PT1409924E

PT1409924E - A full-scale automated system for the destruction of air pollutants originating from wastewater treatment plants

Info

Publication number: PT1409924E
Application number: PT01904231T
Authority: PT
Inventors: Nicholas P Pittas
Original assignee: Nicholas P Pittas
Priority date: 2000-02-15
Filing date: 2001-02-15
Publication date: 2007-12-07
Also published as: AU2001232142A1; EP1409924B1; EP1409924A1; ES2291292T3; CY1106953T1; WO2001061247A1

Description

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Descrição “Sistema automático à escala real para a destruição de poluentes do ar provenientes de estações de tratamento de águas residuais”Description "Full-scale automatic system for the destruction of air pollutants from waste water treatment plants"

As estações de tratamento de águas residuais municipais e as instalações industriais análogas geram poluentes do ar, os quais compreendem odores que se dispersam para as regiões adjacentes. A necessidade de melhorar a qualidade do ar, bem como de fazer com que o tratamento de águas residuais seja um processo mais aceitável sob o ponto de vista social, faz com que seja obrigatório encontrar uma solução para este grave problema. A patente de invenção norte-americana n° 4 311 593 diz respeito a um método para reduzir a necessidade das águas residuais em oxigénio, em particular nos efluentes provenientes de processos de fermentação e de destilação que possuam uma composição parcialmente orgânica, vulgarmente conhecidos por mosto. De acordo com a patente de invenção norte-americana n° 4 311 593, introduz-se a água residual num fermentador anaeróbio que é, de um modo geral, um recipiente cilíndrico grande que possui uma cúpula autónoma que é praticamente estanque ao ar para impedir a entrada de ar no fermentador para não destruir o estado anaeróbio, ou livre de oxigénio, ai existente e evitar a libertação de metano para a atmosfera. 0 metano produzido no fermentador, que borbulha até à superfície do fluído aí contido, é recolhido dentro da cúpula e é conduzido até um tanque de armazenamento, a partir do qual é transportado até uma câmara de combustão, que pode ser uma caldeira, para produzir vapor, ou um aquecedor para destilar o melaço fermentado. A invenção propõe um sistema automático à escala real para a destruição de poluentes do ar provenientes de estações de tratamento de águas residuais e de instalações industriais análogas. 0 sistema é constituído por um ou vários ventiladores, em função do sistema aplicado (com ou sem reciclagem), um colector de gás com superfície convexa, normalmente uma cúpula, tubos, um compressor, sensores, 2 um incinerador especialmente modificado, uma chaminé e um caudal de GPL ou outro combustível. A reivindicação 1 diz respeito a um sistema da invenção. 0 sistema da invenção é muito económico e eficaz para a protecção do ambiente atmosférico e para a manutenção de um equilíbrio ecológico, ao mesmo tempo que proporciona vantagens secundárias significativas devido à exploração da energia térmica gerada por um incinerador especialmente modificado. A figura 1 é uma vista esquemática em perspectiva de uma variante de um sistema da invenção. A figura 2 é uma vista esquemática em corte transversal de um incinerador que pode ser utilizado na variante da figura 1. A figura 3 é uma vista esquemática em perspectiva de um misturador turbulento que pode ser utilizado no incinerador da figura 2.Municipal wastewater treatment plants and similar industrial plants generate air pollutants, which comprise odors that disperse to adjacent regions. The need to improve air quality as well as to make waste water treatment a more socially acceptable process makes it imperative to find a solution to this serious problem. U.S. Patent No. 4 311 593 relates to a method for reducing the need for waste water in oxygen, in particular for effluents from fermentation and distillation processes which have a partially organic composition, commonly known as must . According to U.S. Patent No. 4,311,593, waste water is introduced into an anaerobic fermenter which is generally a large cylindrical vessel having an autonomous dome which is substantially airtight to prevent the intake of air into the fermentor so as not to destroy the anaerobic or oxygen-free state therein and to prevent the release of methane into the atmosphere. The methane produced in the fermentor, which bubbles to the surface of the fluid contained therein, is collected inside the dome and is led to a storage tank, from which it is transported to a combustion chamber, which may be a boiler, to produce steam, or a heater for distilling fermented molasses. The invention proposes a full scale automatic system for the destruction of air pollutants from waste water treatment plants and similar industrial plants. The system consists of one or more fans, depending on the system applied (with or without recycling), a gas manifold with a convex surface, usually a dome, pipes, a compressor, sensors, a specially modified incinerator, a chimney and a flow of LPG or other fuel. Claim 1 relates to a system of the invention. The system of the invention is very economical and effective for the protection of the atmospheric environment and for the maintenance of an ecological balance, while providing significant secondary advantages due to the exploitation of thermal energy generated by a specially modified incinerator. Figure 1 is a schematic perspective view of a variant of a system of the invention. Figure 2 is a schematic cross-sectional view of an incinerator that can be used in the variant of Figure 1. Figure 3 is a schematic perspective view of a turbulent mixer that can be used in the incinerator of Figure 2.

