WO2018020394A1 - Reator uasb modificado, método de aproveitamento energético e uso - Google Patents

Reator uasb modificado, método de aproveitamento energético e uso Download PDF

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WO2018020394A1
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sludge
uasb reactor
modified
foam
modified uasb
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PCT/IB2017/054469
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Inventor
Gilberto CALDEIRA BANDEIRA DE MELO
Carlos Augusto DE LEMOS CHERNICHARO
Cláudio LEITE DE SOUZA
Artur TÔRRES FILHO
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Universidade Federal De Minas Gerais
Engenho Nove Engenharia Ambiental Ltda.
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    • B09—DISPOSAL OF SOLID WASTE; RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
    • B09B—DISPOSAL OF SOLID WASTE NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F11/00—Treatment of sludge; Devices therefor
    • C02F11/02—Biological treatment
    • C02F11/04—Anaerobic treatment; Production of methane by such processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W30/00—Technologies for solid waste management
    • Y02W30/20—Waste processing or separation

Definitions

  • the present invention relates to an anaerobic reactor and a method for energy recovery of sludge in the effluent treatment unit itself.
  • the anaerobic reactor consists of a modified UASB (Upfiow Anaerobic Sludge Blanket) reactor with flexible structures and systems that allow flow reversal integrated with its operating mechanism: sludge inflow / disposal system and the last scum removal system composed of a floating device.
  • the modified UASB reactor can be used for biogas production and, additionally, as a device for treatment and cleaning of gases generated in the thermal gasifier, allowing the use of combustible gases (biogas and treated gasogen) in devices that require more demanding quality, such as engines. internal combustion or turbines.
  • the proposed technology can be used for the treatment of domestic, industrial, agroindustrial effluents and for the generation of electrical and / or thermal energy, for example in combustion systems such as explosion engines and / or furnaces.
  • This technology has as main advantages, compared to conventional anaerobic reactors and associated sludge management techniques, better energy efficiency, economy and operational simplicity.
  • UASB reactors are widely used in wastewater treatment plants due to their numerous advantages. These reactors require small installation areas and are generally cylindrical or prismatic rectangular in shape with concrete or steel structures. However, these materials are susceptible to corrosion caused by aggressive compounds present in the treated effluent and biogas, requiring the use of alloyed steels or the application of coatings to prevent and / or repair damage to structures.
  • the energy utilization of the sludge through the process of individual or biogas conjugated thermal gasification is usually proposed to favor cogeneration in effluent treatment plants.
  • this conjugation consists of using the gases generated from the UASB reactor and the thermal gasifier separately. Each gas undergoes a cleaning and / or conditioning process and is then applied to a combustion and energy utilization system for the generation of electricity and / or heat.
  • exhaust gases from combustion systems may be used for drying sludge in dryers.
  • the patent document GB 1020130315990 entitled ⁇ Biodigester improved _ refers to a digester in rotomoulded polyethylene, i.e. a product consisting of a single piece of flat base that carries the work of a UASB reactor and an anaerobic filter for the treatment of domestic effluent.
  • This system differs from the present technology because the reactor is a cylindrical tank made of polymeric material and not by structures on slopes. Another difference is in the sludge extraction mechanism, which happens by pressure difference based on the communicating vessel system, and not by inversion of flow through the same inlet structures.
  • the US2009188850 patent document entitled ⁇ ist for residual treating water_ is a conformation of an anaerobic system wastewater treatment by digging in the ground, which is covered by a PVC cover and presents three segments, equipped with a reactor, a deep chamber and an anaerobic lagoon, in a single body covered by a PVC blanket.
  • this system is more complex and costly, requiring large areas for deployment as it requires three fermentation chambers.
  • Another disadvantage is that it is not a UASB reactor and there are no systems or devices for removing scum, which will lead to the need for any system interruptions to clean and / or remove this byproduct.
  • the patent document PI 0105959-9 entitled ⁇ compact system UASB / biological trickling filter wastewater treatment _ refers to a wastewater treatment system, which combines in a single unit, a reactor Compartmentalized UASB and an aerobic percolator biological filter.
  • the reactor consists of a distribution box with adjustable spillways and switching registers, which allows one to three digestion compartments to be fed in parallel to the UASB reactor.
  • the method for effluent distribution has a disadvantage, such as the impossibility of inversion of flow for sludge removal, which only limits the insertion of sewage into the system.
  • the patent document JP 2000210693, entitled ⁇ ⁇ anaerobic treating device proposes an anaerobic UASB treatment tank capable of performing removal of skimmings by an adjustable device located at the top of the reactor on the treated water outlet surface.
  • the foam extraction device comprises a gutter-shaped opening connected to an expandable tube which in turn is connected to a foam discharge tube. Foam accumulates on the surface of the UASB reactor and when discharge is required, the fasteners must be removed from the upper beams to contract the expansion tube, the floating foam drains into the open part of the device due to the difference in water level and flows naturally through the discharge tube to the outside of the reactor.
  • This device however, has drawbacks as it requires direct contact with the operator as it is responsible for maintaining the fastener with the extractor device removed during operation and also making adjustments to the height of the device to make extraction possible.
  • DE10107712 entitled “Biofuel production involving returning methane from sludge gasification reactor to anaerobic sludge treatment stage
  • the method consists of supplying the sludge gasification gas to a set of digesters.
  • This system differs mainly because the anaerobic devices are septic tanks.
  • the disadvantage is the necessity of heating at least one of the digesters and the fact that it requires recirculation ducts for biogas and sludge gas to circulate through the contents of the digester.
  • the proposed solution comprises a UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) anaerobic reactor and a method for energy recovery from sludge and solid by-products in the effluent treatment unit itself.
  • the modified UASB reactor is formed by a flexible three-phase structure formed by a slope covered by a gas chamber bottom blanket hermetically closed by a blanket and comprises a three phase separator anchored to the slope by an anchor block and support structures. floating.
  • the modified UASB reactor comprises systems integrated with its operating mechanism: integrated tributary inlet system and sludge and sludge removal system comprising floating sludge removal devices. Both systems allow flow inversion to remove by-products generated by the biological process.
  • effluent treatment being the sludge and the foam used energetically, associated or not to other biologically active byproducts through the thermal gasification process, providing the increment of combustible gases to the biomethanization performed in the UASB reactor.
  • the application of technology in wastewater treatment system has the following advantages: operational simplicity; low deployment cost due to flexible structures; greater safety for the operators involved; inhibition of the formation of undesirable and corrosive compounds in biogas and removal of fumes and particles from the combustible gases generated in the thermal gasifier; reduction of greenhouse gas emissions to the atmosphere; higher methane transfer from the UASB reactor to the gas collection chamber, and minimization of biologically active solid by-products sludge.
  • Figure 1 shows the cut-off AA modified UASB reactor, showing digestion compartment (2), settling compartment (3), gas chamber (4), slope (5), bottom blanket (6), blanket (7), biogas manifold (8), three-phase separator (9), floating support structure (10), diffuser tubing (1 1), inlet box (12), drainage pipes (13) , Inlet Ducts (14), Barrel (15), Influent Valve (16), Sludge Valve (17), Floating Foam Removal Device (19), Passage Box (24), Treated Effluent Collection Tube (25), anchor block (26), foam (28) and thermal gasifier (30).
  • Figure 2 shows a top view of the modified UASB reactor showing the piping with diffusers (11), flow distribution box (12), drainage pipes (13), inlet ducts (14), pump set (18), Floating Foam Removal Devices (19), Foam Tubing (20), Barrel (15), Suction Barrel (21), Hoses (22), Housing bypass (24), treated effluent collection tube (25) and aerator (30);
  • Figure 3 shows the scum removal system with an enlarged view of the scum removal device (19) showing the pickup cone (23), hoses (22), floating device support structure (10), three phase separator (9), foam (28), pipe with connection (33).
  • the present invention relates to an anaerobic reactor and a method for energy recovery from sludge in the effluent treatment unit itself.
  • the anaerobic reactor consists of a modified UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) reactor with flexible structures and systems that allow flow reversal integrated with its operating mechanism: sludge inflow / waste disposal system and the last scum removal system. composed of a floating device.
