"PROCESSO DE DESINTOXICAÇÃO ETRATAMENTO DE EFLUENTES EM GRANDES VOLUMES COMRECICLAGEM DE ÁGUA E APROVEITAMENTO DE CARGASORGÂNICAS E INORGÂNICAS"
Campo da invenção
A presente patente de privilégio de invenção,"PROCESSO DE DESINTOXICAÇÃO E TRATAMENTO DEEFLUENTES EM GRANDES VOLUMES COM RECICLAGEM DEÁGUA E APROVEITAMENTO DE CARGAS ORGÂNICAS EINORGÂNICAS", tem por objeto um prático e inovador processo detratamento de efluentes orgânicos, pertencente ao campo dastécnicas de reciclagem, de uso mais precisamente em destilação demosto fermentado quando da fabricação de álcool ou bebidasalcoólicas, com vistas a melhorar a sua utilização e desempenhoem relação aos outros processos usualmente encontrados nomercado.
Trata-se, portanto, de um processodesenvolvido com perfeição e eficiência, no intuito de oferecer umprocesso de tratamento de efluentes com o objetivo de degradar assubstâncias poluentes e reciclar os resíduos e efluentes produzidosneste, proporcionando grande confiabilidade ao que se presta, tantopor suas características funcionais, como pela praticidade doprocesso.
É ainda, objetivo do presente pedido deprivilégio de invenção, apresentar um processo que promova adegradação dos poluentes e o tratamento de grandes quantidadesde efluentes, com baixos custos para sua exeqüibilidade industrial,porém aliado aos requisitos de segurança sanitária e praticidadeutilitária, oferecendo assim ao público consumidor, uma opçãoadicional no mercado de congêneres, que ao contrário dosprocessos usuais, oferece inúmeras possibilidades e benefícios aosseus usuários, tornando-se um modelo de grande aceitação nomercado consumidor.
Histórico da invenção
Como é de conhecimento popular, a vinhaçaou vinhoto é o nome dado ao efluente gerado na destilação domosto fermentado quando da fabricação de álcool ou bebidasalcoólicas a partir da fermentação de insumos vegetais como acana de açúcar, beterraba e outros tubérculos e raízes, milho eoutros cereais, celulose, e outros materiais contendo carboidratos.No caso da cana de açúcar é gerada em grandes quantidades, de10 a 18 litros por litro de álcool produzido, e sai dos aparelhosdestiladores a temperaturas da ordem de 85°C a 90°C, constituindo-se em efluente tóxico de alto poder poluente, decorrenteprincipalmente de sua considerável carga orgânica, intensacoloração e baixo pH, sendo caracterizada por altos índices deDemanda Química de Oxigênio - DQO, e de Demanda Bioquímicade Oxigênio - DBO, sendo por isso altamente prejudicial à flora efauna principalmente dos meios hídricos, além de sua infiltração nosolo contaminar também as águas subterrâneas ao atingir oslençóis freáticos.
A significativa presença de compostosfenólicos recalcitrantes na carga orgânica da vinhaça é o principalmotivo pelo qual este efluente se apresenta tão prejudicial ao meioambiente.
Além dos danos ambientais, a lentadegradação natural da vinhaça exala odores tóxicos fortes edesagradáveis expondo trabalhadores e a própria população aproblemas de saúde.
A atenção dispensada ao desenvolvimentode métodos de tratamento de vinhaça tem aumentado muito nosúltimos anos, principalmente considerando a grande demanda pelouso do etanol como combustível, fato este que multiplicou o númerode usinas produtoras e conseqüentemente o problema ambientaladvindo da imensa quantidade de vinhaça gerada.
Como é sabido notadamente por técnicos noassunto, vários métodos têm sido desenvolvidos e sugeridos para otratamento da vinhaça, porém em sua grande maioria esbarram emdificuldades como alto custo operacional e inviabilidade técnicadevido à imensa quantidade do efluente produzidaininterruptamente.