Acopla-se estanquemente um colector de gás 3 de superfície convexa a um tanque de tratamento de águas residuais (não representado), para se evitar a fuga de gás. Este equipamento é produzido a partir de um material leve, mas resistente. A biomassa consome cerca de 1 kg 02/m3 de resíduos. Sendo assim, é necessária uma quantidade suficiente de ar para se dar o crescimento da biomassa e a degradação dos compostos. 0 ar (oxigénio) entra no tanque, parcialmente pela sua parte inferior, por meio de um compressor 2 que possui um sistema de tubos finos, e parcialmente a partir da superfície devido ao oxigénio atmosférico. Serão utilizados arejadores de escovas para transferir o oxigénio atmosférico para os resíduos.A convex surface gas manifold 3 is sealed to a waste water treatment tank (not shown) to prevent gas leakage. This equipment is produced from a light but strong material. The biomass consumes about 1 kg 02 / m3 of waste. Thus, a sufficient amount of air is required to give rise to biomass growth and degradation of the compounds. Air (oxygen) enters the tank, partially at its bottom, by means of a compressor 2 having a thin tube system, and partly from the surface due to atmospheric oxygen. Brush aerators will be used to transfer atmospheric oxygen to the wastes.

No topo da cúpula está colocado um ventilador que absorve os gases fétidos e os encaminha para um incinerador 8 (com um sensor de pressão na cúpula) por meio de tubos equipados com duas válvulas de segurança unidireccionais. A mistura de ar e gases fétidos provém da degradação dos resíduos, das bolhas de ar do compressor e da entrada de ar fresco a partir dos furos de ventilação 4 (um só sentido desde a saída até à entrada) existentes 3 na base do perímetro exterior da cúpula. Uma vez que o custo de válvulas unidireccionais é elevado, seria possível utilizar dois ou vários ventiladores 5 na base do perímetro exterior do colector, removendo as válvulas e o ventilador existentes no topo. Também seria possível reciclar a mistura de ar e de gases fétidos, montando um circuito de derivação dos gases de saída da cúpula através do compressor e do ventilador exterior perimétrico, o qual introduzirá sempre ar fresco em intervalos regulares, em função da capacidade da estação de tratamento. 0 objectivo da reciclagem é reduzir a quantidade necessária de ar, apesar de haver um limite para uma boa oxigenação da biomassa. Entre as alternativas apresentadas antes, será escolhida a melhor solução tendo em conta a avaliação económica, a implementação da construção e o custo do combustível.At the top of the dome is a fan which absorbs the foul gases and routes them to an incinerator 8 (with a pressure sensor in the dome) by means of tubes equipped with two unidirectional safety valves. The mixture of air and foul gases is caused by the degradation of waste, air bubbles from the compressor and fresh air from the ventilation holes 4 (one direction from the outlet to the inlet) 3 at the base of the outer perimeter the dome. Since the cost of unidirectional valves is high, it would be possible to use two or more fans 5 at the base of the outer perimeter of the manifold by removing the valves and fan at the top. It would also be possible to recycle the mixture of air and fetid gases by mounting a dome outlet gas bypass circuit through the compressor and the surrounding perimeter fan, which will always introduce fresh air at regular intervals, depending on the capacity of the treatment. The aim of recycling is to reduce the amount of air required, although there is a limit to good oxygenation of the biomass. Among the alternatives presented above, the best solution will be chosen taking into account the economic evaluation, the construction implementation and the cost of the fuel.

