BRPI1104128A2 - mÉtodo e sistmea para tratamento de Água residual - Google Patents

Abstract

MÉTODO E SISTEMA PARA TRATAMENTO DE ÁGUA RESIDUAL. A presente invenção refere-se a um aparelho para manter o teor de oxigênio dissolvido em um processo de tratamento de água residual que inclui um tanque de tratamento para conter água residual, uma bomba para extrair a água residual do tanque de tratamento e para entregar a água residual ao tanque de tratamento, um sistema injetor montado para uso com o tanque de tratamento, sendo que o sistema injetor inclui um tubo de extração em comunicação com a água residual e com a bomba para a extração da água residual do tanque de tratamento, um tubo injetor em comunicação com a água residual e a bomba para entregar um fluxo de retomo da água residual da bomba para o tanque de tratamento, e um elemento injetor disposto para a comunicação como o tubo injetor para entregar pelo menos um dentre ar ou oxigênio puro no fluxo de retorno ao tanque de tratamento.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO E SISTEMA PARA TRATAMENTO DE ÁGUA RESIDUAL".

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se a aperfeiçoamentos do aparelho e dos processos de tratamento de água residual e, particularmente, a aperfei- çoamentos para os processos e para o equipamento bioquímico de trata- mento de água residual. ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Os processos de tratamento de água residual podem ser classi- ficados, geralmente, como quatro tipos diferentes, isto é, processos físicos, processos químicos, processos bioquímicos e processos térmicos. Esta in- venção está relacionada ao aperfeiçoamento dos processos e equipamento bioquímicos de tratamento de água residual.

Os processos bioquímicos de água residual funcionam mediante a transformação de substâncias dissolvidas na água residual em substâncias particulares não dissolvidas, que são, então, removidas da água residual em um estágio de separação física. Em geral, os processos bioquímicos de água residual podem ser classificados em três áreas principais, isto é, processos aeróbicos em que o consumo de oxigênio dissolvido e um fornecimento de oxigênio contínuo são requeridos, os processos anaeróbicos que atuam sem o uso de oxigênio dissolvido, e processos anóxicos que são similares aos processos aeróbicos, mas usam nitratos, nitritos ou sulfatos como a fonte de oxigênio. Em adição, os processos bioquímicos de água residual podem fun- cionar sem a recirculação de biomassa, por exemplo, para a clarificação pre- liminar, ou com a recirculação de biomassa da clarificação secundária, por exemplo, processos de Iodos ativados.

A figura 1 mostra a estrutura de uma estação municipal comum de tratamento de água residual, embora seja reconhecido que nem todas as estações de tratamento de água residual são equipadas com cada um dos componentes mostrados. Em particular, a figura 1 mostra um sistema de água residual 100 compreendido por três componentes de tratamento primá- rio, isto é, sedimentação primária 110, um tanque de aeração 120, e sedi- mentação secundária 130.

Em operação, a água residual da estação é introduzida para a sedimentação primária 110 através de tubos abertos ou pressurizados 115 de um processo de estação que produz essa água residual. A sedimentação primária 110 pode assumir muitas formas incluindo telas de pré-clarificação mecânicas ou uma câmara de saibro para remover contaminações maiores e mais pesadas da água residual. Isto pode ser seguido por um coletor de areia que age para remover areia bem como outras partículas precipitantes. Os coletores de areia preferenciais, particularmente para grandes estações, são os coletores de areia equipados com um coletor de gordura. A sedimen- tação primária 110 remove, eficientemente, partículas precipitadas grandes ou pequenas da água residual como lodo primário 118. O lodo primário 118 pode, então, ser adicionalmente tratado e estabilizado em tanques de putre- fação.

