BRPI0615302A2 - processo e sistema de desnitrificação - Google Patents
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Abstract
PROCESSO E SISTEMA DE DESNITRIFICAçãO. A presente invenção refere-se a processo e sistema para desnitrificação de águas servidas. O processo inclui as etapas de medir uma taxa de fluxo influente, de medir as concentrações influentes de nitratos, nitritos, e oxigênio dissolvido nas águas servidas, e de usar as concentrações influentes para determinar uma quantidade nominal de metanol a ser provida para desnitrificação. A invenção também contempla a medição de concentrações efluentes de nitratos e nitritos (isto é, NO~3~) e o uso opcional de concentrações efluentes para ajustar a quantidade nominal de metanol que é provida.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSOE SISTEMA DE DESNITRIFICAÇÃO".
REFERÊNCIA CRUZADA AOS PEDIDOS DE PATENTE RELACIONADOS
Este pedido reivindica prioridade ao Pedido Provisório Norte-americano 60/710.612, depositado em 24 de agosto de 2005, e a um PedidoNorte-americano afim, depositado em 15 de agosto de 2006, as descriçõesdos quais são aqui incorporadas para referência em sua totalidade.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
Campo da Invenção
A presente invenção refere-se, de maneira geral, a um sistema eum processo para tratamento de águas servidas e, em particular, a um sis-tema e a um processo para a desnitrificação de águas servidas.
TÉCNICA RELACIONADA
De acordo com um artigo recente do jornal Washington Post("Troubled Waters in the Shenandoah: Death of Smallmouth Bass BringsAttention But No Quick Answers on Improving Quality", de Michael AlisonChandler, Escritor Adjunto do Washington Post, de quarta-feira 20 de julhode 2005, página B01), constantemente são levantadas questões acerca daqualidade da água que alimenta os canais no Vale Shenandoah e basica-mente na Baía de Chesapeake e em seus arredores. Dentre os fatores cita-dos no artigo, o alto teor de nutriente (e nitrogênio) nas águas de alimenta-ção foi mencionado como um culpado significativo:
O rio é também conhecido como apresentando altos níveis de nutrientes.Nitrogênio e fósforo em altas quantidades ocasionam o crescimento excessi-vo de plantas e algas, o que pode reduzir os níveis de oxigênio dissolvido.Os peixes lutam para respirar, e isso pode debilitar sua resistência a doen-ças ou bactérias.
A terra ao longo de todos os três rios afetada pela mortandade de peixes éprincipalmente agrícola. Com mais de 900 fazendas no vale, é predominantea indústria de aves domésticas. Os resíduos de altos nutrientes das fazen-das são usados como fertilizante e podem ser arrastados pelo rio.Fica evidente a necessidade de se controlar o teor de nitrogêniodas águas servidas de uma forma mais eficaz e melhor.
É sabido que o controle de substâncias químicas de alimentaçãousadas no processamento de líquidos (por exemplo, águas servidas em umsistema de tratamento de águas servidas) pode ser automatizado através douso de dispositivos de controle computadorizados. Podem ocorrer problemasdurante a dosagem automática de substância química no sistema de trata-mento por causa das imprecisões das medições de uma substância químicapresente no sistema e da relação variável de substância química-líquido,quando da variação da taxa de fluxo de líquido.
No passado, a dosagem era feita por testes de laboratório ou debanco da concentração de substância química influente, em combinaçãocom as medições de taxa de fluxo influente. Subseqüentemente, foram exe-cutados cálculos de dosagem, tendo sido manualmente ajustado o dispositi-vo de dosagem, uma bomba de alimentação de substância química, por e-xemplo, de acordo com os cálculos. Mais recentemente, a regulação parcialdas bombas de dosagem foi praticada usando um sinal de fluxo de água in-fluente. A variação da taxa de dosagem para manter um resultado de testede concentração de substância química efluente foi considerada uma abor-dagem mais direta.
Recentemente, foram disponibilizados analisadores automáticosconfiáveis para a concentração química, permitindo assim a automação detodo o procedimento de dosagem. Analisadores automáticos podem tambémser configurados para detectar diversas substâncias químicas importantesno sistema de tratamento de águas servidas, permitindo o uso de uma varie-dade de substâncias químicas dependendo da aplicação específica, por e-xemplo, a adição de bicarbonato de sódio em um reator biológico aerado oua adição de sais de ferro ou alumínio antes de um clarificador para controlara remoção de fósforo.
Na Patente Norte-americana No. 6.129.104 (a patente Ί04), osconteúdos da qual são aqui incorporados para referência, é provido um mé-todo para controlar a adição de substâncias químicas de tratamento de líqui-do pelo controle de dosagem automático. Neste método, o cálculo da quan-tidade de substâncias químicas a ser dosada no sistema combina sinais deum medidor de fluxo de líquido, um anaiisador de concentração de substân-cia química influente, e um anaiisador de concentração de substância quími-ca efluente. Os sinais são direcionados a um controlador de dosagem desubstância química computadorizado que analisa e ajusta os dados dos si-nais e gera um sinal de saída que controla os mecanismos de dosagem desubstância química. De acordo com a patente "104, este método pode serusado, por exemplo, para a desnitrificação de águas servidas usando meta-nol como a substância química de alimentação.
