Grânulos de gel de PVA para imobilização de microrganismos

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1 Grânulos de gel de PVA para imobilização de microrganismos

2 Tratamento biológico convencional de águas residuais - Método de lodo ativado (AS) - Água residual (contaminante orgânico) Tanque amplo Pegada larga Degradação microbiana Ar Separação sólido-líquido Tanque de sedimentação Recirculação do lodo Descarte de efluente Grande quantidade de resíduos industriais [Excesso de lodo] Lodo é a mistura de bactérias, protozoários e metazoários. O microrganismo cresce alimentando-se com substâncias orgânicas (aprox. 50% de substâncias orgânicas (BOD demanda química de oxigênio) são convertidas para CO 2 /H 2 O e o restante é convertido em excesso de lodo). O excesso de lodo deve ser regularmente descartado.

3 Problemas do método de lodo ativado O tanque de tratamento é grande. Ocorrência do fenômeno bulking (entumecimento de lodo) em função da mudança da camada de microrganismo resultando em uma mudança de carga. Necessidade de remoção de uma grande quantidade de lodo.

4 Método de mídia biológica normalmente usado <Método de lodo ativado com adição de mídia biológica> A mídia biológica é adicionada ao tanque AS como adjuvante para aumentar seu desempenho (desenvolvido na segunda metade da década de 1980). Tanque de sedimentação final Efluente do tanque de sedimentação primário Água tratada Tanque de aeração Recirculação do lodo Excesso de lodo Do website da Japan Sewage Treatment Plant Construction Association

5 Vários tipos de mídias biológicas A maior parte destas mídias não possui estrutura porosa como o grânulo de gel de PVA (a bactéria é retida somente na superfície com os protozoários e metazoários). Do website de cada fabricante

6 Estrutura do grânulo de gel de PVA Material: Polivinil álcool (PVA) Tamanho: Esferas com φ 4-5 mm Gravidade específica: 1,015 Protozoários, metazoários Estrutura microscópica Somente as bactérias entram do gel de PVA Metazoários Retenção apenas destas Protozoários Bactérias

7 Projeto básico no método de gel de PVA Aeróbico Nitrificação Desnitrificação Carga padrão Gel 25 kg BOD/m 3 d Volume do tanque 2,5 kg BOD/ m 3 d Gel 3 kg N/m 3 d Volume do tanque 0,3 kg /N/m 3 d Gel 3 kg N/m 3 d Volume do tanque 0,3 kg N/m 3 d Relação de empacotamento Método de aeração Peneira de separação 7-15 % 7-15 % 7-20% Fluxo de circulação direcionado Fluxo de circulação direcionado Difusor, aerador Difusor, aerador Aerador Rede de 2 mm Rede de 2 mm Rede de 2 mm -

8 Fluxo básico do método de grânulo de gel de PVA em condições aeróbicas Influentes Biodegradação orgânica Separação sólido-líquido Efluentes Tanque de gel de PVA Tanque AS Tanque de sedimentação *Lodo não retorna ao tanque de gel de PVA Água tratada com grânulo de gel de PVA Efluente

9 Características do grânulo de gel de PVA Imobilização estável da bactéria operação de altas carga Aeróbico (tratamento orgânico) Nitrificação, desnitrificação (tratamento com nitrato) Anaeróbico (fermentação de metano) Flora rica de bactérias redução do excesso de lodo Tratamento aeróbico Tratamento autolítico Alta biodegradabilidade de substâncias orgânicas Tratamento de substâncias de baixa degradabilidade Tratamento aeróbico

10 Características do grânulo de gel de PVA Operação de alta carga Aeróbico (tratamento orgânico) : gel 25 kg BOD/m 3 padrão d (Volume do tanque 2,5 kg BOD/ m 3 d) Nitrificação e desnitrificação (tratamento de nitrato) : gel 3 kg N/m 3 padrão d (Volume do tanque 0,3 kg N/m 3 d ) Anaeróbico (fermentação de metano) : gel 3 kg N/m 3 padrão d (Volume do tanque 0,3 kg N/m 3 d ) Redução do excesso de lodo Tratamento aeróbico : remoção de BOD de 30% ou menos Tratamento autolítico: remoção de BOD de 5 a 10% *Diferencia-se conforme a qualidade da água. Tratamento de substâncias de baixa degradabilidade Óleo o graxa, PVA, etc.

