ES2319888T3 - Procedimiento para el tratamiento de agua residual con granulos de lodo. - Google Patents
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Abstract
Método para el tratamiento del agua residual que comprende un nutriente orgánico, en el que el agua residual se pone en contacto con partículas de lodo que comprenden microorganismos, se alimenta un gas que comprende oxígeno a las partículas de lodo, y el método comprende además la sedimentación del lodo y la descarga del agua residual libre de nutrientes orgánicos, caracterizado porque - en una primera etapa el agua residual se alimenta a los gránulos de lodo, en condiciones anaeróbicas; - después del suministro de agua residual que se va a tratar se introduce un gas que comprende oxígeno en una segunda etapa, en la que la concentración de oxígeno es menor de 5 mg/ml, estando los gránulos en una condición fluidificada y al final de la segunda etapa o al principio de la tercera etapa se eliminan los gránulos de lodo. - en una tercera etapa, una etapa de sedimentación, se dejan sedimentar los gránulos de lodo.
Description
Procedimiento para el tratamiento de agua
residual con gránulos de lodo.
La presente invención se refiere a un método
para el tratamiento de agua residual que comprende un nutriente
orgánico, en el que el agua residual se pone en contacto con
partículas de lodo que comprenden microorganismos, se alimenta un
gas que comprende oxígeno a las partículas de lodo y el método
comprende además la sedimentación de las partículas de lodo y la
descarga del agua residual libre de nutrientes orgánicos.
Dicho método es conocido en la técnica, por
ejemplo, del documento US 3.864.246. Agua residual que tiene un
alto índice de demanda biológica de oxígeno (DBO) se mezcla con
flóculos de lodo. El agua residual que contiene flóculos de lodo
obtenida de este modo se pone en contacto con oxígeno (aire). Las
condiciones elegidas aumentan el crecimiento de los flóculos de
lodo (es decir, de las partículas de biomasa) que tienen mejores
características de sedimentación. Esto reduce el tiempo necesario
para separar los microorganismos (particularmente bacterias) que
proporcionan la descomposición biológica del agua residual.
BEUN J J y otros dan a conocer una granulación
aeróbica en un reactor de arrastre ("airlift") de lotes
secuencial, en el que se cultiva un lodo granular aeróbico mientras
se mezcla de forma intensa.
DANGCONG P y otros dan a conocer la observación
de lodo granular aeróbico en un reactor de lotes secuencial, en el
que se alimentan aguas residuales urbanas sintéticas que contenían
acetato sódico como substrato orgánico, y se controla el oxígeno
disuelto (DO) a una concentración baja.
MORGENROTH E y otros dan a conocer el cultivo de
gránulos en un reactor de lotes secuencial (SBR) a escala de
laboratorio en condiciones aeróbicas.
BEUN J J y otros se refieren a la eliminación de
N en un lodo granular en un reactor de arrastre de lotes
secuencial.
El documento
EP-A-0776864 da a conocer un proceso
para la purificación biológica aeróbica del agua.
Una desventaja del método conocido, a pesar de
la velocidad de sedimentación mejorada, es que la puesta en
práctica del método requiere un área superficial relativamente
grande, es decir, la purificación a gran escala ocupa una cantidad
de espacio indeseable.
Es un objetivo de la presente solicitud mejorar
el método, a la vez de ocupar un espacio menor, en comparación con
el método conocido.
Con este objetivo el método según la presente
invención se caracteriza porque:
- en una primera etapa el agua residual se
alimenta a los gránulos de lodo, en condiciones aeróbicas
- después del suministro del agua residual que
se va a tratar, se introduce un gas que comprende oxígeno en una
segunda etapa, en la que la concentración de oxígeno es menor de 5
mg/ml, estando los gránulos en una condición fluidificada y al
final de la segunda etapa o al principio de la tercera etapa se
eliminan los gránulos.
- en una tercera etapa, la etapa de
sedimentación, se deja sedimentar a los gránulos de lodo.