A desnitrificação compreende a remoção de nitrato e nitrito deum fluxo de água através do uso de bactérias heterotrópicas facultativas.Estas bactérias heterotrópicas facultativas, na presença de uma fonte decarbono (por exemplo, metanol), e na ausência de oxigênio dissolvido (DO),podem desprender os átomos de oxigênio das porções tanto de nitrato comode nitrito, que deixam o gás de nitrogênio (N2) que emana do fluxo de resí-duos e entra na atmosfera (o ar é gás de cerca de oitenta por cento de nitro-gênio), desnitrificando, conseqüentemente, o fluxo de água. Desse modo, oconsumo de metanol é dependente do nitrato e do nitrito influentes, bemcomo do DO influente, isto é, uma quantidade suficiente de metanol é exigi-da para primeiramente esgotar o DO influente e subseqüentemente pararesponder pelo desprendimento de todos os átomos de oxigênio associadoscom nitrato e nitrito.
A patente Ί04, entretanto, ignora DO e nitritos e adicionaJfrientedescreve a medição de concentrações influentes e efluentes de nitratos a-penas a fim de determinar uma quantidade de metanol a ser alimentada nosistema para desnitrificação. Entretanto, conforme discutido acima, a medi-ção das concentrações influentes e efluentes de nitratos é insuficiente emdeterminar a quantidade adequada de metanol a ser alimentada no sistemapara desnitrificação. De outra maneira, um sistema de dosagem de metanolque rigorosamente contempla o nitrato influente e efluente não respondepelas demandas de metanol associadas com níveis variados de nitrito e DOinfluentes, levando assim a uma possível sobredosagem ou subdosagem demetanol. Por exemplo, a confiança apenas nas medições de nitrato influentepode resultar em uma sobredosagem por causa de uma queda nos níveis deDO influente. Justamente por isso, a confiança nas medições de nitrato eflu-ente pode resultar em uma subdosagem por que um baixo nível de nitratoefluente medido é perdido conjuntamente com o fato de uma redução nosníveis de nitrato poder simplesmente indicar que todo o nitrato foi convertidoem nitrito, que tem ainda que ser reduzido. Isto é, o nitrato é primeiramenteconvertido em nitrito (resultando assim em um aumento nos níveis de nitrito)a caminho para completar a conversão para nitrogênio gasoso. Em vez dis-so, a patente Ί04 conta com fatores "de improvisação", por exemplo, o usode um "fator ajustável [que] é determinado pelo operador" e/ou o uso de um"fator de sensibilidade [que] é selecionado pelo operador" para compensar aimprecisão inerente em limitar as medições às concentrações de nitrato. Ini-cialmente estes "fatores" controlados pelo operador não passam de suposi-ções baseadas em fatos ou informações e, na melhor das hipóteses, poderi-am ser derivados empiricamente. Em tal técnica controlada por operadorestá implícita a necessidade de um operador "se preparar para lidar" com asexigências do sistema, representando uma "curva de aprendizado" demorada.
Por isso, há necessidade de um método automatizado mais pre-ciso de determinar uma quantidade de substâncias químicas de alimentação(por exemplo, metanol) a ser alimentada em um sistema de desnitrificaçãosem confiança nos fatores ajustáveis ou de sensibilidade controlados poroperador. Em particular, há necessidade de um método que tome concen-trações influentes de substâncias contendo nitrogênio, além de nitratos (porexemplo, nitritos) (assim denominados de NOx) e oxigênio dissolvido e con-centrações efluentes destas substâncias contendo nitrogênio (isto é, NOx) nocálculo da dose apropriada de substância química de alimentação. Estasmedições podem ser tiradas ou de amostras de influentes apenas ou de a-mostras tanto de influentes como de efluentes.SUMÁRIO DA INVENÇÃO
Em um aspecto, a invenção apresenta um processo de desnitri-ficação aquoso para um sistema de tratamento de águas servidas. O siste-ma de tratamento águas servidas apresenta fluxos aquosos influentes e e-fluentes, uma camada de filtração que abriga micróbios, e Ioops de controlede alimentação e de realimentação opcional. O processo compreende asetapas de: a) determinar o fluxo influente (opcionalmente representado emmilhões de galões por dia) Q, a concentração de oxigênio dissolvido influen-te (opcionalmente representada em mg/litro) DOin, a concentração de nitratoinfluente (opcionalmente representada em mg/litro) NO3-Nin, e a concentra-ção de nitrito influente (opcionalmente representada em mg/litro) NO2-Nin; b)utilizar uma relação de Ioop de controle de alimentação (1) para determinaruma exigência de substância química de alimentação FCR1
