ES2349977T3

ES2349977T3 - Procedimiento para fraccionar sustancias orgánicas en partículas en suspensiones de microorganismos.

Info

Publication number: ES2349977T3
Application number: ES04764359T
Authority: ES
Inventors: Michael Richter; Jochem Unger
Original assignee: Bionik Innovative Technik fuer die Umwelt GmbH
Current assignee: Bionik Innovative Technik fuer die Umwelt GmbH
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2004-08-21
Publication date: 2011-01-13
Anticipated expiration: 2024-08-21
Also published as: CN100515958C; DE10343748B4; CN1845876A; JP4939940B2; JP2007503974A; DE10343748A1; ATE478831T1; DE502004011585D1

Abstract

Procedimiento para fraccionar substancias orgánicas en forma de partículas en suspensiones de microorganismos en un medio de soporte, en particular en aguas residuales o lodos de instalaciones de clarificación biológicas, en el que las substancias orgánicas son sometidas en una cámara de operación (3) a fuerzas inerciales como resultado de una aceleración extrema breve seguida inmediatamente de una deceleración del medio de soporte que fluye en un canal de flujo cerrado, caracterizado porque a la entrada de la cámara de operación el medio de soporte es llevado a evaporarse y posteriormente a condensarse aumentando la energía cinética/volumen del flujo de agua hasta un valor máximo ρ w·u k 2 /2 a la entrada de la cámara de operación, de manera que puede formarse flujo de vapor en la cámara de operación debido a la caída de la presión estática por debajo de la presión del vapor, donde ρ w designa la densidad del medio de soporte y u k designa la velocidad de flujo a la entrada de la cámara de operación y en la propia cámara de operación ya no se producen burbujas de vapor específicas y se consigue una transición a un flujo de vapor completo.

Description

La invención se refiere a un procedimiento con las características de la reivindicación 1 para fraccionar substancias orgánicas en forma de partículas en suspensiones de microorganismos en un medio de soporte, en particular en aguas residuales o lodos de instalaciones de clarificación biológicas.

Campo técnico:

En el tratamiento de aguas residuales en instalaciones de clarificación biológicas industriales y municipales según el procedimiento de activación conocido, debido a la metabolización de materias que pueden ser descompuestas biológicamente por bacterias se produce lodo de clarificación en forma de suspensiones de bacterias. Puesto que este lodo de clarificación debido a las leyes y a presiones económicas es depositado, quemado o empleado en la agricultura sólo de manera limitada, cobra cada vez más importancia la reducción del lodo de clarificación para evitar su propagación.

Como procedimiento para la reducción de desechos en los últimos años se estudió la disgregación celular mecánica (desintegración) de los organismos contenidos en el lodo de clarificación. En la desintegración de lodo de clarificación hay que tener cuidado en destruir de las paredes celulares al menos de una parte de los microorganismos contenidos en el lodo de clarificación y liberar los contenidos de las células.

Esta disgregación celular persigue esencialmente dos objetivos. Por un lado debe mejorar el tratamiento anaeróbico del lodo por una descomposición acelerada e intensificada. Esta aceleración se basa en el fomento mecánico de la hidrólisis, ya que la disgregación celular conduce a una liberación del agua interior de las células que es fácil de descomponer. Adicionalmente son disgregados facultativamente microorganismos anaeróbicos que si no pueden sobrevivir parcialmente al proceso de putrefacción y en el lodo de putrefacción son responsables del contenido residual en materiales orgánicos. Por la disgregación celular se debe favorecer la intensificación de la descomposición.

Por otra parte la desintegración abre la posibilidad de que el agua del interior de las células, que contiene substancias orgánicas como proteínas y polisacáridos, sea empleada como fuente de carbono interna. Para ello debe conseguirse una reducción de la cantidad de lodo y del tiempo de putrefacción, así como una elevación de la cantidad de gas de putrefacción que puede ser empleado energéticamente. Otras ventajas son entre otras la destrucción de lodo flotante y de las clamidobacterias, así como una mejora de las propiedades de acumulación de lodos.