A água residual que foi tratada na sedimentação primária 110,

então, flui ou é bombeada ao tanque de aeração 120 através dos tubos 123. O processo principal de tratamento bioquímico de água residual ocorre no tanque de aeração 120. Em particular, o tratamento bioquímico compreende o uso de bactérias aeróbicas que removem contaminantes da água residual. Com as altas exigências de purificação para água implementadas por gover- nos e agências federais e locais, essas bactérias aeróbicas devem ser capa- zes de remover contaminações de nitrogênio e fosfato. Em particular, as bactérias removem alguns poluentes, substratos, e nutrientes dissolvidos da água residual através de um processo metabólico em que esses poluentes são transformados em produtos inorgânicos, por exemplo, H2O, CO2, NO3 e outros. Os outros poluentes permanecem na água residual como gases e sais dissolvidos. As bactérias aeróbicas devem ter acesso a oxigênio para "respirarem" e continuarem vivas para realizarem sua função de eliminação de contaminações. Portanto, o tanque de aeração inclui uma entrada de oxi- gênio puro ou ar 125 para fornecer ar ou oxigênio à água residual no tanque de aeração 120. Em adição, para ter certeza de que oxigênio suficiente é dissolvido na água residual para um tratamento eficaz, o tanque de aeração inclui, normalmente, misturadores (não mostrado).

Após o tratamento no tanque de aeração 120, a água residual tratada contendo massa biológica (conhecida como floco) bem como o res- tante dos poluentes dissolvidos é fluxada ou bombeada através de tubos 127 para a sedimentação secundária 130 para um tratamento adicional. A mistu- ra de água residual e floco é, geralmente, chamada de "licor misturado" e é tratada na sedimentação secundária 130, geralmente compreendida por um tanque de sedimentação. Quando o floco separa-se da água residual, a á- gua residual tratada 133 é removida para retornar para uso, ou para ser des- carregada, ou para ser tratada adicionalmente por filtração e polimento final conforme necessário se ainda houver partículas suspensas na água residu- al. Pelo menos uma parte do material de floco sedimentado retorna através dos tubos 135 ao tanque de aeração 120 para ressemear o tanque de aera- ção com bactérias aeróbicas. Esta parte do floco é chamada, geralmente, de "lodo ativado de retorno" (R.A.S.). Qualquer lodo em excesso, ou lodo se- cundário (às vezes chamado de "lodo ativado de desperdício" ou W.A.S.) é removido do sistema de tratamento de água residual através de tubos 137 e tratado em uma unidade de tratamento de lodo e nos tanques de putrefação junto com o lodo primário. O lodo putrefato e seco pode ser usado para pro- pósitos agrícolas ou descartado em aterros sanitários, ou por outros meios.

A quantidade de lodo ativado que retornou ao tanque de aeração é calculada para manter a eficácia do processo de tratamento de água resi- dual. Para garantir a eficácia do processo, a concentração de micro- organismos biológicos ou bactérias no tanque de aeração é mantida, geral- mente, na faixa de 2 a 8 g MLSS/1 (MLSS = sólidos suspensos de licor mis- turado). Em adição, o ar ou o oxigênio é injetado no tanque de aeração para garantir que oxigênio suficiente esteja disponível para manter a saúde e a atividade das bactérias. Ademais, é normal agitar a água residual e o lodo ativado no tanque de aeração a fim de obter um contato físico ótimo entre a água residual, o oxigênio dissolvido e as bactérias.

A otimização de um sistema de água residual foca-se em alcan- çar as condições acima da maneira mais econômica. Os problemas mais comuns que podem ocorrer são: problemas com a concentração dos Iodos ativados causados pelo espessamento ou formação de volume do lodo, pa- ne ou planejamento irregular do sistema de aeração, precipitação dos Iodos ativados em razão da agitação insuficiente, nutrientes insuficientes na água residual (uma razão entre a demanda de oxigênio biológico e nitrogênio e fósforo (BOD:N:P) de aproximadamente 100:5:1 é preferencial), e valores de pH extremos (uma faixa de pH entre 6,0 e 8,5 é preferencial).

Um problema significativo das estações de tratamento de água residual é a manutenção do nível apropriado de oxigênio dissolvido no tan- que de aeração. Pode haver grandes mudanças nas taxas de fluxo da água residual bem como no nível de contaminantes na água residual durante dife- rentes momentos do dia. Essas flutuações resultam em uma diminuição ou aumento na quantidade de oxigênio que é consumido pelas bactérias. Em alguns casos, quando o consumo de oxigênio aumenta, o uso de ar como fonte de oxigênio não é suficiente e pode ser necessário injetar oxigênio pu- ro no tanque de aeração.