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na qual X, Y e Z são fatores sem unidades predeterminados que variam decerca de 0,7 a cerca de 3,0; c) opcionalmente determinar a concentração denitrato efluente (opcionalmente representada em mg/litro) NO3-Netf, e a con-centração de nitrito efluente (opcionalmente representada em mg/litro) NO2-Neffj e d) opcionalmente utilizar relações de Ioop de controle de realimenta-ção (2), (3) e (4) para determinar uma exigência de substância química dealimentação ajustada AFCR, utilizando a relação (5),
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nas quais GAIN é um coeficiente de ação sem unidade predeterminado,ERR é a diferença entre NOx-Neff medidos (que é a soma de NO3-Netf e NO2-Nett) e o ponto de ajuste NOxNett, dl é a soma do tempo de processamento domicroprocessador (opcionalmente representada em segundos) e um interva-lo de tempo 77 (opcionalmente representado em segundos), entre as medi-ções, e referências a "new" e "old" se referem a uma medição atual e umamedição anterior. O valor de FCR pode ser representado em libras· por diapela multiplicação do valor para FCR obtido através da relação (1) por umfator de conversão, que é de 8,34. Os valores para X, Y e Z são determina-dos pela equação estequiométrica para o consumo de oxigênio dissolvido,nitratos e nitritos na presença de metanol. Uma discussão mais detalhadadas concretizações preferidas é apresentada abaixo. Entretanto, em umaconcretização da invenção, o valor de X pode ser ajustado, por exemplo, em0,81, o valor de Y pode ser ajustada, por exemplo, em 2,25, e o valor de Zpode ser ajustado, por exemplo, em 1,35. O valor de GAIN pode ser ajusta-do, por exemplo, em 0,2. O valor Tl pode ser ajustado, por exemplo, em 400segundos. O valor do ponto de ajuste NOxNeff pode ficar dentro da faixa de0,25 mg/litro a 10,0 mg/litro. O quociente dl/TI pode ser aproximadamenteigual a 1. Os valores para Al(0id) e ERR(0id) podem ser ajustados na mediçãoinicial em 0. Deve ser enfatizado, contudo, que a invenção não é limitada àsou pelas equações providas acima, que simplesmente servem como ilustra-tivas de uma concretização preferida da invenção.
Em outro aspecto da invenção, é provido um sistema de desnitri-ficação de águas servidas. O sistema compreende um medidor de fluxo in-fluente para medir um fluxo influente (opcionalmente representado em mi-lhões de galões por dia) Q; um analisador de concentração influente paramedir uma concentração de oxigênio dissolvido influente (opcionalmenterepresentada em mg/litro) DOin, uma concentração de nitrato influente (op-cionalmente representada em mg/litro) NO3-Nin, e uma concentração de nitri-to influente (opcionalmente representada em mg/litro) NO2-Nin; um analisa-dor de concentração efluente opcional para medir uma concentração de ni-trato efluente (opcionalmente representada em mg/litro) NO3-Nett, e umaconcentração de nitrito efluente (opcionalmente representada em mg/litro)NO2-Nett, e um controlador de substância química de alimentação para pro-ver uma substância química de alimentação em uma taxa controlada. O con-trolador de substância química de alimentação é responsivo a um ou maissinais de saída providos por um Ioop de controle automatizado que aceita ossinais de entrada do analisador de concentração influente e opcionalmentedo analisador de concentração efluente. Os sinais de entrada se referempelo menos a NO3-Nin e NO2-Nin e, opcionalmente, a NO3-Neffl e NO2-Neff. Oloop de controle automatizado pode também aceitar sinais de entrada refe-rentes a DOin- O Ioop de controle automatizado pode também aceitar sinaisde entrada referente a Q. A substância química de alimentação pode serprovida como parte do fluxo influente. A substância química de alimentaçãopode incluir qualquer fonte de carbono, incluindo, mas não limitada a ácidoacético, açúcares, metanol, etanol, e similares. O loop de controle automati-zado pode ser configurado para aceitar sinais de entrada em um intervalo detempo predeterminado Tl.