  • the modified UASB reactor can be used for biogas production and, additionally, as a device for treatment and cleaning of gases generated in the thermal gasifier, allowing the use of combustible gases (biogas and treated gasogen) in devices that require more demanding quality, such as engines. internal combustion or turbines.
  • the proposed technology can be used for the treatment of domestic, industrial, agroindustrial effluents and for the generation of electrical and / or thermal energy, for example in combustion systems such as explosion engines and / or furnaces.
  • This technology has as main advantages, compared to conventional anaerobic reactors and associated sludge management techniques, better energy efficiency, economy and operational simplicity.
  • Figures 1 and 2 represent the proposed modified UASB reactor.
  • the modified UASB reactor is formed by a slope (5), a bottom blanket (6) and a blanket (7) fitted with a gas manifold (8) and equipped with the following elements: three-phase separator (9), floating support structure (10) and diffuser tubing (1 1); It comprises a configuration that allows the removal of sludge (27) and foam (28) by reversing flows through systems integrated with its operating mechanism: sludge inflow / disposal system and a foam removal system with a floating scum removal device (19) for extracting the bottom and top by-products generated by the effluent treatment process.
  • the conformation of the modified UASB reactor is three phase and comprises the digestion compartment (2) and the settling compartment (3) delineated by the inclined plane of the slope (5); and a gas chamber (4) bounded by the blanket (7).
  • the slope presents an inverted pyramidal trunk shape, to prevent high dispersion of the sludge (27) during the effluent treatment process, and variable inclination in a range of 20 Q to 60 ° due to the soil type aiming at its stability. its surface protected by the bottom blanket (6). Openings are provided in the top of the slope (5) for the passage of drainage pipes (13), foam pipe (20), pipe with diffusers (11) and in the settling compartment region (3) for pipe allocation. treated effluent collection (25).
  • the settling compartment (3) is demarcated by the three-phase separator (9), which must delimit openings to allow the passage of liquid in its upward flow.
  • the three-phase separator (9) must be anchored to the slope (5) by concrete anchor blocks (26) and floating support structures (10), fixed to these structures (10) by welding polymeric materials.
  • Floating support frames (10) are buoys that can have varied designs used as support for the three phase separator (9) and for floating devices.
  • the floats (10) are located inside the gas chamber (4), which is delimited by the blanket (7) provided by a gas collector (8).
  • the blanket (7) hermetically closes the slope (5) and is secured by anchor structures (34), which can be constructed of concrete with protection against sulphide-rich atmosphere or with anchor (34) being held in-house. land for confinement of generated biogas (29).
  • passage boxes (24) are provided coupled to treated effluent collection tubes (25).
  • the materials employed in the construction of the modified UASB reactor may be geomembranes made of polymeric materials, with the bottom mat (6) and the three-phase separator (9) preferably in high density polyethylene (HDPE), and the blanket mat. (7) preferably low density polyethylene (LDPE), PVC or high density polyethylene (HDPE).
  • the treated drainage and drainage pipes (13) may preferably be made of high density polyethylene (HDPE), low density polyethylene (LDPE) or PVC.
  • the modified UASB reactor can be configured to extract sludge (27) and foam (28) in an integrated manner to its operating mechanism by reversing flow from affluent inlet / sludge disposal and scum removal system.
  • the effluent inlet / sludge inlet system is responsible for inflow, recirculation and / or removal of sludge (27) and scum (28) into the bottom of the reactor and is flexible enough to carry out these operations. at the same time comprising a flow distribution box (12) provided with flow pipes (13) with tributary valves (16), inlet ducts (14), barrel (15) with sludge valve (17) and pump assemblies (18).
  • the removal of the sludge (27) and the scum (28) in the digestion regions (2) occurs by suction through the pump set (18), which allows the removal of these by-products through their connection with the barrel (15), which It is interconnected to the flow pipes (13) which are connected to the inlet ducts (14) of the flow distribution box (12), through which the tributary is distributed and applied to the bottom of the modified UASB reactor (1).
  • Influent inflow, recirculation and / or sludge withdrawal flow (27) can be managed by opening the tributary valves (16) to direct the tributary to the bottom of the reactor or opening the sludge valves (17). ) in the barrel (15) for recirculation and / or removal of sludge (27).
  • the affluent inlet / discharge system permits flow reversal of at least one of the flow pipes (13) by simply closing the affluent valves (16) and opening the sludge valves (17). Instead of entering the tributary into the modified UASB reactor (1), sludge (27) and / or foam (28) may be removed.
  • the scum removal system is responsible for the extraction of this accumulated floated material on the surface of the reactor.
  • This system consists of motor pump assemblies (18), floating foam removal devices (19), foam tubing (20) and suction barrel (21) with flow block valves (35).
  • Floating scum removal devices (19, figure 3) comprise floating support structures (10), hoses (22), pickup cone (23) and a pipe with connection (33).
  • Floating foam removal devices (19) are arranged in central regions of the modified UASB reactor (1) to facilitate the passage of biogas (29) in this region.
  • the pump set (18) For the execution of the scum removal system, the pump set (18) must also have connection with the suction barrel (21), which is connected to the foam pipe (20) which is connected to the floating foam removal devices (19) through hoses (22) which in turn are coupled to a pipe with connection (33) connected to the pickup cone (23), which is anchored to the floating support structures (10) by screw clamping systems (35) made of anticorrosive materials, resistant to sulphide rich atmospheres.
  • the foam suction ducts, i.e. the pickup cones (23) are interconnected with motor pump assemblies (18) to act on each floating foam removal device (19) independently.
  • the scum removal system is managed by simple open / close operations independent of the suction barrel flow block valves (35) for the scum (28) to be removed independently on each float ( 19).
  • the tributary / waste inlet system and the scum removal system share the same motor pump assemblies (18) interconnected to the barrel (15) and the suction barrel (21) by a pipeline (39).
  • the modified UASB reactor can be used for domestic, industrial and agro-industrial wastewater treatment.
  • Effluent treatment begins with the conventional preliminary steps of removing coarse materials and sand, and then the tributary is conveyed to the flow distribution boxes (12), which pour the liquid into the drainage pipes (13). ), coupled to its output.
  • the flow pipes (13) are interconnected with inlet ducts (14), attached by strips (36) of polymeric materials to the slopes (5), which lead the tributary to the center of the reactor, in the lower part of the compartment. of digestion (2).
  • the upward flow of sewage through the bed and the sludge blanket enables the anaerobic microorganisms present to promote the degradation of organic matter.
  • Biogas (29), sludge (27) and foam (28) are formed and secreted by the three-phase separator (9), which enables: i) the entrained sludge (27) to sediment and return to the digestion compartment (2); ii) the formed gas is directed into the gas chamber; and iii) the liquid passes through its openings to the settling compartment (3) and leaves the reactor through the treated effluent collection tubes (25), which are interconnected to the passage boxes (24), in the external region of the reactor. . Excess sludge (27) is extracted by closing the affluent valve (16), which blocks liquid entry into at least one of the flow pipes (13).
  • the opening of the sludge valve (17) of the corresponding extension of the barrel (15) and the concomitant actuation of the pump assembly (18) enables the sludge (27) to be pumped through the drainage pipes (13), which then pass through. operate in reverse flow to the distribution of the tributary.
  • This operation provides sludge removal at various times from the digestion compartment (2).
  • the same operation can be performed using the same pump set (18) driven by opening and closing the flow block valves (35) of the suction barrel (21).
  • the foam (28) accumulated at the gas / liquid interface pours into the pickup cone (23) of the floating foam removal device (19) to be collected for final disposal, which may be thermal gasification after dehydration of the material.
  • the present technology also proposes a method of energy utilization of the sludge (27) and the sludge (28) extracted by the sludge inflow / disposal and the sludge removal systems, from an associated thermal gasification process. biomethanization performed by the modified UASB reactor. The method consists of the following steps: a) Prepare the sludge (27) and the skim (28) extracted from the modified UASB reactor for thermal gasification to adjust the humidity and particle size parameters;
  • All steps a through c of the energy recovery method may be carried out simultaneously with sludge inlet / effluent inlet and sludge removal systems. That is, at the same time as the tributary and combustible gases (31) enter the modified UASB reactor, the sludge (27) and / or foam (28) can be removed.
