ES2231728T3 - Procedimiento y dispositivo para el tratamiento de aguas residuales lodos de clarificacion y sustratos organicos. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para reducir o evitar la formación de lodo hinchado, lodo flotante y / o espuma, de modo que se trata agua residual que contiene microorganismos floculantes y filamentosos, lodo de clarificación o sustratos orgánicos utilizados en las instalaciones de biogás, caracterizado porque el agua residual, el lodo de clarificación o los sustratos se conducen en una tubería (2, 4) y a través de como mínimo un estrechamiento (3) dispuesto en la tubería (2, 4), y se someten a una solicitación de cizalladura que es suficiente para reducir la proporción relativa del número de microorganismos filamentosos respecto a los microorganismos floculantes, de modo que la solicitación de cizalladura se genera mediante una circulación turbulenta, y de modo que la velocidad de flujo del agua residual, del lodo de clarificación o de los sustratos orgánicos al pasar a través del estrechamiento (3) de la tubería (2, 4) aumenta con una presión decreciente, de modo que a continuación se genera una cavitación en el agua residual, en el lodo de clarificación o en los sustratos orgánicos.

Description

Procedimiento y dispositivo para el tratamiento de aguas residuales, lodos de clarificación y sustratos orgánicos.

La invención se refiere a un dispositivo y un procedimiento para tratar aguas residuales que contienen microorganismos filamentosos y floculantes, lodos de clarificación o sustratos orgánicos utilizados en instalaciones de biogás para reducir o evitar la formación de lodo hinchado, lodo flotante y/o espuma.

En instalaciones depuradoras con etapas depuradoras biológicas siempre se vuelven a producir problemas de funcionamiento que deben atribuirse a agrupaciones de lodos flotantes o que no sedimentan, especialmente en estanques aireados y en estanques de decantación secundaria.

Para un funcionamiento estable de una instalación depuradora es necesario que la biomasa empleada para depurar las aguas residuales, la cual comprende los microorganismos utilizados para la depuración, se separe del agua residual depurada. Por lo general, en el procedimiento de aireación, la biomasa se separa por sedimentación en un estanque de decantación secundaria, y se reconduce parcialmente o por completo al estanque aireado. Por tanto, un funcionamiento sin fallos de una instalación depuradora con etapas depuradoras biológicas requiere una biomasa que sedimente bien o un lodo activado que sedimente bien.

La biomasa utilizada en el estanque aireado es una biocenosis mixta de los más diversos microorganismos. En la biocenosis mixta están incluidas, entre otras, bacterias filamentosas o bacterias filiformes, y bacterias floculantes.

Las agrupaciones de lodos flotantes o que no sedimentan se forman en caso de un crecimiento multiplicado de bacterias filamentosas, que entonces se agrupan para formar un trenzado filiforme. Este trenzado filiforme obstaculiza considerablemente el proceso de espesamiento y sedimentación del lodo activado. Las agrupaciones de lodos flotantes se componen en su mayoría de lodo hinchado, lodo flotante y espuma.

El lodo hinchado, el lodo flotante y la espuma también pueden formarse cuando el agua residual contiene pequeñas burbujas de gas dispersadas de forma muy fina, sustancias hidrófobas contenidas en el agua residual y/o estructuras celulares, así como sustancias tensioactivas.

Es muy complicado o imposible un funcionamiento estable de una instalación depuradora biológica al formarse lodo hinchado, lodo flotante o espuma.

A partir del documento DE 198 43 862 A1 se conoce un procedimiento para evitar la formación de lodo flotante y/o hinchado en instalaciones depuradoras, en el que el lodo que contiene biomasa se trata con ultrasonido.

A partir del documento DE 195 17 381 C1 se conoce otro dispositivo para destruir estructuras celulares en lodos de instalaciones depuradoras biológicas utilizando una solicitación de ultrasonidos.

Es una desventaja que estos procedimientos sean costosos en el aspecto técnico y se exijan requisitos elevados a los operarios.

En KA-Wasserwirtschaft, Abwasser, Abfall 2001 (48) Nº 5, páginas 598 a 604, se discute el empleo de agentes de relleno y floculación sobre una base de polialuminio, tal como, por ejemplo, hidróxido de polialuminio o cloruro de polialuminio. No obstante, el empleo de dichos agentes de relleno y floculación está unido a considerables gastos adicionales.

En WAP (Wasser Abwasser Praxis) 3/99, páginas 25 a 31, se da a conocer que mediante la trituración mecánica de lodos hinchados y flotantes se generan agrupaciones más pequeñas que presentan propiedades de sedimentación mejoradas.

La trituración del lodo hinchado y flotante se realiza empleando un triturador de bolas por agitación, un homogeneizador por hendidura de cizalladura, un homogeneizador por ultrasonidos y un homogeneizador por alta presión. Para poder realizar un tratamiento eficaz del lodo flotante se requiere un aporte de energía de como mínimo aproximadamente 1000 kJ/m^{3} de lodo.

