BIODIGESTÃO

Campos desta Patente

Higiene e Saúde Pública em tratamento de esgotos domésticos; economia de investimentos e custos operacionais em tratamentos de esgotos domésticos; e segurança ambiental em tratamento de esgotos domésticos. Estado da Técnica

A natureza é um sistema em que produtores clorofilados, através da fotossíntese, captam energia solar, com a qual decompõe a água recolhida do solo, juntamente com minerais e, combinando-a com o dióxido de carbono do ar atmosférico, gera oxigénio, glicose e seus polímeros, como amido e celulose, os quais são consumidos por consumidores primários vegetarianos, que, por suas vezes, são consumidos por predadores primários, que também são consumidos pelos predadores do topo da cadeia alimentar, sendo que, em qualquer destes passos, seus resíduos são aproveitados energeticamente pelos decompositores - bactérias e fungos - que voltam a lançar nos solos, águas e gases atmosféricos, os minerais e os gases como sulfeto de hidrogénio, dióxido de carbono e outros, fechando o ciclo de vida e preparando o ambiente para início de outros.

A idéia primitiva da biodigestão nasce como o Homem: - ele sabe que seu corpo voltará a terra e desaparecerá, que os dejetos dos herbívoros selvagens fecundam a terra e tanto os resíduos de seus animais domésticos, como seus próprios, desaparecem se deixados aos cuidados da natureza e se transformam em fertilidade para as colheitas.

Nos últimos anos, as pressões sobre o ambiente e a política, decorrentes do aumento da população humana - que se aglomera em espaços restritos - vem se aproveitando do fenómeno da biodigestão de resíduos domésticos, tanto em mega estações de tratamentos de esgotos domésticos, conectados em redes, como, também, em estações de tratamento de efluentes domésticos de pequeno porte, conectados apenas com uns poucos usuários e devolvendo aos solos ou mananciais, efluentes aquosos não danosos aos recursos ambientais por contaminação de agentes patógenos ou carga orgânica e de microflora que absorva o oxigénio de mananciais e lhes tiram a vida.

Nos últimos anos, estas pressões políticas e ambientais se tornaram mais agudas e se refletiram na necessidade de desenvolvimento de biodigestores mais seguros, de menores custos e independentes de manutenção frequente, geralmente para atender a populações não conectadas por redes de esgoto e água tratada, como as populações rurais e aquelas que se fixam nas periferias das cidades, em ocupação tão caótica do solo, que os sistemas de fornecimento de água potável e coleta de esgotos domésticos são difíceis de ser implantados.

Os biodigestores aplicados nestas condições têm responsabilidades de:

1 - não contaminar as fontes naturais de água, tais como lençóis freáticos, cisternas, poços artesianos e bicas de água e, também, fontes de água corrente como regatos ou córregos, que atendem outras populações em suas jusantes e vazantes.

2 - devolver a água ao sistema hídrico natural em condições devidamente estabelecidas pelos diversos departamentos de governo que, no Brasil, concordam com o parâmetro técnico denominado de Classe 2, pelo CONAMA.

Atendendo-se a este padrão, o que é fundamental, a disputa do mercado se faz por inovações ligadas à eficiência dos biodigestores e à redução de custos de fabricação e instalação dos mesmos e de concepção de sistemas que só necessitam de mínimos e raros custos de manutenção.

Pode-se dizer, então, que o Estado da Técnica se baseia em práticas e tecnologias muito antigas e de domínio público, aplicadas em condições que colecionam uma série de inovações feitas por pesquisadores e fabricantes, como é o caso do SISTEMA DE TRATAMENTO DE ESGOTOS DOMÉSTICOS POR BIODIGESTÃO, objeto desta Patente.

Avanços ao Estado da Técnica

O objeto desta Patente representa os resultados dos investimentos financeiros em pesquisas de engenharia e biodigestão efetuados por uma empresa especializada, para desenvolver uma nova, mais segura e mais económica concepção de biodigestores de esgotos domésticos, cujas principais características são as seguintes:

\ - - redução de 50% do tempo de residência dos líquidos no interior do SISTEMA DE TRATAMENTO DE ESGOTOS DOMÉSTICOS POR BIODIGESTÃO, ou "TDH-Tempo de Detenção Hídrica" correspondente a apenas 50% do tempo necessário nos modelos convencionais, de mesmo porte, disponíveis no mercado; isto significa que o objeto desta Patente, por suas características inovadoras, consegue tratar maior quantidade de efluentes, em menor tempo, ou numa outra abordagem, tratar esgotos domésticos de maior quantidade de pessoas, no mesmo tempo, tendo a mesma dimensão que outros equipamentos similares que operam com maiores TDH, o que implica em menor custo de investimento inicial; esta capacidade se deve aos seguintes fatos, a seguir listados, devidamente combinados, que serão oportunamente descritos individualmente e em conjunto operacional:

