RO117529B1

RO117529B1 - Procedeu şi instalaţie pentru tratarea apelor reziduale de canalizare

Info

Publication number: RO117529B1
Application number: RO96-00506A
Authority: RO
Inventors: G. Alex Fassbender
Original assignee: Battelle Memorial Institute
Priority date: 1993-09-09
Filing date: 1994-09-02
Publication date: 2002-04-30
Also published as: DE69416144D1; KR960704802A; JPH09502390A; BR9407689A; EP0717724A1; US5433868A; AU678854B2; AU7642594A; CA2166559A1; JP3425953B2; HUT77547A; KR100338383B1; EP0717724B1; HU9600534D0; ATE175947T1; WO1995007238A1

Abstract

Invenţia se referă la un procedeu şi o instalaţie de tratare a apelor reziduale de canalizare municipale. Procedeul conform invenţiei are trei faze principale. Prima fază constă în deshidratarea fără fermentare primară, producându-se astfel un prim curent cu conţinut de amoniac, având o concentraţie scăzută de amoniac, şi un al doilea curent cu un conţinut de solide. A doua fază cuprinde trimiterea celui de al doilea curent cu conţinut de solide prin elemente de separare a solidelor din lichid şi producerea unui curent apos cu o mare concentraţie de amoniac. Cea de a treia fază realizează eliminarea amoniacului din curentul apos, folosind un proces hidrotermic. Instalaţia de aplicare a procedeului, conform invenţiei, include o instalaţie (30) de deshidratare a unui nămol nefermentat şi de obţinere a unui produs deshidratat (22), având o concentraţie de amoniac sub 1000 ppm şi a unui nămol deshidratat (24) cu conţinut de solide împreună cu cel puţin un compus de azot, elemente (36) pentru prelucrarea nămolului deshidratat (24) şi producerea unui prim produs (25) având o concentraţie redusă de amoniac ce rezultă din compuşi de azot, elemente (27) pentru tratarea hidrotermică a unui al doilea produs (26), eliberând azotul sub formă de gaz de azot şi un curent apos sau supercritic având o concentraţie redusă de amoniac. Invenţia reduce substanţial conţinutul de amoniac din efluenţii uzinelor de tratare a reziduurilor de canalizare.

Description

RO 117529 Β

Prezenta invenție se referă, în general, la un procedeu și o instalație de tratare a apelor reziduale de canalizare municipale. Mai concret, invenția se referă la reducerea cantității de amoniac din efluentul rezultat din faza de deshidratare și dintr-o instalație completă de tratare a apelor reziduale de canalizare.

începând din timpurile apeductelor romane și până la călătoriile interplanetare tratarea apelor reziduale de canalizare a diminuat suferința umană,prin reducerea riscurilor de îmbolnăvire asigurând o ambianță mai plăcută în zonele dens populate cum ar fi, orașe și echipaje spațiale. Tratarea apelor reziduale ale canalizărilor municipale s-a perfecționat fiind în prezent bine caracterizată.

Preocuparea crescândă asupra mediului ambiant care a provocat apariția legislației privind depozitarea reziduurilor de canalizare incluzând Ocean Dumping Ban Act și Clean Air Act, mandatează faptul că metodele de tratament convențional al apelor reziduale de canalizare să fie înlocuite sau modificate pentru respectarea noilor reglementări. în plus, se caută soluții pentru a se reduce încărcarea nutritivă a estuarelor și apelor interioare.

Conform brevetului US 5221486 acordat lui Fassbender (‘486), amoniacul, în prezența unui compus de azot oxidat, de exemplu, un nitrat, poate fi eliminat dintr-un curent apos prin încălzirea acestuia, de la circa 300°C la circa 600°C și presurizarea lui pentru a-l menține în fază apoasă sau supercritică după care se eliberează azotul sub formă de gaz de azot și un curent cu conținut de amoniac, într-o concentrație sub 50 ppm.