Um tal sistema automático à escala real, para a destruição de poluentes do ar, provenientes de estações de tratamento de águas residuais, é novo. 0 sistema automático 1 da invenção, para a purificação de gases poluídos, é constituído pelas unidades seguintes. 1) Um colector de gás 3 com superfície convexa, feito de um material leve e resistente, o qual é acoplado estanquemente a um tanque para o tratamento de águas residuais (não representado). 2) Um exaustor de gases eléctrico automático 6. 3) Um ou vários ventiladores 5 apoiados no perímetro exterior do colector de gás. 4) Válvulas unidireccionais desde o exterior até à entrada da cúpula. 5) Um compressor 2. 6) Tubos 7 que encaminham os gases de exaustão a partir da saída do exaustor até ao incinerador especialmente modificado, equipados com válvulas unidireccionais, sensores, etc., bem como um tubo 9 colocado desde o exterior da cúpula até à entrada do compressor, no caso de se ter implementado a reciclagem. 7) Um incinerador 8 especialmente modificado. 4Such a full scale automatic system for the destruction of air pollutants from waste water treatment plants is new. The automatic system 1 of the invention for the purification of polluted gases is constituted by the following units. A gas manifold 3 having a convex surface, made of a lightweight and resistant material, which is sealed to a waste water treatment tank (not shown). 2) An automatic gas exhaust fan 6. 3) One or more fans 5 resting on the outer perimeter of the gas manifold. 4) Unidirectional valves from the outside to the entrance of the dome. 5) A compressor 2. 6) Pipes 7 which direct the exhaust gases from the exhaust outlet to the specially modified incinerator equipped with unidirectional valves, sensors, etc., as well as a pipe 9 placed from the outside of the dome up to at the compressor inlet, in case the recycling has been implemented. 7) A specially modified incinerator 8. 4