  • the preparation of the sludge (27) and the skim (28) in step a may be carried out by drying and briquetting processes, not limited to them, provided that they are processes that satisfy the conditions inherent in each type of thermal gasifier. (30).
  • the thermal gasifier (30) of step 3 ⁇ 4_ may be a fixed bed or fluidized bed gasifier, the sludge gasification process (27) and foam (28) of step equival being equivalent or not to be associated with other materials. and solid substrates of an organic nature external to the effluent treatment plant, or those retained in the preliminary treatment.
  • the sludge gasification consists of its conversion in high hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) combustible gases, inert gases (nitrogen, water), tars and particulate matter, formed under the effect of high temperatures in the presence of oxidizing agent. The only final waste is ash in minimized quantities, which may eventually be used for agricultural use and / or disposed of.
  • step c_ the forwarding of the combustible gas gases (31) into the UASB reactor as described in step c_ occurs from the interconnection of the outlet of the thermal gasifier (30) to the piping with diffusers (1 1). modified UASB reactor as shown in figures 1 and 2.
  • the modified UASB reactor can be used for treatment of domestic, industrial and agroindustrial effluents and as a device for the treatment and cleaning of combustible gases (31) from the thermal gasifier (30), removing particulate matter and condensable or soluble tars.
  • the combination of biogas (29) and fuel gases (31) can be used for energy use in combustion systems with higher gas quality requirements, for example in internal combustion engines or gas turbines;
  • Combustible gases (31) from thermal gasifier (30) may be used as promoters of the transfer of dissolved methane within the liquid mass in the gas phase modified UASB reactor, minimizing methane losses in dissolved form in the effluent. Final. This makes it possible to reduce greenhouse gas emissions to the atmosphere and increase the efficiency of collection and energy utilization of biogas (29) by its removal in the gas chamber (4);
  • Combustible gases (31) may be used as inhibitors of the formation of undesirable compounds in biogas, in particular sulphides, as these gases have residual oxygen content capable of inhibiting sulphide formation or promoting their biological oxidation. without significantly affecting the degree of anaerobiosis in the modified UASB reactor due to the low oxygen content of the injected gases.
  • the proposed technology has as main advantages: the minimization of generation of sludge and biologically active solid by-products in the operation of the effluent treatment plant, operational simplicity, especially in sludge (27) and scum removal operations. (28); greater security for the professional involved in the process; lower environmental impact, higher energy efficiency and low operating and deployment costs.
  • the modified UASB reactor associated with a thermal gasifier (30) to provide execution of the sludge energy utilization method is shown in Figures 1 and 2.
  • the modified UASB reactor is represented by section AA and shows its inverted trunk-pyramidal three-phase structure, formed by slope (5) at a slope of 45 Q and covered by a bottom blanket (6 ). Slope openings are shown (5), specifically in the center of the upper left, for the flow of drainage pipes (13) and foam pipe (20, figure 2), in the upper right for the flow of diffuser pipe (11) and around the slope (5) for the allocation of treated effluent collection tubes (25), the slope (5) being hermetically closed by the blanket (7).
  • the reactor has the following internal parts: digestion compartment (2), settling compartment (3) and gas collection chamber (4).
  • the digestion (2) and decantation (3) compartments are delimited by the slope (5).
  • All flow ducts (13) have a flow valve (16) for blocking the inflow in the reactor and each corresponding branch of the barrel.
  • the barrel (15) has a sludge valve (17).
  • the barrel (15) is interconnected to the entrance of the pump set (18, figure 2) which allows pumping of the by-products formed during the effluent treatment process (sludge (27), foam (28) and biogas (29)) by any of the flow pipes (13) promoting the formation of the affluent inlet / disposal system.
  • the piping with diffusers (11) positioned concentrically inside the reactor is allocated. This connects to the gas outlet of the thermal gasifier (30) to provide the injection of gases from the sludge gasification (27) into the liquid mass contained inside the reactor to favor the method of energy utilization of the sludge.
  • To the right of the modified UASB reactor is positioned downdraft thermal gasifier (30), on the left is the flow distribution box (12).
  • the flow distribution box (12) is compartmentalized and consists of spillways (37) for equitable division of the tributary to the reactor inlet ducts, with the possibility of blocking through the affluent valve (16) and inversion of the flow at each branch. flow (13) independently.
  • the settling compartment (3) is formed on the upper sides of the reactor, demarcated by a three phase separator (9) which is positioned and secured to the slope (5) by means of anchor blocks (26) and support structures. floating (10).
  • opening is provided for allocation of treated effluent collection tubes (25) with right angled end for the passage of liquid to passage boxes (24) through which the effluent will leave the reactor.
  • These boxes (24) are built outside the reactor periphery to collect treated effluent.
  • the floating support structures (10) of the scum removal devices (19, figure 3) are allocated, with the collection cone (23) ) disposed below the foam layer (28) so that this supernatant material is poured into the take-up cone (23), which is connected to the hose (22) by a connecting pipe (33).
  • the hose (22) is also connected to the foam pipe (20) which, in turn, is connected to the pump assembly (18) through the suction barrel (21).
  • the foam pipe (20) has a suction barrel (21) with flow block valves (35) for controlling each foam removal device (19) and for forming the foam removal system.
  • the pump assembly (18) interconnects the tributary inlet system barrel (15) and the de-scum system suction barrel (21). (39) and must be installed inside the pump room (32) for weather protection.
  • the gas chamber (4) is delimited by the liquid surface and the blanket (7) with a gas collector (8) for the capture of biogas (29) and gasifier gas (gases and fuels). (31)) generated.
  • a gas collector (8) for the capture of biogas (29) and gasifier gas (gases and fuels). (31)) generated.
  • the floating support structures (10) responsible for the support of the three phase separator (9) and the floating foam removal devices (19).
  • the design of the effluent treatment unit comprises the top-view modified UASB reactor, a section below the blanket blanket (7) for a better view of its previously described internal components as shown in figure 1 .
  • the scum removal system shown in Figure 3 shows a detailed drawing of the scum removal device (19) with the pickup cone (23) coupled to a pipe, ie pipe with connection (33). connected to the hose (22) which directs the foam (28) suctioned by the motor pump assembly (18, figure 2).
  • the pickup cone (23) is supported by the floating support structures of the device (10).

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Abstract

A presente invenção refere-se a um reator anaeróbio e um método para aproveitamento energético de lodo na própria unidade de tratamento de efluentes. O reator anaeróbio consiste em um reator UASB (Upflow Anaeróbio Sludge Blanket) modificado com estruturas flexíveis e sistemas que permitem a inversão de fluxos integrada ao seu mecanismo operacional: sistema de entrada do afluente/descarte de lodo e sistema de remoção de escuma, o último composto por um dispositivo flutuante. O reator UASB modificado pode ser usado para produção de biogás e, adicionalmente, como dispositivo para tratamento e limpeza de gases gerados no gaseificador térmico, permitindo o aproveitamento dos gases combustíveis (biogás e gasogênio tratado) em dispositivos que requerem qualidade mais exigente, como motores de combustão interna ou turbinas. A tecnologia proposta pode ser utilizada para o tratamento de efluentes domésticos, industriais, agroindustriais e para geração de energia elétrica e/ou térmica como, por exemplo, em sistemas de combustão como motores a explosão e/ou fornalhas. Essa tecnologia apresenta como principais vantagens, comparada a reatores anaeróbios convencionais e técnicas associadas de gerenciamento de lodo, melhor eficiência energética, economia e simplicidade operacional.