De asemenea, într-o lucrare intitulată STORS pentru NitRem: Conversia Nămol - Ulei și Eliminarea Azotului pentru Uzinele de Tratare a Apelor Uzate, prezentată la AWWA/WPCF Residuales Management Conference - August 11, 1991 de către AG Fassbender, se arată în fig.1 că al doilea curent cu conținut de amoniac din instalația de deshidratare este trimis spre procedeul din brevetul US 5221486 pentru eliminarea amoniacului. Se poate ușor recunoaște de către specialiști că este necesar un efort energetic considerabil pentru încălzirea curentului menționat cu minimum 300°C. Ca urmare, până la conceptul prezentei invenții, a rămas de actualitate rezolvarea problemei eficienței eliminării amoniacului din efluenții uzinelor de tratare a deșeurilor de canalizare.

Conform fig.1, instalațiile tipice obișnuite cunoscute, de tratare a apelor reziduale de canalizare ale orașelor primesc un curent de intrare brut 10, tratează prima apă reziduală de canalizare brută prin unul din procedeele primare 32 și 33, producând un prim nămol 11 și un efluent stabilizat 12, se fermentează acest efluent stabilizat într-un bazin de aerare 13 prin fermentare aerobă, se tratează secundar fluxul fermentat prin unul din procesele secundare 34, producând un nămol biologic 14 și un curent de apă tratată 15, apoi se fermentează 38 nămolurile primare și biologice 11 și, respectiv, 14 pentru a produce un nămol fermentat 16. Procesul de fermentare asigură un produs energetic sub formă de metan și transformă compușii care conțin azot, de exemplu, grupele amină de la compușii-amino, în amoniac care este eliberat într-o fază apoasă. Nămolul fermentat 16 reprezintă un curent de intrare în instalația de deshidratare 17 și conține circa 3%, în greutate, solide. Instalația 17 produce doi efluenți, primul -18 având mai puțin de 1% solide, și cel de al doilea -19 conținând circa 20%, în greutate, solide. Primul efluent 18 cu conținut scăzut de solide și deshidratat conține de circa 7,5 ori masa celui de al doilea curent 19 cu conținut de solide. în plus, primul efluent 18 are o mare concentrație de amoniac, de circa 1000 ppm. Acest efluent este reciclat înapoi spre porțiunea de tratare primară 33,13, 34 și 35 a instalației de tratare a apelor reziduale, în timp ce al doilea efluent 19, care conține solide, este pregătit în general pentru depunere pe sol. Tratarea secundară are o drenare pentru solide care sunt trimise spre instalația de deshidratare 17 și un efluent principal 20, care poate fi eliberat în mediul înconjurător sau preluat înainte de a fi depozitat pe sol.

RO 117529 Β

Unul din dezavantajele uzinelor convenționale de tratare a apelor reziduale de canalizare este prezența amoniacului în primul curent de efluent 18. La concentrații mari (de 50 până la 1000 ppm amoniac), cel de al doilea curent de efluent 19 se amestecă cu acel curent de intrare 10, crescându-se semnificativ concentrația amoniacului apos în principalul efluent stabilizat și în curenții de apă tratați secundar. Fermentarea aerobă poate fi împiedicată datorită efectului toxic al concentrației mari de amoniac asupra bacteriilor necesare. De aici, fără un tratament ulterior tratamentului secundar, amoniacul se eliberează în mediu! 55 ambiant, având ca urmare creșterile ulterioare de alge și deteriorarea apelor naturale.

Prezenta invenție, reprezintă o modificare a procedurilor practice de tratare a apelor reziduale de canalizare municipale, care reduce substanțial cantitatea de amoniac din efluent Deși, se adresează în primul rând canalizărilor municipale, este ușor de înțeles că șî alte practici de tratare a apelor reziduale pot fi modificate conform prezentei invenții pentru 60 reducerea cantității de amoniac.

