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Um digestor de águas residuais converte sólidos biodegradáveis em um fluxo de biossólidos mais estável enquanto produz biogás rico em metano. Nas estações de tratamento de águas residuais municipais, a digestão anaeróbica é comumente usada após a separação de sólidos primários e secundários para reduzir sólidos voláteis, odores, níveis de patógenos e a quantidade de lodo que requer manuseio final.
Contudo, uma digestão confiável depende de muito mais do que colocar o lodo em um tanque sem oxigênio. Temperatura, tempo de retenção hidráulica, carga orgânica, mistura, alcalinidade e consistência alimentar afetam a população microbiana que, em última análise, produz metano.
Para operadores e projetistas de tratamento de águas residuais, compreender essas relações é essencial ao avaliar a capacidade do digestor, solucionar problemas de operação instável ou considerar a recuperação de biogás e a produção de gás natural renovável.
A digestão anaeróbica é um processo de conversão biológica realizado por diversos grupos de microrganismos trabalhando sequencialmente. O processo é normalmente descrito em quatro etapas.
1. Hidrólise
Grandes moléculas orgânicas, como proteínas, carboidratos e gorduras, não podem ser utilizadas diretamente por muitos microrganismos anaeróbios. Durante a hidrólise, as enzimas extracelulares os quebram em compostos solúveis menores, como aminoácidos, açúcares e ácidos graxos.
A hidrólise pode se tornar a etapa limitante quando o lodo contém material particulado lentamente biodegradável.
2. Acidogênese
As bactérias acidogênicas convertem os compostos solúveis em ácidos graxos voláteis (AGV), álcoois, hidrogênio, dióxido de carbono, amônia e outros intermediários.
Esta fase ocorre de forma relativamente rápida. Se a produção de ácido se tornar mais rápida do que a população metanogênica a jusante pode consumir os intermediários, os AGV se acumulam e o pH do digestor pode cair.
3. Acetogênese
Organismos acetogênicos convertem AGV e álcoois superiores principalmente em acetato, hidrogênio e dióxido de carbono. Esses compostos tornam-se os principais substratos para microrganismos formadores de metano.
4. Metanogênese
Archaea metanogênica converte acetato e hidrogênio/dióxido de carbono em metano. Eles crescem mais lentamente e são mais sensíveis à temperatura, pH, compostos tóxicos e mudanças repentinas de carga do que muitos organismos formadores de ácido.
O objectivo geral não é, portanto, simplesmente “decomposição”. Um digestor bem operado mantém todos os quatro estágios biológicos em equilíbrio, de modo que os sólidos voláteis sejam estabilizados em vez de permitir o acúmulo de ácidos intermediários.
A EPA observa que a digestão anaeróbica estabiliza os sólidos das águas residuais, reduz odores e patógenos e converte parte da fração de sólidos voláteis em biogás.
Para o gerenciamento de biossólidos nos EUA, Redução de 38% de sólidos voláteis também é uma referência importante porque é um método especificado em 40 CFR 503.33 para demonstrar a redução da atração de vetores.
Os digestores de águas residuais são selecionados de acordo com as características do lodo, concentração de sólidos, área ocupada pelo local, taxa de carregamento e recuperação de energia desejada.
Um reator tanque continuamente agitado, ou CSTR , é uma das configurações mais familiares para lodo de águas residuais municipais.
A mistura mantém os sólidos suspensos, distribui o calor e a alimentação recebida e reduz os gradientes localizados de ácido ou temperatura. Os sistemas de aquecimento são comumente usados para manter uma temperatura operacional estável.
Para a digestão mesófila de lodo municipal, uma temperatura próxima 35°C (95°F) é amplamente utilizado. A orientação da EPA historicamente associa aproximadamente 15 dias de tempo de residência a 35°C em um digestor de alta taxa completamente misturado com condições capazes de alcançar uma redução substancial de sólidos voláteis.
O TRH de projeto real costuma ser mais longo e deve ser baseado nas características do lodo, carga de sólidos, temperatura, redundância e objetivos de tratamento.