Métodos que envolvem biodegradação diretada carga orgânica (ver as patentes BRPI830502; BRPI8701488 A;UM 8502073-7U) não se mostram completamente eficazes, pois apresença considerável de compostos fenólicos recalcitrantesretarda a cinética de biodegradação devido a suas propriedadesgermicidas.
Métodos que envolvem pré-oxidação deefluentes com a intenção de eliminar a resistência dos compostosfenólicos a biodegradação aceleram o processo biológico (verpatente USPN 5.851399), porém, no caso da vinhaça novamente aimensa quantidade produzida demanda soluções tecnológicas quepossibilitem o seu tratamento em maiores quantidades e maiorrapidez. Uma outra possibilidade que também tem sido explorada éo tratamento físico - químico da vinhaça, que consiste basicamenteem sua neutralização, coagulação e floculação. (ver patentes FR2529568 A1; BRPI 8705131). Esse tipo de tratamento tem comoponto alto a possibilidade de diminuição do DQO, porém emgrandes volumes seus resultados são parciais, devido ainda àpermanência dos compostos fenólicos recalcitrantes na cargaorgânica.
A utilização de métodos POA (Processos de
Oxidação Avançada) fotocatalizados tem também sidoexperimentada, principalmente por meio de processos que usam oreagente de Fenton (ver J. Beltran de Heredia et. Al., Water Scienceand Technology, Vol 51, n° 1, pp 159 -168 (2005)). Métodos queenvolvem eletrodiálise (ver patente BRPI 0505211 - 4A),degradação eletrolítica (ver patente BRPI 8206309 A), e até mesmaa incineração e a evaporação da água tem sido propostos (verpatentes BRPI 8220577; EP 0048061 A3; EP 0794246 A1), contudoao considerarem-se as imensas quantidades produzidas devinhaça, aparecem grandes problemas ligados ao "scale up", alémde custos operacionais proibitivos. Isso tudo fez com que aaspersão direta da vinhaça no canavial tenha sido encarada comouma solução prática para essa problemática, porém devido àtoxidez do material e da alta concentração de potássio quedesequilibra as características de troca iônica do solo, essa práticapura e simples está sendo contestada amplamente sob o ponto devista ambiental.
Pontos deficientes do estado da técnica
O grande inconveniente desses modelosreside na lenta degradação natural da vinhaça que exala odorestóxicos fortes e desagradáveis expondo trabalhadores e a própriapopulação a problemas de saúde.
Métodos empregados, que envolvembiodegradação direta da carga orgânica, não se mostram eficazes,pois a presença de compostos fenólicos recalcitrantes retarda acinética de biodegradação. Já aqueles que envolvem a pré-oxidação de efluentes aceleram o processo biológico, porém aimensa quantidade produzida demanda soluções tecnológicas quepossibilitem o seu tratamento em maiores quantidades e maiorrapidez.
Métodos que fazem o tratamento físico -químico da vinhaça possibilitam a diminuição do DQO, porém emgrandes volumes seus resultados são parciais, devido àpermanência dos compostos fenólicos recalcitrantes na cargaorgânica. Aqueles métodos que envolvem eletro diálise e aincineração e a evaporação da água também são utilizados,contudo as imensas quantidades produzidas de vinhaça geramproblemas ligados ao "scale up", além de custos operacionaisproibitivos. E a aspersão direta da vinhaça no canavial é umasolução, porém essa prática pura e simples é contestada sob oponto de vista ambiental.
Sumário da invenção
Foi pensando nesses inconvenientes que,após inúmeras pesquisas e estudos, o inventor, pessoa ligada aoramo, criou e desenvolveu o objeto da presente patente, idealizandoum processo de tratamento de efluentes orgânicos visando obterum processo de desintoxicação e tratamento de efluentes emgrandes volumes com reciclagem de água, com menor número deetapas possível, convenientemente configuradas e arranjadas parapermitir que o processo desempenhe suas funções com eficiência eversatilidade inigualáveis, sem os inconvenientes já mencionados.
