assim reduzir sensivelmente o volume da obra, em comparação com os sistemas convencionais de eliminação de azoto por lamas activadas, podendo o ganho atingir até 60% do volume do tanque anóxico convencional. A carga aplicada muito elevada e o meio anóxico favorecem por um lado a selecção das espécies heterotróficas capazes de desnitrificar, sendo a lama anóxica, por consequência, mais rica nestas espécies que uma lama activada clássica e, por outro lado, induzem uma melhor decantabilidade da lama, porque o meio de muito alta carga anóxica é desfavorável às bactérias filamentosas. A lama anóxica possuindo excelentes capacidades de decantação pode portanto ser separada do efluente intermédio 8, por um separador lamelar judiciosamente situado a jusante do reactor anóxico. A permanência das condições anóxicas é controlada por um dispositivo baseado na medição do potencial de oxidação-redução do meio. A medição do puleneial de oxidação-redução permite por sua vez ajustar a razão de 18 83 622 ΕΡ Ο 925 258/ΡΤ recirculação de nitratos e/ou de nitritos e, por consequência impedir que o meio se torne anaeróbio, manter a população heterotrófica em actividade máxima e mantar igualmente as cinéticas de desnitrificação a um nível muito elevado, porque a razão CQO/N-Nox aplicada ao reactor anóxico permanece sensivelmente constante a um valor óptimo. Um desvio eventual deste sistema de condução pode ser corrigido por uma medição da taxa de nitratos a jusante do reactor anóxico, estando esta medição acoplada à recirculação do licor nitrificado. Quando o limite previamente fixado S3, indicando uma desnitrificação incompleta, é atingido, a razão de recirculação do licor nitrificado é automaticamente diminuída. 0 facto de o caudal de recirculação ser dependente da medição do estado de oxidação-redução do meio e, por consequência, indirectamente, às variações quantitativas e qualitativas do fluxo de água residual, tem por resultado uma variação muito fraca do caudal total que atravessa as obras anóxica e nitrificante, o que é uma característica da fileira. Assim, o processo objecto da presente invenção é capaz de fazer face às pontas de carga de forma fiável, contrariamente aos sistemas de lamas activadas conhecidos na arte anterior a esta técnica e citados no preâmbulo da presente descrição.

As vantagens do processo objecto da invenção, em relação a uma lama activada, são resumidos na tabela seguinte:

Parâmetro Zona anóxica Convencional Lama anóxica de acordo com a invenção Tempo de residência da água bruta (horas) 3 1 Concentração da lama (kg MS/m3) 3-5 1,5-2 Carga aplicada (kg CQO/kg MV.dia) 0,2 >3 Carga eliminada (kg N-N03/m3.dia) 0,2 0,5-0,6 Cinética de desnitrificação (mg N-NOj/g MV.h) 3-4 10-15 índice de Volume de lamas IVL (ml/g) 100-200 50-70

Retém-se desta tabela, designadamente, o ganho económico muito importante em volume de obra afectado de um factor 3, graças por um lado às cinéticas elevadas de desnitrificação e, por consequência, ao tempo muito reduzido de residência da água no sistema e, igualmente, a uma velocidade 19 83 622 ΕΡ Ο 925 258/ΡΤ ascensional da água no clarificador mais elevada, graças aos reduzidos índice volume de lamas e concentração de lamas.

Lisboa, 2uDÍ

Por DEGREMONT O AGENTE OFICIAL

ANTÓNIO JOÃO A CUNHA FERRE1RA

Ag. Of. Pr. Ind.