Description

REATOR UASB MODIFICADO, MÉTODO DE APROVEITAMENTO
ENERGÉTICO E USO
[001 ] A presente invenção refere-se a um reator anaeróbio e um método para aproveitamento energético de lodo na própria unidade de tratamento de efluentes. O reator anaeróbio consiste em um reator UASB (Upfiow Anaeróbio Sludge Blanket) modificado com estruturas flexíveis e sistemas que permitem a inversão de fluxos integrada ao seu mecanismo operacional: sistema de entrada do afluente/descarte de lodo e sistema de remoção de escuma, o último composto por um dispositivo flutuante. O reator UASB modificado pode ser usado para produção de biogás e, adicionalmente, como dispositivo para tratamento e limpeza de gases gerados no gaseificador térmico, permitindo o aproveitamento dos gases combustíveis (biogás e gasogênio tratado) em dispositivos que requerem qualidade mais exigente, como motores de combustão interna ou turbinas. A tecnologia proposta pode ser utilizada para o tratamento de efluentes domésticos, industriais, agroindustriais e para geração de energia elétrica e/ou térmica como, por exemplo, em sistemas de combustão tais como motores a explosão e/ou fornalhas. Essa tecnologia apresenta como principais vantagens, comparada a reatores anaeróbios convencionais e técnicas associadas de gerenciamento de lodo, melhor eficiência energética, economia e simplicidade operacional.
[002] Atualmente, reatores UASB são amplamente utilizados em estações de tratamento de efluentes em função de suas inúmeras vantagens. Esses reatores demandam pequenas áreas de instalação e apresentam, em geral, formatos cilíndricos ou prismáticos retangulares com estrutura de concreto ou aço. No entanto, esses materiais apresentam suscetibilidade à corrosão causada por compostos agressivos presentes no efluente tratado e no biogás, sendo necessária a utilização de aços ligados ou a aplicação de revestimentos para prevenir e/ou reparar danos nas estruturas.
[003] Além disso, é sabido que a escuma acumulada, principalmente no interior do separador trifásico, deve ser removida, assim como também o lodo em excesso. Dentre os métodos conhecidos, o bombeamento por caminhão limpa-fossa é um exemplo bastante empregado. Porém, a remoção através dessas unidades móveis é ineficiente, porque não ocorre de forma plena, pode prejudicar o funcionamento do reator, despende longo período de tempo para concluir a limpeza, além de potencialmente expor operadores a condições insalubres.
[004] Adicionalmente, o aproveitamento energético do lodo através do processo de gaseificação térmica individual ou conjugada com biogás é proposto, usualmente, para favorecer a cogeração em estações de tratamento de efluentes. No entanto, essa conjugação consiste na utilização dos gases gerados provenientes do reator UASB e do gaseificador térmico separadamente. Cada gás é submetido a um processo de limpeza e/ou condicionamento e depois é aplicado a um sistema de combustão e aproveitamento energético, para a geração de eletricidade e/ou calor. Eventualmente, os gases de exaustão dos sistemas de combustão podem ser utilizados para a secagem do lodo em secadores.
[005] Tecnologias afins ao reator UASB modificado e ao processo de aproveitamento de subprodutos sólidos orgânicos na própria unidade de tratamento foram encontrados no estado da técnica.
[006] O documento de patente BR 1020130315990, intitulado ^Biodigestor aperfeiçoado _ refere-se a um biodigestor em polietileno rotomoldado, isto é, um produto constituído por uma peça única de base plana que realiza o trabalho de um reator UASB e um filtro anaeróbio para o tratamento de efluente doméstico. Esse sistema se difere da presente tecnologia porque o reator é um tanque cilíndrico confeccionado em material polimérico, e não por estruturas em taludes. Outra diferença está no mecanismo de extração do lodo, que acontece por diferença de pressão baseado no sistema de vasos comunicantes, e não por inversão de fluxo pelas mesmas estruturas de ingresso.
[007] O documento de patente US2009188850, intitulado ^Sistem for treating residual water_ trata-se de uma conformação de um sistema anaeróbio de tratamento de águas residuárias por meio de escavação, na terra, a qual é revestida por uma cobertura em PVC e apresenta três seguimentos, equipado com um reator, uma câmara profunda e uma lagoa anaeróbia, em um único corpo coberto por uma manta também em PVC. No entanto, esse sistema é mais complexo e custoso, demanda grandes áreas para implantação, uma vez que requer três câmaras de fermentação. Outra desvantagem se deve ao fato de não se tratar de um reator UASB e não há sistemas ou dispositivos para a remoção de escuma, o que ocasionará a necessidade de eventuais interrupções do sistema para limpeza e/ou remoção desse subproduto.
[008] O documento de patente PI 0105959-9, intitulado ^Sistema compacto UASB/filtro biológico percolador para tratamento de águas residuárias _ refere-se a um sistema de tratamento de águas residuais, o qual conjuga, em uma só unidade, um reator UASB compartimentado e um filtro biológico percolador aeróbio. O reator é composto por uma caixa de distribuição, dotada de vertedores ajustáveis e registros de manobra, que possibilita a alimentação, em paralelo, de um a três compartimentos de digestão do reator UASB. Entretanto, o método para a distribuição do efluente possui desvantagem, tal como a impossibilidade de inversão de fluxo para a remoção de lodo, limitada apenas a inserção do esgoto no sistema.
[009] O documento de patente JP 2000210693, intitulado ^Anaeróbio treating device^ propõe um tanque de tratamento anaeróbio UASB capaz de realizar a remoção de escumas através um dispositivo ajustável situado na parte superior do reator na superfície de saída da água tratada. O dispositivo extrator de escuma compreende uma abertura, em forma de calha, ligada ao um tubo expansível que por sua vez está conectado a um tubo de descarga de escuma. A escuma se acumula na superfície do reator UASB e, quando é necessária a descarga, os prendedores devem ser removidos das vigas superiores para contrair o tubo expansivo, a escuma flutuante escoa para dentro da parte aberta do dispositivo devido à diferença de nível da água e flui naturalmente pelo tubo de descarga para a parte externa do reator. Esse dispositivo, no entanto, apresenta inconveniências, pois requer contato direto do operador em razão de este ser o responsável por manter o prendedor com o dispositivo extrator removido durante a operação e também por realizar ajustes na altura do dispositivo para tornar possível a extração.
[0010] Já o documento DE10107712, intitulado "Biofuel production involves returning methane from sludge gasification reactor to sludge anaeróbio treatment stage, where it is mixed with nascent biogas_ refere-se a um método e um aparelho para recuperação de energia a partir de lodo de gaseificação. O método consiste em fornecer o gás de gaseificação de lodo para um conjunto de digestores. Esse sistema difere-se principalmente pelos dispositivos anaeróbios serem fossas sépticas. A desvantagem é a necessidade de aquecimento de pelo menos um dos digestores e o fato de requerer condutos de recirculação para que o biogás e o gás da gaseificação do lodo circulem através do conteúdo do digestor.
[001 1 ] Em síntese, após a análise de diversas técnicas semelhantes à presente invenção, pôde-se constatar que essa similaridade, quando acontece, é em apenas algum aspecto particular, não havendo identidade com o funcionamento pleno e integrado entre o reator UASB modificado e o método de aproveitamento energético dos subprodutos sólidos orgânicos gerados nas estações de tratamento de efluente. Essas técnicas apresentam, em geral, inúmeras desvantagens, dentre as quais podemos destacar: os elevados custos de implantação do reator devido às estruturas de concreto ou aço, sendo preciso usar revestimentos para proteção dessas estruturas; necessidade de interrupção do processo de tratamento de efluente para a remoção da escuma, além dos dispositivos de remoção de escuma em geral apresentarem operações complexas e de difícil manipulação e criarem condições insalubres, requerendo equipamento de segurança para proteção do operador; o aproveitamento energético do lodo associado à biometanização necessita aquecimento dos digestores além da recirculação dos gases gerados. Dentre os processos apresentados, nenhum realiza o aproveitamento energético do lodo por meio de sua gaseificação térmica, integrado a um reator UASB, nem compreende dispositivos ou sistemas de fácil operação para a remoção de escuma. Além disso, não permitem a inversão de fluxo para gerenciamento do ingresso do efluente e remoção de lodo concomitantemente nem efetuam a remoção de escuma ao invés de lodo.