Em ainda outro aspecto da invenção, é provido um método deautomaticamente controlar uma taxa na qual é provida uma substância quí-mica de alimentação aos micróbios abrigados em uma camada de filtração.O método compreende as etapas de: (i) determinar uma taxa de fluxo influ-ente (opcionalmente representada em milhões de galões por dia) Q, umaconcentração de oxigênio dissolvido influente (opcionalmente representadaem mg/litro) DOin, uma concentração de nitrato influente (opcionalmente re-presentada em mg/litro) NO3-Nin, e uma concentração de nitrito influente(opcionalmente representada em mg/litro) NO2-Nin; (íi) determinar uma exi-gência de substância química de alimentação FCR, com base, em parte, nosvalores para Q, DOin, NO3-Nin, e NO2-Nin, obtidos da etapa (i); (iii) opcional-mente determinar uma concentração de nitrato efluente (opcionalmente re-presentada em mg/litro) NO3-Neff, e uma concentração de nitrito efluente(opcionalmente representada em mg/litro) NO2-Neff; (iv) opcionalmente de-terminar uma exigência de substância química de alimentação ajustada AF-CR, com base, em parte, nos valores para NO3-Neff e NO2-Neff, obtidos daetapa (iii) (isto é, NOx-Neff), e ERR, que é a diferença entre NOx-Neff medidos(que, por sua vez, é a soma de NO3-Neff e NO2-Neff) e o ponto de ajuste NOx-Neff; e (v) de repetir as etapas (i), (ii), (iii) e (iv) em um intervalo de tempopredeterminado TI.BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
A figura 1 é um diagrama de bloco de um sistema de desnitrifi-cação de acordo com uma concretização preferida da invenção.
A figura 2 é um fluxograma que ilustra um método para calcularuma dosagem de metanol a ser provida a um sistema de desnitrificação, deacordo com uma concretização preferida da invenção.
A figura 3 é um gráfico de cor/sombreado das variações diurnasencontradas para concentrações influentes de nitrato influente, fosfato influ-ente e oxigênio dissolvido influente.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
A presente invenção é dirigida a um sistema e a um método paraexecutar a desnitrificação de um fluxo de líquido, tipicamente águas servi-das. Diferente dos sistemas de desnitrificação convencionais, que contamexclusivamente com a medição de concentrações influentes e efluentes denitratos para ajudar em um cálculo de uma dosagem de uma substânciaquímica de alimentação, tipicamente metanol, e que exigem que um opera-dor experiente determine fatores "ajustáveis" e de "sensibilidade" para "im-provisar" valores de dosagem de substância química de alimentação, a pre-sente invenção também inclui as vantagens de medir concentrações influen-tes e efluentes de nitritos, bem como a concentração influente de oxigêniodissolvido a fim de determinar uma" dosagem mais precisa de metanol a serusado no processo de tratamento de águas servidas. Conseqüentemente,nenhum fator controlado por operador é exigido, conforme discutido adicio-nalmente aqui. A invenção também abrange um sistema no qual as medi-ções efluentes são meramente opcionais, reduzindo assim a complexidade eo custo do sistema.
Com referência à figura 1, é mostrado um diagrama de bloco deum sistema de desnitrificação 100 de acordo com uma concretização prefe-rida da invenção. O sistema 100 aceita um fluxo influente 105 de um líquidoa ser tratado, tipicamente águas servidas. O fluxo influente 105 primeiramen-te encontra um medidor de fluxo influente 110, que mede uma taxa de fluxode líquido, e gera um sinal de taxa de fluxo correspondendo a medição. Ofluxo influente 105 continua então para um analisador de concentração influ-ente 115. O analisador 115, que pode compreender dois ou mais dispositi-vos, mede as concentrações de nitratos, nitritos, e oxigênio dissolvido dentrodo fluxo influente, e gera sinais correspondendo a cada destas concentra-ções influentes. Estes sinais podem ser então combinados, juntamente como sinal de taxa de fluxo, para prover um sinal de controle. Depois, o fluxoinfluente 105 continua para o processo de tratamento 120. O processo detratamento 120 trata as águas servidas.
O processo de tratamento 120 pode incluir um sistema de filtro.Por exemplo, um sistema de filtro de areia pode ser usado para filtrar mate-riais sólidos das águas servidas. Em uma concretização preferida, um oumúltiplos sistemas de filtro de areia de fluxo ascendente de contracorrentezacontínuos podem ser usados dentro do processo de tratamento 120. Vide, asPatentes Norte-americanas Nos. 4.126.546, 4.197.201 e 4.246.102, por e-xemplo, de sistemas de filtração de areia adequados. As descrições destaspatentes são incorporadas aqui para referência.
Um aspecto do processo de tratamento 120 é uma desnitrifica-ção das águas servidas. A desnitrificação é realizada pela provisão de umasubstância química de alimentação, tipicamente metanol, às águas servidas.Conforme descrito acima, os micróbios abrigados na camada de filtraçãoconsomem o metanol juntamente com os nitratos e nitritos que estão presen-tes nas águas servidas para produzir nitrogênio gasoso, que é então dissi-pado naturalmente na atmosfera ambiente. Desta maneira, é eliminada umaquantidade substancial do conteúdo de nitrogênio nas águas servidas; daí, otermo "desnitrificação".