Apresenta-se no presente pedido de patente,um prático e inovador processo tratamento com todas as qualidadestécnicas e funcionais, elaborado e desenvolvido segundo as maismodernas tecnicidades, possibilitando dessa maneira a sua maisvariada utilização, desde o uso no tratamento de vinhaça emgrandes quantidades até seu uso para tratamento de outros tipos deefluentes orgânicos produzidos em larga escala, especialmenteaqueles que contêm substâncias recalcitrantes a biodegradação.
Sua técnica inovadora permite que seobtenha um excelente nível de efetividade, oferecendo um processode degradação, que possui grande eficiência, tendo sido criado,principalmente, para aplicação em grandes volumes comreciclagem de água e aproveitamento de cargas orgânicas einorgânicas.
A configuração do processo, objeto dapresente patente, em sua nova forma constitutiva, compreende ummétodo que torna possível o tratamento de vinhaça em grandesquantidades, tornando-a aceitável sob o ponto de vista ambiental. Ainvenção pode ser aplicada também para tratar outros tipos deefluentes orgânicos produzidos em larga escala, especialmente osque contêm substâncias recalcitrantes a biodegradação.
O efluente é submetido a um processo dedesintoxicação e degradação que consiste em etapas de oxidação,biodigestão, coagulação, floculação, foto oxidação edesmineralização, de maneira que o resíduo sólido resultante dotratamento possa ser aproveitado como fertilizante ou nutriente, obiogás usado como fonte de energia, e a água reciclada noprocesso utilizada para irrigação outras finalidades.
É de se compreender assim que o processoem questão é extremamente simples em sua construtividade,sendo, portanto, de fácil exeqüibilidade, porém, são obtidosexcelentes resultados práticos e funcionais, oferecendo umresultado inovador com relação aos processos conhecidos.
Breve descrição do desenho do processo
A seguir, para melhor entendimento ecompreensão de como se constitui o "PROCESSO DEDESINTOXICAÇÃO E TRATAMENTO DE EFLUENTES EMGRANDES VOLUMES COM RECICLAGEM DE ÁGUA EAPROVEITAMENTO DE CARGAS ORGÂNICAS EINORGÂNICAS", que aqui se pleiteia, apresenta-se o diagrama deblocos em anexo.
A FIG.1 - Mostra um diagrama de blocoscom as etapas do processo, ora em questão.
Descrição detalhada da invenção
De conformidade com o diagrama de blocos,o "PROCESSO DE DESINTOXICAÇÃO E TRATAMENTO DEEFLUENTES EM GRANDES VOLUMES COM RECICLAGEM DEÁGUA E APROVEITAMENTO DE CARGAS ORGÂNICAS EINORGÂNICAS", objeto da presente patente, caracteriza-seessencialmente por um processo inédito para o tratamento davinhaça podendo ser estendido a outros efluentes orgânicosproduzidos em grandes quantidades, consistindo noaperfeiçoamento e na utilização de várias técnicas conjuntamentecom a finalidade de degradar as substâncias poluentes e reciclar osresíduos efluentes produzidos no tratamento, de maneira que sejamalcançados benefícios de ordem ambiental e econômica; aquidisposto em etapas para melhor esclarecimento técnico,identificando a seqüência de operações necessárias.
Na primeira etapa o efluente é submetido aum processo de ozonização (1).Na segunda etapa do processo o efluente ésubmetido a um processo de biodigestão (2).
Na seqüência, após o acerto de pH, avinhaça é submetida a um processo de coagulação e floculaçãoonde uma parte substancial da carga orgânica é separada da faseliquida (3).
0 líquido sobrenadante é então, submetidoa um processo de foto oxidação avançada (4).
É feita então a desmineralização do líquidoremanescente, após o que o líquido já com baixos valores de DBOé reciclado (5).