[0012] A solução proposta compreende um reator anaeróbio do tipo UASB (Upflow Anaeróbio Sludge Blanket) e um método para aproveitamento energético de lodo e de subprodutos sólidos na própria unidade de tratamento de efluentes. O reator UASB modificado é formado por uma estrutura trifásica flexível, conformado por talude revestido por uma manta de fundo com câmara de gás fechada hermeticamente por uma manta de cobertura e compreende um separador trifásico ancorado ao talude por um bloco de ancoragem e por estruturas de suporte flutuante. Além disso, o reator UASB modificado compreende sistemas integrados ao seu mecanismo operacional: sistema integrado de entrada do afluente e sistema de remoção de escuma e lodo, composto por dispositivos flutuantes de remoção de escuma. Ambos os sistemas permitem a inversão de fluxos para a remoção dos subprodutos gerados pelo processo biológico de tratamento de efluente, sendo o lodo e a escuma aproveitados energeticamente, associados ou não a outros subprodutos biologicamente ativos através do processo de gaseificação térmica, propiciando o incremento de gases combustíveis à biometanização realizada no reator UASB. A aplicação da tecnologia em sistema de tratamento de efluente apresenta como vantagens: simplicidade operacional; baixo custo de implantação devido às estruturas flexíveis; maior segurança para os operadores envolvidos; inibição da formação de compostos indesejáveis e corrosivos no biogás e remoção de fumos e partículas dos gases combustíveis gerados no gaseificador térmico; redução de emissões de gases de efeito estufa para a atmosfera; maior transferência de metano do reator UASB para a câmara coletora de gases, e minimização de lodo de subprodutos sólidos biologicamente ativos.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
[0013] A Figura 1 exibe o corte AA o reator UASB modificado, evidenciando o compartimento de digestão (2), compartimento de decantação (3), câmara de gás (4), talude (5), manta de fundo (6), manta de cobertura (7), tubo coletor de biogás (8), separador trifásico (9), estrutura de suporte flutuante (10), tubulação com difusores (1 1 ), caixa de entrada (12), tubos de escoamento (13), dutos de ingresso (14), barrilete (15), válvula de afluente (16), válvula de lodo (17), dispositivo flutuante de remoção de escuma (19), caixa de passagem (24), tubo de coleta do efluente tratado (25), bloco de ancoragem (26), escuma (28) e gaseificador térmico (30).
[0014] A Figura 2 exibe uma vista superior do reator UASB modificado, exibindo a tubulação com difusores (1 1 ), caixa de distribuição de fluxo (12), tubos de escoamento (13), dutos de ingresso (14), conjunto motobomba (18), dispositivos flutuante de remoção de escuma (19), tubulação de escuma (20), barrilete (15), barrilete de sucção (21 ), mangotes (22), caixa de passagem (24), tubo de coleta de efluente tratado (25) e gaseificador (30);
[0015] A Figura 3 apresenta o sistema de remoção de escuma com uma vista ampliada do dispositivo de remoção de escuma (19) exibindo o cone de captação (23), mangotes (22), estrutura de suporte flutuante do dispositivo (10), separador trifásico (9), escuma (28), tubo com conexão (33).
DESCRIÇÃO DETALHADA DA TECNOLOGIA
[0016] A presente invenção refere-se a um reator anaeróbio e um método para aproveitamento energético de lodo na própria unidade de tratamento de efluentes. O reator anaeróbio consiste em um reator UASB (Upflow Anaeróbio Sludge Blanket) modificado com estruturas flexíveis e sistemas que permitem a inversão de fluxos integrada ao seu mecanismo operacional: sistema de entrada do afluente/descarte de lodo e sistema de remoção de escuma, o último composto por um dispositivo flutuante. O reator UASB modificado pode ser usado para produção de biogás e, adicionalmente, como dispositivo para tratamento e limpeza de gases gerados no gaseificador térmico, permitindo o aproveitamento dos gases combustíveis (biogás e gasogênio tratado) em dispositivos que requerem qualidade mais exigente, como motores de combustão interna ou turbinas. A tecnologia proposta pode ser utilizada para o tratamento de efluentes domésticos, industriais, agroindustriais e para geração de energia elétrica e/ou térmica como, por exemplo, em sistemas de combustão como motores a explosão e/ou fornalhas. Essa tecnologia apresenta como principais vantagens, comparada a reatores anaeróbios convencionais e técnicas associadas de gerenciamento de lodo, melhor eficiência energética, economia e simplicidade operacional.
[0017] As figuras 1 e 2 representam o reator UASB modificado proposto. [0018] O Reator UASB modificado é conformado por talude (5), manta de fundo (6) e manta de cobertura (7) dotada de um coletor de gás (8), e equipado pelos seguintes elementos: separador trifásico (9), estrutura de suporte flutuante (10) e tubulação com difusores (1 1 ); além de compreender configuração que permite a remoção de lodo (27) e escuma (28) por inversão de fluxos através de sistemas integrados ao seu mecanismo de operacional: sistema de entrada de afluente/descarte de lodo e sistema de remoção de escuma dotado de um dispositivo flutuante de remoção de escuma (19), para a extração dos subprodutos de fundo e topo gerados pelo processo de tratamento de efluente.
[0019] A conformação do reator UASB modificado é trifásica e compreende o compartimento de digestão (2) e o compartimento de decantação (3) delineados pelo plano inclinado do talude (5); e uma câmara de gás (4) delimitada pela manta de cobertura (7). O talude apresenta um formato tronco piramidal invertido, para impedir a elevada dispersão o lodo (27) durante o processo tratamento do efluente, e inclinação variável em uma faixa de 20Q a 60° em razão do tipo de solo visando à sua estabilidade, sendo sua superfície protegida pela manta de fundo (6). São previstas aberturas na parte superior do talude (5) para a passagem de tubos de escoamento (13), tubulação de escuma (20), tubulação com difusores (1 1 ) e na região do compartimento de decantação (3) para alocação de tubos de coleta do efluente tratado (25). O compartimento de decantação (3) é demarcado pelo separador trifásico (9), este deve delimitar aberturas para permitir a passagem do liquido em seu fluxo ascensional. O separador trifásico (9) deve ser ancorado ao talude (5) por blocos de ancoragem (26) em concreto e por estruturas de suporte flutuantes (10), fixado nessas estruturas (10) por solda de materiais poliméricos. As estruturas de suporte flutuante (10) são bóias que podem apresentar designs variados, utilizadas como suporte para o separador trifásico (9) e para os dispositivos flutuantes de remoção de escuma (19), as bóias (10) situam-se no interior da câmara de gás (4), a qual é delimitada pela manta de cobertura (7) dotada por um coletor de gás (8). A manta de cobertura (7) fecha hermeticamente o talude (5) e é presa por estruturas de ancoragem (34), as quais podem ser construídas em concreto com proteção contra atmosfera rica em sulfeto ou com a ancoragem (34) sendo realizada no próprio terreno para confinamento do biogás gerado (29).
[0020] Externamente, em toda a região periférica superior do talude (5) do reator UASB modificado, são previstas caixas de passagens (24) acopladas a tubos de coleta do efluente tratado (25).
[0021 ] Os materiais empregados na construção do reator UASB modificado podem ser geomembranas confeccionadas em materiais poliméricos, sendo a manta de fundo (6) e o separador trifásico (9) preferencialmente em polietileno de alta densidade (PEAD), e a manta de cobertura (7) preferencialmente em polietileno de baixa densidade (PEBD), PVC ou polietileno de alta densidade (PEAD). Os tubos de escoamento (13) e coleta de efluentes tratado (25) podem ser confeccionados, preferencialmente, em polietileno de alta densidade (PEAD), polietileno de baixa densidade (PEBD) ou PVC.
[0022] Além de ser confeccionado por materiais flexíveis, o reator UASB modificado pode ser configurado para efetuar a extração de lodo (27) e escuma (28) de forma integrada ao seu mecanismo de funcionamento através da inversão de fluxo a partir de sistema de entrada de afluente/descarte de lodo e sistema de remoção de escuma.