Procedeul, conform invenției, are trei faze principale:

1) . Prima fază constă în deshidratarea nămolului primar și a celui biologic fără o primă fermentare, astfel obținându-se un compus deshidratat distinct față de primul efluent 18 cu conținut scăzut de solide din cauză că acest concentrat deshidratat nu a fost fermentat 65 și are o concentrație scăzută de amoniac, precum și un nămol deshidratat, diferit de cel de al doilea efluent fermentat cu conținut mare de solide, întrucât acesta are solide și compuși de azot care nu s-au transformat încă în amoniac; produsul deshidratat se reciclează înapoi spre zona de tratare primară a uzinei de tratare a apei reziduale unde este combinat cu principalul curent de apă reziduală de canalizare din punctul respectiv; 70

2) . A doua fază constă în trimiterea nămolului deshidratat prin elemente de separare a solidelor din lichid și de producere a unui curent apos conținând amoniac în concentrație mare;

3) . A treia fază este eliminarea amoniacului din curentul apos folosind un procedeu hidrotermic. 75

Instalația de aplicare a procedeului, conform invenției, cuprinde o instalație de deshidratare pentru deshidratarea unui nămol nefermentat și obținerea unui produs deshidratat având o concentrație de amoniac sub 1000 ppm și a unui nămol deshidratat cu conținut de solide împreună cu cel puțin un compus cu conținut de azot, niște elemente pentru prelucrarea nămolului deshidratat și producerea unui prim produs având o concentrație 80 redusă de amoniac care rezultă din compuși de azot și a unui al doilea produs care are o concentrație mare de amoniac ce rezultă din compusul (compușii) de azot, și niște elemente pentru tratarea hidrotermică a celui de al doilea produs eliberând azotul sub formă de gaz de azot și un curent apos sau supercritic având o concentrație redusă de amoniac.

Procedeul, conform prezentei invenții, are mai multe avantaje față de procedeele 85 existente și alte practici din stadiul tehnicii. în primul rând, concentrația amoniacului în produsul deshidratat rezultat din instalația de deshidratare este mult mai mică (30 - 50 ppm), decât concentrația amoniacului în efluentul instalației de deshidratare a primului curent cu conținut scăzut de solide (1000 ppm). Produsul concentrat deshidratat poate avea o concentrație în amoniac, de la circa 50 la circa 1000 ppm, dar este preferabil să se evite prefermen- 90 tarea și orice încălzire sau prelucrare care ar transforma compușii cu azot în amoniac reținând astfel o concentrație preferată în amoniac, de la circa 30 la circa 50 ppm. în al doilea rând, mai puțin de 1/7 din totalul cantității de apă reziduală de canalizare se încălzește în procedeul din brevetul US 5221486 pentru eliminarea amoniacului din nămolul deshidratat în locul încălzirii întregii cantități, așa cum se menționează în publicația din stadiul tehnicii. 95 în al treilea rând, toată operația de tratare poate fi efectuată în faza apoasă sau supercritică,

RO 117529 B

100

105

Îi?

;^j no i

115

120

125

130

135

140 având avantajele inerente privind costurile echipamentelor. Cu o reducere a cantității de amoniac din curentul de reciclare și o concentrație, de 25 ori mai mică, decât în cazul tratării convenționale numai prin prelucrarea curentului deshidratat cu conținut mare de solide, procedeul conform prezentei invenții este unul foarte practic și eficient.

Obiectele, prezentei invenții, sunt evidențiate, în special, și revendicate în partea principală a prezentei descrieri. Totuși, atât modul de structurare și de aplicare a procedeului împreună cu alte avantaje și obiective pot fi mai bine înțelese din următorul exemplu de realizare a invenției, în legătură și cu fig. 1 și 2, care reprezintă:

- fig. 1, schemă de flux tehnologic al unui procedeu de tratare a apelor reziduale din stadiul tehnicii în temă;

- fig.2, schemă de flux tehnologic al procedeului de tratare a apelor reziduale, conform invenției.