11 Carga do volume Comparação da capacidade Sistema convencional (AS) Tanque de lodo ativado Mistura de bactérias, protozoários, metazoários, etc. Tanque de sedimentação kg/m3- 槽 日 kg/m3 d 4 Gel de PVA (10 % vol. empacotamento) O volume do tanque pode ser reduzido em 2/5, ou a carga do volume pode ser aumentada em 5 vezes Tanque de gel de PVA Rico em bactérias Tanque AS Rico em bactérias e mistura de protozoários e metazoários 有 機 物 分 解 能 力 x5 Lodo ativado 活 性 汚 泥 Gel de PVA PVAゲル

12 Taxa de TOC remoção 除 去 速 de 度 mg/l ( TOC 担 体 (mg/l H) material portador/d) Biodegradabilidade do grânulo de gel de PVA Alto desempenho de remoção 1200 Capacidade 各 種 担 de 体 におけるTOC remoção de 除 去 TOC 性 能 de cada mídia biológica Grânulo de gel de PVA PP Uretano PET 経 Dias 過 日 数 decorridos ( 日 )

13 Background da alta biodegradabilidade do grânulo de gel de PVA AS ou outras mídias Grânulo de gel de PVA Metazoários Protozoários Metazoários Protozoários Bactérias Bactérias Pirâmide do ecossistema no AS ou em outras mídias Pirâmide do ecossistema no grânulo de gel de PVA No tratamento por gel de PVA, o grânulo de gel de PVA pode reter muito mais bactérias em comparação com a biodegradação orgânica, nitrificação e desnitrificação.

14 Motivo para a biodegradabilidade estável do grânulo de gel de PVA Grânulo de gel de PVA Retenção estável da bactéria dentro de 20 a 30μm da superfície Outras mídias Formação de biofilme na superfície da mídia <Bactéria aeróbica> Descamação difícil Fácil descamação Todas as bactérias ativas Somente bactérias no biofilme externo ativas <Bactéria anaeróbica> Retenção estável da bactéria da superfície até quase o centro Bactéria existe no biofilme externo (em condições aeróbicas

15 Fotomicrografia ótica no método AS Tanque AS Centropyxis Como há visualização de muitos metazoários e protozoários, a autooxidação (autólise) não ocorre facilmente.

16 Fotomicrografia ótica no método de gel de PVA Tanque de gel de PVA Tanque de redução do lodo Tanque de sedimentação Como há visualização de poucos protozoários e metazoários, facilidade na autólise. que permite a redução na quantidade do excesso de lodo.

17 O grânulo de gel de PVA possui alta biodegradabilidade e menor quantidade de excesso de lodo, conforme acima visualizado nas fotos, onde as bactérias ocupam quase todo o tanque de gel de PVA. Micrografia eletrônica do lodo no tanque de gel de PVA Tanque de gel de PVA Bactéria

18 Vantagens do grânulo de gel de PVA Facilidade no retrofit (quantidade de água, carga) Adição de um tanque de gel de PVA para um único AS ou retrofit de um tanque de tratamento (AS) existente para um único gel de PVA Pegada pequena Redução do volume do tanque em função do alto projeto de carga Baixo custo de operação Redução do custo de descarte de excesso de lodo Redução do custo de descarte de substâncias de baixa biodegradabilidade em função de sua biodegradação Redução da energia usada para o desaguamento da água e secagem

19 Problema de lodos no Japão Produção de resíduo sólido (2002) Vidro, porcelana Ácido residual 廃 酸 2% カ ラス 陶 器 屑 2% 1% 1% Plástico 廃 residual フ ラスチック Metal residual 2% 金 属 屑 2% 他 2% 4% Restos de 木 madeira 屑 2% ばいじん Pó 2% Escórias 鉱 さい 6% Materiais de construção 15% Qtd. total t Lodo 47% Custo de operação para WWTPs Custo elétrico 25% Custo químico 7% Custo de descarte de lodo 50-70% Resíduo animal 17% Desafio de redução do lodo