Introduz-se o combustível GPL 83 na chama 87 do incinerador 8 para se fazer a combustão dos gases fétidos 82. Fez-se passar os gases através de um permutador de calor 81 (“labirinto”) para realizar um pré-aquecimento e assim reduzir a quantidade necessária de gás de combustão, GPL, gás natural ou óleo de alcatrão. 0 incinerador e a caldeira têm a constituição seguinte. a) Um “labirinto” 81. Os gases fétidos 82 passam em contra-corrente e são pré-aquecidos. Também mantém a superfície externa do incinerador a uma temperatura reduzida. b) Um “misturador turbulento” 84. Faz aumentar a turbulência (vórtices 85) e consequentemente melhora a mistura do gás. Desta forma, consegue-se uma incineração do gás mais eficaz. c) Um “divisor de chama” 86. Um cone não aerodinâmico altera o fluxo da chama 87 de um modo turbulento e decompõe a chama, espalhando-a numa radial mais ampla. d) Um “catalisador” 88. É possível utilizar facultativamente um catalisador para se conseguir melhores condições de temperatura. No entanto, esta utilização iria aumentar o custo do projecto. Sendo assim, a utilização de um catalisador deverá ser apenas considerada numa base económica. e) Um “conversor térmico suplementar” 12. É possível colocar um conversor térmico suplementar no mesmo incinerador, a partir do qual é possível produzir água quente ou vapor em quantidades que sejam proporcionais à capacidade da unidade de tratamento biológico. Desta forma, é possível satisfazer a necessidade de aquecimento e é possível gerar mais turbulência para se obter uma combustão total. f) Um “acendedor”. É um sistema de ignição do combustível e está ligado automaticamente aos sensores, através dos quais o se introduz o GPL e se faz a sua combustão. g) Um “obstáculo resistente ao fogo” 89. É possível colocar um obstáculo resistente ao fogo entre o incinerador 8 e a chaminé 11 para reduzir as perdas de calor geradas pelos gases de saída. Esta é a razão pela qual a peça de bloqueio é construída sob a forma de um orifício. 5 h) Uma “chaminé” 11. Os produtos de combustão são expelidos pela chaminé. i) Um “tanque de combustivel” 10. O combustível que irá ser utilizado é o GPL. É possível determinar o conteúdo dos produtos de combustão do gás por meio de um analisador de gás e é possível ajustar o caudal 83 do GPL para se obter uma combustão quase perfeita. As quantidades dos gases de saída são expressas em partes por bilião. 8) Aquecedores, os quais são os estabilizadores necessários da humidade relativa na superfície curva interior para evitar problemas de funcionamento do exaustor de gás ou do ventilador.The LPG fuel 83 is introduced into the flame 87 of the incinerator 8 to combust the foul gases 82. The gases are passed through a heat exchanger 81 ("labyrinth") to carry out a preheating and thus reduce the required amount of flue gas, LPG, natural gas or tar oil. The incinerator and the boiler have the following constitution. a) A "labyrinth" 81. The foul gases 82 pass countercurrently and are preheated. It also keeps the outer surface of the incinerator at a reduced temperature. b) A "turbulent mixer" 84. It increases the turbulence (vortices 85) and consequently improves the gas mixture. In this way, a more effective gas incineration is achieved. c) A "flame divider" 86. A non-aerodynamic cone alters the flow of the flame 87 in a turbulent manner and decomposes the flame, spreading it into a wider radial. d) A "catalyst" 88. A catalyst can optionally be used to achieve better temperature conditions. However, this usage would increase the cost of the project. Therefore, the use of a catalyst should only be considered on an economic basis. e) A "supplementary thermal converter" 12. It is possible to place an additional thermal converter in the same incinerator from which it is possible to produce hot water or steam in quantities that are proportional to the capacity of the biological treatment unit. In this way, the heating requirement can be satisfied and more turbulence can be generated to achieve total combustion. f) A "lighter". It is a fuel ignition system and is automatically connected to the sensors through which the LPG is introduced and burns. g) A "fire-resistant obstacle" 89. A fire-resistant obstacle may be placed between the incinerator 8 and the chimney 11 to reduce the heat losses generated by the exhaust gases. This is the reason why the locking part is constructed in the form of a hole. 5 h) A "chimney" 11. The combustion products are expelled by the chimney. i) A "fuel tank" 10. The fuel to be used is the LPG. It is possible to determine the content of the gas combustion products by means of a gas analyzer and it is possible to adjust the LPG flow rate 83 for nearly perfect combustion. The quantities of the outgoing gases are expressed in parts per billion. 8) Heaters, which are the necessary stabilizers of the relative humidity on the inner curved surface to avoid operating problems of the gas exhaust fan.

Todo o sistema será equipado com sensores e totalmente automático. O sistema é bastante económico e necessário para a protecção do ambiente e para a manutenção do equilíbrio ecológico, obtendo-se também benefícios devido à produção de energia térmica. EXEMPLO: aplicação da invenção numa estação de tratamento de águas residuais de um hotel (200 camas).The entire system will be equipped with sensors and fully automatic. The system is very economical and necessary for the protection of the environment and for the maintenance of the ecological balance, obtaining also benefits due to the production of thermal energy. EXAMPLE: Application of the invention to a hotel wastewater treatment plant (200 beds).

Tipicamente, a composição dos poluentes do ar provenientes destas estações de tratamento de águas residuais é a seguinte: Sulfureto de hidrogénio - H2S (5000-50000 p.p.b.), Metil-mercaptano - CH3SH (100-1000 p.p.b.),Typically, the composition of the air pollutants from these waste water treatment plants is as follows: Hydrogen sulfide - H2S (5000-50000pp.b.), Methyl mercaptan-CH3SH (100-1000pp.b.)