1 - A etapa de ozonização visa à oxidação depoluentes recalcitrantes de origem orgânica, como por exemplo, assubstâncias fenólicas presentes na vinhaça (ver a revisão Yung-Chien Hsu et al. Chemosphere, 56, pp 149-158 (2004)). Nestaetapa o pH do efluente deve ser ajustado entre 1,5 e 8,5; maispreferível mente entre 2,5 e 5,5; preferivelmente entre 3,5 e 4,5.
Considerando grandes fluxos de efluentes,como é o caso da vinhaça, é necessário uma ozonização bastanteeficiente e rápida. A quantidade de ozônio a ser borbulhada em 1dm3 de vinhaça é ajustada entre 1,0 e 1000 g/h, maispreferivelmente entre 100 e 800 g/h, preferivelmente entre 10 e 100g/h, e o tempo de borbulhamento deve estar entre 10 segundos e120 minutos, mais preferivelmente entre 10 segundos e 60 minutos,preferivelmente entre 30 segundos e 30 minutos. Essas condiçõessão suficientes para a oxidação de valores entre 50% e 80% dassubstâncias fenólicas presentes na vinhaça, devendo estarpreferivelmente esse percentual entre 70% e 80%. Com estascondições assegura-se a seletividade da ozonização de substânciasbio resistentes presentes na vizinhança como polifenóis e ácidosinsaturados, aumentando a biodegradabilidade, possibilitando quena etapa seguinte possa-se degradar biologicamente uma maiorquantidade de efluente em um tempo menor.
Em uma situação típica, usando fluxo deozônio de 0,01 g/Litro/Hora, borbulhados em 600 ml de vinhaça por30 minutos a concentração de fenóis da amostra inicialmente de1,28 mg/Litro passa a 0,59 mg/Litro, sofrendo uma queda de 54%em seu valor original. A exposição da amostra a mais de 30minutos, ou o aumento do fluxo de ozônio para 0,015 g/Litro/Horapor 30 minutos levam a uma queda de 56% no percentual de fenóiscomparando com valores originais. (Método analítico usado:Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater -21 edition. Método colorimétrico n°. 5530C).
Como existe essa dependência dorendimento da reação de oxidação dos fenóis a exposição dessasmoléculas ao ozônio, tanto com o aumento do tempo deborbulhamento como com o aumento do fluxo de ozônio é possívelaumentar o percentual de degradação desses compostosaumentando-se sua exposição ao ozônio, possibilitando dessamaneira o tratamento de grandes quantidades de efluentes emtempos menores.
Para que o ozônio possa ser introduzido demaneira eficiente ao alto fluxo de vinhaça é necessário usar-sereatores apropriados que sejam caracterizados por altascapacidades de geração de ozônio e de promover uma eficientemistura de gases com líquidos seja por meio de agitação outurbilhonamento.
2 - Após a ozonização o efluente passa porum processo de biodigestão anaeróbia (ver M. H. Gerardi, "TheMicrobiology of Anaerobic Digesters", Wiley Interscience, NewJersey (2003)).
Para tal seu pH deve ser pré-ajustado entre6,5 e 7,5, preferivelmente entre 6,8 e 7,2, e mais preferível menteentre 7,0 e 7,2, tendo a temperatura ajustada entre 10°C e 40 C,preferivelmente de 25°C a 35°C, mais preferivelmente de 30°C a35°C. Nestas condições observa-se um maior desempenho dosmicroorganismos anaeróbicos mesófilos, responsáveis pelabiodegradação. Para o caso de se utilizarem microorganismosanaeróbicos termófilos, a temperatura deverá ser ajustada entre40°C e 70°C, preferencialmente entre 50°C e 65°C, maispreferivelmente entre 50°C e 55°C.
Podem ser utilizados biorreatores, como osdo tipo UASB, filtros anaeróbicos de leito misto, filtros anaeróbicos,de leito fixo, ascendentes ou descendentes, estes últimos comvários tipos de leitos poliméricos, argilosos, zeolíticos e mesmo deprocedência vegetal como fibras vegetais ou esponjas como as deLuffa cilíndrica. O que se requer é que o biorreator possa serutilizado em modo contínuo, suportando grandes fluxos de efluentecom o mínimo de arraste de seus microorganismos que devemestar fixos em seus leitos. O fluxo deve correr da maneira maislenta possível. O biogás formado no processo é reciclado, podendoser utilizado no aquecimento de partes do próprio sistema, ou comocombustível para os destiladores de álcool.