20 Alta eficiência e redução do excesso de lodo Sistema convencional Tanque de lodo ativado Tanque de sedimentação Efluente Excesso de lodo (aprox. 50% do BOD) Grânulos de gel de PVA (10 % vol. empacotamento) Tanque de gel de PVA Lodo ativado O lodo recirculado apenas ao tanque de lodo ativado. Excesso de lodo (aprox. 20 a 30% de BOD) Efluente

21 Método de gel de PVA KURARAY <Convencional> AS Recirculação do lodo Efluente Tanque de sedimentação Excesso de lodo 100% <Método de gel de PVA > Método padrão AS Recirculação do lodo Efluente Excesso de lodo 40% (muitas referências) Método de redução de excesso de lodo Tanque de autólise (mineralização) Efluente Reúso Excesso de lodo 5-10%

22 Princípio de autólise conforme redução do lodo usando grânulo de gel de PVA Biodegradação orgânica Geração de menor excesso de lodo Tanque de gel de PVA Tanque de redução de lodo Autólise uso de metabolismo microbiológico X = as r - bx Excesso de lodo Aumento Extinção S r :Volume de biodegradação orgânica X : Volume de microrganismos Redução do excesso de lodo de acordo com a fórmula a seguir: Produção de lodo (as r ) Extinção do lodo (bx)

23 Autólise do lodo (redução do lodo) X = asr - bx X : Mudança no lodo (kg/d) a : Coeficiente de rendimento (-) S r : Utilização de substrato (BOD)(kg/d) b : Coef. de decaimento endógeno (taxa de autoxidação) (/d) X : Biomassa total (kg) Para reduzir a produção de excesso de lodo ; - O coeficiente de rendimento (a) deve ser menor. - O coeficiente de decaimento endógeno (b) deve ser maior. - O volume total de biomassa (X) deve ser maior.

24 Taxa de redução do lodo Razão de redução da quantidade de excesso de lodo Outros materiais portadores, lodo ativado Grânulo de gel de PVA Protozoários, metazoários e Bactérias crescem na superfície Metazoário Protozoário Bactérias Protozoários e metazoários Excesso de lodo 0,08 (/dia) Bactérias Bactérias crescem dentro do grânulo de gel de PVA 汚 泥 消 滅 速 度 0,06 0,04 0,02 Taxa de autoxidação se torna mais rápida. Redução de lodo se torna mais fácil. 0 Lodo 活 ativado 性 汚 泥 Grânulo ゲル de 汚 泥 gel de PVA

25 Sistema de redução de lodo da Kuraray Tipo de sedimentação (Tipo S) Tanque de gel de PVA Tanque de redução do lodo Tanque de sedimentação Efluente O mais rentável para a conversão do processo de lodo ativado existente Tipo de filtração da membrana (Tipo M) Efluente Membrana submersa * Sem tanque de sedimentação * Menor tanque de redução do lodo (maior concentração de MLSS) * Água reciclável Patenteado nos EUA e em países europeus e asiáticos.

26 Observação microscópica eletrônica na autoxidação Tanque de gel de PVA Tanque de redução de lodo Dispersão Massa agregada Saída de conteúdo pela autoxidação

27 Método de remoção do nitrogênio usando grânulo de gel de PVA Circulação de água nitrificada <Convencional> Influente Tanque anóxico (Desnitrificação ) Tanque aeróbico (Nitrificação) Excesso de lodo Tanque de sedimentação Efluente Excesso de lodo <Método de gel de PVA > Circulação de água nitrificada (taxa de fluxo três vezes maior que a influente) Influente Tanque de desnitrificação Tanque de nitrificação Tanque AS Tanque de sedimentação Redução do tamanho Efluente Em condições anóxicas NO3-N N2(Gas) Em condições aeróbicas NH4-N NO2 NO3-N Excesso de lodo Processo de decomposição da amônia O 2 O 2 Doador de hidrogênio (ingrediente BOD) NH 4+ NO 2ー NO 3ー N 2 (Gás) Condições aeróbicas Condições anaeróbicas