Es desventajoso que los aparatos trituradores propuestos en esta publicación sean costosos y requieran muchos gastos y, por tanto, no sean apropiados especialmente para muchas instalaciones depuradoras comunales pequeñas.

A partir de Schmelz K-G, Winter A: "Klärschlammverminderung durch verschiedene Methoden der Desintegration auf der Kläranlage Schermbeck" 18. Bochumer Workshop Siedlungswasserwirtschaft: Innovationen in der
Abwasserbeseitigung, Schriftenreihe Siedlungswasserwirtschaft Bochum, 21.09.00, páginas 205-224, se conoce un homogeneizador de alta presión que lleva a una destrucción de las paredes celulares de los microorganismos contenidos en el agua residual tratada, es decir, tanto microorganismos filamentosos, como también floculantes. Además, en este homogeneizador de alta presión no existe ninguna posibilidad de mantener la cavitación un intervalo temporal más largo.

El objetivo de la invención es facilitar un procedimiento y un dispositivo de manejo sencillo y con un funcionamiento económico, así como que reduzca o evite eficazmente la formación de agrupaciones de lodos que no sedimentan en las instalaciones depuradoras, reactores de biogás, etc.

El objetivo en el que se basa la invención se consigue mediante un procedimiento según la reivindicación 1.

Los perfeccionamientos preferidos se indican en las reivindicaciones dependientes 2 a 10.

A continuación, se describe la invención fundamentalmente con referencia a las instalaciones depuradoras. Sin embargo, la invención no se limita de ningún modo a las instalaciones depuradoras. Más bien, la invención puede utilizarse en otras instalaciones biológicas en las que haya microorganismos filamentosos y floculantes en una biocenosis mixta, y actúen conjuntamente. La invención también puede utilizarse, por ejemplo, en reactores de biogás y fermentadores anaerobios. En este sentido, las realizaciones siguientes son válidas de forma correspondiente para reactores de biogás y fermentadores anaerobios.

En el sentido de la invención, el agua residual es preferiblemente un lodo activado o una biocenosis mixta en instalaciones depuradoras biológicas.

Según la presente invención, el problema que existe desde hace décadas de formación de lodo hinchado, lodo flotante y espuma en las etapas depuradoras biológicas de las instalaciones depuradoras puede solucionarse de una forma sorprendentemente sencilla.

Según la presente invención, el agua residual, preferiblemente lodo activado o una biocenosis mixta, se somete en una tubería a una solicitación de cizalladura mediante campos de cizalladura generados de forma hidrodinámica. Los campos de cizalladura se originan mediante gradientes de velocidad que se presentan en el agua residual, preferiblemente lodo activado o una biocenosis mixta, que se conduce en la tubería.

La solicitación de cizalladura lleva a una trituración o fraccionamiento de trenzados filiformes o agrupaciones de lodos formados por microorganismos de filamentos largos. Además, se liberan burbujas de gas dispersadas de forma muy fina que se adhieren a estas agrupaciones de lodos o están incluidas en ellas. Estas burbujas de gas contenidas en las agrupaciones de lodos sin tratar contribuyen a un empeoramiento del comportamiento de sedimentación de las agrupaciones de lodos.

Finalmente, mediante la solicitación de cizalladura, se llega a una destrucción parcial de las bacterias filamentosas y a una reducción de la longitud de los filamentos de las bacterias filamentosas.

El esfuerzo ejercido por el campo de cizalladura generado sobre las bacterias filamentosas contenidas en la biocenosis mixta lleva especialmente a modificaciones en el metabolismo de las bacterias filamentosas, lo que lleva a una modificación de la cinética del crecimiento en las bacterias o microorganismos filamentosos. El crecimiento de los microorganismos filamentosos se reduce considerablemente.

La modificación en el metabolismo de los microorganismos filamentosos se debe especialmente a la estimulación de mecanismos de protección frente al esfuerzo generado por la solicitación de cizalladura aplicada. Esto lleva, entre otras cosas, a una secreción de sustancias poliméricas extracelulares, también denominadas EPS, principalmente por los microorganismos filamentosos. Las sustancias poliméricas extracelulares secretadas provocan de forma ventajosa una adhesión de las agrupaciones de lodos triturados en el campo de cizalladura. Esta adhesión contrarresta la formación de partículas pequeñas de lodo que no sedimentan o sedimentan demasiado despacio, y lleva a una floculación ventajosa y, por consiguiente, a la sedimentación deseada de la biocenosis mixta.

La proporción relativa de microorganismos floculantes respecto a los microorganismos filamentosos en la biocenosis mixta o el lodo de clarificación se modifica a favor de los microorganismos floculantes. Un incremento de la proporción de bacterias floculantes respecto a las bacterias filamentosas en la biocenosis mixta favorece una sedimentación de las agrupaciones de lodo.