Estado de la técnica:

Una vista general de los procesos de desintegración mecánicos convencionales la dan: N. Dichtl, J. Müller, E. Englmann,

F.W. Günthert y M. Osswald en un artículo “Desintegration von Klärschlamm- ein aktueller Überblick” en “Korrespondenz Abwasser” 1997 (44) núm. 10, p. 1726 a 1738. Según ellos para su empleo a escala industrial son adecuados sobre todo:

-Los molinos de bolas con agitador

-: El homogeneizador de alta presión y

-: El homogeneizador de ultrasonidos

Mientras que la disgregación celular en el molino de bolas con agitador es producida por la rotación de las bolas en una cámara de molido cilíndrica llena de bolas para moler que está hecha de vidrio duro o cerámica, para la disgregación de las células en el homogeneizador de ultrasonidos o de alta presión son utilizados procesos de cavitación.

A todos los procedimientos conocidos para la desintegración mecánica es común que el gasto de energía y los costes para la generación de los procesos de cavitación, por medio de los cuales se producen las fuerzas que causan la ruptura de las paredes celulares de los microorganismos son muy altos. Esto es aplicable tanto para la fabricación como para el funcionamiento y el mantenimiento de los homogeneizadores de alta presión y de ultrasonidos. Mientras que en los homogeneizadores de alta presión deben ser generadas presiones muy altas que requieren una alta capacidad de bombeo, en el procedimiento de ultrasonidos se necesita una gran cantidad de energía eléctrica para la alimentación de los sonotrodos. Un inconveniente del aprovechamiento del fenómeno de la cavitación en este contexto es además que se producen desprendimientos en los aparatos y materiales, por lo que deben ser empleados materiales costosos especiales para componentes de desgaste extremadamente alto, como por ejemplo titanio.

En la solicitud de patente alemana antigua no publicada anteriormente según el documento DE 102 14 689 A1 ha sido ya propuesto para la reducción de los costes de energía y equipa-miento en la generación de fenómenos de cavitación en lugar de emplear para la disgregación de sustancias orgánicas desintegradores de ultrasonidos o de alta presión costosos en cuanto a la técnica de máquinas o de energía, transportar la suspensión bajo presión a través de una tobera con sección transversal que en primer lugar se estrecha y luego se ensancha otra vez, la llamada tobera de Laval. Así por la reducción de la sección transversal se eleva la velocidad de flujo de la suspensión, de manera que la presión desciende por debajo de la presión de vapor de la substancia de soporte, esto es el agua, mientras que al atravesar la sección transversal que a continuación se ensancha otra vez son generadas burbujas de cavitación que se colapsan por equilibrio de la presión.

En el documento DE 101 55 161 A1 se describe un procedimiento para la disgregación de aguas residuales, lodo de clarificación o substratos orgánicos empleados en instalaciones de biogás para la reducir y evitar la formación de lodo hinchado, lodo flotante y/o espuma. Según la invención la disgregación se realiza por fuerzas de cizallamiento y por cavitación que es generada con ayuda de un canal de flujo. En el procedimiento es deseable expresamente la generación de cavitación.

También en los procedimientos descritos en los documentos de patente norteamericana US 6,200,486 B1; US 5,494,585 B1 y US 6,505,648 B1 la disgregación se realiza aprovechando los fenómenos de cavitación.

El tratamiento de tales suspensiones por procedimientos con fenómenos de cavitación ha tenido un cierto éxito, es decir, se consigue una elevación del producto de gas de putrefacción, así como una reducción de la proporción de lodo de clarificación, pero es incuestionable que hay que aclarar si estos efectos son causados por los esfuerzos de cizallamiento que se producen en el canal de flujo, por la formación y desinflado de las burbujas de cavitación o por otros fenómenos hasta ahora no aclarados del todo. En todo caso, la formación y desinflado de las burbujas de cavitación a modo de implosión ha causado en el fondo sólo un efecto local, pero no en primer lugar una ruptura de las células y por tanto la disgregación de los microorganismos.

