Lodo ativado - Activated sludge

Tanque de lodo ativado na estação de tratamento de esgoto de Beckton , Reino Unido - as bolhas brancas são devido ao sistema de aeração de ar difuso

A lama activada processo é um tipo de tratamento de águas residuais processo para o tratamento de esgotos ou águas residuais industriais utilizando arejamento e um biológica floco composto por bactérias e protozoários .

O arranjo geral de um processo de lodo ativado para remover a poluição carbonosa inclui os seguintes itens: Um tanque de aeração onde o ar (ou oxigênio) é injetado no licor misturado. Isso é seguido por um tanque de sedimentação (geralmente referido como "clarificador final" ou "tanque de sedimentação secundário") para permitir que os flocos biológicos (a manta de lodo) se assentem, separando assim o lodo biológico da água tratada límpida.

Propósito

Um diagrama esquemático generalizado de um processo de lodo ativado.
Adição de lodo ativado (semeadura) em um biorreator de membrana em escala piloto na Alemanha
Lodo ativado sob o microscópio
Foto aérea da estação de tratamento de águas residuais Kuryanovo em Moscou , Rússia.

Em uma estação de tratamento de esgoto (ou efluente industrial), o processo de lodo ativado é um processo biológico que pode ser usado para uma ou várias das seguintes finalidades: oxidação de matéria biológica carbonácea , oxidação de matéria nitrogenada: principalmente amônio e nitrogênio em matéria biológica, remoção nutrientes (nitrogênio e fósforo).

Descrição do processo

O processo aproveita os microrganismos aeróbios que podem digerir a matéria orgânica do esgoto e se aglutinar (por floculação ) durante o processo. Assim, ele produz um líquido que é relativamente isento de sólidos em suspensão e material orgânico, e partículas floculadas que se depositam prontamente e podem ser removidas.

O arranjo geral de um processo de lodo ativado para a remoção da poluição carbonosa inclui os seguintes itens:

  • Tanque de aeração onde o ar (ou oxigênio) é injetado no licor misturado.
  • Tanque de decantação (normalmente referido como "clarificador final" ou "tanque de decantação secundária") para permitir que os flocos biológicos (a manta de lodo) assentem, separando assim o lodo biológico da água tratada límpida.

O tratamento de matéria nitrogenada ou fosfato envolve etapas adicionais em que os processos são gerenciados para gerar uma zona anóxica de modo que os fosfatos possam ser solubilizados no ambiente redutor e os óxidos de nitrogênio possam ser reduzidos a íon amônio .

Biorreator e clarificador final

O processo envolve ar ou oxigênio sendo introduzido em uma mistura de esgoto filtrado e tratado primário ou água residual industrial ( água residual ) combinada com organismos para desenvolver um floco biológico que reduz o conteúdo orgânico do esgoto . Este material, que nas lamas saudável é um floco castanho, é largamente composto de bactérias saprotrophic mas também tem um importante protozoários flora componente composto essencialmente por amebas , Spirotrichs , peritríquios incluindo Vorticellids e uma gama de outras espécies se alimentam por filtração. Outros constituintes importantes incluem rotíferos móveis e sedentários . Em lodo ativado mal gerenciado, uma variedade de bactérias filamentosas mucilaginosas pode se desenvolver - incluindo Sphaerotilus natans , Gordonia e outros microorganismos - que produz uma lama que é difícil de sedimentar e pode resultar na decantação da manta de lodo sobre os açudes no tanque de sedimentação para contaminar severamente a qualidade do efluente final. Este material é freqüentemente descrito como fungo de esgoto, mas verdadeiras comunidades de fungos são relativamente incomuns.

A combinação de águas residuais e massa biológica é comumente conhecida como licor misto . Em todas as plantas de lodo ativado, uma vez que as águas residuais tenham recebido tratamento suficiente, o excesso de licor misturado é descarregado em tanques de decantação e o sobrenadante tratado é escoado para ser submetido a tratamento adicional antes da descarga. Parte do material sedimentado, o lodo , é devolvido ao cabeçote do sistema de aeração para semear novamente as novas águas residuais que entram no tanque. Essa fração do floco é chamada de lodo ativado de retorno (RAS).