A diferencia de los microorganismos filamentosos, los microorganismos floculantes muestran un buen comportamiento de sedimentación.

La solicitación de cizalladura se genera mediante una corriente turbulenta en la tubería. En la tubería está dispuesto como mínimo un estrechamiento, a través del cual se conduce el agua residual.

El agua residual que se conduce en la tubería es muy turbulenta. El número de Reynolds del agua residual turbulenta o de la biocenosis mixta es preferiblemente al menos 100.000, se prefiere en mayor medida al menos 180.000, se prefiere aún más al menos 250.000, aún de forma más preferida al menos 500.000.

El agua residual, preferiblemente lodo activado o una biocenosis mixta, puede bombearse con ayuda de una bomba convencional a través de la tubería. En este caso, el al menos un estrechamiento puede estar dispuesto en la tubería tanto por el lado de impulsión, como también por el lado de succión.

La velocidad de flujo del agua residual aumenta con la presión decreciente al pasar por el estrechamiento en la tubería, hasta que se alcanza la presión de vapor, lo que se configura en forma de cavitación.

Se denomina "cavitación" la formación de cavidades en los fluidos y su movimiento. La cavidad puede agrietarse mediante una fase local de vacío, tensiones de cizalladura o una aportación de energía en el fluido. En las burbujas así formadas se difunden los gases disueltos en el fluido. Cuando la presión en el fluido vuelve a crecer, las burbujas de gas se colapsan debido a la presión externa. Durante el colapso de las burbujas, el contenido de las burbujas se comprime tan intensamente que se generan de forma local altas presiones, de hasta algunos 1000 de bares, y temperaturas altas de hasta varios 1000 K. El gas se ioniza en la burbuja y se forman radicales.

Además, durante el colapso, la burbuja desprende ondas de choque y, si se encuentra cerca de superficies sólidas, un chorro de fluido que atraviesa la burbuja. Las ondas de choque y los chorros de fluido que las burbujas desprenden tienen el poder de disgregar aglomerados de partículas, tales como, por ejemplo, agrupaciones de lodos, así como de romper macromoléculas y paredes celulares bacterianas.

En el estrechamiento dispuesto en la tubería, la velocidad de flujo crece y la presión decrece. En estas circunstancias, se forma la cavitación deseada en el procedimiento según la invención.

En el procedimiento según la invención se llega preferiblemente, en el caso de una forma de realización, a una aparición conjunta de la solicitación de cizalladura y la cavitación.

La solicitación de cizalladura generada, por ejemplo, mediante una circulación muy turbulenta, y la cavitación generada mediante el estrechamiento en la tubería actúan conjuntamente de forma extraordinariamente ventajosa en el procedimiento según la invención.

La solicitación de cizalladura y la cavitación repercuten especialmente en los microorganismos filamentosos mayores o en los trenzados filiformes formados por microorganismos filamentosos. Los microorganismos filamentosos se destruyen parcialmente rompiendo las membranas celulares. Se produce, en una parte fundamental, una reducción de los filamentos y, con ello, una rotura o una trituración del trenzado filiforme.

De forma sorprendente, las bacterias floculantes no se destruyen mediante el procedimiento según la invención. Además, no se produce ninguna modificación fundamental en el metabolismo celular, de manera que no se afecta negativamente de forma fundamental a la cinética del crecimiento de los microorganismos floculantes ni se modifica fundamentalmente. Por tanto, considerando las diferentes cinéticas del crecimiento de los microorganismos filamentosos y floculantes, el procedimiento según la invención lleva a una modificación ventajosa de la composición de la biocenosis mixta. Por consiguiente, esta modificación de la composición bacteriana, provocada por el procedimiento según la invención, lleva a un restablecimiento del lodo de clarificación.

Según otra forma de realización de la invención, puede ajustarse la duración de la cavitación y, con ello, el tiempo de acción de la cavitación en el agua residual o la biocenosis mixta.

De forma sorprendente, se ha descubierto que puede obtenerse la cavitación provocada por el estrechamiento de la tubería si el diámetro interior de la tubería, que en relación con el sentido de flujo del agua residual está dispuesta después del estrechamiento, es mayor que el diámetro interior más pequeño del estrechamiento en la tubería, pero más pequeño que el diámetro interior de la tubería que está dispuesta antes del estrechamiento.

La duración de la cavitación puede controlarse mediante la longitud de la tubería dispuesta después del estrechamiento. Cuando se prolonga la tubería dispuesta después del estrechamiento, también se prolonga el tiempo de acción en el agua residual, preferiblemente el lodo activado o la biocenosis mixta.

La relación del diámetro interior de la tubería antes del estrechamiento, en relación con el sentido de flujo del agua residual, respecto al diámetro interior de la tubería después del estrechamiento puede ser de, por ejemplo, aproximadamente 5:1 a aproximadamente 1,2:1, preferiblemente 3:1 a 1,5:1, muy preferiblemente 2:1.