An manta de lodo anaeróbico de fluxo ascendente (UASB) reator funciona de maneira diferente. As águas residuais fluem para cima através de uma densa manta de lodo anaeróbico contendo biomassa granular ou floculenta.
Os sistemas UASB são especialmente atraentes para águas residuais industriais de resistência relativamente alta porque podem reter uma grande concentração de biomassa ativa enquanto operam em tempos de retenção hidráulica comparativamente curtos.
São geralmente mais apropriados para águas residuais solúveis ou facilmente biodegradáveis do que para lamas municipais espessas contendo elevadas concentrações de sólidos em suspensão.
As lagoas cobertas proporcionam uma opção de menor complexidade para climas quentes e certas águas residuais agrícolas ou industriais. Uma cobertura flexível capta o biogás gerado enquanto a lagoa fornece o volume de digestão.
Eles geralmente exigem mais terra e fornecem menos controle de processo do que digestores mistos aquecidos.
Independentemente da configuração, vários parâmetros devem permanecer equilibrados:
| Parâmetro operacional | Consideração Típica |
|---|---|
| Temperatura mesofílica | Aproximadamente 30–38°C |
| Temperatura termofílica | Aproximadamente 50–57°C |
| pH do digestor | Geralmente em torno de 6,8–7,5 |
| HRT | Depende muito do tipo de reator, alimentação e temperatura |
| OLR | Deve corresponder à biomassa ativa e à capacidade de mistura |
| Alcalinidade | Fornece buffer contra acúmulo de VFA |
| Misturando | Evita estratificação, camadas de espuma e sobrecarga localizada |
Estes números devem ser tratados como pontos de partida operacionais e não como especificações de desenho universal.
Por exemplo, aumentar o OLR sem considerar o HRT significa que mais material biodegradável entra no mesmo volume do reator. Os organismos formadores de ácido podem responder rapidamente, enquanto os metanógenos não podem aumentar a sua atividade na mesma proporção.
Da mesma forma, uma boa mistura não pode compensar o aquecimento inadequado, e a alcalinidade elevada não pode compensar indefinidamente uma sobrecarga orgânica severa.
A digestão estável vem da manutenção do ambiente biológico combinado , não otimizando um parâmetro isoladamente.
A digestão anaeróbica produz biogás contendo principalmente metano e dióxido de carbono juntamente com vapor de água, sulfeto de hidrogênio e vestígios de contaminantes.
A EPA descreve o biogás bruto de sistemas anaeróbicos como comumente contendo aproximadamente 45–65% de metano , embora a composição real dependa fortemente da matéria-prima e da operação.
Nas estações de águas residuais, este gás pode ser:
As lamas municipais por si só nem sempre maximizam o potencial energético de um digestor existente.
A adição de resíduos orgânicos de alta energia adequados, como resíduos de processamento de alimentos, resíduos alimentares, gorduras, óleos e gorduras, pode aumentar a carga de carbono biodegradável e, consequentemente, aumentar a produção de biogás.
A EPA identifica a co-digestão como um método que pode aumentar a produção de gás a partir de matérias-primas de baixo rendimento. Uma delas citou que a instalação de águas residuais dos EUA que aceita resíduos de processamento de alimentos e gorduras, óleos e graxas aproximadamente dobrou sua produção de biogás.
Isto não significa que a adição máxima de ração seja desejável. Os substratos recebidos devem ser avaliados quanto a:
O gás bruto do digestor normalmente não é adequado para injeção direta em um gasoduto de gás natural.
A atualização típica envolve vários estágios de tratamento:
Remoção de sulfeto de hidrogênio: Meios à base de ferro, carvão ativado, dessulfurização biológica ou outras tecnologias removem o H2S corrosivo.
Remoção de umidade: O resfriamento, a condensação, a secagem ou a adsorção reduzem o vapor de água.
Separação de CO2: A separação da membrana, a adsorção por oscilação de pressão, a lavagem com água ou a absorção de produtos químicos podem aumentar a concentração de metano.
Controle de vestígios de contaminantes: Siloxanos e VOCs também podem exigir remoção dependendo da fonte de águas residuais e da especificação do gás final.