Trissulfureto de dimetilo - (CH3)2S3 (200-2000 p.p.b.), Tetrassulfureto de dimetilo - (CH3)2S4 (20-200 p.p.b.), Sulfureto de dimetilo - (CH3)2S (200-2000 p.p.b.), Dissulfureto de dimetilo - (CH3)2S2 (1000-5000 p.p.b.), Amoníaco - NH3 (0-10000 p.p.b) e Dissulfureto de carbono - CS2 (20-200 p.p.b.).Dimethylsulphidesulfide - (CH3) 2S3 (200-2000 ppb), Dimethyl tetrasulphide - (CH3) 2S4 (20-200 ppb), Dimethylsulphide - (CH3) 2S (200-2000 ppb), Dimethyl disulphide CH3) 2S2 (1000-5000 ppb), Ammonia-NH3 (0-10000 ppb) and Carbon Disulfide-CS2 (20-200 ppb).

As reacções químicas de combustão dos compostos anteriores são: Sulfureto de hidrogénio H2S + 3/202 -> H20 + S02The chemical reactions of the combustion of the above compounds are: Hydrogen sulfide H2S + 3/202 - > H20 + S02

Metil-mercaptano CH3SH + 02 -> S02 + CH4 6Methyl mercaptan CH3SH + 02 - > S02 + CH4 6

Trissulfureto de dimetilo (CH3)2S3 + 302 -> 3S02 + C2H6Dimethyl trisulfide (CH3) 2S3 + 302 - > 3S02 + C2H6

Tetrassulfureto de dimetilo (CH3)2S4 + 402 -» 4S02 + C2H6 C2H6 + 7/202 -» 2C02 + 3H20Dimethyl tetrasulfide (CH3) 2S4 + 402 -> 4S02 + C2H6 C2H6 + 7/202 -> 2CO2 + 3H20

Sulfureto de dimetilo (CH3)2S + 02 S02 + C2H6Dimethyl sulfide (CH3) 2S + 02 SO2 + C2H6

Dissulfureto de dimetilo (CH3)2S2 + 202 -> 2S02 + C2H6Dimethyl disulfide (CH3) 2S2 + 202 - > 2S02 + C2H6

Amoníaco NH3 + 5/202 -» 2N0 + 3H20 + 140 kcalAmmonia NH3 + 5/202 - »2N0 + 3H20 + 140 kcal

Dissulfureto de carbono CS2 + 302 -» C02 + 2S02 GásCarbon disulfide CS2 + 302 -> CO2 + 2S02 Gas

CxHy + (x+(l/4)y)02 -» xC02 + (y/2)H20 + energia A cúpula (uma superfície convexa que é acoplada estanquemente aos tanques de tratamento de águas residuais) irá ser construída a partir de chapas de ferro de 6 mm, de forma a evitar perdas devido à soldadura das chapas de ferro. A biomassa consome 1 kg de 02 por m3 de resíduos e são necessários cerca de 670 m3 de ar por dia (28 m3/h) . Com base nestas considerações, far-se-á o dimensionamento do sistema (com o ventilador colocado na base da cúpula e um outro em espera) com distribuição uniforme do ar na base da cúpula, através de um canal perimétrico para a oxigenação da biomassa, para assim se conseguir efectuar a degradação na parte interior da cúpula.The dome (a convex surface which is sealed to the waste water treatment tanks) will be constructed from sheet metal in order to avoid losses due to the welding of the iron plates. The biomass consumes 1 kg of 02 per m3 of waste and requires about 670 m3 of air per day (28 m3 / h). Based on these considerations, the system will be dimensioned (with the fan placed at the base of the dome and another one in standby) with uniform distribution of the air at the base of the dome, through a perimeter channel for the oxygenation of the biomass, so as to achieve degradation in the inner part of the dome.