La relación del diámetro interior más pequeño del estrechamiento respecto al diámetro interior de la tubería dispuesta por el lado de salida del fluido en relación con el estrechamiento puede ser de, por ejemplo, 1:1,2 a 1:3, preferiblemente 1:2.

Es extraordinariamente sorprendente que, mediante la cavitación generada en el procedimiento según la invención, no se produzca una abrasión ni en el estrechamiento en la tubería, ni en la tubería dispuesta posteriormente en el sentido de flujo del agua residual con los accesorios dispuestos en caso necesario.

Se supone que las burbujas de la cavitación aparecen en su mayoría en el centro de la tubería debido a una mayor presión en la pared de la tubería. Por consiguiente, las burbujas de la cavitación que aparecen en el centro de la circulación de agua residual no entran en contacto con la pared de la tubería y, en este sentido, no pueden llevar a una abrasión.

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En el caso más sencillo, el estrechamiento previsto en la tubería puede estar configurado como tobera, preferiblemente, con la geometría de una tobera de Laval.

Además, el objetivo en el que se basa la invención se consigue mediante un dispositivo según la reivindicación 11. Los perfeccionamientos preferidos de los dispositivos se indican en las reivindicaciones dependientes 12 a 22.

Respecto a las relaciones de tamaño de los diámetros interiores de la tubería en el estrechamiento de la tubería, o antes y después del estrechamiento, se remite a las explicaciones anteriormente mencionadas para el procedimiento según la invención.

Es preferible que el como mínimo un estrechamiento comprenda una sección con un diámetro interior convergente y una divergente, de modo que, en relación con el sentido de flujo del agua residual, preferiblemente lodo activado o una biocenosis mixta, la sección con el diámetro interior convergente esté dispuesta antes de la sección con el diámetro interior divergente.

En relación con el sentido de flujo del agua residual, la tubería puede, por ejemplo, estrecharse de forma cónica primero hasta alcanzar el diámetro interior más reducido y, a continuación, ensancharse de forma cónica. El estrechamiento es preferiblemente una tobera que une dos tuberías entre sí.

En otra forma de realización de la invención, el estrechamiento o la tobera está configurada de tal manera que la longitud de la sección con el diámetro interior convergente es menor que la longitud de la sección con el diámetro interior divergente.

Por consiguiente, en esta forma de realización, la configuración geométrica del estrechamiento o de la tobera no es simétrica respecto a la sección con el diámetro interior más reducido del estrechamiento o de la tobera.

Se ha mostrado que, en caso de una configuración asimétrica de la tobera, la cavitación deseada puede ajustarse de tal manera que se forma una cavitación apropiada para el objetivo de evitar lodo hinchado, lodo flotante y/o espuma. Especialmente, mediante el ángulo de salida de la tobera puede controlarse la longitud de la subsiguiente formación de cavitación y, por consiguiente, el tiempo de acción de la cavitación en el agua residual.

Según una forma preferida de realización, la tobera presenta la geometría de una tobera de Laval.

Según la invención, por el lado de salida del fluido del estrechamiento o de la tobera en la tubería está dispuesto un estrangulador, por ejemplo, una válvula de compuerta. Mediante este estrangulador, puede controlarse adicionalmente la aparición de la cavitación.

Las burbujas de gas que aparecen en la tubería pueden ejercer un efecto amortiguador en la formación de la cavitación. En este sentido, según una forma de realización preferida, se reduce la proporción de burbujas de gas en el agua residual que se introduce en la tubería. Preferiblemente, se elimina el gas del agua residual durante el transporte a la tubería, por ejemplo, utilizando una bomba, preferiblemente una motobomba sumergible, en un pozo sumergido.

A continuación, la invención se ilustra adicionalmente mediante las figuras 1 a 8. En este caso, muestra:

la figura 1, una representación esquemática de una estructura a modo de ejemplo de un dispositivo según la invención,

la figura 2, una representación esquemática de la eliminación de gases de las agrupaciones de lodos en el campo de cizalladura,

la figura 3, una representación esquemática de una floculación mejorada provocada por una secreción de sustancias poliméricas extracelulares (EPS) de agrupaciones de lodos triturados,

la figura 4, una representación esquemática de una reducción de los filamentos de microorganismos filamentosos en el campo de cizalladura y, dado el caso, mediante cavitación,

la figura 5, una representación esquemática de la influencia del procedimiento según la invención en la cinética de crecimiento de los microorganismos floculantes y microorganismos filamentosos,

la figura 6, una representación de los valores de medida del índice volumétrico de lodos (IVL) antes y después de aplicar el procedimiento según la invención en una instalación depuradora experimental,

la figura 7, una representación de los valores de medida que muestran una estabilización de los parámetros del proceso mediante el procedimiento según la invención en una instalación depuradora experimental, y

la figura 8, una representación esquemática de una bomba dispuesta en un pozo sumergido.