Descripción de la invención:

Ante esta situación la invención se propone conseguir una posibilidad por medio de la cual con un gasto de material y energía pequeños semejante pueda conseguirse la disgregación perseguida de los microorganismos en el sentido de una ruptura de las células.

Según la invención este objeto se lleva a cabo por un procedimiento con las características mencionadas en la reivindicación

1. Perfeccionamientos ventajosos resultan de las reivindicaciones subordinadas.

Según la invención el efecto desintegrador se consigue por medios hidrodinámicos. Así, la idea base de la invención es conseguir en el recorrido de transporte de la suspensión en un canal de flujo cerrado, en particular una conducción tubular, una cámara de operación en la que la velocidad de flujo del medio de soporte de la suspensión, esto es el agua, se eleve, de manera que por la caída de la presión provocada por ello, ésta quede claramente por debajo de la presión de vapor, de manera que se produzcan no sólo burbujas de cavitación que al mismo se desinflen, sino que la fase fluida se transforme prácticamente de forma completa en vapor, que sin embargo sea condensada de nuevo inmediatamente tras abandonar esta cámara de operación.

Debido al gran aumento del volumen de la fase fluida en la transición al estado de vapor se eleva la velocidad de flujo del medio en la misma medida. Esto tiene como consecuencia que sobre la carga de la fase fluida, esto es sobre las bacterias y otras partículas que son arrastradas por el flujo de vapor, son ejercidas fuerzas de aceleración extremas que inmediatamente en caso de condensación del vapor en la fase fluida pasan a de nuevo a fuerzas de retardo. Debido a la inercia de las partículas, en particular de los núcleos celulares respecto al plasma y la membrana del plasma, por la variación del estado de agregación del medio de soporte que rodea a los microorganismos se ejercen fuerzas sobre estos que conducen ya a efectos por variaciones de la estructura de copos de lodo y por variaciones de las propiedades en la superficie superior de membrana, sin que los microorganismos sean totalmente destruidos y liberados sus contenidos. En particular por extensión de las superficies superiores de la membrana de los microorganismos por las fuerzas de inercia que aún no condujeron a la ruptura, pueden ya ser descompuestas materias activas superficialmente de los microorganismos hasta que las fuerzas de inercia conduzcan finalmente a una ruptura de la membrana del plasma y por tanto a una destrucción de las células.

Especialmente ventajoso es que por la selección correspondiente de la velocidad de flujo del medio de soporte en la cámara de operación pueden ser elegidos diferentes tipos de tratamiento de la suspensión que van desde la ruptura de grandes copo, pasando por la destrucción de bacterias filiformes hasta la disgregación celular completa.

Breve descripción de los dibujos:

La invención se explicará en detalle a continuación en virtud del dibujo. Muestran: Fig. 1, una representación esquemática de un recorrido de

transporte con bomba y cámara de operación según la

invención; Figs. 2 y 3, representaciones en diagrama del curso de la presión

de la suspensión en la zona de la cámara de operación;

Fig. 4,: una representación esquemática de la formación de

una cámara de operación a través de un lugar de es

trangulación en una conducción tubular;

Fig. 5,: una representación en diagrama de diferentes tipos de

tratamiento; y

Fig. 6,: un esquema de una instalación de desintegración con

un dispositivo según la invención.

Formas de realización de la invención y aplicabilidad industrial:

La característica esencial de la invención desde el punto de vista físico es una cámara de operación que se realiza en el curso de la alimentación de la suspensión a ser tratada a través de un canal de flujo. En la Fig. 1 está indicado esquemáticamente cómo la suspensión es transportada en la práctica desde el reposo en un recipiente (velocidad inicial u ≈ 0) a la presión ambiente p0 por medio de una bomba 1 empleando energía exterior/tiempo Pel a través de una conducción tubular 2 a una cámara de operación 3 de un dispositivo de desintegración. En esta cámara de operación 3 el medio de soporte, esto es el agua, es sometido por variación del estado de agregación a fases aceleración y retardo extremos, antes de que después abandone de nuevo la cámara por el canal de flujo 4 colindante con la velocidad de flujo u a presión ambiente p0.