O espaço necessário para uma estação de tratamento de esgoto pode ser reduzido usando um biorreator de membrana para remover algumas águas residuais do licor misturado antes do tratamento. Isso resulta em um produto residual mais concentrado que pode então ser tratado usando o processo de lodo ativado.

Muitas estações de tratamento de esgoto usam bombas de fluxo axial para transferir licor misturado nitrificado da zona de aeração para a zona anóxica para desnitrificação. Essas bombas são freqüentemente chamadas de bombas internas de reciclagem de licor misto (bombas IMLR). O esgoto bruto, o RAS e o licor misto nitrificado são misturados por misturadores submersíveis nas zonas anóxicas para obter a desnitrificação.

Produção de lodo

Lodo ativado também é o nome dado ao material biológico ativo produzido pelas usinas de lodo ativado. O excesso de lodo é chamado de "lodo ativado excedente" ou "lodo ativado residual" e é removido do processo de tratamento para manter o equilíbrio entre a biomassa e os alimentos fornecidos nas águas residuais. Este lodo de esgoto é geralmente misturado com o lodo primário dos clarificadores primários e passa por um tratamento posterior do lodo, por exemplo, por digestão anaeróbica , seguido de espessamento, desidratação, compostagem e aplicação no solo.

A quantidade de lodo de esgoto produzida no processo de lodo ativado é diretamente proporcional à quantidade de água residual tratada. A produção total de lodo consiste na soma de lodo primário dos tanques de sedimentação primária, bem como lodo ativado de resíduos dos biorreatores. O processo de lodo ativado produz cerca de 70–100 kg / ML de lodo ativado residual (ou seja, kg de sólidos secos produzidos por ML de água residual tratada; um mega litro (ML) equivale a 10 3 m 3 ). Um valor de 80 kg / ML é considerado típico. Além disso, cerca de 110-170 kg / ML de lodo primário são produzidos nos tanques de sedimentação primários que a maioria - mas não todas - as configurações de processo de lodo ativado usam.

Controle do processo

O método geral de controle de processo é monitorar o nível de manta de lodo, SVI (Índice de Volume de Lodo), MCRT (Tempo Médio de Residência Celular), F / M (Alimento para Microorganismo), bem como a biota do lodo ativado e os principais nutrientes DO ( Oxigênio dissolvido ), nitrogênio , fosfato , BOD ( Demanda bioquímica de oxigênio ) e COD ( Demanda química de oxigênio ). No sistema reator / arejador e clarificador, a manta de lodo é medida do fundo do clarificador até o nível de sólidos sedimentados na coluna de água do clarificador; isso, em plantas grandes, pode ser feito até três vezes ao dia.

O SVI é o volume de lodo sedimentado em mililitros ocupado por 1g de sólidos de lodo seco após 30 minutos de sedimentação em um cilindro graduado de 1000 mililitros. O MCRT é a massa total (lbs) dos sólidos suspensos do licor misto no arejador e clarificador dividida pela taxa de fluxo de massa (lbs / dia) dos sólidos suspensos do licor misto que saem como WAS e efluente final. O F / M é a razão entre o alimento fornecido aos microrganismos todos os dias e a massa de microrganismos mantida sob aeração. Especificamente, é a quantidade de BOD fornecida ao aerador (lbs / dia) dividida pela quantidade (lbs) de sólidos suspensos voláteis de licor misto (MLVSS) sob aeração. Nota: Algumas referências usam MLSS (Mixed Liquor Suspended Solids) por conveniência, mas MLVSS é considerado mais preciso para a medição de microrganismos. Novamente, devido à conveniência, o COD é geralmente usado, no lugar do BOD, já que o BOD leva cinco dias para os resultados.

Com base nesses métodos de controle, a quantidade de sólidos sedimentados no licor misturado pode ser variada pelo desperdício de lodo ativado (WAS) ou retorno de lodo ativado (RAS).