[0023] O sistema de entrada de afluente/descarte de lodo é responsável pelo o ingresso do afluente, recirculação e/ou remoção de lodo (27) e escuma (28) no fundo do reator, sendo flexível o suficiente para efetuar essas operações de maneira simultânea, compreendendo uma caixa de distribuição de fluxo (12) dotada por tubos de escoamento (13) com válvulas de afluente (16), dutos de ingresso (14), barrilete (15) com válvula de lodo (17) e conjuntos motobomba (18). A remoção do lodo (27) e da escuma (28) nas regiões de digestão (2) ocorre por sucção através do conjunto motobomba (18), que permite a retirada desses subprodutos através de sua conexão com o barrilete (15), o qual é interligado aos tubos de escoamento (13) que são conectados aos dutos de ingresso (14) da caixa de distribuição de fluxo (12), por onde o afluente é distribuído e aplicado no fundo do reator UASB modificado (1 ). O fluxo de ingresso do afluente, recirculação e/ou retirada do lodo (27), pode ser gerenciado através da abertura das válvulas do afluente (16), para direcionamento do afluente para o fundo do reator, ou abertura das válvulas de lodo (17) no barrilete (15) para recirculação e/ou retirada de lodo (27). Desse modo, o sistema de entrada de afluente/descarte admite a inversão no fluxo de pelo menos um dos tubos de escoamento (13) com simples operação de fechamento das válvulas de afluente (16) e abertura das válvulas de lodo (17). Ao invés de ingressar o afluente no reator UASB modificado (1 ), o lodo (27) e/ou escuma (28) podem ser removidos.
[0024] Já o sistema de remoção de escuma é responsável pela extração desse material flotado acumulado na superfície do reator. Esse sistema é composto por conjuntos motobomba (18), dispositivos flutuantes de remoção de escuma (19), tubulação de escuma (20) e barrilete de sucção (21 ) com válvulas de bloqueio de fluxo (35). Os dispositivos flutuantes de remoção de escuma (19, figura 3) compreendem estruturas de suporte flutuantes (10), mangotes (22), cone de captação (23) e um tubo com conexão (33). Os dispositivos flutuantes de remoção de escuma (19) são dispostos em regiões centrais do reator UASB modificado (1 ) para favorecer a passagem do biogás (29) nessa região. Para a execução do sistema de remoção de escuma, o conjunto motobomba (18) deve possuir conexão também com o barrilete de sução (21 ), o qual é conectado à tubulação de escuma (20) que é interligada aos dispositivos flutuantes de remoção de escuma (19) através de mangotes (22) que, por sua vez, são acoplados a um tubo com conexão (33) ligado ao cone de captação (23), o qual é ancorado às estruturas de suporte flutuante (1 0) por sistemas de fixação por parafusos (35) confeccionados em materiais anticorrosivos, com resistência a atmosferas ricas em sulfetos. Os dutos de sucção de escuma, isto é, os cones de captação (23), são interligados a conjuntos motobomba (18) para atuar em cada dispositivo flutuante de remoção de escuma (19) de forma independente. Assim, o sistema de remoção de escuma é gerenciado por simples operações de abertura / fechamento independente das válvulas de bloqueio de fluxo (35) do barrilete de sucção (21 ) para a escuma (28) ser removida de forma independente em cada dispositivo flutuante (19).
[0025] O sistema de entrada de afluente/descarte e o sistema de remoção de escuma compartilham os mesmos conjuntos motobomba (18) interligados ao barrilete (15) e ao barrilete de sucção (21 ) por uma tubulação (39).
[0026] Assim, o funcionamento e a operacionalização do referido reator UASB modificado é simples e prático, visto que, por conjuntos motobomba (18), a extração do lodo e da escuma podem ser gerenciadas por barriletes (15 / 21 ), com a possibilidade de introdução do afluente e de remoção de um desses subprodutos, de forma concomitante e ininterruptamente, conforme decisão operacional.
[0027] O reator UASB modificado pode ser utilizado para tratamento de efluente doméstico, industrial e agroindustrial.
[0028] O tratamento do efluente inicia-se pelas etapas preliminares convencionais de remoção de materiais grosseiros e areia e, em seguida, o afluente é conduzido às caixas de distribuição de fluxo (12), que vertem o líquido aos tubos de escoamento (13), acoplados em sua saída. Por sua vez, os tubos de escoamento (13) são interligados a dutos de ingresso (14), fixados por tiras (36) de materiais poliméricos aos taludes (5), que conduzem o afluente até o centro do reator, na parte mais inferior do compartimento de digestão (2). Em seguida, o fluxo ascendente do esgoto através do leito e da manta de lodo possibilita que os microrganismos anaeróbios ali presentes promovam a degradação da matéria orgânica. Biogás (29), lodo (27) e escuma (28) são formados e segregados pelo separador trifásico (9), que possibilita: i) que o lodo arrastado (27) se sedimente e retorne para o compartimento de digestão (2); ii) que o gás formado se direcione para o interior da câmara de gás; e iii) que o líquido atravesse suas aberturas para o compartimento de decantação (3) e deixe o reator através dos tubos de coleta do efluente tratado (25), os quais são interligados às caixas de passagem (24), na região externa do reator. O lodo em excesso (27) é extraído pelo fechamento da válvula de afluente (16), que bloqueia a entrada do líquido em pelo menos um dos tubos de escoamento (13). Em sequência, a abertura da válvula de lodo (17) do ramal correspondente do barrilete (15) e o concomitante acionamento do conjunto motobomba (18) possibilitam o bombeamento do lodo (27) pelos tubos de escoamento (13), os quais passam a funcionar com fluxo em sentido inverso ao da distribuição do afluente. Essa operação proporciona a remoção de lodo em diversas alturas do compartimento de digestão (2). Para a remoção da escuma (28) acumulada no interior do separador trifásico (9), pode-se realizar a mesma operação, com utilização do mesmo conjunto motobomba (18) acionado pela abertura e fechamento das válvulas de bloqueio de fluxo (35) do barrilete de sucção (21 ). A escuma (28) acumulada na interface gás/líquido verte para o interior do cone de captação (23) do dispositivo flutuante de remoção de escuma (19) para ser coletada e seguir para destinação final, que poderá ser a gaseificação térmica, após a desidratação do material. [0029] A presente tecnologia também propõe um método de aproveitamento energético do lodo (27) e da escuma (28) extraídos pelos sistemas de entrada de afluente/descarte de lodo e de remoção de escuma, a partir de um processo de gaseificação térmica associado à biometanização realizada pelo reator UASB modificado. O método consiste nas seguintes etapas: a) Preparar o lodo (27) e a escuma (28), extraídos do reator UASB modificado, para a gaseificação térmica para a adequação de parâmetros de umidade e granulometria;
b) Gaseificar o lodo (27) e a escuma (28) a partir de um gaseificador térmico (30), para a formação de gases combustíveis (31 );
c) Encaminhar os gases combustíveis (31 ) para o interior da massa líquida no interior do reator UASB, por meio da tubulação com difusores (1 1 ).
[0030] Todas as etapas de a_ a c_ do método de aproveitamento energético podem ser realizadas de forma simultânea aos sistemas de entrada de afluente/descarte de lodo e sistemas de remoção de lodo el ou escuma. Ou seja, ao mesmo tempo em que o afluente e os gases combustíveis (31 ) ingressam no reator UASB modificado, o lodo (27) e/ou escuma (28) podem ser removidos.
[0031 ] A preparação do lodo (27) e da escuma (28) na etapa a_ pode ser realizada por processos de secagem e de briquetagem, não limitados a esses, desde que sejam processos que satisfaçam as condições inerentes a cada tipo de gaseificador térmico (30).
[0032] O gaseificador térmico (30) da etapa ¾_ pode ser um gaseificador de leito fixo ou de leito fluidizado, equivalendo o processo de gaseificação do lodo (27) e escuma (28) da etapa ¾_ poder ser associado ou não com outros materiais e substratos sólidos de natureza orgânica de origem externa à estação de tratamento de efluentes, ou aqueles retidos no tratamento preliminar. A gaseificação do lodo consiste em sua conversão térmica em gases combustíveis com alto teor de hidrogénio (H2) e monóxido de carbono (CO), além de gases inertes (nitrogénio, água), alcatrões e materiais particulados, formados sob o efeito de elevadas temperaturas na presença de agente oxidante, tendo como único rejeito final as cinzas, em quantidades minimizadas, as quais podem ser eventualmente aproveitadas para uso agrícola e/ou levadas à destinação final.
[0033] Portanto, o encaminhamento dos gases dos gases combustíveis (31 ) para interior do reator UASB, conforme descrito na etapa c_, ocorre a partir da interligação do orifício de saída do gaseificador térmico (30) à tubulação com difusores (1 1 ) do reator UASB modificado, conforme ilustrado nas figuras 1 e 2.