A - maior área de contato dos líquidos em tratamento com os biofilmes de bactérias decompositoras, que crescem sobre suportes estruturados de biomassas, o que acelera a decomposição dos contaminantes do efluente aquoso;

B - operação em fluxo ascendente lento levemente turbilhonado por chicanas de biomassa que servem de substrato de fixação dos filmes de microrganismos decompositores, o que significa menor velocidade de trânsito do líquido em tratamento desde o ingresso do mesmo no SISTEMA DE TRATAMENTO DE ESGOTOS DOMÉSTICOS POR BIODIGESTÃO, o que propicia maior exposição e maior tempo de contato do líquido em tratamento com os biofilmes de bactérias decompositoras;

C - O SISTEMA DE TRATAMENTO DE ESGOTOS DOMÉSTICOS POR BIODIGESTÃO é um sistema fechado, o que significa que uma vez que os esgotos domésticos penetram no mesmo, não tem chance de serem vasados no meio ambiente, só liberando líquidos tratados em conformidade ao padrão de Classe 2 do CONAMA, além de não gerarem gases nas proximidades dos equipamentos, os quais, geralmente são colocados junto às residências dos usuários;

D - Em função de menor TDH dos líquidos a serem tratados, pelo interior do sistema objeto desta Patente, conjugadamente com o fato de se tratar de um sistema fechado, não há tempo para a geração de gases fétidos - principalmente dos compostos gasosos de enxofre - como também ele não os libera por respiradores;

E - Na partida de qualquer dos exemplares do objeto desta Patente, que pode ser considerado como um nicho ambiental com grande atividade de vida, é inoculada uma mistura de biotas, amadurecidos e selecionados em diversos outras unidades em funcionamento, de forma que eles iniciem suas operações já colonizados por variada flora de decompositores resistentes aos níveis de emprego habitual de detergentes "higienizadores" disponíveis do mercado de higiene doméstica, embora nenhuma flora decompositora suporte a agressão de altos níveis de metanal, etanal, peróxido de hidrogénio, hipocloritos e da complexa mistura de derivados da hulha, conhecida com o nome comercial de "creolina".

Descrição, ilustrações e funcionamento

O objeto desta Patente recebe, no interior de seus reatores, os esgotos domésticos após a tradicional "caixa de gordura", que é colocada antes da entrada dos efluentes em seu interior, que captura, por insolubilidade e diferença de densidade, os hidrocarbonetos alifáticos presentes nos esgotos domésticos e incorpora mais dois recursos: - uma câmara de filtragem, colocada em sua saída da água tratada, que reduz a turbidez da mesma, e uma câmara de secagem dos lodos deste filtro, dele retirados nas operações periódicas de retro lavagem e de reprocessamento, de forma que do "SISTEMA DE TRATAMENTO DE ESGOTOS DOMÉSTICOS POR BIODIGESTÃO" só sai água de Classe 2 CONAMA e não lodos, como será descrito oportunamente.

A Figura 1 é uma vista esquemática em corte parcial do "SISTEMA DE TRATAMENTO DE ESGOTOS DOMÉSTICOS POR BIODIGESTÃO" (1 ), no qual se vê a constituição de suas partes bem como as relações funcionais de suas diversas peças e que permite a compreensão dos processos que ocorrem nos diversos passos da marcha dos líquidos que estão sendo tratados no interior do "SISTEMA DE TRATAMENTO DE ESGOTOS DOMÉSTICOS POR BIODIGESTÃO" (1 ).

Nela vemos as diversas fontes geradoras de esgotos domésticos a serem tratadas, como pia de cozinha (2), pias de higiene corporal e tanque de lavagem de roupas (3), chuveiro (4) e vaso sanitário (5) que confluem para a tubulação do esgoto doméstico (7), com exceção dos efluentes oriundos da pia de cozinha (2) que antes de serem lançados na a tubulação do esgoto doméstico (7) passam pela caixa de gordura (6), cujos resíduos sobrenadantes são periodicamente retirados pelos usuários e colocados nos locais de coleta de resíduos urbanos sólidos (RUS).

