ES2205204T3 - Procedimiento de depuracion biolagica de aguas residuales. - Google Patents

Abstract

LA PRESENTE INVENCION TRATA DE UN PROCEDIMIENTO PARA LA PURIFICACION BIOLOGICA DE AGUA RESIDUAL, EN EL CUAL UNA CORRIENTE DE LIQUIDO QUE YA HA SIDO LIBERADA DE SUSTANCIAS NO DISUELTAS POR MEDIO DE UN PROCEDIMIENTO DE SEPARACION DE MEMBRANA SE SUMINISTRA A LA ETAPA DE PURIFICACION BIOLOGICA AEROBICA.

Description

Procedimiento de depuración biológica de aguas residuales.

La presente invención se refiere al campo de tratamiento de las aguas residuales, en particular al tratamiento de las aguas residuales municipales e industriales,

Teniendo en cuenta que cualquier forma de biomasa, también los residuos orgánicos, representan energía solar combinada con el carbono y que el manejo ahorrativo de la energía representa el precepto de actuación máximo para el futuro, debe contemplarse la técnica de depuración actual bajo otro aspecto.

El estado actual del campo de las plantas depuradoras presenta estanques de aguas residuales abiertos. Dado que en la aireación de estanques abiertos no se puede impedir que se formen aerosoles y también se pueden emitir sustancias volátiles contenidas en las aguas residuales, las plantas depuradoras a menudo se construyen alejadas de las zonas pobladas, debido a las molestias resultantes debidas a los olores. Esto da lugar a unos elevados costes (costes de material de energía) para el tendido de las canalizaciones. Al mismo tiempo, una canalización larga no es otra cosa que un biorreactor tubular en el cual se transforma sustancia orgánica de manera muy incontrolada. Dado que en la red de alcantarillado no se puede impedir la entrada de oxígeno, se produce una mineralización aerobia, es decir, que el 50% de las sustancias orgánicas que allí se transforman se pierden en forma de calor no utilizable técnicamente. En esta transformación predominarán anaerobios facultativos, puesto que no siempre está garantizado el suficiente suministro de oxígeno. Incluso si se separan en la depuración previa no se pueden disgregar en la torre de putrición y por lo tanto no están disponibles para la obtención de energía. Acaban desaprovechados en el vertedero, causando allí problamente los subsiguientes problemas.

En los estanques de activación se efectúa la aportación de oxígeno no de forma análoga a la aportación de CSB y en los estanques de poca profundidad el aprovechamiento del oxígeno del aire es a menudo muy reducido con relación a la potencia aportada. En comparación con el estado de los conocimientos, aquí se destruye masivamente energía. Igualmente es muy reducida la concentración de los biocatalizadores, en especial de los organismos activos, de manera que la velocidad de reacción en los estanques de activación es sumamente pequeña. Pero como a los estanques de activación llegan también otras sustancias sólidas distintas a los biocatalizadores activos, no hay posibilidad de aumentar específicamente la concentración de biocatalizadores.

La desnitrificación previa y el retorno de un caudal parcial de aguas residuales después de la nitrificación en la activación a la desnitrificación anaerobia, fomenta el desarrollo de anaerobios facultativos en los lodos secundarios. Se ha propuesto incrementar la edad de los fangos, disponiendo a continuación un círculo. Esta forma de trabajar apunta hacia una mayor consumición de los lodos, puesto que por la disminución de sustancia orgánica causada por la repetida oxidación de biomasa descompuesta, se transforma energía en calor que no es utilizable.

Los anaerobios facultativos que se forman preferentemente, por su parte se resisten a la putición (véase arriba). Por lo tanto, ya no están disponibles para un reciclado material/energético. Además, debido al elevado retorno hidráulico, se incrementa notablemente el volumen de los biorreactores.

Las torres de digestión sirven para estabilizar los lodos de depuradora antes de su esparcido en la agricultura o en el vertedero. En cuanto a su tiempo de permanencia y su integración en las redes de energía no están diseñadas como instalaciones de producción neta de energía. La separación física entre la planta depuradora y los consumidores de calor no permite efectuar un acoplamiento de fuerza-calor eficaz por medio de centrales de bloque. En el caso más favorable se convierte el gas de putrición en corriente que sirve exclusivamente para reducir el consumo de energía eléctrica en la planta depuradora. No es raro que se queme el gas de putrición en la antorcha. Los largos períodos de permanencia en las torres de digestión no solamente hacen perecer de inanición las bacterias que canalizan el proceso de digestión, sino que ocasionalmente incluso dan lugar a un mayor consumo de energía en la termostatización del material de putrición, debido a las condiciones desfavorables de producción volumétrica de energía y radiación de calor en invierno.