Según la invención se pretende elevar la velocidad de flujo u en la zona de entrada de la cámara de operación 3, de manera que en la propia cámara de operación ya no se puedan producir burbujas de vapor específicas ni tampoco la cavitación habitual, sino que se consiga una transición a un flujo de vapor completo que afecte a toda la superficie superior de la carga del medio de soporte, esto es los microorganismos, de manera que produce en ésta un efecto de aceleración que inmediatamente después pasa de nuevo a un retardo debido a la condensación del vapor. Por este efecto de aceleración y retardo combinados que tiene lugar en el interior de los microorganismos, como efecto final se destruye su membrana celular y se liberan el plasma celular, así como los núcleos celulares.

En la Fig. 2 están representados el aumento y caída de la presión estática de la suspensión con referencia a la Fig. 1 en un diagrama de presión dependiendo del recorrido de transporte x. Mientras que la presión antes de la bomba 1 corresponde a la presión ambiente p0, ésta sube en correspondencia a la potencia eléctrica Pel de la bomba 1 a la presión de funcionamiento pp para descender en la cámara de operación 3 del dispositivo de desintegración a una presión pk que se sitúa por debajo de la presión de vapor pD del medio de soporte. Tras abandonar la cámara de operación 3 y atravesar el canal 4, la presión estática en la suspensión coincide de nuevo con la presión ambiente p0.

En la Fig. 3 que, de nuevo con referencia a la Fig. 1, muestra un diagrama de la velocidad de flujo dependiendo del recorrido de transporte, se puede ver cómo por la elevación de la velocidad de flujo del agua aumenta la energía cinética/volumen del flujo de agua a la entrada en la cámara de operación hasta un valor máximo:

ρw · Uk2/2

de manera que en la cámara de operación puede formarse el flujo de vapor debido a la caída de la presión estática por debajo de la presión de vapor. Este flujo de vapor puede ser empleado para el fraccionamiento o destrucción de las estructuras celulares antes de que por la condensación disminuya de nuevo la energía cinética/volumen en la conducción tubular 4 colindante. Aquí ρw representa la densidad del medio de soporte (en el caso del agua por ejemplo ρw = 10 kg/m3) y uk la velocidad de flujo a la entrada de la cámara de operación.

En la práctica la cámara de operación 3 que constituye la base de la invención se puede realizar por un estrangulamiento o diafragma 6 dispuesto en el canal de flujo 5, a través del cual la sección transversal del canal de flujo 5 se estrecha mucho (Fig. 4). Por elevación de la presión de la suspensión por unidades de bomba correspondientes y elección del diámetro d del estrangulamiento puede elevarse la velocidad de flujo de la suspensión a través de la longitud l del lugar de estrangulación, de tal modo que queda por debajo del punto de vaporización con lo que el medio de soporte, esto es agua, pasa completamente a la fase de vapor.

Según sea la velocidad de entrada de la suspensión en la cámara de operación los grados de disgregación de las estructuras celulares son diferentes; de ello se pueden derivar diferentes tipos de tratamientos X que se pueden definir como factor para una velocidad uw,id universal en cierta medida ideal de aproximadamente 14 m/s. Esto puede deducirse del diagrama según la Fig. 5.

La velocidad del agua universal uw,id es en cierta medida la velocidad “crítica”, en la que debieran mostrarse de forma puramente mecánica ya las primeros fenómenos de cavitación, que no obstante, debido a las pérdidas por rozamiento y otras, se producen realmente a aproximadamente el doble del valor, esto es uw ≈ 28 m/s . De ello se sigue que el estado X = 1 define sólo la velocidad crítica, de manera que el estado X = 2 con una velocidad del agua uw ≈ 28 m/s con el principio de la variación de la estructura de copos puede ser designado como etapa de tratamiento. La etapa de tratamiento X = 3 con uw ≈ 42 m/s tiene ya una mayor influencia en las superficies superiores de las membranas con liberación de sustancias activas superficialmente hasta la destrucción de las bacterias filiformes, mientras que el tipo de tratamiento X = 4 con uw >≈ 50 m/s produce el comienzo de las disgregaciones celulares, es decir, la destrucción de las membranas con liberación del contenido.