A tubulação do esgoto doméstico (7), antes de entrar no sistema objeto desta patente deságua na câmara de pré-tratamento (CPT), acessória do "SISTEMA DE TRATAMENTO DE ESGOTOS DOMÉSTICOS POR BIODIGESTÃO" (1 ), cuja função é retirar areias, plásticos, fragmentos de vidro, metais e quaisquer outros resíduos sólidos insolúveis para que os mesmos não venham a se acumular no fundo da primeira câmara do Sistema, o que viria a dificultar seu funcionamento, sendo que tais resíduos sólidos, periodicamente retirados do fundo do interior da câmara de pré- tratamento (CPT), são destinados aos locais de coleta de resíduos urbanos sólidos (RUS).

Assim, os efluentes domésticos carreados em veículo aquoso que entram no interior do Sistema são isentos de resíduos sólidos insolúveis e, também de gorduras, pois estas, se ingressarem no Sistema, carregam flora decompositora própria que compete com o biota decompositor, alterando o funcionamento do mesmo e gerando "escumas" em todas as câmaras do mesmo, escumas estas que são uma fase sobrenadante em forma de espuma semi sólida e permanente, que afasta o Sistema de um comportamento ótimo.

Os esgotos domésticos, isentos de gorduras e de sólidos insolúveis, penetram na parte superior da primeira câmara (A) do "SISTEMA DE TRATAMENTO DE ESGOTOS DOMÉSTICOS POR BIODIGESTÃO" (1 ), através do tubo de entrada (8), na primeira câmara (A) que é dividida ao meio, pela divisória (1 1 ) a qual, é fixada na cobertura desta primeira câmara (A) cuja altura de sua base fica a cerca de um décimo da altura total da câmara e é construída no mesmo material de construção do "SISTEMA DE TRATAMENTO DE ESGOTOS DOMÉSTICOS POR BIODIGESTÃO" (1 ) que pode ser fibra de vidro e/ou polímeros tais como PVC, PP e ou outros.

A divisória (1 1 ) divide, portanto, a primeira câmara (A) em duas partes de mesmos volumes, que se comunicam por suas partes inferiores; isto faz com que os efluentes líquidos a serem tratados, lançados na parte superior da primeira metade da primeira câmara (A) sejam forçados a descer até o término da divisória (1 1 ), quando então passam a executar movimento ascendente pelo interior da segunda metade (B) da primeira câmara (A), sendo, que nestes dois trajetos - descendente e ascendente - percolam as superfícies dos substratos de biomassa (13), formados por colmos de bambus, canas-da-índia, taboas, caules de milho etc, cuja função é sustentar um biofilme de bactérias decompositoras, cujas colónias oferecem uma imensa área de contato com os efluentes líquidos, que carregam grandes quantidades de matérias orgânicas.

Constituindo-se, assim, num dispositivo que, embora tão compacto, tenha uma área de atividade bioquímica muito extensa, portanto de grande atividade do biota decompositor o que, como veremos a seguir, de forma conjugada com a baixa velocidade de trânsito dos efluentes líquidos no interior do Sistema objeto desta Patente, em função das inovações de sua construção, leva a uma redução de 12 horas de TDH-Tempo de Detenção Hidráulica dos biodigestores convencionais de mesmo volume, para um TDH de apenas 6 horas.

A primeira câmara (A), bem como a segunda câmara (C) e a terceira câmara (D) têm diâmetros cerca de 1 0 vezes maiores que o diâmetro do tubo de entrada (8), bem como, também, dos tubos (14), (17) e (18) que ligam as quatro câmaras do Sistema entre si; ora, as noções basilares de Hidráulica nos dizem que a velocidade de marcha de um mesmo volume de fluido no interior de dois condutores de diâmetros diferentes é inversamente proporcional ao quadrado da razão entre eles.

Assim, o lento trânsito dos efluentes no interior do "SISTEMA DE TRATAMENTO DE ESGOTOS DOMÉSTICOS POR BIODIGESTÃO" (1 ), em função de sua construção, realizado de forma ascendente e expondo os líquidos em tratamento a uma grande área de contato com os biofilmes de decompositoras, de forma levemente turbilhonante é que permite a redução de 50% do TDH do equipamento e leva às vantagens apontadas anteriormente neste Relatório.

A primeira câmara (A) contém, em seu interior, o tubo (12) para aspiração, que vai de sua parte superior e externa até a sua base, terminando a cerca de 2% de sua altura e que serve para a aspiração forçada da primeira câmara (A), caso esta seja invadida por materiais sólidos insolúveis em caso de invasão acidental dos mesmos.

A presença do tubo para aspiração (12) é fundamental para a recuperação do Sistema em caso de invasão acidental por resíduos sólidos insolúveis, pois o Sistema trabalha, na maioria das vezes, enterrado e demandaria grande quantidade de mão de obra em sua recuperação, o que é evitado pelo tubo de aspiração (12).