Prezenta invenție, așa cum se ilustrează în fig. 2 se referă la un procedeu și o instalație pentru tratarea curenților de apă reziduală de canalizare municipale.

Procedeul, conform invenției, are următoarele faze:

a) deshidratarea unui curent (curenților) de nămoluri brute nefermentate provenit de la o uzină de tratare a apelor reziduale, și obținerea unui produs 22 deshidratat care are o concentrație în amoniac mai mică decât circa 75 ppm, și a unui nămol deshidratat 24 ce conține majoritatea solidelor incluzând compuși de azot;

b) reciclarea produsului deshidratat 22 spre zona de tratament primar a uzinei de tratare a apelor reziduale sau prelucrarea produsului deshidratat 22 în alte instalații incluzând, dar nefiind limitată, la ultrafiltrare și eliberând primul produs deshidratat în mediul ambiant;

c) prelucrarea nămolului deshidratat 24 și producerea unui prim produs 25 care conține o cantitate de amoniac într-o proporție sub 250 ppm, de preferință, sub 50 ppm, și un al doilea produs 26 cu o mare concentrație în amoniac determinată de compușii cu azot;

d) supunerea celui de al doilea produs 26 cu concentrație mare de amoniac unui proces hidrotermic 27, astfel eliberând azotul sub formă de gaz de azot și eliberarea unui curent apos sau supercritic 28 având o concentrație de amoniac sub 250 ppm, de preferință, sub 50 ppm.

Concentrația de amoniac în produsul deshidratat nefermentat 22 poate fi de 75 ppm sau mai mare, dar este, de preferință, mai mică decât circa 50 ppm, dar mare mare decât 1 ppm, dar cel mai preferabil, între circa 30 și circa 50 ppm.

Nămolul deshidratat 24 poate fi trimis direct spre procesul hidrotermic 27. Totuși, omiterea fazei de prelucrare ar reduce avantajele de a obține combustibili utili din solide și ar reduce cantitatea de compuși cu azot eliminați din nămolul deshidratat 24.

Prelucrarea nămolului deshidratat 24 poate fi făcută printr-o varietate de procedee. O prelucrare preferată este lichefierea 36, mai preferabilă este o fermentare alcalină realizată la temperaturi ridicate, de la circa 265 la circa 350^qC sub presiune. Această fermentare alcalină dizolvă nămolul și transformă solidele într-un prim produs din compuși cu greutăți moleculare mici incluzând, dar nefiind limitat la acetonă, acroleină și glicerol. Compușii cu greutate moleculară mică se pot recombina formând compuși primari aromatici, în plus, primul produs include apă și bioxid de carbon care sunt eliminați reținându-se un produs insolubil în apă cu valoare calorică mai mare decât cea a nămolului. Produsul insolubil este un ulei sau un cărbune. Cel de al doilea produs 26 al fermentației alcaline este un curent apos care conține compuși de azot, în primul rând amoniac, în concentrație variind, între circa 500 și circa 2000 ppm.

RO 117529 Β

O altă prelucrare preferată este oxidarea în aer umed în care cea mai mare parte sau toată porțiunea carbonică a reziduului se oxidează într-un prim curent, iar compușii cu azot 145 sunt transformați în amoniac, care se dizolvă într-un al doilea curent de fază apoasă. Concentrațiile de amoniac în cel de al doilea produs al oxidării în aer umed variază, de la circa 500 la circa 3000 ppm.

încă o altă modalitate preferată de prelucrare este oxidarea în apă supercritică, care este similară cu oxidarea în aer umed cu excepția că apa este în fază supercritică. 150

Un proces hidrotermic 27 preferat este generarea gazului de azot și cel mai preferabil procesul din brevetul US 5221486, inclus în textul descrierii ca referință, în care cel de al doilea produs se încălzește, la o temperatură, de la circa 300 la circa 600°C și la o presiune suficientă pentru menținerea unei faze lichide sau supercritice, eliberând astfel azot, sub formă de gaz de azot și un curent 28 apos sau supercritic având o concentrație în amoniac 155 sub circa 250 ppm, de preferință, sub circa 50 ppm.