28 Tratamento avançado de água residual usando grânulo de gel de PVA (remoção de N e P) Método de gel de PVA (grânulo de gel de PVA+ coagulante) Circulação de água nitrificada Coagulante Remoção tanto do lodo fino quanto do P Influente Clarificação Efluente Tanque anóxico Tanque aeróbico Carga de gel N: 3~6Kg/m 3 -gel d Carga de gel N: 3Kg/m 3 -gel d Excesso de lodo (P) <Características> Redução do tamanho do tanque de tratamento Sem necessidade de tanque aeróbico após a nitrificação Sem necessidade de recirculação do lodo Remoção de P é possível em função de uso de coagulante

29 Exemplo REAL 1: fábrica de corantes Antes - Entrada de grânulo de gel de PVA : 190m 3 - Influente : 7000m3/D - Agosto de Kuraray Engineering Co., Ltd. Depois Foi realizada apenas degradação orgânica no método AS. Remoção de orgânicos, N e cor é possível sem expandir o volume do tanque. Con.T-N : 170 mg/l (influente) mg/L aprox. 60 mg/l

30 Tecnologias de remoção de nitrogênio e de cor na indústria de corantes (tec. patenteado) Método de tratamento do corante azo(substância de baixa degradabilidade) usando grânulo de gel de PVA Possibilidade de remoção simultânea de cor, orgânicos e nitrogênio! <Fluxo do tratamento> Influente Tanque anaeróbico Remoção de cor Tanque aeróbico Nitrificação Tanque anaeróbico Desnitrificação Tanque aeróbico Remoção de BOD Coagulante Efluente A ligação azo é quebrada pela bactéria redutora de sulfato. A amônia é convertida em nitrato-nitrogênio pela bactéria oxidante de amônia e de nitrato. O nitrato-nitrogênio é desnitrificado pela bactéria desnitrificante. BOD residual é biodegradado. Excesso de lodo N=N NH 4 NO 2ー NO 3 N 2 NO 3 - NH 2

31 Exemplo REAL 2: Fábrica de corante-2

32 Exemplo REAL 3 : Uma fábrica de grande porte da indústria de laticínios - Método de tratamento da água residual da indústria de laticínios - <Fluxo do tratamento> Influente Prétratamento Tanque de biodegradação de óleo Tanque aeróbico Remoção de BOD Coagulante Efluente Sem necessidade de separador de óleo! A emulsão é biodegradada pela bactéria biodegradante de óleo e leveduras existentes no grânulo de gel de PVA. Excesso de lodo

33 Exemplo REAL 4 : fábrica de peças semicondutoras eletrônicas (Remoção de nitrogênio na indústria de TI) - Método de tratamento de uma substância de baixa degradabilidade (TMAH: hidróxido de tetrametilamônio) - <Fluxo de tratamento> Influente Tanque de oxidação Bactéria degradante TMAH Tanque de aeração Bactéria nitrificante Tanque de desnitrificação Bactéria desnitrificante Coagulante Efluente Excesso de lodo Degrada TMAH por bactéria biodegradante [(CH 3 ) 4 N] + OH - CO 2 + NH 4+ + H 2 O

34 Características do grânulo de gel de PVA Ⅰ.O grânulo de gel de PVA possui estrutura com microporos onde a bactéria pode ser retida. Ⅱ.Possibilidade de carga bem elevada. (5 vezes ou mais que o lodo ativado convencional) Ⅲ.Grânulo de gel de PVA também pode ser usado para processos biológicos de nitrificação e desnitrificação. Ⅳ.A quantidade de excesso de lodo pode ser reduzida eliminada. (Possuímos técnicas especiais que reduzem drasticamente o excesso de lodo com o grânulo de gel de PVA)

35 Capacidade de remoção Concentração de lodo Teste-piloto na planta da KURARAY Y: Tratamento industrial (mistura) de água residual Finalidade: Corte de BOD com eliminação de loco por autólise. Fluxo: Influente [corte de BOD, 500 L] [Autólise, L] Efluente 1 Verificação da potência do gel de PVA (Kg BOD/m3 d) 5 Taxa do projeto 4 除 去 能 力 Taxa de remoção do AS Taxa de remoção de BOD 2 Verificação de eliminação de lodo MLSS (g/l) 50 汚 泥 濃 度 Teorética sem autólise Concentrações reais Eliminação do lodo Tempo (dias) Tempo (dias) (Taxas de remoção de BOD por volume de tanque) (Concentração de MLSS, g/l ou kg/m3)