Esto permite que el método se lleve a cabo en un
volumen de reactor relativamente limitado. Esto puede reducir la
ocupación de espacio hasta una quinta parte. Las condiciones de
reacción elegidas potencian la formación de gránulos de lodo (a
diferencia de flóculos de lodo) con características de sedimentación
excelentes. Además, las condiciones en la primera etapa son pobres
en oxígeno y son en la práctica anaeróbicas, puesto que no hay
oxígeno añadido. En la primera etapa los gránulos de lodo absorben
los nutrientes orgánicos del agua residual suministrada y se
almacenan dentro de los microorganismos en forma de polímero, tal
como polibetahidroxibutirato. Si se suministra oxígeno en la
primera etapa, éste no debe estar en una cantidad que impida el
almacenamiento del nutriente orgánico. En la segunda etapa, tiene
lugar la descomposición de los nutrientes orgánicos almacenados en
condiciones aeróbicas. Además, esta segunda etapa aeróbica puede
efectuar la descomposición del amonio posiblemente presente en
nitrato. En la segunda etapa, el interior de los gránulos de lodo es
también anaeróbico y aquí es donde se descomponen los nutrientes
orgánicos almacenados utilizando nitrato. Esto produce gas
nitrógeno, dando como resultado una reducción eficaz del contenido
de N en el agua residual. Para la eliminación de los compuestos
nitrosos que se descompondrán, la concentración de oxígeno en la
segunda etapa es menor de 5 mg/ml, y preferentemente menor de 2
mg/ml. De esta manera, se puede evitar la utilización de reactores
posicionados anterior o posteriormente para la eliminación de los
compuestos de nitrógeno, o su capacidad de purificación se puede
escalar a la baja, lo que significa un ahorro de costes. La presente
invención permite también eliminar el fosfato. Con este objetivo,
en una etapa que no sea la primera etapa, y preferentemente al final
de la segunda etapa o al principio de la tercera etapa, se eliminan
los gránulos de lodo. Sucede de forma sorprendente que, en las
condiciones de la presente invención los microorganismos que
acumulan fosfato no salen hacia fuera. Todos los microorganismos
que se necesitan para el método según la presente invención se
encuentran en el lodo de las plantas de purificación. No necesitan
ser aislados, puesto que las condiciones especificadas aseguran que
estos microorganismos constituyen parte de los gránulos de lodo. Las
condiciones según la presente invención dan lugar a la formación de
gránulos de lodo que son significativamente más grandes y tienen una
densidad más elevada que los flóculos de lodo obtenidos según las
condiciones descritas en el documento US 3.864.246 (véase la figura
1), que tienen una velocidad de sedimentación > 10 m/h (a
diferencia de aproximadamente 1 m/h para los flóculos de lodo
conocidos) y un índice de volumen del lodo < 35 ml/g. El índice
de volumen del lodo es el volumen medido para 1 gramo de biomasa
después de 1 hora de sedimentación. Para la purificación de una
parte siguiente de agua residual se repiten las etapas 1 a 3 (un
ciclo). La presente invención es muy adecuada para el tratamiento
de aguas residuales.
En la primera etapa el agua residual se alimenta
preferentemente a un lecho de gránulos de lodo y los gránulos de
lodo sedimentan en la tercera etapa, formando un lecho de gránulos
de lodo.
Esto permite que los microorganismos se expongan
a una concentración más elevada del nutriente orgánico, que
promueve el crecimiento granular.
Según una realización preferente, el agua
residual se alimenta al lecho de gránulos de lodo a una velocidad
tal que evite la fluidificación del lecho.
Dado que se evita en gran medida que el agua
residual presente ya tratada se mezcle con agua residual que se va
a tratar, esto permite que los microorganismos se expongan a la
concentración más elevada posible de nutriente que, según se ha
mencionado anteriormente, promueve el crecimiento granular. El
término "para evitar la fluidificación" se entiende que
significa que el lecho no fluidifica, y/o que como resultado de la
introducción del agua residual, la mezcla tiene lugar hasta, como
máximo, el 25% de la altura del lecho. El agua residual se puede,
por ejemplo, pulverizar sobre el lecho directamente o utilizando
medios para limitar la fuerza con la que el agua residual puede
perjudicar la superficie del lecho. En todo caso, la mezcla tendrá
lugar hasta, como máximo, el 25%, preferentemente a menos del 15%
de la altura del lecho. En lugar de la introducción por el lado
superior del lecho de los gránulos de lodo, el agua residual se
puede introducir preferentemente por debajo. Especialmente en el
último caso, la velocidad de entrada estará limitada, de modo que no
tenga lugar ninguna fluidificación del lecho. En ambos casos es
posible desplazar y descargar el agua purificada aún presente entre
los gránulos de lodo del lecho de una manera eficaz, es decir, con
poco o nada de mezcla del agua residual y el agua residual
purificada (libre de nutrientes), como se discutirá a continuación.