Outro fator importante é a necessidade de misturar adequada- mente a água residual no tanque de aeração para assegurar que as bacté- rias (lodo) sejam mantidas em suspensão e mantenham a eficácia da trans- formação de contaminantes. A mistura é necessária para assegurar que oxi- gênio dissolvido suficiente esteja presente na água residual. Se a potência de mistura for muito baixa, então a capacidade de misturar será reduzida e os níveis de oxigênio dissolvido diminuirão.

Há uma necessidade na técnica por aperfeiçoamentos do apare- Iho e dos processos de tratamento de água e, particularmente, por aperfei- çoamentos para os processos e para o tratamento bioquímico da água resi- dual.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

A presente invenção relata-se a melhoras de aparelho e proces- sos de tratamento de água residual e, particularmente, a aperfeiçoamentos de equipamento e processos bioquímicos de tratamento de água residual. A presente invenção oferece um aparelho e processos novos e inovadores que aprimoram o tratamento de água residual através do monitoramento e do controle da quantidade de oxigênio dissolvido presente na água residual bem como assegurando a misturação adequada da água residual no tanque de aeração.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A figura 1 é uma vista esquemática de uma estação de trata- mento de águas residuais municipais como conhecido na técnica anterior.

A figura 2A é uma vista esquemática de uma parte da estação de tratamento de águas residuais municipais de acordo com a presente in- venção.

A figura 2B é uma vista esquemática de uma parte da estação de tratamento de águas residuais municipais mostrada na Figura 2A, mas vista de um ângulo diferente.

A Figura 3 é uma vista esquemática de um injetor usado na pre- sente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

A presente invenção relata-se a melhoras de aparelho e proces- sos de tratamento de água residual e, particularmente, a aperfeiçoamentos de equipamento e processos bioquímicos de tratamento de água residual. Em particular, a presente invenção está direcionada ao monitoramento e controle da quantidade de oxigênio dissolvido presente na água residual a fim de otimizar o processo de tratamento de água residual e assegurar que ocorram misturas apropriadas da água residual no tanque de aeração.

As bactérias usadas em processos de tratamento de água resi- dual aeróbicos exigem um mínimo de 2 ppm de oxigênio dissolvido nas á- guas residuais para sobreviverem. Ademais, se a quantidade de oxigênio dissolvido é baixa (por exemplo, menos de 2 ppm) pode indicar que não está acontecendo mistura suficiente que resulta em mau odor. Então, o teor de oxigênio dissolvido deve ser maior que 2 ppm. De modo oposto, muito oxi- gênio dissolvido nas águas residuais exige consumo de energia adicional para o tratamento de águas residuais e, consequentemente, custos de ope- ração maiores. Então, a presente invenção fornece níveis otimizados de oxi- gênio dissolvido (por exemplo, mais de 2 ppm, mas baixo o suficiente para evitar as necessidades de potência em excesso) para estarem presentes na água residual durante todos os momentos do dia e de operação.

De acordo com a presente invenção, os níveis adequados de o- xigênio dissolvido são mantidos através de condições de operação diferen- tes, introduzindo-se ar normal à água residual em certos momentos, ou in- troduzindo-se oxigênio puro em outros momentos. Adicionalmente, a mistu- ração da água residual para otimizar o teor de oxigênio dissolvido é realiza- da através do uso de um sistema venturi. A presente invenção será descrita adicionalmente com referen-