36 UE: teste piloto na Eslovênia Desnitrificação Autólise Nitrificação Sedimentação Teste piloto (escala 200-L) Centro de P&D da Domzale WWTP

37 UE: teste-piloto na Eslovênia - Grânulo de gel de PVA no final do teste - ANÓXICO (desnitrificação) ÓXICO (nitrificação)

38 COD, BOD (mg/l) UE: teste-piloto na Eslovênia - Remoção de COD e BOD (Operação III) COD Influente BOD Unidade anóxica Efluente óxico Efluente TOX Efluente da autólise

39 MLSS (g/l), HRT (h). Grânulo (L), TSS, RS UE: teste-piloto na Eslovênia Resultados sólidos MLSS (g/l) HRT (hr) Grânulo ajustado (L) Recirc. lodo (g/l) Eff. TSS (mg/l) Tempo (dias) Últimas sete semanas

40 UE: teste-piloto na Eslovênia - Conclusões na Eslovênia - Usando o grânulo de gel de PVA com água residual real, em uma carga TN de 18 mg/l*h (0,43 kg/m3*d), as eficiências de remoção ultrapassam os limites teóricos obtidos (em 15 C). A taxa de nitrificação de 15 mg/l*h (0,35 kg/m3*d) foi mantida com um HRT de 2,5 h em 15 C. Níveis de COD e BOD reduzidos abaixo dos limites de descarte. Sem descarte de excesso de lodo e MLSS em estado estacionário se aproximou nas últimas 6 semanas. Operação de longo prazo? IWA Amsterdam WEF Denver

41 Coreia: Piloto de grande porte (Região de Morning Calm) Influente: Q = 50 m3/d, BOD5 = 5 kg/d, TN = 1,4 kg/d HRT: tanques PVA = 6 h, TOX = 6 h Influente * Desnitrificação 5 m3 * Nitrificação 7,2 m3 Oxidação do lodo total 12 m3 Autólise 10% PVA gel MLSS de6 g/l Corte de BOD e remoção de TN X NÃO HÁ lodo orgânico residual! Coagulante Remoção de P (plano) Efluente Lodo residual (inorgânico)

42 Q = 50 m3/d Coreia: Em um ano de operação Médias Tratamento primário seguinte Influente Efluente Eficiência BOD5 110 mg/l 6 mg/l 94% TN 29 mg/l * * TSS 95 mg/l 14 mg/l * Nitrificação = 97% * Desnitrificação limitado pelo baixo BOD Tanque TOX: MLSS = 6,0 g/l MLVSS = 4,5 g/l Resíduo: Somente efluente SS normal!

43 Exemplo REAL 5: Sistema de redução de lodo (tipo S) na planta da KURARAY em Saijo (400m 3 /d) Separador de gel (rede de 2 mm) Tanque de redução do lodo Tanque de gel de PVA (remoção de BOD) (remoção de BOD e redução de lodo) X 1,5 Tanque de sedimentação

44 Exemplo REAL 6: Sistema de redução de lodo (tipo M em Taiwan) Membrana RO Grânulo de gel de PVA + redução de lodo (instalado no subsolo) 85% da água residual pode ser reciclada como água ultrapura. O excesso de lodo orgânico foi reduzido significativamente por autólise. Biodegradação de contaminante orgânico Eliminação de lodo por autólise Membrana RO Membrana submersa Tanque de gel de PVA Tanque de redução do lodo

45 Exemplo REAL 7 : indústria alimentícia M Água residual bruta: Fluxo= 33 m3/d CODcr = mg/l M Água tratada P Tanque de fermentação Reator anaeróbico de gel de PVA Tanque de aeração de gel de PVA Tanque MBR Reator anaeróbico+ Sistema de redução de lodo (patenteado)