Existem vários tipos de plantas de lodo ativado. Esses incluem:

Plantas de embalagem

Há uma ampla variedade de tipos de plantas de embalagem, geralmente atendendo a pequenas comunidades ou plantas industriais que podem usar processos de tratamento híbrido, muitas vezes envolvendo o uso de lodo aeróbico para tratar o esgoto que chega. Em tais instalações, o estágio de assentamento primário de tratamento pode ser omitido. Nessas plantas, é criado um floco biótico que fornece o substrato necessário. As plantas de embalagem são projetadas e fabricadas por firmas de engenharia especializadas em dimensões que permitem seu transporte até o local de trabalho em rodovias públicas, normalmente com largura e altura de 12 por 12 pés. O comprimento varia de acordo com a capacidade, com plantas maiores sendo fabricadas em peças e soldadas no local. O aço é preferido em relação aos materiais sintéticos (por exemplo, plástico) por sua durabilidade. As plantas de embalagem são comumente variantes de aeração estendida , para promover a abordagem "encaixar e esquecer" necessária para pequenas comunidades sem equipe operacional dedicada. Existem vários padrões para auxiliar em seu design.

Para usar menos espaço, tratar resíduos difíceis e fluxos intermitentes, uma série de projetos de estações de tratamento híbridas foram produzidos. Essas plantas geralmente combinam pelo menos dois estágios dos três estágios principais de tratamento em um estágio combinado. No Reino Unido, onde um grande número de estações de tratamento de águas residuais atendem a pequenas populações, as unidades de embalagem são uma alternativa viável para a construção de uma grande estrutura para cada estágio do processo. Nos Estados Unidos, as plantas de embalagem são normalmente usadas em áreas rurais, paradas de descanso em rodovias e parques de trailers.

As fábricas de pacotes podem ser referidas como com carga alta ou com carga baixa . Isso se refere à forma como a carga biológica é processada. Em sistemas com alta carga, o estágio biológico é apresentado com uma alta carga orgânica e o floco combinado com o material orgânico é então oxigenado por algumas horas antes de ser carregado novamente com uma nova carga. No sistema de baixa carga, o estágio biológico contém uma carga orgânica baixa e é combinado com floculado por tempos mais longos.

Vala de oxidação

Em algumas áreas, onde há mais terra disponível, o esgoto é tratado em grandes valas redondas ou ovais com um ou mais aeradores horizontais normalmente chamados de aeradores de escova ou disco que conduzem o licor misturado ao redor da vala e fornecem aeração. Essas são valas de oxidação, frequentemente chamadas de nomes comerciais dos fabricantes, como Pasveer, Orbal ou Carrousel. Eles têm a vantagem de serem relativamente fáceis de manter e resistentes a cargas de choque que ocorrem frequentemente em comunidades menores (isto é, na hora do café da manhã e à noite).

As valas de oxidação são instaladas normalmente como tecnologia de 'encaixar e esquecer', com parâmetros de projeto típicos de um tempo de retenção hidráulica de 24 a 48 horas e uma idade do lodo de 12 a 20 dias. Isso se compara às plantas de lodo ativado nitrificante com um tempo de retenção de 8 horas e uma idade do lodo de 8 a 12 dias.

Eixo profundo / tratamento vertical

Quando a terra é escassa, o esgoto pode ser tratado por injeção de oxigênio em um fluxo de lodo de retorno sob pressão que é injetado na base de um tanque colunar profundo enterrado no solo. Esses poços podem ter até 100 metros de profundidade e são preenchidos com água de esgoto. À medida que o esgoto sobe, o oxigênio forçado à solução pela pressão na base do poço se espalha como oxigênio molecular, fornecendo uma fonte altamente eficiente de oxigênio para a biota de lodo ativado. O oxigênio ascendente e o lodo de retorno injetado fornecem o mecanismo físico para a mistura do esgoto e do lodo. A mistura de lodo e esgoto é decantada na superfície e separada em sobrenadante e componentes de lodo. A eficiência do tratamento de poços profundos pode ser alta.

Os aeradores de superfície são comumente citados como tendo uma eficiência de aeração de 0,5 - 1,5 kg O 2 / kWh, a aeração difusa de 1,5 - 2,5 kg O 2 / KWh. Poço profundo reivindica 5 - 8 kg O 2 / kWh.