3 - Na próxima etapa a vinhaça passa por umprocesso seqüencial de coagulação e floculação onde sãoeliminadas substâncias de natureza coloidal que causam a turvaçãode efluente, substâncias estas que são em grande parteresponsáveis pelo seu alto DQO, e cuja clarificação éextremamente difícil usando-se processos convencionais decentrifugação ou de filtração (ver P. Cheremisinoff, "Handbook ofWater and Wastewater Treatment Technologies", ButterworthHeinemann, Boston, 2002).
A coagulação e a subseqüente floculação davinhaça é obtida aumentando-se seu pH para valores entre 5 e 11,preferencialmente entre 7 e 11. Esta operação é feita sob agitaçãousando-se substâncias como hidróxidos, óxidos ou carbonatos demetais alcalinos ou alcalino terrosos, ou outros tipos de substânciasfloculantes como, por exemplo, sulfato ferroso após acerto do pH. Avelocidade de agitação é mantida entre 10 e 30 minutos,preferivelmente entre 15 e 20 minutos entre 300 e 600 rpm, porémpreferencialmente entre 400 e 450 rpm. Percentuais de floculantesentre 0,5% e 5%, preferivelmente entre 0,8% e 1% são suficientespara reduzir os valores de DQO de 30% a 55%. Temperaturas nafaixa de 60°C a 90°C tendem a acelerar o processo de coagulaçãoe floculação, e além dessa faixa tendem a solubilizar os flocosformados dificultando o processo. A lama resultante dessafloculação é rica em nitrogênio de 1,5 a 2%, fósforo de 1,3 a 1,5% eprincipalmente potássio de 1,25 a 1,5%, podendo ser utilizada comofertilizante.
Em uma situação típica, uma amostra devinhaça contendo 3,7% de resíduo de evaporação tratada com 1%de Oxido de Cálcio forneceu cerca de 1,8% de lama fertilizantefloculada com as características de 1,5% de Nitrogênio (N); 1,27%de fosfato (P) e 1,25% de sulfato de potássio (K). No liquidosobrenadante é feito borbulhar o biogás proveniente do biodigestor.Essa operação além de ajustar o pH do efluente para valoresmenos alcalinos e em melhores condições de descarte, transformaeventuais hidróxidos remanescentes em carbonatos e aumentandoo percentual de metano no biogás, conseqüentemente aumenta seupoder combustível.
4 - A etapa seguinte tem como finalidadedegradar o restante da carga orgânica remanescente e é levada aefeito sujeitando-se o liquido a um processo de foto oxidaçãoavançada (ver a revisão de Vishwas G. Pangarkar et al., J. Chem.Technol. Biotechnol., 77, pp 102-116 (2001)).
Nesta etapa podem ser usados processos dotipo Foto Fenton, foto oxidação usando Ozônio, Peróxido deHidrogênio ou outros tipos de substâncias geradoras de radicaislivres de alto poder oxidante, ou ainda esses mesmos sistemascatalisados por semicondutores do tipo Dióxido de Titânio ou do
Oxido de Zinco.
A energia necessária pode ser solar ouproduzida artificialmente na região visível ou ultravioleta do espectroluminoso. Essa etapa é determinante para clarear definitivamente oefluente que, embora já não contenha mais traços de opacidade,ainda apresenta até este momento cor acentuada.
Em uma situação típica, foi feita a exposiçãosolar direta a amostras do liquido sobrenadante obtido na etapaanterior em recipientes com o fundo revestido de Dióxido de Titânio- Anatase ozonizando-se por 30 minutos amostras de 1 litro comum fluxo de 0,01 g 03 / Litro / Hora adicionados a amostra de 1% de
Peróxido de Hidrogênio.