Os líquidos em tratamento, já de composição diferente da dos líquidos que ingressaram no Sistema, saem da primeira câmara (A) pelo duto (14) colocado na parte superior da mesma e são levados por este até o aspersor (16) colocado na parte inferior do interior da segunda câmara (C), de onde iniciam o lento movimento ascensional em contato com substratos de biomassa (15) colocados até cerca de 90% da altura da segunda câmara (C); o aspersor (16) destina-se a distribuir os líquidos que entram de forma a evitar entupimentos.

Os líquidos em tratamento, já de composição diferente da dos líquidos que saíram da primeira câmara (A) pelo duto (14), saem desta segunda câmara (C) pelo duto (17), colocado na parte superior da mesma e são levados por este até o aspersor (18), colocado na parte inferior do interior da terceira câmara (D), de onde iniciam o lento movimento ascensional em contato com substratos de biomassa (19) colocados até cerca de 90% da altura da terceira câmara (D); o aspersor (18) destina-se a distribuir os líquidos que entram de forma a evitar entupimentos, sendo que o que se passa nesta terceira câmara é semelhante ao que se passou na anterior.

Os líquidos em tratamento deixam a terceira câmara (D) pelo duto (20), colocado em sua parte superior e são levados por este até a parte inferior da quarta câmara, que constitui o filtro (24) e lançados no interior do cone com orifícios (21 ), construído no mesmo material do filtro (24) e ascendem, lentamente, por dentro dos orifícios e canais formados por brita (26), de granulometria de cerca de 5 a 7 centímetros, sendo que tal brita (26) pode ser de granito ou calcário, preferencialmente brita dolomítica e a função da presença da mesma, conjugadamente com o cone, é destruir os flocos formados por microrganismos mortos que passam a ocorrer na medida em que os líquidos em tratamento percorrem o interior do sistema, pois enquanto isto ocorre escasseia a presenta de matéria orgânica em suspensão, dos quais o biota se nutre e grande quantidade de bactérias morre.

Assim, os líquidos tratados que deixam o interior do Sistema pelo duto (9), localizado na parte superior do filtro (24) estão de acordo com a Classe 2 CONAMA e não apresentam turbidez, podendo ser encaminhados pelo referido duto (9) para as seguintes destinações: - rede de esgoto (R), mananciais (M) ou sumidouros (S).

O filtro (24) tem em sua parte inferior a válvula (22) pela qual, episodicamente pode ser lavada, através de injeção, sobre pressão, de água limpa de qualquer fonte, a qual é recolhida - geralmente por aspiração executada por equipamento próprio das equipes de limpeza, sendo que esta água limpa aí injetada, arrasta os lodos formados por dentre a brita (26) e paredes do filtro (24) e os leva à câmara de secagem (28).

A câmara de secagem (28), vista esquematicamente na Figura 2, consiste basicamente em um cilindro colocado verticalmente, com volume que é cerca da metade do volume das outras câmaras do Sistema e possuindo uma divisão vertical interna, feita por uma placa crivosa (29) e é preenchida com brita dolomítica número 3, sendo que as águas que saem pela parte inferior desta divisão da câmara de secagem podem ir ou para o tubo de entrada (7), do Sistema , para reprocessamento, não sendo, portanto lançadas ao meio ambiente.

O "SISTEMA DE TRATAMENTO DE ESGOTOS DOMÉSTICOS POR BIODIGESTÃO" (1 ) é construído, preferencialmente, em peça única, em forma de cilindro devidamente dividido em câmaras para operar horizontalmente, enterrado em nível, pois, o mesmo possui internamente um desnível de cerca de 45 cm e é lacrado por tampa removível, de forma adequada, não mostrada na Figura 1 .

A câmara de secagem (28) acima descrita em sua realização preferida, é um elemento independente e isolado do "SISTEMA DE TRATAMENTO DE ESGOTOS DOMÉSTICOS POR BIODIGESTÃO" (1 ), pois pode ser fisicamente independente deste, como, por exemplo, ser situada em posição sobre o solo - uma vez que é alimentada por água limpa de fonte externa, nela injetada sob pressão, - ou mesmo pertencer aos veículos de manutenção e limpeza periódica e no caso, apenas uma unidade fazer as limpezas de filtros (24) de vários Sistemas instalados.

Da mesma forma, o filtro (24) é, preferencialmente, construído como câmara funcional e independente do cilindro em que se consiste o "SISTEMA DE TRATAMENTO DE ESGOTOS DOMÉSTICOS POR BIODIGESTÃO" (1 ), mas sendo a este ligada fisicamente, embora possa, também tal como a câmara de secagem (28), ser construída independentemente e à parte do mesmo.