Rua das Flores, 74-4.° 1200-195 LISBOA

Claims (24)

1. 83 622 ΕΡ Ο 925 258/ΡΤ 1. Processo biológico de depuração de águas residuais com vista na produção de um efluente de baixo teor de carbono e de compostos oxigenados de azoto, compreendendo uma etapa de desnitrificação, por tratamento por lamas activadas, associado a uma clarificação, seguida por uma etapa de nitrificação e compreendendo uma recirculação parcial do efluente nitrado para montante da etapa de tratamento por lamas activadas, sendo este processo caracterizado por se realizar a eliminação do carbono, aquando da etapa de tratamento por lamas activadas, num mesmo reactor biológico, fazendo-se esta eliminação de acordo com as características de caudal-poluição da água a tratar, em presença: do oxigénio constituinte dos compostos nitrados, compreendendo a etapa de eliminação do carbono uma desnitrificação simultânea, de oxigénio fornecido por um arejamento controlado, contínuo ou descontínuo, e portanto com oxidação directa do carbono, simultaneamente do oxigénio constituinte dos compostos nitrados e de oxigénio fornecido pela oxidação controlada, contínua ou descontínua, e portanto com desnitrificação e oxidação simultâneas do carbono, por a condução do processo ser assegurada pela medição em contínuo do potencial de oxidação-redução do meio anóxico, estando esta medição acoplada a: uma medição da concentração de nitratos no efluente intermédio, um dispositivo que faz a dependência dos meios de fornecimento de ar de perfazimento à lama anóxica e, uma regulação do caudal de recirculação do licor nitrificado e por a dita medição da concentração de nitratos estar acoplada à recirculação do licor nitrificado.
2. 2. Processo de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por a etapa de nitrificação ser efectuada sobre uma cultura imobilizada sobre um suporte fixo ou móvel.
3. 3. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 ou 2 caracterizado por o tempo de residência hidráulica total do efluente em bruto aquando da etapa de tratamento com lamas activadas e do efluente intermédio 83 622 ΕΡ Ο 925 258/ΡΤ 2/5 aquando da etapa de nitrificação, sem contar com a recirculação, estar compreendido entre 1,5 e 5 horas, de preferência entre 2 e 3 horas.
4. 4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3 caracterizado por a carga orgânica aplicada à etapa de tratamento por lamas activadas ser igual ou superior a 3 kg CQO/kg MV.dia, de preferência igual ou superior a 4 kg CQO/kg MV.dia.
5. 5. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por o caudal total do efluente que atravessa o sistema ser sensivelmente constante.
6. 6. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por as águas residuais de origem urbana não sofrerem decantação prévia ao seu tratamento na etapa de tratamento por lamas activadas.
7. 7. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5 em que as águas residuais de origem industrial sofrem um pré-tratamento apropriado, a montante do seu tratamento na etapa de lamas activadas.
8. 8. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por o caudal de recirculação do efluente nitrificado para a etapa de tratamento por lamas activadas estar dependente da medição em contínuo do potencial de oxidação-redução na referida etapa, para valores deste potencial compreendidos entre os limites S, e S2-
9. 9. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por, tendo o caudal de recirculação atingido o seu valor máximo, se provocar um fornecimento de oxigénio na etapa de tratamento por lamas activadas, efectuado em particular por arejamento contínuo ou descontínuo, sempre que um limite S0 do potencial de oxidação-redução é atingido.
10. 10. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por o caudal de recirculação e a oxigenação contínua ou descontínua, aquando da etapa de tratamento por lamas activadas estarem 83 622 ΕΡ Ο 925 258/ΡΤ 3/5 dependentes da medição simultânea e em contínuo do potencial de oxidação-redução nessa etapa e da concentração de nitratos do efluente dessa mesma etapa, sendo a concentração de nitratos mantida abaixo de um limite S3.
11. 11. Processo de acordo com qualquer umas das reivindicações anteriores caracterizado por a razão de recirculação do licor nitrificado para a etapa de desnitrificação e de eliminação do carbono estar compreendida entre 5 e 400%.
12. 12. Processo de acordo com qualquer umas das reivindicações anteriores caracterizado por a concentração de lamas activadas aquando da etapa de desnitrificação e de eliminação do carbono estar compreendida entre 1 e 4 g/l, de preferência entre 1 e 2 g/l.