La figura 1 muestra una representación esquemática del dispositivo según la invención. La bomba (1) transporta agua residual, preferiblemente lodo activado o una biocenosis mixta, por ejemplo, desde un estanque aireado o un estanque de decantación secundaria (no mostrado), mediante una tubería (2) a través de una tobera (3) a una tubería (4). En la tubería (4) está previsto un estrangulador (5). A continuación, el agua residual tratada se dirige, desde la tubería (4), pasando por un dispositivo (6) de descarga, preferiblemente, nuevamente al estanque de toma, es decir, por ejemplo, el estanque aireado o el estanque de decantación secundaria. Naturalmente, el agua residual tratada también puede suministrarse a un estanque colector adicional mediante el dispositivo (6) de descarga.

La bomba (1) puede estar dispuesta tanto antes de la tobera (3), como también después de la tobera (3), en la tubería (2) o (4). La tubería (2) presenta un diámetro interior que es preferiblemente mayor que el diámetro interior de la tubería (4), de modo que el diámetro interior de la tubería (4) es mayor que el diámetro interior más reducido de la tobera (3).

Como bomba (1) puede emplearse cualquier bomba apropiada para utilizarla en un estanque depurador. La tubería (4) dispuesta por el lado de salida del fluido antes de la tobera (3) provoca, debido al diámetro interior reducido en relación con la tubería (2) dispuesta por el lado de llegada del fluido a la tobera (3), un tiempo de acción prolongado de la cavitación generada en la tobera (3) en el agua residual o la biocenosis mixta. La longitud de la tubería (4) puede fijarse en función del tiempo de acción deseado de la cavitación. Por ejemplo, la longitud de la tubería (4) puede ajustarse de forma variable. Con ello, puede conseguirse una reducción deseada de la longitud de los filamentos de bacterias filamentosas, así como también una liberación fiable de las burbujas de gas incluidas en el trenzado filiforme generado por los microorganismos filamentosos. Además, mediante el esfuerzo aplicado en los microorganismos filamentosos, se ralentiza su crecimiento.

El tiempo de acción de la cavitación puede controlarse, entre otras cosas, mediante la longitud de la tubería (4) dispuesta por el lado de salida del fluido de la tobera (3). Además, también puede controlarse la formación de burbujas de cavitación mediante la presión en la tubería (4) que puede ajustarse mediante la válvula (5) de estrangulación. Al descargar la biocenosis mixta tratada procedente del dispositivo según la invención, el dispositivo (6) de descarga, que está configurado preferiblemente como tobera de pulverización, provoca una liberación de las burbujas de gas separadas de las agrupaciones de lodo.

Antes de la tobera (3) puede estar dispuesto un confusor que reduce el diámetro interior de la tubería (2) que alimenta el agua residual, es decir, la tubería (2) dispuesta por el lado de llegada del fluido a la tobera. Con ello, se mejora la transición entre la tubería (2) de alimentación y la tobera (3).

Además, es preferible disponer un difusor entre la tobera (3) y la válvula (5) de estrangulación, que ensancha el diámetro interior de la tubería (4) dispuesta por el lado de salida del fluido de la tobera (3). Mediante el ensanche del diámetro interior de la tubería (4), se aumenta la presión en el agua residual, preferiblemente lodo activado o una biocenosis mixta, y termina la cavitación. De esta forma, puede evitarse de forma fiable un efecto de la cavitación, es decir, un impacto de las burbujas de la cavitación en la válvula (5) de estrangulación y, por tanto, daños o abrasión en la válvula (5) de abrasión.

Preferiblemente, el diámetro interior de la tubería (4) se ensancha después del difusor a un diámetro interior que se corresponde aproximadamente con el diámetro interior de la tubería (2) dispuesta por el lado de llegada del fluido a la tobera (3).

La duración de la cavitación y, con ello, el tiempo de acción de la cavitación puede controlarse mediante la longitud de la tubería (4) con un diámetro interior reducido entre la tobera (3) y el difusor. La longitud de la tubería (4) entre la tobera (3) y el difusor puede estar configurada de forma que pueda modificarse, por ejemplo, puede estar configurada de forma telescópica.

Básicamente, también es posible disponer varias toberas (3) unas detrás de otras, por ejemplo, dos o tres toberas, en un sistema de tuberías. Sin embargo, se ha mostrado que, gracias a la configuración según la invención, ya se consigue con una tobera (3) reducir el lodo hinchado, lodo flotante y/o espuma presentes, o evitar la aparición del lodo hinchado, lodo flotante y/o espuma.

El dispositivo según la invención es sorprendentemente sencillo en cuanto a la estructura. Por consiguiente, el procedimiento según la invención o el dispositivo según la invención son adecuados de forma extraordinariamente ventajosa para un funcionamiento que fundamentalmente no requiere mantenimiento y, por consiguiente, es económico. Ventajosamente, no se requiere ningún personal adiestrado para el funcionamiento. En este sentido, la presente invención puede utilizarse ventajosamente tanto en instalaciones depuradoras grandes como en pequeñas.