A EPA relata que o RNG atualizado geralmente contém pelo menos 90% de metano, enquanto o RNG injetado em oleodutos geralmente atinge aproximadamente 96–98% metano , sujeito às especificações de qualidade do gás da concessionária receptora.
Para projetos nos EUA, o GNV renovável qualificado ou o GNL produzido a partir de biogás de digestores de tratamento de águas residuais municipais também podem se enquadrar em caminhos aprovados dentro do Padrão Federal de Combustíveis Renováveis.
Os operadores devem responder às tendências antes do colapso da produção de metano.
Espuma may result from filamentous organisms in the incoming sludge, rapid gas release, inadequate mixing, sudden loading changes, high concentrations of fats or proteins, or poor solids withdrawal.
Os sinais de alerta incluem:
As ações corretivas podem incluir a redução da carga, a melhoria da distribuição da mistura, o gerenciamento de matérias-primas problemáticas, o ajuste da retirada de lodo e o controle mecânico da espuma persistente.
Um aumento repentino na carga orgânica aumenta frequentemente a produção de ácido antes que os organismos formadores de metano possam responder.
Os AGV começam a se acumular, a alcalinidade é consumida e o pH eventualmente diminui.
No entanto, O pH por si só é um indicador tardio porque o tampão de bicarbonato pode ocultar o desenvolvimento da instabilidade.
Portanto, os operadores geralmente rastreiam os AGV juntamente com a alcalinidade total ou de bicarbonato. Um aumento constante Relação AGV/alcalinidade geralmente é mais importante do que uma leitura isolada. Como regra prática de operação, valores abaixo de aproximadamente 0,3 geralmente indicam um buffer confortável, enquanto um movimento persistente em direção a aproximadamente 0,4-0,5 ou superior deve desencadear uma investigação. As tendências históricas específicas do local devem sempre ter prioridade sobre um ponto de alarme universal.
As possíveis respostas incluem:
Matérias-primas ricas em proteínas liberam amônia, enquanto resíduos contendo enxofre podem gerar sulfeto de hidrogênio.
A fração tóxica da amônia depende fortemente do pH e da temperatura, portanto, uma concentração de amônia total que funcione com sucesso em uma instalação pode causar inibição sob diferentes condições.
O sulfeto apresenta problemas biológicos e operacionais porque o sulfeto dissolvido pode inibir microorganismos, enquanto o H2S gasoso cria sérios problemas de corrosão e segurança.
Tendências porcentagem de metano, CO2, H2S, AGV, alcalinidade, pH, produção de gás e carregamento de alimentação juntos fornece um sistema de alerta precoce muito mais forte do que depender apenas do volume de gás.
A digestão anaeróbica não elimina o lodo. Ele converte material orgânico biodegradável enquanto deixa um digerido estabilizado contendo água, sólidos residuais, nitrogênio, fósforo e material inorgânico.
Após a digestão, as estações de águas residuais geralmente usam centrífugas, filtros-prensa de correia, prensas de parafuso ou outros equipamentos de desidratação para reduzir o volume de transporte.
O concentrado ou filtrado líquido normalmente retorna amônia significativa e fósforo solúvel para o processo de tratamento de águas residuais. Em instalações maiores, essas cargas secundárias de nutrientes podem justificar o tratamento separado de nitrogênio ou a recuperação de fósforo.
Uma opção cada vez mais importante é a recuperação do fósforo como um produto de fosfato utilizável, em vez de permitir a precipitação descontrolada de estruvita em tubulações, bombas e equipamentos de drenagem.
A disposição dos biossólidos também deve ser considerada durante o projeto do processo.
De acordo com as regras da EPA dos EUA, Classe A e Classe B referem-se principalmente a requisitos de redução de patógenos , e eles carregam diferentes requisitos de gestão para aplicação de terras. Os biossólidos de Classe B ainda podem conter patógenos detectáveis e, portanto, exigem restrições locais, enquanto os biossólidos de Classe A atendem a requisitos mais rigorosos de redução de patógenos.
A digestão anaeróbica por si só não deve, portanto, ser automaticamente descrita como produtora de “biossólidos Classe A”. O conjunto completo de tratamento e os critérios aplicáveis da Parte 503 determinam a classificação final.