Em uma concretização preferida da invenção, o metanol é esco-lhido como a substância química de alimentação por causa de sua disponibi-lidade e de seu custo com relação a outras substâncias químicas de alimen-tação sintéticos. Sua presença no efluente a jusante tem, contudo, que sermantida em um mínimo. Desse modo, a presente invenção procura proveruma determinação mais precisa da quantidade de metanol exigida para rea-lizar os níveis desejados de desnitrificação, sem, contudo, prover um exces-so de metanol, cuja presença no efluente poderia ser problemática.
É sabido que o metanol introduzido no sistema de desnitrificaçãoprimeiramente consome o oxigênio dissolvido presente no influente, de a-cordo com a equação: 302 + 2 CH3OH = 2C02 + 4H20. Subseqüentemente,é realizada a redução de nitrato e nitrito. Cada transformação pode ser des-crita pelas seguintes equações estequiométricas: 6N03" + 5CH3OH = 3N2 +5C02 + 7H20 + 60H" e 2N02" + CH3OH = N2 + CO2 + H2O + 20H: O gás denitrogênio produzido é dissipado na atmosfera. Conseqüentemente, a quan-tidade estequiométrica de metanol exigida para a completa desnitrificação éprovida pela equação: CH3OH = 0,7DO + 2,ONO3-N + 1,1 NO2-N, na qual ometanol, o oxigênio dissolvido influente, o nitrato influente e o nitrito influentesão representados em mg/L. Valores efetivos para X, Y e Z podem ser esco-lhidos no início, mas podem ser posteriormente alterados, caso desejado.Valores efetivos devem ter provavelmente uma certa porcentagem mais queas necessidades estequiométricas.
Depois da conclusão do processo de tratamento 120, as águasservidas tratadas encontram então um analisador de concentração efluenteopcional 125. O analisador 125 opcionalmente mede as concentrações denitratos e nitritos presentes no fluxo efluente 130, que então emana do sis-tema de filtração. O analisador 125 pode também gerar sinais que respecti-vamente correspondem às concentrações de nitrato e nitrito efluentes.
Um aspecto crítico do sistema de desnitrificação 10O é a deter-minação da quantidade da dosagem de metanol a ser alimentada no proces-so de tratamento 120. A fim de otimizar a eficiência do sistema, a quantidadecalculada deve ser tão precisa quanto possível. A presente invenção apre-senta uma imprecisão aperfeiçoada pela medição de múltiplos componentesde análise, o que provê um quadro mais completo da quantidade de subs-tância química de alimentação exigida.
Com referência à figura 2, um fluxograma 200 ilustra uma meto-dologia para calcular uma quantidade de metanol a ser alimentada no pro-cesso de tratamento 120. Primeiro, na etapa 205, a taxa de fluxo influente émedida com o uso do medidor de fluxo influente 110. Um sinal de taxa defluxo é gerado a partir desta primeira medição, podendo ser representadopela variável Q, e tipicamente representado em milhões de galões por dia.Na segunda etapa 210, são tomadas medições para as concentrações influ-entes de nitratos, nitritos, e oxigênio dissolvido, sendo gerados assim sinaiscorrespondentes. Estes sinais são tipicamente representados em unidadesde miligramas por litro (mg/L), podendo ser representados pelas seguintesvariáveis: pela concentração influente de oxigênio dissolvido = DOin; pelaconcentração influente de nitratos = NO3-Nin; e pela concentração influentede nitritos = NO2-Nin.
Depois, na etapa 215, os sinais gerados são usados para calcu-lar um valor nominal da exigência de substância química de alimentação (F-CR), de acordo com a Equação 1 abaixo:
FCR = Q[X*DOin) + (Y*N03-Nin) + (Z*N02-Nin)]onde X, Y e Z são fatores sem unidade predeterminados que tipicamenteficam dentro da faixa de 0,7 a 3,0. Conforme discutido acima, a quantidadeestequiométrica de metanol necessária para a completa desnitrificação exigeque X = 0,7, Y = 2,0 e Z = 1,1. Estes são os valores mínimos. Entretanto, étipicamente exigido um excesso de metanol para concluir a reação estequi-ométrica. Conseqüentemente, pode ser desejado um excesso de metanol,de até 50% mais que as exigências estequiométricas. Tipicamente, poderiaser desejado um excesso de 10-30%, preferivelmente um excesso de 15-20%. Em uma concretização da invenção, portanto, X = 0,9, Y = 2,5 e Z =1,5. Em ainda outra concretização da invenção X = 0,8, Y = 2,3 e Z = 1,4. Ovalor de FCR pode ser convertido em unidades de libras por dia pela multi-plicação do valor inicial pelo fator de conversão 8,34.