cia à figura 2A e figura 2B que são vistas esquemáticas de uma parte do sis- tema de tratamento de águas residuais de acordo com a presente invenção. As figuras 2A e 2B mostram a mesma parte do sistema de tratamento de águas residuais, mas de ângulos diferentes de vista e portanto incluem nu- merais de referência similares para elementos similares. As figuras 2A e 2B mostram uma parte de corte de um tanque de tratamento de águas residuais 10, que tem um sistema injetor 20, de acordo com a presente invenção as- sociada com isto. O sistema injetor 20, compreende um tubo injetor venturi 30, ligado a uma bomba 40, para fornecimento de ar ou oxigênio puro para a parte interna do tanque de tratamento 10. A bomba 40, e o elemento venturi 32, do tubo injetor venturi 30, estão localizados externamente no tanque de tratamento 10, enquanto um tubo de fluxo 34 estende-se sobre a parede e em direção à base do tanque de tratamento 10, onde se conecta com um arranjo de saídas distribuidoras 36, para criar um fluxo turbulento e misturar as águas residuais no tanque de tratamento 10. Conectado, adicionalmente à bomba 40, está um tubo de extração 50, que se estende da parte interna do tanque de tratamento 10, sobre a parede do tanque de tratamento 10, e então embaixo da parede externa do tanque de tratamento 10, até a cone- xão com a bomba 40. O tubo de extração 50 serve para tirar as águas resi- duais do tanque de tratamento 10, para a mistura com o ar ou oxigênio a ser injetado nas águas residuais para melhor dissolução de oxigênio nas águas residuais e para melhor mistura das águas residuais no tanque de tratamen- to 10. Ademais, o tubo de extração 50 contém um sensor (não mostrado) para medir a quantidade de oxigênio dissolvido nas águas residuais, tal mensuração que é usada para controlar a necessidade de tanto ar ou oxigê- nio puro a ser injetado nas águas residuais será mais plenamente descrita abaixo. A bomba 40 é também associada a fontes de ar e oxigênio puro, tan- to quanto um controlador.

A figura 3 é uma vista esquemática que mostra o elemento ven- turi 32 do tubo injetor venturi 30, em maiores detalhes. Uma importante ca- racterística nova da presente invenção é que o tubo injetor venturi 30, da presente invenção pode ser usado para a entrega de tanto ar quanto oxigê- nio puro às águas residuais. Os sistemas de técnica anteriores exigem mei- os de injeção separados, um para ar e um para oxigênio puro, resultando em meios de controle e equipamento mais complicados assim como requisitos de espaço maior. Então, a presente invenção fornece inúmeras vantagens sobre os sistemas de técnicas anteriores.

Em operação, o sistema de difusão de oxigênio da presente in- venção usa a bomba 40 para extrair águas residuais do tanque de águas residuais 10, através do tubo de extração 50. Estas águas residuais são mis- turadas com ar ou oxigênio puro também fornecido pela bomba 40, e então as águas residuais e gás combinados são bombeados para o tanque de á- guas residuais 10, através do tubo injetor venturi 30. A força motivadora para as águas residuais e gás combinados é fornecida pelo elemento venturi, e misturas e fluxo turbulentos são fornecidos pelas saídas de distribuição 36. Desta maneira, o teor de oxigênio dissolvido nas águas residuais pode ser mantido em níveis otimizados.

Conforme notado acima, as bactérias usadas em processos de tratamento de águas residuais aeróbicos exigem um mínimo de 2 ppm de oxigênio dissolvidas nas águas residuais para sobreviverem. Em razão da oscilação na demanda do sistema e da taxa de fluxo das águas residuais em diferentes momentos da operação, a demanda por oxigênio pode mudar sig- nificativamente. Portanto, a fim de manter a quantidade mínima de oxigênio dissolvido nas águas residuais de modo a manter as bactérias saudáveis, é necessário fornecer oxigênio puro durante momentos de demandas altas. O custo de oxigênio puro em relação ao ar é proibitivo no que diz respeito ao fornecimento de oxigênio puro em todos os momentos. A presente invenção fornece um meio de otimização quando o oxigênio puro é fornecido ao sis- tema. Em particular, um sensor de oxigênio dissolvido fornece um sinal para um controlador de sistema quando o oxigênio dissolvido nas águas residuais está abaixo de um nível predeterminado (por exemplo, 2 ppm). O controlador de sistema manda, então, um sinal que opera as válvulas do sistema para fornecerem oxigênio puro para a bomba 40. Alternativamente, quando o sensor de oxigênio dissolvido indica que o oxigênio dissolvido nas águas residuais está acima do nível predeterminado (por exemplo, 2 ppm), então o controlador de sistema controla as válvulas do sistema para fornecerem ar para a bomba 40. Deste jeito, o oxigênio puro é usado somente quando ab- solutamente necessário, dessa forma mantém-se o custo operacional no mínimo.