En principio, es posible también introducir el agua residual en el
lecho de los gránulos de lodo mediante
tuberías.
tuberías.
Según una realización preferente, como mínimo
una parte del agua residual libre de nutrientes se descarga en la
tercera etapa, después de, como mínimo, una sedimentación
parcial.
La eliminación de agua residual libre de
nutrientes antes de la adición de agua residual nueva que se va a
tratar significa que es necesario un volumen más pequeño de reactor,
y que los gránulos de lodo que comprenden microorganismos están en
contacto con una concentración más elevada de nutrientes. Esto es
favorable para la formación de gránulos de lodo. La altura del
líquido en el reactor es, por ejemplo, dos veces y, preferentemente,
1,5 veces o menos, tal como 1,2 veces la altura del lecho de los
gránulos de lodo sedimentados.
Según una realización preferente, como mínimo
una parte del agua residual libre de nutrientes se descarga durante
la alimentación del agua residual al lecho de los gránulos de lodo
en la primera etapa.
En este caso, la descarga del agua residual
libre de nutrientes es preferentemente la consecuencia del
desplazamiento debido al agua residual que se alimenta al lecho de
gránulos de lodo.
De este modo, con una sola acción se llevan a
cabo la adición del agua residual nueva y la descarga del agua
residual tratada. Esto se puede lograr con gastos de capital bajos.
Son posibles ahorros adicionales en tecnología de control (se
requieren pocas mediciones) y gastos de funcionamiento. Además, se
evita la mezcla del agua residual tratada con agua residual que se
va a tratar, de modo que la concentración de nutrientes a la que se
exponen los microorganismos en los gránulos de lodo es tan alta como
es posible, proporcionando la ventaja mencionada anteriormente del
crecimiento en forma de gránulos de lodo. El agua residual tratada
desplazada se descarga preferentemente en el lado superior del
lecho. Debido al desplazamiento, cualquier flóculo que se pueda
formar se limpia del reactor. Por lo tanto, de forma ventajosa el
agua residual se introduce a través del fondo del lecho.
Una realización importante es una en la que el
agua residual se introduce en una cantidad del 50 al 110%,
preferentemente del 80 al 105% y más preferentemente del 90 al 100%
del volumen vacío del lecho.
De esta manera, la biomasa en forma de gránulos
de lodo se utiliza de forma óptima, en el menor volumen del reactor
posible.
Preferentemente, la introducción de agua
residual es seguida de un intervalo de tiempo antes de comenzar la
segunda etapa.
Esto promueve la absorción de los nutrientes del
agua residual, y contribuye a la formación de gránulos de lodo con
buenas cualidades de sedimentación. Si se desea, la mezcla puede
tener lugar durante el intervalo de tiempo.
El intervalo de tiempo es preferentemente
suficientemente largo para la eliminación de, como mínimo, el 50%,
preferentemente, como mínimo, el 75% y lo más preferente, como
mínimo, el 90% del nutriente orgánico del agua residual.
Esto contribuye mayoritariamente a la formación
de gránulos de lodo con buenas cualidades de sedimentación,
mientras que la purificación del agua residual es óptima.
Es preferente que el agua residual se introduzca
en la tercera etapa, en la que los gránulos de lodo que sedimentan
más lentamente se descargan del reactor y los gránulos de lodo que
sedimentan más rápidamente permanecen en el reactor.