[0034] O encaminhamento dos gases combustíveis (31 ) ao reator UASB modificado descrito na etapa c_ apresenta os seguintes efeitos no processo de tratamento de efluente:
1 ) O reator UASB modificado pode ser utilizado para tratamento de efluentes domésticos, industriais e agroindustriais e como dispositivo para o tratamento e limpeza dos gases combustíveis (31 ) do gaseificador térmico (30), removendo material particulado e alcatrões condensáveis ou solúveis. Desta forma, a combinação de biogás (29) com os gases combustíveis (31 ) pode ser utilizada para aproveitamento energético em sistemas de combustão com maiores exigências de qualidade dos combustíveis gasosos, por exemplo, em motores de combustão interna ou turbinas a gás;
2) Os gases combustíveis (31 ) originários do gaseificador térmico (30) podem ser utilizados como agentes promotores da transferência do metano dissolvido no interior da massa líquida no reator UASB modificado para a fase gasosa, minimizando as perdas de metano na forma dissolvida no efluente final. Isso possibilita a redução das emissões de gases de efeito estufa para a atmosfera e o aumento da eficiência de coleta e aproveitamento energético do biogás (29) pela sua retirada na câmara de gás (4);
3) Os gases combustíveis (31 ) podem ser utilizados como agentes inibidores da formação de compostos indesejáveis no biogás, em especial de sulfetos, pelo fato desses gases apresentarem teor de oxigénio residual capaz de inibir a formação de sulfetos ou de propiciar a sua oxidação biológica, sem afetar significativamente o grau de anaerobiose no reator UASB modificado, pelo baixo teor de oxigénio nos gases injetados.
[0035] Nesse sentido, a tecnologia proposta apresenta como principais vantagens: a minimização de geração de lodos e subprodutos sólidos biologicamente ativos na operação da estação de tratamento de efluentes, simplicidade operacional, principalmente, em operações de remoção de lodo (27) e escuma (28); maior segurança para o profissional envolvido no processo; menor impacto ambiental, maior eficiência energética e baixo custo de operação e implantação.
[0036] A presente tecnologia pode ser mais bem compreendida através do exemplo a seguir, não limitante.
EXEMPLO: Projeto de concepção do reator UASB modificado associado a um gaseificador térmico
[0037] Para a concepção da presente tecnologia foi desenvolvido um projeto para unidades de tratamento de efluentes com detalhamento dos objetos de proteção propostos apresentados na planta.
[0038] O reator UASB modificado associado a um gaseificador térmico (30) para proporcionar a execução do método de aproveitamento energético do lodo é representado nas figuras 1 e 2.
[0039] Na figura 1 , o reator UASB modificado é representado pelo corte AA e exibe sua a estrutura trifásica em formato tronco-piramidal invertido, conformado por talude (5) em uma inclinação de 45Q e revestido por uma manta de fundo (6). São apresentadas aberturas no talude (5), especificamente no centro da porção superior esquerda, para a passagem de tubos de escoamento (13) e tubulação de escuma (20, figura 2), na parte superior à direita para a passagem da tubulação com difusores (1 1 ) e ao redor do talude (5) para alocação de tubos de coleta do efluente tratado (25), sendo o talude (5) fechado hermeticamente pela manta de cobertura (7).
[0040] O reator apresenta seguintes partes internas: compartimento de digestão (2), compartimento de decantação (3) e câmara de coleta de gás (4).
[0041 ] Os compartimentos de digestão (2) e decantação (3) são delimitados pelo talude (5).
[0042] No compartimento de digestão (2) são dispostos dutos de ingresso
(14) posicionados na porção inferior, fixadas no centro e nas laterais do talude (5) por tiras de materiais poliméricas (36) solda das às geomembranas de revestimento, isto é, nas mantas de fundo (6). Todos os dutos de escoamento (13) possuem válvula de fluxo (1 6), para o bloqueio da entrada de afluente no reator, e cada ramal correspondente do barri lete
(15) possui uma válvula de lodo (17). O barrilete (1 5) é interligado à entrada do conjunto motobomba (18, figura 2) que permite o bombeamento dos subprodutos formados durante o processo de tratamento de efluente (lodo (27), escuma (28) e biogás (29)) por quaisquer dos tubos de escoamento (13) promovendo a formação do sistema de entrada de afluente/descarte.
[0043] Na região superior do reator UASB modificado (parte inferior do coletor separador trifásico (9)) é alocada a tubulação com os difusores (1 1 ) posicionada de forma concêntrica no interior do reator. Esta se conecta ao orifício de saída do gás do gaseificador térmico (30) para propiciar a injeção dos gases provenientes da gaseificação do lodo (27) na massa liquida contida no interior do reator para favorecer o método de aproveitamento energético do lodo. À direita do reator UASB modificado está posicionado gaseificador térmico (30) do tipo downdraft, à esquerda está localizada a caixa de distribuição de fluxo (12). A caixa de distribuição de fluxo (12) é compartimentada e composta por vertedores (37) para divisão equitativa do afluente aos dutos de ingresso no reator, com possibilidade de bloqueio através da válvula de afluente (16) e inversão do fluxo em cada ramal de escoamento (13) de forma independente.
[0044] O compartimento de decantação (3) é formado nas laterais superiores do reator, demarcada por um separador trifásico (9) que é posicionado e fixado ao talude (5) por meio de blocos de ancoragem (26) e por estruturas de suporte flutuantes (10). Nesse compartimento, são previstos abertura para alocação de tubos de coleta do efluente tratado (25) com extremidade em ângulo reto para a passagem do liquido para caixas de passagem (24) por onde o efluente deixará o reator. Essas caixas (24) são construídas, na região externa, na periferia do reator para o recolhimento do efluente tratado.
[0045] Junto ao nível de água, na parte superior da câmara de gás (4), são alocadas as estruturas de suporte flutuantes (10) dos dispositivos de remoção de escuma (19, figura 3), estando o cone de captação (23) disposto abaixo da camada formada de escuma (28), para que esse material sobrenadante seja vertido no interior do cone de captação (23), o qual é conectado ao mangote (22) por um tubo com conexão (33). O mangote (22) é interligado também à tubulação de escuma (20) que, por sua vez, é interligada ao conjunto motobomba (18) através do barrilete de sucção (21 ). A tubulação de escuma (20) possui um barrilete de sucção (21 ) com válvulas de bloqueio de fluxo (35) para o controle de cada dispositivo de remoção de escuma (19) e para a formação do sistema de remoção de escuma. Conforme exibido na figura 2, o conjunto motobomba (18) interliga o barrilete (15) do sistema de entrada de afluente e ao barrilete de sucção (21 ) do sistema de retirada de escuma por uma tubulação (39) e deve ser instalado no interior da casa de bombas (32) para a proteção contra intempéries.
[0046] Já a câmara de gás (4) é delimitada pela superfície liquida e pela manta de cobertura (7) dotada de um coletor de gás (8) para a captação do biogás (29) e do gás de gaseificador (gases e combustíveis (31 )) gerados. No interior dessa câmara (4), conforme referido anteriormente, são posicionadas as estruturas de suporte flutuantes (10) responsáveis pela sustentação do separador trifásico (9) e dos dispositivos flutuantes de remoção de escuma (19).
[0047] O projeto da unidade de tratamento de efluente, representado pela figura 2, compreende o reator UASB modificado em vista superior, uma seção abaixo da manta de cobertura (7) para melhor visualização dos seus componentes internos descritos anteriormente, conforme apresentado na figura 1 .
[0048] O sistema de remoção de escuma, representado pela figura 3, apresenta um desenho em detalhe do dispositivo de remoção de escuma (19) com o cone de captação (23) acoplado a uma tubulação, isto é tubo com conexão (33) interligada ao mangote (22) que direciona a escuma (28) succionada pelo conjunto moto bomba (18, figura 2). O cone de captação (23) é sustentado pelas estruturas de suporte flutuante do dispositivo (10).

