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Title:
MODIFIED UASB REACTOR, ENERGY USAGE METHOD AND USE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/020394
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention relates to an anaerobic reactor and a method for using energy from sludge in the effluent treatment unit of same. The anaerobic reactor is a modified upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor with flexible structures and systems that enable the inversion of flows that is integrated into the operational mechanism of same: effluent intake/sludge discard system and foam removal system, the latter being a floating device. The modified UASB reactor can be used to produce biogas and additionally as a device for treating and cleaning gases generated in the thermal gasifier, enabling the fuel gases (treated gasifier and biogas) to be used in devices that require higher levels of quality, such as internal combustion engines or turbines. The technology proposed can be used to treat domestic, industrial and agro-industrial effluent and to generate electricity and/or heat energy, for example in combustion systems such as internal combustion engines and/or furnaces. Compared with conventional anaerobic reactors and techniques associated with sludge management, the main advantages of this technology are greater energy efficiency, economy and operational simplicity.

Inventors:
CALDEIRA BANDEIRA DE MELO, Gilberto (Rua Olga Dias de Castro, 10 Apto. 20, Bairro Santa Rosa -700 Belo Horizonte, 31255-700, BR)
DE LEMOS CHERNICHARO, Carlos Augusto (Rua Gonçalves Dias, 1.846 Apto. 90, Bairro Lourdes -092 Belo Horizonte, 30140-092, BR)
LEITE DE SOUZA, Cláudio (Rua João Fernandes, 83 Apto. 30, Bairro Liberdade -290 Belo Horizonte, 31270-290, BR)
TÔRRES FILHO, Artur (Rua Universo, 245 Bairro Santa Lúcia, -612 Belo Horizonte, 30350-612, BR)
Application Number:
IB2017/054469
Publication Date:
February 01, 2018
Filing Date:
July 24, 2017
Export Citation:
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Assignee:
UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS (Av. Antônio Carlos, 6627 - Unidade Administrativa II - 2º andar- sala2011, -901 Belo Horizonte, 31270-901, BR)
ENGENHO NOVE ENGENHARIA AMBIENTAL LTDA. (Rua Alaska, 805 Jardim Canadá, -000 Nova Lima, 34000-000, BR)
International Classes:
C02F11/04; B09B3/00; C02F3/28
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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.

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 20 Q 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 (H 2 ) 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 45 Q 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).