Para o dimensionamento do exaustor de gás 6 (ventilador) colocado no topo da cúpula (superfície convexa), a quantidade necessária de ar será igual ao resultado da soma de 28 m3/h com o caudal de ar do compressor (m3/h) necessário para a oxigenação da biomassa. Far-se-á borbulhar o ar (oxigénio) através de um sistema de tubos finos colocados na parte inferior da estação. A seguir, apresentar-se-á o dimensionamento dos tubos e as definições das válvulas unidireccionais. O dimensionamento do incinerador 8 será feito com base na velocidade de mistura do gás (gases fétidos + GPL) a partir do misturador turbulento, para evitar a extinção da chama. É possível utilizar um catalisador para se conseguir efectuar a conversão a temperaturas mais reduzidas. 7For the design of the gas hood 6 (fan) placed at the top of the dome (convex surface), the required amount of air will equal the result of the sum of 28 m3 / h with the compressor airflow (m3 / h) required for the oxygenation of the biomass. The air (oxygen) will be bubbled through a system of thin tubes placed at the bottom of the station. The sizing of the tubes and the definitions of the unidirectional valves are presented below. The size of the incinerator 8 will be based on the rate of mixing the gas (fetid gases + LPG) from the turbulent mixer to avoid flame extinction. A catalyst can be used to achieve conversion at lower temperatures. 7

Todas as operações do sistema irão envolver sensores e serão controladas de forma automática por CLP. 0 sistema irá incluir um equipamento analítico portátil para a monitorização de todos os gases poluentes, podendo o caudal de GPL ser regulado para se atingir uma combustão quase perfeita.All system operations will involve sensors and will be controlled automatically by PLC. The system will include portable analytical equipment for the monitoring of all pollutant gases, and the LPG flow rate can be regulated to achieve almost perfect combustion.

No caso de se utilizar GPL, calcula-se que o custo seja de € 3,75/dia, ao passo que se prevê, no caso de se utilizar a reciclagem, um custo de € 2,49/dia.In the case of GPL, the cost is estimated at € 3.75 / day, while recycling costs are expected to cost € 2.49 / day.

Lisboa,27 de Novembro de 2007Lisbon, November 27, 2007

Claims

An automatic system comprising a gas manifold (3) with a convex surface, which is to be sealed to a tank of a waste water treatment plant, characterized in that an automatic gas extractor (6) is placed on the top of the manifold, unidirectional valves, or fan, placed at the base of the outer perimeter of the gas manifold to allow fresh air to enter from the outside of the manifold and tubes (7) which direct the gases collected from the outlet of the manifold to an incinerator (8) in which the gases collected by means of fuel (83) from a tank (10) are burned to destroy air pollutants from the waste water treatment plant, where the incinerator is constituted by a labyrinth, a turbulent mixer, a flame divider and a lighter, the combustion products being released by a chimney (11).

A system according to claim 1, wherein the incinerator (8) is prepared to use LPG, natural gas or tar oil.

A system according to one of claims 1 or 2, wherein the incinerator (8) comprises a catalyst (88).

A system according to any one of claims 1 to 3, wherein the labyrinth is a heat exchanger (81) for preheating the gases to be burned.

A system according to any one of claims 1 to 4, comprising said unidirectional valves and also a fan in the gas exhaust fan (6). 2

A system according to any one of claims 1 to 4, comprising a fan placed in the base of the gas manifold (3).

A system according to any one of claims 1 to 6, comprising a heat converter (12) for the production of hot water or steam.

A system according to any one of claims 1 to 7, which comprises a compressor (2) for supplying air to the tank.

A system according to any one of claims 1 to 8, which has elements (9, 2) comprising pipes from an outlet of the gas manifold (3) to an inlet of a compressor, to recycle the gases collected up to to the sewage treatment plant tank.

A system according to claim 9, wherein the gas extractor (6) is arranged to direct a portion of the collected gases to the recycle elements and the remainder to the incinerator (8). Lisbon, November 27, 2007