Instalația, conform prezentei invenții, este un echipament pentru tratarea unui curent de apă reziduală de canalizare municipală, care cuprinde:

a) o instalație de deshidratare 30 pentru deshidratarea unui curent de nămol și producerea unui produs deshidratat 22 conținând amoniac într-o proporție mai mică decât 160 circa 75 ppm și un nămol deshidratat 24 conținând solide și compuși cu azot;

b) elemente pentru reciclarea produsului deshidratat 22 spre zona de tratament primar 33,13, 34 și 35 a uzinei de tratare a apelor uzate;

c) elemente 36 pentru prelucrarea nămolului deshidratat 24 și producerea unui prim produs 25 având o concentrație în amoniac sub 50 ppm și a unui al doilea produs 26, având 165 o concentrație mai mare de amoniac rezultând din compușii cu azot,

d) elemente 27 pentru tratarea hidrotermică a celui de al doilea produs 26 cu conținut mare de amoniac, eliberând astfel azotul sub formă de gaz de azot și un curent apos sau supercritic, având o concentrație de amoniac sub 50 ppm.

Elementele pentru reciclarea produsului deshidratat înapoi spre zona de tratament 170 primar a uzinei de tratare a apei constau, de preferință, dintr-o țeavă sau altă conductă de transfer al lichidelor. Avantajul conținutului redus de amoniac în efluentul uzinei se obține fără aceste elemente.

Elementele 36 pentru prelucrarea nămolului deshidratat 24 pot fi orice elemente prin care solidele sunt separate sau transformate într-un prim produs 25, iar un curent apos 175 conținând amoniac este al doilea produs 26. Elementele preferate includ, dar nu sunt limitate la elemente de lichefiere 36, elemente pentru fermentare alcalină, elemente de oxidare în aer umed și elemente pentru oxidarea în apă supercritică.

Tratarea hidrotermică 27 a celui de al doilea produs 26 se efectuează, de preferință, cu elemente pentru încălzirea celui de al doilea produs 26, la o temperatură, de la circa 300, 180 la circa 600°C și la o presiune suficientă menținerii unei faze lichide sau supercritice, având un conținut în amoniac sub 50 ppm.

Elementele de încălzire pot fi orice elemente care includ încălzitoare electrice, cu combustibil fosil, solare sau cu combustibil chimic, fie interioare sau exterioare față de un vas conținând cel de al doilea produs. 185

Deși a fost ilustrată și descrisă o variantă preferată a prezentei invenții, este evident pentru specialiștii în domeniu că se pot face multe schimbări și modificări fără îndepărtarea de conținutul invenției în aspectele sale cele mai largi. Revendicările anexate sunt de aceea destinate a acoperi toate schimbările și modificările ca fiind în cuprinsul adevăratei intenții și obiect al invenției. 190

Claims

RO 117529 Β

Revendicări

1. Procedeu pentru tratarea apelor reziduale de canalizare municipale sau a curenților de apă reziduală de la uzinele de tratare a apelor uzate, caracterizat prin aceea că

195 include faza de deshidratare a unui nămol nefermentat și producerea unui produs deshidratat, având o concentrație în amoniac sub 1000 ppm, și a unui nămol deshidratat care conține solide împreună cu cel puțin un compus cu conținut de azot, faza de prelucrare a nămolului deshidratat și obținerea unui prim produs, având o concentrație redusă de amoniac și unui al doilea produs, cu concentrație mare de amoniac rezultând din compusul sau

200 compușii cu azot, și faza de supunere a celui de al doilea produs unui proces de hidrotratare termică, eliberând astfel azotul sub formă de gaz de azot și un curent apos sau supercritic