Com a exposição de 30 minutos ao sol(radiação solar média de 90.000 Lux) e usando-se 0,5 cm deprofundidade de liquido foram obtidos os seguintes resultados decolorímetria com as amostras diluídas 1:1 em água deionizada:
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Os resultados acima mostram uma eficientedegradação das substâncias que conferem cor a vinhaça.
5 - A última etapa consiste na retirada desubstâncias que ainda permaneçam em solução, principalmente deíons inorgânicos. Para isso a solução é feita passar por adsorventescapazes de efetuar trocas iônicas como resinas de troca iônica,substâncias minerais microporosas e mesoporosas como zeólitasnaturais ou artificiais, argilas naturais, bentonitas ou derivadas decaulim ou ainda peneiras moleculares ou terras fósseis como asdiatomáceas. Ao passar por esta etapa a vinhaça já estádecrescida de 95% a 100% de sua carga orgânica, tendo diminuídoseu DQO de 80% a 100%, preferivelmente de 90% a 100%, com pHentre 6,5 e 8,5, preferencialmente entre 7 e 7,5. Os íons adsorvidos,especialmente o potássio presente em abundância constituem-seem excelente fertilizante e a água com baixo DQO remanescente doprocesso pode ser reciclada em irrigações ou outras finalidades.
Em uma situação típica, considerando-se oprocesso completo, uma amostra de vinhaça ozonizada é feitapassar em um biofiltro do tipo de leito fixo, preenchido comfragmentos de Luffa cilíndrica populado com anaeróbios mesofilosprovenientes de fezes suínas, sendo o tempo de exposição solar de12 minutos. Usando-se 1% de Oxido de Cálcio para flocular osistema e uma exposição solar de 12 minutos após ozonização de0,01 g 03 / litro/ hora com adição de 1% de Peróxido de Hidrogêniomostra um decréscimo de 35% no valor de DQO e 23% no valor deDB05, havendo um aumento de 21% no índice debiodegradabilidade do sistema (DB05 / DQO). O pH do efluentenesta etapa está entre 7,5 e 8,0.
A triplificação dos tempos das etapas citadasleva o sistema a quedas da ordem de 80% nos valores de DQO eDBO5. Aumentos de 100% nas concentrações de Oxido de Cálcio ePeróxido de Hidrogênio levam a resultados semelhantes, mostrandoque para o tratamento de grandes fluxos de vinhaça ou de outrosefluentes é necessário, considerando esses valores dimensionarcorretamente os equipamentos de ozonização, biofiltração,floculação e fotodegradação para se alcançar resultados eficientesno tratamento. (Os métodos analíticos usados foram: DQO: MétodoColorimétrico - procedimento 5220. D - APHA, AWWA, WEF,Padrão Methods for the Examination of Water and Wastewater, 20ed., 1998. DB05: Método eletroquímico (uso do oxímetro) -procedimento 5210.D - APHA, AWWA, WEF, Standard Methods forthe Examination of Water and Wastewater, 20 ed., 1998.)
Tratou-se, portanto, no presente relatóriodescritivo de uma nova concepção em técnicas de desintoxicação etratamento de efluentes, apresentando conforme pudemosevidenciar pela análise realizada e pelas etapas mostradas,inúmeras diferenças sobre os processos convencionais existentesno mercado consumidor, além de características técnicas efuncionais distintas dessas pertinentes ao estado da técnica. Pelasvantagens que oferece, e ainda, por revestir-se de característicasverdadeiramente inovadoras que preenchem todos os requisitos denovidade e originalidade no gênero, o presente "PROCESSO DEDESINTOXICAÇÃO E TRATAMENTO DE EFLUENTES EMGRANDES VOLUMES COM RECICLAGEM DE ÁGUA EAPROVEITAMENTO DE CARGAS ORGÂNICAS E INORGÂNICAS"reúne condições necessárias para merecer o Privilégio de Invenção.