La figura 2 muestra una representación esquemática de la liberación de burbujas de gas adheridas a las agrupaciones de lodo o incluidas en éstas, las cuales se liberan de las agrupaciones de lodo mediante la solicitación con un campo de cizalladura. Mediante la liberación de las burbujas de gas adheridas a las agrupaciones de lodo o incluidas en éstas se reduce fundamentalmente el empuje ascensional de las agrupaciones de lodo.

Al fluir el agua residual, preferiblemente el lodo activado o la biocenosis mixta, a través de la tobera (3) se llega además a un descenso de la presión en el agua residual que pasa a través, lo que estimula adicionalmente una separación de las burbujas de gas de las agrupaciones de lodo. Es decir, la actuación conjunta de la turbulencia inducida en el agua residual mediante la tobera (3) y la reducción de la presión lleva a una eliminación deseada del gas de las agrupaciones de lodo o liberación de las burbujas de gas incluidas o adheridas.

La figura 3 muestra la floculación mejorada de agrupaciones de lodo trituradas provocada por la secreción de sustancias poliméricas extracelulares (EPS) por los microorganismos filamentosos. Mediante la solicitación de cizalladura, inducida en la tobera (3), del agua residual, preferiblemente el lodo activado o la biocenosis mixta, los microorganismos contenidos en el agua residual se someten a un esfuerzo. El esfuerzo induce en los microorganismos la secreción de EPS. La secreción de EPS lleva a una adhesión en forma de copos de las agrupaciones de lodo trituradas.

Esta floculación es muy ventajosa para la sedimentación deseada del lodo de clarificación. La congregación de agrupaciones de lodo trituradas provocada por EPS contrarresta una formación de copos demasiado pequeños que, debido al tamaño demasiado reducido, no sedimentan o no sedimentan dentro de un intervalo temporal deseado.

La figura 4 muestra esquemáticamente la reducción de la longitud de los filamentos de microorganismos filamentosos mediante la aplicación del procedimiento según la invención. Junto con la reducción de la longitud de los filamentos también se rompe el trenzado filiforme formado.

La figura 5 muestra la influencia del procedimiento según la invención en la cinética de crecimiento de los microorganismos floculantes y los microorganismos filamentosos o filiformes. La figura 5 muestra que la tasa de crecimiento de los microorganismos floculantes no se ve afectada o no se ve afectada fundamentalmente por el procedimiento según la invención.

Por el contrario, el procedimiento según la invención influye notoriamente en la tasa de crecimiento de los microorganismos filamentosos. Mediante el campo de cizalladura aplicado en el dispositivo según la invención y la cavitación que preferiblemente se presenta, se hace retroceder notoriamente el crecimiento de los microorganismos filamentosos en comparación con los microorganismos floculantes. Esto lleva a una modificación deseada de la composición relativa de la biocenosis mixta. Se reduce la proporción relativa de microorganismos filamentosos respecto a los microorganismos floculantes.

La figura 6 y la figura 7 muestran curvas de medición que se han medido en una instalación depuradora experimental.

El procedimiento según la invención se ha realizado en una instalación depuradora con una población equivalente incorporada de aproximadamente 12.000. El agua residual en la entrada de esta instalación depuradora estaba cargada intensamente con aguas residuales procedentes de la industria textil y, desde hace más de 10 años, provocaba problemas demasiado grandes en relación con el lodo hinchado y lodo flotante.

En la instalación depuradora experimental, el índice volumétrico de lodos (IVL) se encontraba a menudo por encima de un valor de 120 ml/g. La capa de lodos que se formaba en el estanque de decantación secundaria se eliminaba hasta tres veces diarias. El grosor de la capa de lodos flotantes podía crecer hasta 5 cm y más.

El dispositivo según la invención se dispuso directamente en el estanque aireado de la instalación depuradora. En las primeras dos semanas, el dispositivo según la invención se hacía funcionar sólo 4 horas diarias (la potencia de la bomba era de 3,75 kW con un caudal de 10,6 l/s). El diámetro interior de la tubería dispuesta antes de la tobera era de 100 mm, el diámetro interior de la tubería después de la tobera era de 50 mm. El diámetro más estrecho de la tobera utilizada era de 25 mm. La tobera presentaba la geometría de una tobera de Laval.

Antes de la tobera estaba dispuesto un confusor que reducía el diámetro interior de la tubería de alimentación de 100 mm a 50 mm. Por el lado de salida del fluido de la tobera estaba dispuesto un estrangulador en la tubería. Entre la tobera y el estrangulador estaba dispuesto un difusor que ensanchaba el diámetro interior de la tubería de 50 mm nuevamente a 100 mm. La distancia entre la tobera y el difusor o la longitud de la tubería con un diámetro interior de 50 mm era de 100 cm.