Na etapa 220, são tomadas medições opcionais do fluxo efluen-te das concentrações de nitratos e nitritos. Novamente, são gerados sinaisque correspondem a estas medições. Estes sinais podem ser representadospelas seguintes variáveis: pela concentração efluente de nitratos = NO3-Nett;pela concentração efluente de nitritos = N02-Nett; e pela concentração eflu-ente total de nitratos e nitritos = NO3-Nett + N02-Nett = NOx Nett. Estes sinais(isto é, NOx-Netf) são então usados para calcular um ajuste opcional com re-lação ao valor FCR nominal na etapa 225. Todo o método de acordo com ofluxograma 200 é então repetido continuamente de modo que o valor de me-tanol seja continuamente atualizado em conjunção com o fluxo influente con-tínuo.
Em uma concretização preferida da invenção, o ajuste para ovalor FCR é determinado através do uso de um processo de realimentaçãoopcional que usa um Ioop proporcional-integral (PI). O ajuste A inclui umcomponente proporcional AP e um componente integral Al; conseqüente-mente, A = AP + Al. O componente proporcional AP é definido pela Equação2 abaixo:
AP = GAIN*ERR (2)
onde GAIN = a magnitude desejada de reação como uma função do erropercebido, e ERR = desvio do sistema = a diferença entre o ponto de ajusteefluente e o valor do processo. O ponto de ajuste efluente é o valor esperadoda concentração efluente total de nitratos e nitritos, e o valor do processo é ovalor efetivo total medido da concentração efluente de nitratos e nitritos. Ti-picamente, o ponto de ajuste efluente cai dentro de uma faixa de 0,25 mg/La 10,0 mg/L. Assim, por exemplo, se em um determinado tempo o ponto deajuste efluente for de 0,5 mg/L, a efetiva concentração efluente medida denitratos será de 0,5 mg/L, e a efetiva concentração efluente medida de nitri-tos será de 0,4 mg/L, então, a concentração efluente total de nitratos e nitri-tos será de 0,5 mg/L + 0,4 mg/L = 0,9 mg/L, e, portanto, ERR = 0,9 mg/L -0,5 mg/L = 0,4 mg/L. Um valor típico para GAIN poderia ser 0,2. Desse mo-do, neste exemplo, AP = 0,2*0,4 = 0,08.
O componente integral do ajuste Al é definido de acordo com aEquação 3 abaixo:
<formula>formula see original document page 13</formula> TI = Intervalo de Tempo ou Tempo de Restabelecimento = um intervalo detempo predeterminado entre medições sucessivas. Por exemplo, Tl pode serajustado igual a 400 segundos, dl = Tempo de Varredura Corrente = umafunção do sistema interno que trilha o tempo exigido para executar a funçãoa partir do momento em que o sistema recebe todas as variáveis do proces-so. O Tempo de Varredura Corrente dl é a soma de Tl e do efetivo tempo decomputação, que é tipicamente na ordem de milissegundos, por exemplo, deaproximadamente 20 ms. Desse modo, neste exemplo, dl = 400 s + 20 ms =400,020 s. Por isso, o quociente dl/TI geralmente é aproximadamente igual a1, mas sempre é ligeiramente maior do que 1, nunca exatamente igual a 1.Os subscrito "new" e "old" se referem a cálculos atuais e anteriores, respec-tivamente. Desse modo, se um valor do componente integral Al estiver sen-do presentemente calculado, isto é, Al(new), então Al(0|d) irá se referir ao valorde Al que foi calculado 400 segundos atrás.
Valores iniciais de Al(0id) e ERR(0)d) são geralmente ajustados emzero. Assim, se todos os valores do exemplo acima forem inseridos na E-quação 3, será obtido o seguinte resultado: Alinew) = 0 + 0,2* (400,020/400) *[(0,5) * (0,4 mg/L +)] = 0,040002 mg/L = aproximadamente 0,04 mg/L. Dessemodo, o ajuste total A = AP + Al = 0,08 + 0,04 = 0,12.
O valor de ajuste total A pode ser limitado a fim de assegurarque os ajustes não excedam um ajuste máximo predeterminado. Por exem-plo, se uma medição específica significativamente desviasse da tendênciadas medições anteriores, ela poderia ser considerada uma medição estranhaou uma medição errônea: A limitação da quantidade máxima de qualquerajuste determinado responde por tal medição estranha. Na etapa 225, com autilização da Equação 5, a AFCR é calculada para ser AFCR = FCR* (1 +0,12) ou um aumento de 12% sobre a FCR.