A presente invenção fornece muitas vantagens. Estas incluem operação a um relativamente nível constante de oxigênio dissolvido que é benéfico para o processo de tratamento. Ademais, o sistema da presente invenção pode funcionar continuamente (com ar ou oxigênio puro) manten- do, dessa forma, energia no sistema para a realização das misturas. Em adi- ção, desde que ambos os ar e oxigênio puro possam ser entregues às águas residuais através do mesmo meio injetor, a presente invenção usa menos equipamento e espaço ao mesmo tempo em que exige meios de controle menos complexos.

Será entendido que as modalidades descritas aqui são mera-

mente exemplares e que um versado na técnica pode fazer variações e mo- dificações sem afastamento do espírito e escopo da presente invenção. To- das as tais variações e modificações têm a intenção de serem incluídas no escopo da invenção como descrito acima. Ademais, todas as modalidades descritas não são necessariamente na alternativa, como várias modalidades da invenção podem ser combinadas para fornecer o resultado desejado.

Claims (10)

1. Aparelho para manter o teor de oxigênio dissolvido em um processo de tratamento de água residual, que compreende: um tanque de tratamento para conter água residual; uma bomba para extrair a água residual do tanque de tratamento e para entregar a água residual ao tanque de tratamento; um sistema injetor montado para uso com o tanque de tratamen- to, sendo que o sistema injetor compreende: um tubo de extração em comunicação com a água residual, e a bomba para extrair a água residual do tanque de tratamento, um tubo injetor em comunicação com a água residual e com a bomba para entregar um fluxo de retorno da água residual da bomba para o tanque de tratamento, e um elemento injetor disposto para a comunicação com o tubo in- jetor para entregar pelo menos um dentre ar ou oxigênio puro no fluxo de retorno ao tanque de tratamento.

2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, que compreende adicionalmente uma fonte do ar e uma fonte do oxigênio puro em comunica- ção com a bomba para fornecer o ar e o oxigênio puro ao elemento injetor sob demanda.

3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, em que o tubo in- jetor compreende pelo menos uma saída distribuidora disposta no tanque de tratamento para criar turbulência na água residual.

4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, em que a bomba, uma parte do tubo injetor, e o elemento injetor são dispostos externamente em relação ao tanque de tratamento.

5. Método de manutenção do teor de oxigênio dissolvido em um processo de tratamento de água residual, que compreende: extrair a água residual de um tanque de tratamento por meio de uma bomba para o processamento; injetar pelo menos um dentre ar e oxigênio puro através de um elemento injetor na água residual extraída; retornar a água residual extraída com pelo menos um dentre ar ou oxigênio puro de volta para o tanque de tratamento; e fornecer turbulência à água residual de retorno mediante a en- trada na água residual no tanque de tratamento.

6. Método, de acordo com a reivindicação 5, em que o oxigênio puro dissolvido na água residual está em uma quantidade de no mínimo de 2 partes por milhão (ppm).

7. Método, de acordo com a reivindicação 5, que compreende selecionar uma quantidade do oxigênio puro a ser injetado na água residual extraída com base em uma quantidade de oxigênio puro que existe na água residual no tanque de tratamento.

8. Método, de acordo com a reivindicação 5, em que o ar e o o- xigênio puro são injetados através de um elemento injetor comum na água residual extraída.

9. Método, de acordo com a reivindicação 5, que compreende adicionalmente detectar um nível de oxigênio dissolvido na água residual, e injetar adicionalmente o oxigênio puro na água residual extraída se o dito nível estiver abaixo de uma quantidade predeterminada.

10. Método, de acordo com a reivindicação 5, que compreende detectar um nível de oxigênio dissolvido na água residual, e injetar adicio- nalmente o ar na água residual extraída se o dito nível estiver acima de uma quantidade predeterminada.