13. 13. Processo de acordo com qualquer umas das reivindicações anteriores caracterizado por o valor do limite S0 estar situado num intervalo compreendido entre 30 e 70 mV/EHN, de preferência entre 40 e 60 mV/EHN.
14. 14. Processo de acordo com qualquer umas das reivindicações anteriores caracterizado por o valor do limite S, estar situado num intervalo compreendido entre 50 e 80 mV/EHN, de preferência entre 60 e 70 mV/EHN.
15. 15. Processo de acordo com qualquer umas das reivindicações anteriores caracterizado por o valor do limite S2 estar situado num intervalo compreendido entre 100 e 150 mV/EHN, de preferência entre 110 e 120 mV/EHN.
16. 16. Processo de acordo com qualquer umas das reivindicações anteriores caracterizado por o valor do limite S3 estar situado num intervalo compreendido entre 0,3 e 2 mg N-NOx/l, e de preferência compreendido entre 0,5 e 1,5 mg N-NOx/l.
17. 17. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por a separação da lama activada e do efluente intermédio ser efectuada de preferência por decantação lamelar numa operação 83 622 ΕΡ Ο 925 258/ΡΤ 4/5 separada e situada a jusante do reactor no qual se efectua a etapa de desnitrificação e de eliminação do carbono.
18. 18. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a concentração de azoto amoniacal do efluente final ser medida em contínuo a fim de ser mantida em permanência abaixo de uma concentração dada, sendo esta concentração inferior a 2 mg N-NH4/I de preferência igual ou inferior a 1 mg N-NH4/I.
19. 19. Dispositivo para a realização do processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por compreender: um reactor (2) de cultura livre que evolui em meio anóxico em presença de azoto nítrico ou nitroso, compreendendo este reactor meios (3) de agitação mecânica que funcionam de modo contínuo, meios de fornecimento de ar de perfazimento (5) dependentes da medição do potencial de oxidação-redução e uma sonda (4) de medição do potencial de oxidação-redução do meio anóxico; um clarificador (6), separado do reactor anóxico (2), que efectua a separação da lama anóxica do efluente desnitrificado; - um circuito (7) de reciclagem da lama anóxica separada, para o referido reactor de cultura livre (2); um meio de medição em contínuo da concentração de nitratos no efluente intermédio (12), acoplado à reciclagem (11) do licor nitrificado, de maneira a diminuir automaticamente a razão da referida reciclagem assim que é atingido o limite S3 de concentração de nitratos, a fim de corrigir eventuais falhas ou anomalias do sistema de regulação da recirculação pela medição do potencial de oxidação-redução, que conduzem a uma desnitrificação incompleta; estando o referido meio de medição igualmente acoplado à sonda (4) de medição do potencial de oxidação-redução do meio anóxico; - um reactor de nitrificação de biomassa fixada em suporte fixo (9) ou móvel (9') que recebe o efluente intermédio proveniente do clarificador (6), e um circuito (11) de recirculação de uma parte do efluente final para o reactor de cultura livre contendo a lama anóxica, estando o caudal de recirculação dependente da medição do potencial de oxidação-redução (4) da lama anóxica no reactor (2) anóxico. 83 622 ΕΡ Ο 925 258/ΡΤ 5/5
20. 20. Dispositivo de acordo com a reivindicação 19 caracterizado por o reactor de nitrificação (9,9') compreender ainda meios que asseguram uma mediçãn em contínuo da concentração de azoto amoniacal à saída deste reactor.
21. 21. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 19 e 20 caracterizado por o reactor de nitrificação (9) do efluente intermédio ser um biofiltro nitrificante de corrente ascendente, com tempo de residência hidráulico muito curto.
22. 22. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 19 e 20 caracterizado por o reactor de nitrificação (9') do efluente intermédio ser um reactor de cultura fixa, do tipo de leito móvel ou fluidizado.
23. 23. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações 19 a 22 caracterizado por compreender ainda um separador lamelar (6), colocado a jusante do reactor anóxico (2) para assegurar a separação da lama anóxica do efluente desnitrificado.
24. 24. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações 19 a 23 caracterizado por compreender ainda meios (15) de medição em contínuo da concentração de azoto amoniacal do efluente final (10), estando estes meios dispostos à saída do reactor de nitrificação (9,9'). Lisboa, : ' ^ Por DEGREMONT 0 AGENTE OFICIAL

    ig.“ ANTÓNIO JOÃO CUNHA FERREIRA Ag. 0|. Pr. Ind. Rua das Flores, 74-4.° 1200-195 LISBOA