Esto aumenta adicionalmente la presión de
selección por el crecimiento granular. La introducción de agua
residual se puede realizar a una velocidad de flujo baja durante
sedimentación de los gránulos de lodo, preferentemente después de
que, como mínimo, parte de los gránulos de lodo hayan formado un
lecho granular pero, según se ha explicado en otra parte, más
preferentemente después de que el lecho granular se haya formado. En
los primeros dos métodos hay una superposición entre la primera y
tercera etapa. En el segundo y especialmente en el tercer método,
flóculos ligeros de lodo que han sedimentado en el lecho, o que
tendrían la tendencia a hacerlo, son arrastrados por el flujo de
agua libre de nutrientes desplazada por el agua residual. Como
consecuencia, hay una presión de selección que da como resultado el
mantenimiento de las características del lodo en forma de gránulos.
Es preferente que la descarga tenga lugar en la tercera etapa
mediante una obertura de descarga justo sobre el lecho final.
La presente invención será explicada en
referencia a la siguiente realización como ejemplo en la que
La figura 1 muestra un gráfico de la
concentración de acetato, fosfato, amonio y NO_{3}^{-} +
NO_{2}^{-} durante un ciclo del método según la presente
invención.
Las figuras 2a y b muestran los flóculos de lodo
según la técnica anterior y los gránulos de lodo según la presente
invención, respectivamente.
Un reactor de arrastre de aire (3 litros,
altura/diámetro 20) se alimentó con 1,5 litros de agua residual por
ciclo, agua residual que representa un modelo apropiado de un agua
residual doméstica. La composición fue 6,3 mM de acetato sódico;
3,6 mM de cloruro amónico, 0,6 mM de fosfato potásico, 0,37 mM
sulfato magnésico, 0,48 mM de cloruro potásico y 0,9 ml/l de
solución de estándar de oligoelementos. El reactor se sembró con
lodo activo aeróbico de una planta de purificación de aguas
residuales domésticas. El reactor se hizo operar en ciclos de lotes
sucesivos. Un ciclo consistió en las etapas siguientes:
i) Introducción de 1,5 litros de agua residual
modelo en la parte inferior del reactor, durante 60 minutos, de
modo que haya un régimen de flujo uniforme o de pistón ("plug
flow") de agua residual a través del lecho granular
sedimentado.
ii) Aireación durante 111 minutos a un caudal de
4 litros de aire por minuto.
iii) Sedimentación de lodo granular durante 3
minutos después de la finalización de la aireación.
iv) Descarga del agua residual modelo tratada
desde el punto de salida del efluente a la mitad de la altura del
reactor. Cualquier biomasa presente en este momento sobre el punto
de salida del efluente se eliminó del reactor junto con el agua
residual tratada.
v) intervalo de tiempo de 1 minuto, después del
que se reinició la alimentación con agua residual modelo.
Añadiendo una base o un ácido, se mantuvo el pH
en el reactor de 6,5 a 7,5 y la temperatura se mantuvo a 20ºC.
Durante la fase de aireación ii) se mantuvo la concentración de
oxígeno disuelto a 1,8 mg/ml, aproximadamente. Por una parte, esto
mantiene la concentración de oxígeno suficientemente alta para la
descomposición aeróbica de los nutrientes en la parte externa de
los gránulos de lodo, y por otra parte, solamente se requiere una
capacidad de bombeo baja para la adición de aire. Después de todo,
en estas condiciones, la transferencia de oxígeno del aire es muy
eficiente. Por lo tanto, se requiere también poca energía para el
suministro de oxígeno. La descomposición de los compuestos de
nitrógeno se mostró que era óptima a estas concentraciones de
oxígeno, encontrándose solamente cantidades mínimas de nitrato en el
agua residual tratada.
En la tabla 1 se muestran las concentraciones
medias de agua residual modelo y de agua tratada. Se da también el
resultado medio de la purificación. La figura 1 muestra el diagrama
de acetato (o), fosfato (\Delta), amonio (diamante sólido) y la
suma de la concentración de nitrato y nitrito (diamante hueco)
durante un ciclo. La figura 2b muestra una fotografía de los
gránulos de lodo obtenidos por el método. Los gránulos de lodo
obtenidos fueron estables durante, como mínimo, 300 días, después
de que se detuvo el presente experimento. De este modo, el método
según la presente invención hace posible un control fiable del
funcionamiento. La figura 2a muestra los flóculos típicos de lodo
que tienen una velocidad de sedimentación según se describe en el
documento US 3.864.246. Aunque el documento US 3.864.246 combate
con éxito el crecimiento de organismos filamentosos, que forman el
denominado lodo ligero, los flóculos de lodo formados tienen una
velocidad de sedimentación en el mejor de los casos de 1 m/h. En
cambio, los gránulos de lodo según la presente invención tienen
velocidades de sedimentación muy elevadas (> 10 m/h), mientras
que la distancia sobre la que tiene lugar la sedimentación puede
ser relativamente corta.