Claims

REIVINDICAÇÕES
1 . REATOR UASB MODIFICADO, caracterizado por ser conformado por talude (5), manta de fundo (6) e manta de cobertura (7), dotada de um coletor de gás (8); e ser equipado pelos seguintes elementos: separador trifásico (9), estrutura com suporte flutuante (10) e tubulação com difusores (1 1 ); além de compreender sistemas integrados ao seu mecanismo operacional: sistemas de entrada de afluente/descarte de lodo e sistema de remoção de escuma dotado de um dispositivo flutuante de remoção de escuma (19).
2. REATOR UASB MODIFICADO, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pela conformação do reator UASB modificado ser trifásica, compreendendo um compartimento de digestão (2) e um compartimento de decantação (3), delineados pelo plano inclinado do talude (5); e uma câmara de gás delimitada pela manta de cobertura (7).
3. REATOR UASB MODIFICADO, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo separador trifásico (9) delimitar aberturas para passagem do liquido em seu fluxo ascensional e por ser ancorado ao talude (5) por blocos de ancoragem (26) e por estruturas de suporte flutuante (10).
4. REATOR UASB MODIFICADO, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo sistema de entrada de afluente/descarte de lodo ser responsável pelo ingresso do afluente, recirculação e/ou remoção de lodo (27) e escuma (28), sendo flexível o suficiente para efetuar essas operações de maneira simultânea, compreendendo uma caixa de distribuição de fluxo (12) dotada por tubos de escoamento (13) com válvulas do afluente (16), dutos de ingresso (14), barrilete (15) com válvulas de lodo (17) e conjunto motobomba (18).
5. REATOR UASB MODIFICADO, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo sistema de remoção de escuma ser composto por conjunto motobomba (18), dispositivos flutuantes de remoção de escuma (19), tubulação de escuma (20) e barrilete de sucção (21 ) com válvulas de bloqueio de fluxo (35).
6. REATOR UASB MODIFICADO, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado pelo talude (5) apresentar formato tronco piramidal invertido e inclinação variável em uma faixa de 20° a 60Q, sendo sua superfície protegida pela manta de fundo (6); prevendo aberturas em sua parte superior, para a passagem de tubos de escoamento (13), tubulação de escuma (20), tubulação com difusores (1 1 ), e na região do compartimento de decantação (3), para alocação de tubos de coleta do efluente tratado (25).
7. REATOR UASB MODIFICADO, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pela manta de cobertura (7) fechar hermeticamente o talude (5) e por ser presa por estruturas de ancoragem (34).
8. REATOR UASB MODIFICADO, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por externamente, em toda a região periférica superior do talude (5), serem previstas caixas de passagens (24) acopladas a tubos de coleta do efluente tratado (25).
9. REATOR UASB MODIFICADO, de acordo com as reivindicações 1 , 4 e 6, caracterizado pelos materiais empregados na construção do reator UASB serem geomembranas confeccionadas em materiais poliméricos, sendo a manta de fundo (6) e o separador trifásico (9) preferencialmente em polietileno de alta densidade (PEAD), e a manta de cobertura (7) e os tubos de escoamento (13) e coleta de efluente tratado (25) serem preferencialmente confeccionados em polietileno de baixa densidade (PEBD), PVC ou polietileno de alta densidade (PEAD).
10. RE ATOR UASB MODIFICADO, de acordo com as reivindicações 1 , 2 e 4 caracterizado pela remoção do lodo (27) e da escuma (28) nas regiões de digestão (2) ocorrer por sucção através do conjunto motobomba (18), que permite a retirada desses subprodutos através de sua conexão com o barrilete (15), o qual é interligado aos tubos de escoamento (13) que são conectados aos dutos de ingresso (14) da caixa de distribuição de fluxo (12), por onde o afluente é distribuído e aplicado no fundo do reator UASB modificado.
1 1 . REATOR UASB MODIFICADO, de acordo com as reivindicações 1 e 4 caracterizado pelo fluxo de ingresso do afluente, recirculação e/ou retirada do lodo (27) ser gerenciado através da abertura das válvulas do afluente (16), para direcionamento do afluente para o fundo do reator UASB modificado, ou abertura das válvulas de lodo (17) no barrilete (15) para a recirculação e/ou retirada de lodo (27).
12. REATOR UASB MODIFICADO, de acordo com as reivindicações 1 e 4, caracterizado pelo sistema de afluente/descarga admitir a inversão do fluxo de pelo menos um dos dutos de escoamento (13) com a operação de fechamento das válvulas de afluente (16) e abertura das válvulas de lodo (17).
13. REATOR UASB MODIFICADO, de acordo com a reivindicações 1 e 5, caracterizado pelo conjunto motobomba (18) possuir conexão também com o barrilete de sução (21 ), o qual é conectado à tubulação de escuma (20) que é interligada aos dispositivos flutuantes de remoção de escuma (19) através de mangotes (22) que, por sua vez, são acoplados a um tubo com conexão (33) ligado ao cone de captação (23), o qual é ancorado às estruturas de suporte flutuante (10) por sistemas de fixação por parafusos (35).
14. REATOR UASB MODIFICADO, de acordo com as reivindicações 1 , 5 e 13 caracterizado pelo sistema de remoção da escuma ser gerenciado por operação de abertura/fechamento independente das válvulas de bloqueio de fluxo (35) do barrilete de sucção (21 ) para a escuma ser removida de forma independente em cada dispositivo flutuante de remoção de escuma (19).
15. REATOR UASB MODIFICADO, de acordo com as reivindicações 1 , 5, 13 e 14 caracterizado pelo dispositivo flutuante de remoção de escuma (19) compreender estruturas de suporte flutuantes (10), mangotes (22), cone de captação (23) e um tubo com conexão (33).
16. REATOR UASB MODIFICADO, de acordo com as reivindicações 1 , 4, 5, e 11 a 15, caracterizada pelo sistema de entrada de afluente/descarte e o sistema de remoção de escuma compartilharem os mesmos conjuntos motobomba (18) interligados ao barrilete (15) e ao barrilete de sucção (21 ) por uma tubulação (39).
17. MÉTODO DE APROVEITAMENTO ENERGÉTICO caracterizado por compreender as seguintes etapas:
a) Preparar o lodo (27) e a escuma (28), extraídos do reator UASB modificado, para a gaseificação térmica para a adequação de parâmetros de umidade e granulometria;
b) Gaseificar o lodo (27) e a escuma (28) a partir de um gaseificador térmico (30), para a formação de gases combustíveis (31 );
c) Encaminhar os gases combustíveis (31 ) para o interior da massa líquida no interior do reator UASB, por meio da tubulação com difusores (1 1 ).
18. MÉTODO DE APROVEITAMENTO ENERGÉTICO, de acordo com a reivindicação 17, etapa a_, caracterizado pela preparação do lodo (27) e da escuma (28) ser por processos de secagem ou briquetagem ou processos inerentes a cada gaseificador térmico (30).
19. MÉTODO DE APROVEITAMENTO ENERGÉTICO, de acordo com as reivindicação 17, etapa b_, caracterizado pelo gaseificador térmico (30) ser de leito fixo ou fluidizado.
20. MÉTODO DE APROVEITAMENTO ENERGÉTICO, de acordo com a reivindicação 17, etapa b_, caracterizada pelo processo de gaseificação do lodo (27) e da escuma (28) ser associada com outros materiais e substratos sólidos de natureza orgânica de origem externa à estação de tratamento de efluentes, ou aqueles retidos no tratamento preliminar.
21 . MÉTODO DE APROVEITAMENTO ENERGÉTICO, de acordo com a reivindicação 17, etapa c_, caracterizada pelo encaminhamento dos gases combustíveis (31 ) para o interior do reator UASB modificado ocorrer a partir da interligação do orifício de saída do gás do gaseificador térmico (30) à tubulação com difusores (1 1 ) do reator UASB modificado.
22. USO DO REATOR UASB MODIFICADO E DO MÉTODO DE APROVEITAMENTO ENERGÉTICO, conforme definidos nas reivindicações 1 a 21 , caracterizado por ser para tratamento de efluentes domésticos, industriais e agroindustriais; para o tratamento e limpeza dos gases combustíveis (31 ) do gaseificador térmico (30); e para aproveitamento energético em sistemas de combustão com maiores exigências de qualidade dos combustíveis gasosos, por exemplo, em motores de combustão interna ou turbinas a gás.
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