Por motivos de economía empresarial, la depuración industrial de aguas residuales ha encontrado aquí mejores planteamientos para resolver el problema, si bien las realizaciones técnicas solamente han tenido lugar en el curso de los últimos 10-15 años. Se pueden citar aquí las biologías de torre/elevadas de las empresas Bayer AG y Hoechst AG o los experimentos con reactores técnicos de lecho turbulento de Gist-Brocades. Al mismo tiempo, la industria ha reconocido también las ventajas económicas que ofrece la depuración anaerobia de las aguas residuales frente a la depuración aerobia, que ha empleado especialmente en el campo de la industria de los productos alimenticios, reactores de biogás para la depuración de las aguas residuales.

También hay que hacer mención a la memoria de patente US 5.039.416 de Loew y cols., que se ocupa del tratamiento de las aguas residuales industriales, especialmente bajo el aspecto de que tales aguas residuales contienen proporciones importantes de carbono orgánico no biodegradable. Loew y cols. proponen combinar otras fases del proceso, tales como la adsorción u oxidación (para el tratamiento de aguas residuales que contengan colorantes y similares), con una fase de separación en membrana, pero no concretan de qué naturaleza es el concentrado o retentado que se produce y no dan ninguna indicación relativa a su ulterior tratamiento o aprovechamiento, ya que allí no juega ningún papel el tratamiento de las sustancias orgánicas contenidas.

El objeto de la presente invención es el de modificar la depuración biológica de las aguas residuales, en particular la de las aguas residuales municipales o industriales, de tal manera que se puedan emplear equipos que ocupen poco espacio, que se puedan instalar en las proximidades de las fuentes de origen de las aguas residuales, mientras que al mismo tiempo el balance energético del conjunto del proceso resulte lo más favorable posible.

Este objetivo se resuelve mediante el procedimiento conforme a la reivindicación 1.

Antes de comenzar las diversas reacciones de fermentación orgánica posibles, pero en particular antes de comenzar la descomposición aerobia, se lleva a cabo una separación cuantitativa de las sustancias no disueltas, sirviéndose de un procedimiento de separación por membrana. Una separación de este tipo puede efectuarse, por ejemplo, con una membrana de microfiltración, una membrana de nanofiltración, una membrana de ultrafiltración, pero también mediante ósmosis inversa como última y eventualmente única fase de separación. Eventualmente puede haber varias fases de separación consecutivas siguiendo un orden razonable (de grueso a fino), por ejemplo, una microfiltración antes de una ultrafiltración. También se pueden situar previamente fases exentas de presión tales como una filtración gruesa. Las membranas cerámicas de microfiltración o también de ultrafiltración, que solamente están disponibles desde hace poco tiempo, ofrecen para su empleo como medio de separación unos flujos transmembránicos elevados, una buena posibilidad de regeneración y persistencia.

La separación cuantitativa de las sustancias orgánicas sólidas y de otras sustancias no disueltas, que no era posible de acuerdo con el estado de la técnica, la declaración previa en forma de sedimentación, da lugar a que se formen dos flujos de sustancias, concretamente un concentrado y un filtrado (excepto en el caso de la ósmosis inversa, donde junto al concentrado aparece agua como “diluado”). El concentrado se puede ajustar a un contenido de sustancias sólidas del 3 al 5% en peso de sustancia seca, preferentemente del 5 al 12% en peso y muy preferentemente de aproximadamente un 10% en peso de sustancia seca. Con tal concentración, el flujo de concentrado es especialmente adecuado para ser conducido directamente a la fermentación anaerobia en un biorreactor, por ejemplo en una torre de digestión. Dentro de la gama de concentración indicada como preferida ha resultado especialmente adecuada la mecanización de la sustancia orgánica. Las medidas conformes a la invención permiten una elevada carga espacial (es decir, unos reactores de pequeñas dimensiones) con un grado de descomposición máxima y acoplado con ello con máximo rendimiento energético.

El filtrado procedente de la fase de separación mediante membrana contiene únicamente compuestos orgánicos disueltos que pueden atravesar la membrana correspondiente. De esta manera se puede excluir un enriquecimiento de sustancia orgánica sólida, que sea biomasa que no se multiplique activamente. Por ese motivo, la fermentación aerobia, que sigue a la fase de separación, tiene sólo una carga reducida, ya que la mayor parte de la masa orgánica se había conducido a la fase anaerobia (máximo reciclado energético). De esta manera se reduce también la necesidad de oxígeno en la fase biológica aerobia en comparación con el estado de la técnica (reducido consumo de energía). Todas las bacterias necesarias para la descomposición del CSB están siempre disponibles y solo las activas se multiplican específicamente.