De volta agora à figura 3, a atenção do leitor é dirigida a um re-sultado inesperado muito surpreendente de medição de nitratos influentes(blocos vermelhos/cinzas), de fosfatos influentes (diamantes azuis mari-nhos/pretos) e de oxigênio dissolvido influente (blocos azul claro/cinza claro)sobre um período de vinte e quatro horas. Conforme mostrado na figura, aconcentração (em mg/L) de nitrato influente diminui de um valor inicial médiode cerca de 5,0 mg/L para um valor de meio-dia médio inferior de cerca de4,0 mg/L antes de ser elevado novamente algumas horas antes da meia-noite para um valor médio alto de cerca de 5,5 mg/L. Muito inesperadamen-te, o oxigênio dissolvido influente é constantemente elevado para atingir umvalor de meio-dia máximo de cerca de 2,7 mg/L antes de cair bruscamentesobre as próximas cinco horas. Desse modo, as concentrações de nitratosinfluentes e oxigênio dissolvido influente percorreram em direções opostas.Um operador que mede a concentração de nitratos influentes apenas, mes-mo recorrendo a fatores "ajustáveis" ou de "sensibilidade", não poderia res-ponder por uma elevação inesperada no oxigênio dissolvido influente e, por-tanto, teria mais do que provavelmente subestimado a quantidade adequadade metanol exigida para atingir o nível desejado de desnitrificação.
Enquanto a presente invenção foi descrita com relação ao que éatualmente considerado como sendo a concretização preferida, deve serentendido que a invenção não é limitada às concretizações descritas. Aocontrário, a invenção se destina a cobrir várias modificações e disposiçõesequivalentes incluídas dentro do espírito e escopo das reivindicações ane-xas. O escopo das seguintes reivindicações deve estar de acordo com a in-terpretação mais ampla de modo a abranger todas estas modificações e es-truturas e funções equivalentes.
Claims (20)
1. Processo de desnitrificação aquoso para um sistema de tra-tamento de águas servidas que apresenta fluxos aquosos influentes e eflu-entes, uma camada de filtração que abriga os micróbios, e loops de controlede alimentação e realimentação, o processo compreendendo:a determinação de um fluxo influente (opcionalmente represen-tado em milhões de galões por dia) Q, de uma concentração de oxigêniodissolvido influente (opcionalmente representada em mg/litro) DOin, de umaconcentração de nitrato influente (opcionalmente representada em mg/litro)NO3-Nin, e de uma concentração de nitrito influente (opcionalmente repre-sentada em mg/litro) NO2-Nin;a utilização de uma relação de loop de controle de alimentação(1) para determinar uma exigência de substância química de alimentaçãoFCR,FCR = Q[(X*D0in)+(Y*N03-Nin)+(Z*N02-Nin)] (1)na qual X, Y e Z são fatores sem unidades predeterminados que variam decerca de 0,7 a cerca de 3,0;a determinação de uma concentração de nitrato efluente (opcionalmenterepresentada em mg/litro) NO3-Neft e de uma concentração de nitrito efluente(opcionalmente representada em mg/litro) NO2-Netf, ea utilização de relações de Ioop de controle de realimentação (2), (3) e (4)para determinar uma exigência de substância química de alimentação ajus-tada AFCR com a utilização da relação (5),<formula>formula see original document page 16</formula>nas quais GAIN é um coeficiente de ação sem unidade predeterminado,ERR é a diferença entre NOx-Ne« medidos (que é a soma de NO3-Nett e NO2-Nett) e o ponto de ajuste NOx-Nett dl é a soma do tempo de processamentodo microprocessador (opcionalmente representado em segundos) e um in-tervalo de tempo Tl (opcionalmente representado em segundos), entre asmedições, e referências a "new" e "old" refere-se a uma medição atual euma medição anterior.
2. Processo de desnitrificação aquoso, de acordo com a reivindi-cação 1, no qual a FCR é representada em libras por dia pela multiplicaçãodo valor para FCR obtido através da relação (1) por um fator de conversão,que é de 8,34.
3. Processo de desnitrificação aquoso, de acordo com a reivindi-cação 1, no qual os valores de X, Y e Z são ajustados em valores estequio-métricos.
4. Processo de desnitrificação aquoso, de acordo com a reivindi-cação 1, no qual os valores de X, Y e Z são ajustados 15% acima dos valo-res estequiométricos.
5. Processo de desnitrificação aquoso, de acordo com a reivindi-cação 1, no qual os valores de X, Y e Z são ajustados 30% acima dos valo-res estequiométricos.
6. Processo de desnitrificação aquoso, de acordo com a reivindi-cação 1, no qual o GAIN é ajustado em 0,2.
7. Processo de desnitrificação aquoso, de acordo com a reivindi-cação 1, no qual o Tl é ajustado em 400 segundos.
8. Processo de desnitrificação aquoso, de acordo com a reivindi-cação 1, no qual o ponto de ajuste NOx-Nett fica dentro da faixa de 0,25mg/litro para 10,0 mg/litro.
9. Processo de desnitrificação aquoso, de acordo com a reivindi-cação 1, no qual o quociente dl/TI é aproximadamente igual a 1.
10. Processo de desnitrificação aquoso, de acordo com a reivin-dicação 1, no qual os valores para Al(0id) e ERR(0id) na medição inicial sãoajustados em 0.