\vskip1.000000\baselineskip
Uno de los factores que contribuyen al
crecimiento granular está en la alimentación de agua residual con
una concentración de nutrientes lo más alta posible a los gránulos
de lodo. Por esta razón es conveniente evitar la mezcla entre el
agua residual tratada en el reactor y el agua residual suministrada
de nuevo. En aquellos casos en los que prevalece una concentración
de nutriente baja en el agua residual durante muchos ciclos, por
ejemplo, más de 10, se pueden añadir nutrientes al agua residual si
es necesario. Una opción sería utilizar abono líquido.
La presente invención se puede poner en práctica
de diversas maneras. Por ejemplo, en vez de utilizar un reactor es
propicio utilizar tres reactores, haciéndose funcionar los tres
reactores fuera de fase. Es decir, mientras que el agua residual se
alimenta a un reactor, la etapa de aireación se lleva a cabo en un
segundo reactor, mientras que en el tercer reactor tiene lugar la
sedimentación y posiblemente la descarga del agua purificada. Esto
mantiene los gastos de capital para bombas, especialmente con
respecto a sus capacidades máximas requeridas, dentro de unos
límites. El agua residual tratada se libera gradualmente y esto es
ventajoso si esta agua residual necesita experimentar otro
tratamiento, dado que entonces es suficiente también un reactor más
pequeño para el tratamiento posterior. Si se compara con el
experimento descrito anteriormente, en la práctica los reactores
serán relativamente más altos, la sedimentación durará más. Esto
significa que la alimentación puede durar un tercio del tiempo, y
la aireación y la sedimentación conjuntamente dos tercios del
tiempo. De este modo, se evita un tanque intermedio para el
almacenamiento temporal del agua residual que se va a tratar y los
tres reactores de funcionamiento por lotes hacen posible el
funcionamiento continuo. La presente invención se ilustra por medio
de un reactor de arrastre, pero la presente invención se puede
realizar con cualquier otro tipo de reactor, tal como un reactor de
columna de burbujas.
Claims (4)
1. Método para el tratamiento del agua residual
que comprende un nutriente orgánico, en el que el agua residual se
pone en contacto con partículas de lodo que comprenden
microorganismos, se alimenta un gas que comprende oxígeno a las
partículas de lodo, y el método comprende además la sedimentación
del lodo y la descarga del agua residual libre de nutrientes
orgánicos, caracterizado porque
- en una primera etapa el agua residual se
alimenta a los gránulos de lodo, en condiciones anaeróbicas;
- después del suministro de agua residual que se
va a tratar se introduce un gas que comprende oxígeno en una
segunda etapa, en la que la concentración de oxígeno es menor de 5
mg/ml, estando los gránulos en una condición fluidificada y al
final de la segunda etapa o al principio de la tercera etapa se
eliminan los gránulos de lodo.
- en una tercera etapa, una etapa de
sedimentación, se dejan sedimentar los gránulos de lodo.
2. Método, según la reivindicación 1,
caracterizado porque el agua residual se introduce en una
cantidad del 50 al 110%, preferentemente del 80 al 105% y lo más
preferente del 90 al 100% del volumen del lecho vacío.
3. Método, según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque la introducción del agua residual está
seguida de un intervalo de tiempo antes de comenzar la segunda
etapa.
4. Método, según la reivindicación 3,
caracterizado porque el intervalo de tiempo es
suficientemente largo para la eliminación, como mínimo, del 50%,
preferentemente, como mínimo, del 75% y lo más preferente, como
mínimo, del 90% del nutriente orgánico del agua residual.
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