A inicialização deve ser gradual.
Uma sequência prática inclui:
Carregar imediatamente um novo digestor até a capacidade máxima projetada pode permitir que a produção de ácido ultrapasse a população metanogênica em desenvolvimento.
Do ponto de vista económico, o melhor digestor de águas residuais não é necessariamente o reactor que produz o máximo de biogás possível. Os operadores devem comparar a energia de aquecimento e mistura, a poupança na eliminação de sólidos, o consumo de produtos químicos, a manutenção, a utilização de biogás, o tratamento de fluxo secundário de nutrientes e o potencial RNG ou receitas de energia como um equilíbrio integrado.
O desempenho do digestor começa com a caracterização precisa de águas residuais e lodo.
Antes de selecionar um reator, sistema de mistura, unidade de tratamento de gás ou equipamento de tratamento de águas residuais associado, defina a carga esperada de sólidos, características de DQO, temperatura, teor de enxofre e nitrogênio, exigência de HRT, rota final de biossólidos e uso pretendido do biogás.
Tecnologia Ambiental Co. de Hangzhou Nihao, Ltd. fornece produtos para tratamento de águas residuais e apoia projetos de tratamento municipais e industriais com seleção de equipamentos orientados ao processo.
Se você estiver planejando um novo sistema de tratamento de águas residuais ou modernizando um processo biológico existente, entre em contato Água Nihao com sua vazão, características de águas residuais, meta de tratamento e informações de processo existentes. Nossa equipe pode ajudar a avaliar configurações de tratamento adequadas e equipamentos de suporte para todo o trem de tratamento de águas residuais.
Os quatro estágios são hidrólise, acidogênese, acetogênese e metanogênese. O material orgânico complexo é primeiro convertido em compostos solúveis, depois em ácidos voláteis e outros intermediários, seguidos por acetato e hidrogênio e, finalmente, metano e dióxido de carbono.
A digestão mesofílica normalmente opera em torno de 30-38°C, sendo aproximadamente 35°C amplamente utilizada para digestores de lodo municipais. A digestão termofílica normalmente opera em torno de 50–57°C. Os sistemas termofílicos podem proporcionar reações biológicas mais rápidas e maior redução de patógenos, mas geralmente são mais sensíveis a mudanças de temperatura e distúrbios de processo.
O HRT determina quanto tempo o material permanece no reator, enquanto o OLR representa quanto material orgânico é aplicado por unidade de volume do reator por dia. Carga excessiva combinada com retenção insuficiente pode causar acúmulo de AGV porque a formação de ácido excede a capacidade de conversão metanogênica.
Espuma may be associated with filamentous organisms, high protein or fat loading, rapid gas production, poor mixing, feed variations, and accumulated scum. Control measures include identifying the source, correcting loading or mixing conditions, managing feedstocks, and removing accumulated foam or scum where necessary.
O biogás bruto é limpo para remover água, sulfeto de hidrogênio, dióxido de carbono e contaminantes como siloxanos e COVs. As tecnologias podem incluir carvão ativado, meios de ferro, membranas, adsorção com oscilação de pressão e sistemas de lavagem. O RNG com qualidade de gasoduto normalmente requer uma concentração de metano muito maior do que o gás digestor não tratado.
Muitos digestores municipais visam cerca de 40-60% de destruição de sólidos voláteis, dependendo da biodegradabilidade do lodo e do design do processo. Nos Estados Unidos, a redução de 38% de sólidos voláteis é particularmente importante porque é uma opção da EPA para demonstrar a redução da atração de vetores sob 40 CFR Parte 503.
Os principais perigos incluem risco de incêndio e explosão de metano, toxicidade de sulfeto de hidrogênio, atmosferas deficientes em oxigênio, gás pressurizado, espaços confinados e equipamentos móveis. As instalações devem usar detecção de gás adequada, ventilação, proteção contra pressão e vácuo, controle de chamas, classificação elétrica, procedimentos em espaços confinados, sistemas de desligamento de emergência e procedimentos operacionais específicos do local. OSHA aplicável, código de incêndio, código elétrico e requisitos locais devem ser revisados durante o projeto e operação do sistema.
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