Como fase de activación se elige preferentemente un biorreactor cerrado que pueda mezclarse plenamente con una elevada concentración del catalizador biológicamente activo. Se prefieren biorreactores con O_{2} regulado, un rendimiento de descomposición análogo al actual mediante bacterias activas y presentes en una concentración elevada, en reactores esbeltos y elevados con una tecnología de aportación de O_{2} que ahorre energía, ya que de esta manera se ahorran cantidades considerables de energía procedente de orígenes fósiles y al mismo tiempo se puede reducir el espacio necesario para la depuración de las aguas residuales. Para conseguir una elevada concentración del catalizador y por lo tanto unas tasas de productividad elevadas, es recomendable dar el biorreactor (fermentador) con un sistema de retención celular. Esto da lugar a unas productividades notablemente superiores. Para el retorno celular se toma un caudal parcial del fermentador y se conduce en circuito cerrado a través de un sistema de retención celular. Este también puede consistir en un filtro de membrana o incluir uno. Del sistema de retención celular se extrae un flujo de permeado exento de células. El retentado se devuelve al fermentador.

Al mismo tiempo puede estar prevista la segregación mediante esclusas del material del biocatalizador (lo que se denomina un “Bleedstrom”). En ese caso se controla la concentración de los biocatalizadores por medio del caudal de retorno y del Bleedstrom, es decir, la velocidad de segregación de los biocatalizadores fuera del reactor y se regula dentro de la gama óptima referida al caudal de agua de entrada y a la carga de CSB. Unas concentraciones altas de biomasa permiten unos tiempos de permanencia mínimos y la biomasa submersa en el fermentador garantiza unas tasas de depuración altas, a diferencia de la biopelícula de los reactores, que en la actualidad se utiliza generalmente, ya que desaparecen las limitaciones de difusión como sucede en la biopelícula.

La concentración de biocatalizadores que pueden conseguirse en el fermentador puede alcanzar como mínimo hasta 40 g/l. Caben incluso concentraciones superiores, si bien entonces el abastecimiento de oxígeno resulta más desfavorable. Si se alcanzan concentraciones tan elevadas, resulta que también el Bleed-Strom esclusaba hacia fuera puede presentar un contenido de biomasa de 40 g/l. Este es un valor que es el doble de alto que el que se consigue mediante el empleo de los reactores usuales.

El Bleestrom extraído se puede conducir también directamente a un fermentador anaerobio, por ejemplo, a la misma torre de digestión a la que se condujo el concentrado procedente de la primera fase de infracción por membrana.

A diferencia de la práctica seguida hasta ahora, se pueden descomponer lodos de depuradora con unos tiempos de permanencia muy cortos alcanzando un grado de putrición muy elevado, con lo cual quedan también automáticamente estabilizados. Unos reactores de menores dimensiones con una elevada producción volumétrica de gas darán lugar a unas menores pérdidas por radiación y mayor producción de energía neta. Si los reactores que producen energía neta están situados, tal como ya se exige para los reactores de depuración, en las proximidades de las zonas de aglomeración, puede conseguirse por medio de un acoplamiento fuerza calor eficaz llegar a triplicar la emisión de energía neta. Otra mejora se consigue mediante el ya citado incremento de concentración del afluente al biorreactor en cuanto a sustancias orgánicas, con lo cual se puede incrementar aún más el rendimiento energético.

La citada combinación de fases de proceso permite otros complementos: así, por ejemplo, el filtrado del procedimiento de separación por membrana previo se puede depurar primeramente de sustancias inorgánicas disueltas que todavía estén presentes, antes de someterlo a la fermentación aerobia. Esta separación puede efectuarse, por ejemplo, mediante precipitación con una base (por ejemplo, para eliminar el calcio y el fosfato), o bien por reextracción al vapor (para eliminar el amoníaco o similares).

El flujo de permeado exento de células que sale de la fermentación aerobia está en perfectas condiciones higiénicas y se puede conducir directamente al cauce de desagüe. No hay necesidad de emplear medios auxiliaries de precipitación y sedimentación. Eventualmente se puede disponer a continuación una nitrificación y/o desnitrificación en la forma usual.

A continuación se trata de explicar con más detalle la presente invención, así como una serie de posibles fases de proceso complementarias, sirviéndose del dibujo esquemático de la Figura 1.