No entanto, os custos de construção são altos. Deep Shaft viu a maior absorção no Japão, por causa dos problemas de área de terra. Deep Shaft foi desenvolvido pela ICI , como um spin-off de seu processo Pruteen . No Reino Unido, pode ser encontrada em três locais: Tilbury, Anglian water, tratando águas residuais com grande contribuição industrial; Southport, United Utilities, por causa de questões de espaço terrestre; e Billingham, ICI, novamente tratando efluentes industriais, e construída (após os poços de Tilbury) pela ICI para ajudar o agente a vender mais.

DeepShaft é um processo patenteado e licenciado. O licenciado mudou várias vezes e atualmente (2015) a Noram Engineering vende.

Bacias aeradas de superfície

Uma base aerada de superfície típica (usando aeradores flutuantes acionados por motor)

A maioria dos processos de oxidação biológica para tratamento de efluentes industriais tem em comum o uso de oxigênio (ou ar) e ação microbiana. Bacias aeradas de superfície atingem 80 a 90% de remoção de DBO com tempos de retenção de 1 a 10 dias. As bacias podem variar em profundidade de 1,5 a 5,0 metros e utilizam aeradores motorizados que flutuam na superfície das águas residuais.

Em um sistema de bacia aerada, os aeradores fornecem duas funções: eles transferem o ar para as bacias exigidas pelas reações de oxidação biológica e fornecem a mistura necessária para dispersar o ar e entrar em contato com os reagentes (ou seja, oxigênio, águas residuais e micróbios) . Normalmente, os aeradores de superfície flutuante são classificados para fornecer a quantidade de ar equivalente a 1,8 a 2,7 kg O 2 / kWh . No entanto, eles não fornecem uma mistura tão boa quanto normalmente é alcançada em sistemas de lodo ativado e, portanto, bacias aeradas não atingem o mesmo nível de desempenho que as unidades de lodo ativado.

Os processos de oxidação biológica são sensíveis à temperatura e, entre 0 ° C e 40 ° C, a taxa de reações biológicas aumenta com a temperatura. A maioria dos vasos aerados de superfície opera entre 4 ° C e 32 ° C.

Reatores em lote de sequenciamento (SBRs)

Reatores de lote de sequenciamento (SBRs) tratam águas residuais em lotes dentro do mesmo vaso. Isso significa que o biorreator e o clarificador final não estão separados no espaço, mas em uma sequência cronometrada. A instalação consiste em pelo menos dois tanques equipados de forma idêntica com uma entrada comum, que pode ser alternada entre eles. Enquanto um tanque está no modo de decantação / decantação, o outro está aerando e enchendo.

Métodos de aeração

Aeração difusa

Difusores de bolha fina em tanque de aeração de estação de tratamento de esgoto de lodo ativado perto de Adelaide, Austrália

O licor de esgoto é conduzido para tanques profundos com sistemas de aeração de grade difusora que são fixados ao chão. São como as pedras difusas usadas em tanques de peixes tropicais , mas em uma escala muito maior. O ar é bombeado através dos blocos e a cortina de bolhas formada oxigena o licor e também fornece a ação de mistura necessária. Onde a capacidade é limitada ou o esgoto é excepcionalmente forte ou difícil de tratar, oxigênio pode ser usado em vez de ar. Normalmente, o ar é gerado por algum tipo de soprador de ar.

Aeradores de superfície (cones)

Aerador de superfície para tanque de aeração na estação de tratamento de esgoto de lodo ativado (Estação de Tratamento de Morro Alto, Vespasiano , Brasil)

Tubos montados verticalmente de até 1 metro de diâmetro estendendo-se logo acima da base de um tanque profundo de concreto até logo abaixo da superfície do licor de esgoto. Um poço típico pode ter 10 metros de altura. Na extremidade da superfície, o tubo é formado em um cone com palhetas helicoidais presas à superfície interna. Quando o tubo é girado, as palhetas giram o licor para cima e para fora dos cones, puxando o novo licor de esgoto da base do tanque. Em muitos trabalhos, cada cone está localizado em uma célula separada que pode ser isolada das células restantes se necessário para manutenção. Alguns trabalhos podem ter dois cones por célula e alguns trabalhos grandes podem ter 4 cones por célula.