11. Sistema de desnitrificação de águas servidas que compre-ende:um medidor de fluxo influente para medir um fluxo influente (op-cionalmente representado em milhões de galões por dia) Q;um analisador de concentração influente para medir uma con-centração de oxigênio dissolvido influente (opcionalmente representada emmg/litro) DOin, uma concentração de nitrato influente (opcionalmente repre-sentada em mg/litro) NO3-Nin, e uma concentração de nitrito influente (opcio-nalmente representada em mg/litro) NO2-Nin;um analisador de concentração efluente opcional para mediruma concentração de nitrato efluente (opcionalmente representada emmg/litro) NO3-Nett e uma concentração de nitrito efluente (opcionalmente re-presentada em mg/litro) NO2-Nett, eum controlador de substância química de alimentação para prover umasubstância química de alimentação em uma taxa controlada,cujo controlador de substância química de alimentação é responsivo a um oumais sinais de saída providos por um Ioop de controle automatizado que a-ceita os sinais de entrada do analisador de concentração influente e opcio-nalmente do analisador de concentração efluente, no qual os sinais de en-trada referem-se a pelo menos NO3-Nin, NO2-Nin, NO3-Nett e N02-Nett.
12. Sistema de desnitrificação de águas servidas, de acordo coma reivindicação 11, no qual o Ioop cTe controle automatizado aceita sinais deentrada que adicionalmente se referem a DOin.
13. Sistema de desnitrificação de águas servidas, de acordo comreivindicação 11, no qual o Ioop de controle automatizado aceita sinais deentrada que se referem a Q.
14. Sistema de desnitrificação de águas servidas, de acordo coma reivindicação 11, no qual a substância química de alimentação é providacomo parte do fluxo influente.
15. Sistema de desnitrificação de águas servidas, de acordo coma reivindicação 11, no qual a substância química de alimentação é metanol.
16. Sistema de desnitrificação de águas servidas, de acordo coma reivindicação 11, no qual o Ioop de controle automatizado aceita sinais deentrada em um intervalo de tempo predeterminado TI.
17. Método de automaticamente controlar uma taxa na qual umasubstância química é provida para micróbios abrigados em uma camada defiltração, que compreende:(i) a determinação de uma taxa de fluxo influente (opcionalmenterepresentada em milhões de galões por dia) Q, de uma concentração de o-xigênio dissolvido influente (opcionalmente representada em mg/litro DOin,de uma concentração de nitrato influente (opcionalmente representada emmg/litro) NO3-Nin, e de uma concentração de nitrito influente (opcionalmenterepresentada em mg/litro) NO2-Nin;(ii) a determinação de uma exigência de substância química dealimentação FCR, com base, em parte, nos valores para Q, DOin, NO3-Nin eNO2-Nin, obtidos da etapa (i);(iii) a determinação de uma concentração de nitrato efluente (op-cionalmente representada em mg/litro) NO3-Neff e de uma concentração denitrito efluente (opcionalmente representada em mg/litro) NO2-Nett;(iv) a determinação de uma exigência de substância química dealimentação ajustada AFCR, com base, em parte, nos valores para NO3-Neffe NO2-Nett, obtidos da etapa (iii), e ERR, que é a diferença entre NOxNeff me-dido (que, por sua vez, é a soma de NO3-Neff e NO2-Neff) e o ponto de ajusteNOx-Neff; e(v) a repetição das etapas (i), (ii), (iii) e (iv) em um intervalo detempo predeterminado TI.
18. Método de automaticamente controlar uma taxa na qual umasubstância química de alimentação é provida para micróbios abrigados emuma camada de filtração, que compreende:(i) a determinação de uma taxa de fluxo influente (opcionalmenterepresentada em milhões de galões por dia) Q, de uma concentração de o-xigênio dissolvido influente (opcionalmente representada em mg/litro) DOin,de uma. concentração de nitrato influente (opcionalmente representada emmg/litro) NO3-Nin, e de uma concentração de nitrito influente (opcionalmenterepresentada em mg/litro) NO2-Nin; e(ii) a determinação de uma exigência de substância química dealimentação FCR1 com base, em parte, nos valores para Q, DOin, NO3-Nin eNO2-Nin.
19. Método, de acordo com a reivindicação 18, que adicional-mente compreende:(iii) a determinação de uma concentração de nitrato efluente (op-cionalmente representada em mg/litro NO3-Netf, e de uma concentração denitrito efluente (opcionalmente representada em mg/litro) NO2-Nett; e(iv) a determinação opcional de uma exigência de substânciaquímica de alimentação ajustada AFCR, com base, em parte,' nos valorespara NO3-Nett e NO2-Nett-
20. Método, de acordo com a reivindicação 19, no qual a deter-minação da exigência de substância química de alimentação ajustada AFCRse baseia adicionalmente, em parte, em ERR, que é a diferença entre NOx-Nett medidos e o ponto de ajuste NOx-Nett; e(v) a repetição das etapas (i), (ii), (iii) e (iv) em um intervalo detempo predeterminado TI.
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