En la Figura 1 se observa la afluencia de aguas residuales a un Módulo 1, en el cual tiene lugar la separación cuantitativa de las sustancias no disueltas sirviéndose de un procedimiento de separación por membrana, según la reivindicación 1. El concentrado se conduce a una torre de digestión 9. El flujo claro, que sólo contiene compuestos disueltos, se somete en 2 a una reextracción al vapor para eliminar las sustancias acompañantes inorgánicas. El flujo claro que se ha continuado depurando de esta manera entra ahora en el fermentador 3, que por la representación esquemática de un agitador y la aportación de O_{2} debe estar caracterizado como un biorreactor regulado por O_{2}, cerrado y plenamente miscible. Desde éste se puede extraer del fermentador un flujo parcial a través de la conducción de salida 5, introduciéndolo en el sistema de retención celular 4, cuyo flujo de retentado 6 se devuelve al fermentador, mientras que el filtrado 7 se puede conducir a otras fases de tratamiento previo, antes de pasar al cauce de desagüe. Del fermentador 3 se puede esclusar al exterior además un Bleedstrom a través de la conducción 8, que en la torre de digestión 9 se continúa tratando de forma anaerobia.

El filtrado 7 procedente del sistema de retención celular 4 se puede conducir a una nitrifiación/desnitrificación, que puede realizarse igual que la fermentación aerobia en un reactor 10 plenamente miscible con retorno celular 11. También aquí se puede controlar y regular el Bleedstrom 8' que va a la torre de digestión 9 así como el caudal de retorno mediante el cual se devuelve el retentado a través de 12 al fermentador 3, de tal manera que el reactor 10 trabaje dentro de su gama óptima. Antes de conducir el filtrado 13 al cauce de desagüe se pueden separar otras impurezas inorgánicas; en el dibujo esquemático se indica aquí a título de ejemplo la precipitación del fosfato 14. El sobrante o filtrado de esta etapa se elimina entonces de la forma usual.

La ventaja de la separación por membrana antes descrita es que toda la depuración de las aguas residuales transcurre en sistemas totalmente cerrados, gracias a las medidas objeto de la invención, ocupa sólo un espacio reducido, de manera que el tratamiento de las aguas residuales se puede instalar en el interior de las ciudades (lo que a su vez da lugar a ahorros en el tendido de la red de alcantarillado), no presenta ningún problema desde el punto de vista de la higiene, de manera que el cauce de desagüe no recibe o recibe sólo una carga mínima de gérmenes, además es flexible y se puede aumentar de escala, de manera que resulta también adecuada para unos caudales muy diversos, en función de las necesidades. El procedimiento es además sumamente ventajoso desde el punto de vista del balance energético, ya que una proporción muy elevada de la materia orgánica afluente se conduce directamente al reactor de biogás para su aprovechamiento.

Claims (10)

1. Procedimiento para la depuración biológica de aguas residuales, caracterizado porque antes de la o de una primera fase de depuración biológica aerobia tiene lugar una separación cuantitativa de sustancias no disueltas, sirviéndose de un procedimiento de separación por membrana, donde

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el caudal de filtrado obtenido durante la separación por membrana se conduce a una fermentación aerobia, y

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el caudal de concentrado obtenido durante la separación por membrana se conduce a una fermentación anaerobia.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el procedimiento de separación por membrana es de una o múltiples etapas, donde la etapa única o última se puede elegir entre diversas filtraciones tales como microfiltración, nanofiltración y ultrafiltración, así como ósmosis inversa.

3. Procedimiento según las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque el contenido de sustancias sólidas en el flujo de concentrado se ajusta a un 3-15% en peso.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, donde antes de la fermentación aerobia se separan del caudal de filtrado las sustancias acompañantes inorgánicas.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque la eliminación de las sustancias acompañantes inorgánicas se realiza por precipitación o reextracción al vapor.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el flujo de filtrado se somete a una fermentación aerobia en un fermentador ventilado, totalmente miscible, donde las células del caldo de fermentación que sale del fermentador se retienen para una operación posterior mediante una unidad de filtración y se reconducen parcial o totalmente.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque la concentración de los biocatalizadores en el fermentador aerobio se controla por medio del caudal de retorno y el caudal de exclusado hacia fuera del biocatalizador del reactor y se regula a un campo óptimo.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 6 ó 7, caracterizado porque el filtrado del caldo de fermentación conducido a una unidad de filtración se conduce a un cauce de desagüe, eventualmente después de nitrificación y/o desnitrificación y/o precipitación del fosfato.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los biocatalizadores exclusados fuera del reactor de fermentación aerobio se conducen a un biorreactor anaerobio.

10. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado porque el flujo de concentrado obtenido durante la separación por membrana y los biocatalizadores exclusados fuera se conducen al mismo biorreactor anaerobio.