Ya después de 3 días de duración del experimento podía observarse de forma microscópica en el lodo activado una longitud notoriamente reducida de los filamentos de estructuras con filamentos largos. Esta circunstancia se hizo perceptible en un índice volumétrico de lodos (IVL) gradualmente decreciente.

Tras 2 semanas de experimento, el dispositivo según la invención se adaptó a un funcionamiento continuo y la aportación de energía se incrementó a aproximadamente 350 kJ/m^{3} de biocenosis mixta (figura 6).

El índice volumétrico de lodos (IVL), que describe el volumen del lodo sedimentado de 1 l de contenido tras 30 min. de sedimentación en relación con la concentración de partida, desciende, tras el aumento de la aportación de energía, a claramente por debajo de 100 ml/g. Con valores por encima de 120 ml/g pueden producirse problemas considerables de las propiedades de sedimentación del lodo hinchado en el estanque de decantación secundaria.

Ya al día siguiente podía observarse microscópicamente una reducción drástica de la longitud de los filamentos de los microorganismos filamentosos. El índice volumétrico de lodos tenía un valor de aproximadamente 80 ml/g y mantuvo este valor durante las semanas siguientes. Este valor se encontraba notoriamente por debajo del valor umbral de 120 ml/g a partir del cual debe esperarse un comportamiento de lodo hinchado. Tanto en el estanque aireado, como también en el estanque de decantación secundaria se llegó a una reducción significativa del índice volumétrico de lodos a aproximadamente 80 ml/g.

Se ha mostrado de forma completamente sorprendente que la aportación de energía en la biocenosis mixta puede encontrarse notoriamente por debajo de 1.000 kJ/m^{3} para evitar la aparición de lodo hinchado y flotante. En función de la proporción de microorganismos filamentosos en la biocenosis mixta, la aportación de energía puede estar, por ejemplo, en un intervalo de aproximadamente 200 kJ/m^{3} de biocenosis mixta hasta aproximadamente 800 kJ/m^{3}, preferiblemente de aproximadamente 250 kJ/m^{3} de biocenosis mixta hasta 600 kJ/m^{3} de biocenosis mixta, de forma aún más preferible de aproximadamente 300 kJ/m^{3} hasta aproximadamente 500 kJ/m^{3} de biocenosis mixta. Además, la velocidad de la biocenosis mixta o del agua residual impulsada a través de la tubería (4) se encuentra en un intervalo de aproximadamente 3 m/s hasta 10 m/s, preferiblemente de aproximadamente 4 m/s hasta 8 m/s, de forma aún más preferible de aproximadamente 5 m/s hasta 7 m/s.

A partir de la figura 7 se desprende que también se llegó a una estabilización con otros parámetros del proceso, es decir, el procedimiento según la invención condujo a un funcionamiento estable de la instalación experimental.

Ha de observarse claramente que, debido a las propiedades de sedimentación mejoradas, pudo extraerse el lodo en exceso y, con ello, se llegó a una estabilización de todos los parámetros del proceso. Al incrementar la aportación de energía a aproximadamente 350 kJ/m^{3} aumentando la potencia de la bomba se produjo un suavizado de las curvas de medición obtenidas, es decir, el índice de lodos en el estanque aireado (IVL aireado), el índice de lodos en el estanque de decantación secundaria (IVL de decantación secundaria), la sustancia seca en el estanque aireado (SS aireado), la sustancia seca en el estanque de decantación secundaria (SS de decantación secundaria), la antigüedad del lodo y el grado de espesamiento preliminar. La biocenosis mixta está notoriamente saneada.

La figura 8 muestra una bomba (7) dispuesta en un pozo (8) dispuesto debajo de la superficie de la biocenosis mixta. En el sentido de la invención, el pozo (8) se indica como pozo (8) sumergido. En el pozo (8) sumergido está dispuesta una bomba (7) que impulsa el agua residual, preferiblemente el lodo activado o la biocenosis mixta, a la tubería (2). Entre la bomba (7) y la pared interior del pozo (8) sumergido se forma una zona de eliminación de gases. En la zona de eliminación de gases se separan o liberan al menos parcialmente las burbujas de gas incluidas o conducidas en el agua residual o la biocenosis mixta, las cuales se liberan mediante el pozo abierto en dirección hacia la superficie.

Claims (22)

1. Procedimiento para reducir o evitar la formación de lodo hinchado, lodo flotante y/o espuma, de modo que se trata agua residual que contiene microorganismos floculantes y filamentosos, lodo de clarificación o sustratos orgánicos utilizados en las instalaciones de biogás, caracterizado porque el agua residual, el lodo de clarificación o los sustratos se conducen en una tubería (2, 4) y a través de como mínimo un estrechamiento (3) dispuesto en la tubería (2, 4), y se someten a una solicitación de cizalladura que es suficiente para reducir la proporción relativa del número de microorganismos filamentosos respecto a los microorganismos floculantes, de modo que la solicitación de cizalladura se genera mediante una circulación turbulenta, y de modo que la velocidad de flujo del agua residual, del lodo de clarificación o de los sustratos orgánicos al pasar a través del estrechamiento (3) de la tubería (2, 4) aumenta con una presión decreciente, de modo que a continuación se genera una cavitación en el agua residual, en el lodo de clarificación o en los sustratos orgánicos.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la formación de la cavitación puede ajustarse seleccionando el diámetro interior de la tubería (2, 4) de tal manera que el diámetro interior en el estrechamiento (3) es el más reducido y el diámetro interior de la tubería (2) es mayor por el lado de llegada del fluido antes del estrechamiento (3) del diámetro interior que el diámetro interior de la tubería (4) por el lado de salida del fluido después del estrechamiento (3).