Aeração de oxigênio puro

Os sistemas de aeração de lodo ativado por oxigênio puro são vasos de reator de tanque selado com impulsores do tipo aerador de superfície montados dentro dos tanques na interface de superfície do licor de oxigênio e carbono. A quantidade de arrastamento de oxigênio, ou DO (Oxigênio dissolvido), pode ser controlada por um controle de nível ajustado de barragem e uma válvula de alimentação de oxigênio controlada por gás de ventilação. O oxigênio é gerado no local por destilação criogênica de ar, adsorção por oscilação de pressão ou outros métodos. Esses sistemas são usados ​​onde o espaço da estação de águas residuais é escasso e é necessária uma alta vazão de esgoto, visto que altos custos de energia estão envolvidos na purificação do oxigênio.

Desenvolvimentos recentes

Um novo desenvolvimento do processo de lodo ativado é o processo Nereda , que produz um lodo granular que se assenta muito bem (o índice de volume do lodo é reduzido de 200-300 para 40 mL / g). Um novo sistema de reator de processo é criado para aproveitar as vantagens dessa lama de sedimentação rápida e é integrado ao tanque de aeração em vez de ter uma unidade externa separada. Cerca de 30 estações de tratamento de águas residuais Nereda em todo o mundo estão operacionais, em construção ou em projeto, variando em tamanho de 5.000 a 858.000 pessoas equivalentes.

Problemas

As plantas de lodo ativado são totalmente dependentes de um suprimento elétrico para alimentar os aeradores para transferir sólidos sedimentados de volta para a entrada do tanque de aeração e, em muitos casos, para bombear lodo residual e efluente final. Em algumas obras, o esgoto não tratado é levantado por bombas para a cabeceira para fornecer queda suficiente através da obra para permitir uma queda de descarga satisfatória para o efluente final. Tecnologias alternativas, como tratamento com filtro de gotejamento , requerem muito menos energia e podem operar apenas com a gravidade.

Pode ocorrer aumento de volume do lodo, o que torna o lodo ativado difícil de sedimentar e freqüentemente tem um impacto adverso na qualidade do efluente final. O tratamento do aumento de volume do lodo e o gerenciamento da planta para evitar a recorrência requerem gerenciamento qualificado e podem exigir pessoal em tempo integral para permitir a intervenção imediata.

A descarga de poluição industrial tóxica em estações de tratamento projetadas principalmente para tratar esgoto doméstico pode criar transtornos no processo.

História

O Davyhulme Esgoto Laboratório de Obras , onde o processo de lamas activadas foi desenvolvido no início do século 20.

O processo de lodo ativado foi descoberto em 1913 no Reino Unido por dois engenheiros, Edward Ardern e WT Lockett, que estavam conduzindo pesquisas para o Departamento de Rios da Manchester Corporation em Davyhulme Sewage Works . Em 1912, o Dr. Gilbert Fowler , um cientista da Universidade de Manchester , observou experimentos sendo conduzidos na Estação Experimental de Lawrence em Massachusetts envolvendo a aeração de esgoto em uma garrafa que havia sido revestida com algas. Os colegas de engenharia de Fowler, Ardern e Lockett, fizeram experiências no tratamento de esgoto em um reator de tração e enchimento , que produziu um efluente altamente tratado. Eles aeraram a água residual continuamente por cerca de um mês e conseguiram uma nitrificação completa do material da amostra. Por acreditar que o lodo havia sido ativado (de maneira semelhante ao carvão ativado ) o processo foi denominado lodo ativado . Só muito mais tarde se percebeu que o que realmente ocorreu era um meio de concentrar organismos biológicos, desacoplando o tempo de retenção de líquido (idealmente, baixo, para um sistema de tratamento compacto) do tempo de retenção de sólidos (idealmente, bastante alto, para um efluente baixo em BOD 5 e amônia.)

Seus resultados foram publicados em seu artigo original de 1914, e o primeiro sistema de fluxo contínuo em escala real foi instalado em Worcester dois anos depois. Após a Primeira Guerra Mundial, o novo método de tratamento se espalhou rapidamente, especialmente para os EUA, Dinamarca , Alemanha e Canadá . No final da década de 1930, o tratamento de lodo ativado tornou-se um processo de tratamento biológico de águas residuais bem conhecido nos países onde sistemas de esgoto e estações de tratamento de esgoto eram comuns.

Veja também

Referências

links externos