V cu concentrație redusă de amoniac.
2. Procedeu, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că prelucrarea

205 nămolului nefermentat se efectuează prin lichefiere.
3. Procedeu, conform revendicării 2, caracterizat prin aceea că lichefierea constă într-o fermentare alcalină.
4. Procedeu.conform revendicării 3, caracterizat prin aceea că, fermentarea alcalină cuprinde faza de încălzire a celui de-al doilea efluent, la o temperatură, de la 265 la 350°C, sub presiune, și faza de dizolvare a nămolului și descompunerea solidelor din nămol într-un

210 prim produs și un al doilea produs cuprinzând un curent apos cu conținut de compuși de azot.
5. Procedeu, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că prelucrarea nămolului deshidratat se face prin oxidare în aer umed.

215
6. Procedeu, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că prelucrarea nămolului deshidratat se face prin oxidare în apă supercritică.
7. Procedeu, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că procesul hidrotermic al celui de al doilea produs cuprinde faza de echilibrare a formelor oxidate și reduse ale azotului în cel de al doilea produs, faza de încălzire a celui de al doilea produs echilibrat la o temperatură de la 300°C la 600°C la o presiune suficientă pentru a menține o fază lichidă

220 sau supercritică, și faza de eliberare a azotului sub formă de gaz de azot și a unui curent apos sau supercritic având o concentrație scăzută de amoniac.
8. Instalație de aplicare a procedeului, definit în revendicările 1...7, caracterizată prin aceea că, include o instalație de deshidratare (30) pentru deshidratarea unui nămol nefermentat și obținerea unui produs deshidratat (22), având o concentrație de amoniac sub

225 1000 ppm și a unui nămol deshidratat (24) cu conținut de solide împreună cu cel puțin un compus cu conținut de azot, niște elemente (36) pentru prelucrarea nămolului deshidratat (24) și producerea unui prim produs (25), având o concentrație redusă de amoniac care rezultă din compusul(compușii) de azot, și a unui al doilea produs (26) care are o concentrație mare de amoniac ce rezultă din compusul (compușii) de azot, și niște elemente (27)

230 pentru tratarea hidrotermică a celui de al doilea produs (26) eliberând azotul sub formă de gaz de azot și un curent apos sau supercritic, având o concentrație redusă de amoniac.
9. Instalație, conform revendicării 8, caracterizată prin aceea că elementele (36) de prelucrare sunt de lichefiere.
10. Instalație, conform revendicării 9, caracterizată prin aceea că elementele de

235 lichefiere (36) sunt niște mijloace pentru fermentare alcalină.
11. Instalație, conform revendicării 10, caracterizată prin aceea că elementele pentru fermentare alcalină cuprind niște elemente de încălzire a celui de al doilea efluent (26), la o temperatură, de la 265 la 350°C sub presiune, care dizolvă nămolul și dezintegrează solidele din acesta într-un prim produs (25) și un al doilea produs (26) ce cuprinde un curent

240 apos (28), conținând compuși cu azot.

RO 117529 B
12. Instalație, conform revendicării 8, caracterizată prin aceea că elementele pentru prelucrare (27) sunt niște elemente de oxidare în aer umed.
13. Instalație,conform revendicării 8, caracterizată prin aceea că elementele pentru prelucrare (27) sunt de oxidare în apă supercritică.
14. Instalație,conform revendicării 8, caracterizată prin aceea că elementele de tratare hidrotermică (27) includ un vas conținând cel de al doilea produs (26) și elemente de încălzire a celui de al doilea produs (26), la o temperatură, de la 300 la 600°C, la o presiune suficientă pentru a menține o fază lichidă sau supercritică, eliberând azotul sub formă de gaz de azot și un curent apos sau supercritic (28), având o concentrație scăzută de azot.

245

Președintele comisiei de examinare: ing. Georgescu Mirela

Examinator: fiz. Colin Elena