3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque la duración de la cavitación puede ajustarse por medio de la longitud de la tubería (4) dispuesta por el lado de salida del fluido después del estrechamiento (3).

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el diámetro interior del estrechamiento (3) en la tubería (2, 4) puede variar.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque antes de la introducción en la tubería (2, 4) se eliminan, al menos parcialmente, las burbujas de gas contenidas o conducidas conjuntamente en el agua residual, lodo de clarificación o en los sustratos orgánicos.

6. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado porque el agua residual, el lodo de clarificación o los sustratos orgánicos se liberan al menos parcialmente de las burbujas de gas contenidas o conducidas conjuntamente mediante el transporte desde un pozo (8) sumergido.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el número de Reynolds del agua residual, lodo de clarificación o de los sustratos orgánicos conducidos a través de la tubería (2, 4) es de como mínimo 100.000, preferiblemente como mínimo 250.000, de forma aún más preferible como mínimo 500.000.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el agua residual, el lodo de clarificación o los sustratos orgánicos se pulverizan después de pasar a través de la tubería (2, 4).

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el como mínimo un estrechamiento (3) es una tobera.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el agua residual es lodo activado o una biocenosis mixta.

11. Dispositivo para reducir o evitar la formación de lodo hinchado, lodo flotante y/o espuma, caracterizado porque el dispositivo presenta como mínimo una tubería (2, 4) que presenta al menos un estrechamiento (3) y un dispositivo (7) para transportar agua residual, lodo de clarificación o sustratos orgánicos a través de la tubería (2, 4), de manera que el tratamiento de agua residual que contiene microorganismos filamentosos y floculantes, del lodo de clarificación, o de sustratos orgánicos utilizados en instalaciones de biogás se realiza bajo la acción de la cavitación, y porque está dispuesto un estrangulador (5) en la tubería (4) por el lado de salida del fluido del estrechamiento (3).

12. Dispositivo según la reivindicación 11, caracterizado porque el diámetro interior de la tubería (2, 4) en el estrechamiento (3) es el más reducido y el diámetro interior de la tubería (2) por el lado de llegada del fluido antes del estrechamiento (3) es mayor que el diámetro interior de la tubería (4) por el lado de salida del fluido después del estrechamiento (3).

13. Dispositivo según la reivindicación 12, caracterizado porque la relación del diámetro interior de la tubería (2) antes del estrechamiento (3) y del diámetro interior de la tubería (4) después del estrechamiento (3) es de aproximadamente 5:1 a aproximadamente 1,2:1.

14. Dispositivo según la reivindicación 13, caracterizado porque la relación es de aproximadamente 3:1 a aproximadamente 1,5:1, preferiblemente, 2:1.

15. Dispositivo según la reivindicación 14, caracterizado porque el como mínimo un estrechamiento (3) comprende una sección con un diámetro interior convergente y una divergente, de modo que la sección con el diámetro interior convergente está dispuesta en el lado de llegada del fluido y, la sección con el diámetro interior divergente, en el lado de salida del fluido.

16. Dispositivo según la reivindicación 15, caracterizado porque la longitud de la sección con el diámetro interior convergente es menor que la longitud de la sección con el diámetro interior divergente.

17. Dispositivo según una de las reivindicaciones 11 a 16, caracterizado porque la longitud de la tubería (4) dispuesta, por el lado de salida del fluido, tras el estrechamiento (3) puede ajustarse de forma variable.

18. Dispositivo según una de las reivindicaciones 11 a 17, caracterizado porque el estrechamiento (3) es una tobera.

19. Dispositivo según la reivindicación 18, caracterizado porque por el lado de llegada del fluido antes de la tobera (3) está dispuesto un confusor.

20. Dispositivo según una de las reivindicaciones 11 a 19, caracterizado porque después de la tubería (4) dispuesta antes del estrechamiento por el lado de salida del fluido, preferiblemente antes del estrangulador (5), está dispuesto un difusor.

21. Dispositivo según una de las reivindicaciones 11 a 20, caracterizado porque el dispositivo (7) para transportar el agua residual, lodo de clarificación o los sustratos orgánicos es una bomba.

22. Dispositivo según la reivindicación 21, caracterizado porque la bomba está dispuesta en un pozo (8) sumergido.