El ancho de abertura d del estrangulamiento y su longitud l (Fig. 4) son elegidos convenientemente, de manera que en particular la fase de aceleración y la fase de retardo puedan ser aprovechadas para la destrucción de los microorganismos. Al mismo tiempo por una selección correspondiente de la relación d: l puede también ser minimizado el empleo de energía. Ha resultado ventajosa una relación d:l = 1:5.

En el funcionamiento de una instalación de este tipo, en la zona de retención antes del estrangulamiento y de la zona de distensión por detrás se producen depósitos que se intentaron indicar en las figuras 4 a 6. Tal variación de la sección transversal que bajo ciertas circunstancias puede producir también reducción de los ruidos se asemeja algo a la tobera de Laval conocida.

Como ejemplo para la aplicación técnica de la invención, la Fig. 6 muestra esquemáticamente una instalación 10 que es parte de un procedimiento de desintegración de dos etapas para aguas residuales, lodo de clarificación o similares. Tal suspensión de microorganismos es transportada así en la dirección de la flecha 11 a través del dispositivo 10 que está formado por una conducción tubular 12, una bomba de transporte 13 y un dispositivo de desintegración 14 que comprende una cámara de operación de la forma según la invención.

Preferentemente como primera etapa del procedimiento de desintegración está conectado un dispositivo de homogeneización, por ejemplo un aparato de fragmentación 15, que debe contribuir a una distribución lo más uniforme posible del tamaño del grano en la suspensión y protege a la cámara de operación de materias gruesas. A continuación la suspensión es transportada por medio de la bomba de transporte 13 a través del propio dispositivo de desintegración 14, donde según la invención es producida la destrucción deseada de los agregados y la disgregación celular.

En el ejemplo de realización de la Fig. 6, la cámara de operación se encuentra en el pasaje central de una tobera 16 configurada a modo de una tobera de Laval con sección transversal correspondientemente reducida. Ventajosamente la sección transversal de transporte de la conducción tubular 12 se estrecha continuamente hasta la sección transversal reducida para luego después de forma correspondiente volver a ensancharse. Convenientemente la tobera 16 se encuentra en un ramal de la conducción tubular 12 que discurre vertical para excluir cualquier tipo de influencia de la fuerza de gravedad sobre los procesos en la cámara de operación.

Como ejemplo para la dimensión de la tobera de desintegración 16 puede tomarse como base el tratamiento de un lodo de clarificación excedente con 5-10% de materia seca y un flujo volumétrico de funcionamiento V B = 12 m3/h.

Para el tratamiento de la carga de la suspensión de microorganismos se elige una velocidad uw,B del medio de soporte aun fluido (agua) a la entrada en la cámara de operación:

uw,B = X · uw,id

Aquí X representa el factor del tipo de tratamiento y uw,id la velocidad universal para el medio de soporte agua de 14 m/s. El tratamiento del lodo excedente debe ser realizado con X = 3 que por regla general asegura los efectos biológicos deseados en la torre de putrefacción (Fig. 5). Con la velocidad así elegida Uw,B = 42 m/s resulta junto con el flujo volumétrico de funcionamiento predeterminado V B = 12 m3/h el diámetro necesario para la cámara de operación:

2imagen1 4V B

VB = uw,Bd π /4 → d =

= 10 mm

u π

w,B

La longitud de la cámara de operación se elige con l = 50 mm, de manera que la variación del estado de agregación del material de soporte (agua → vapor de agua) esté asegurada a través de toda la cámara de operación y con ello la energía introducida en el sistema desde la bomba sea aprovechada al máximo posible en la cámara de operación para el tratamiento de la carga (microorganismos).

Para el dimensionado de la bomba, la elevación necesaria de la presión ∆p es calculada con la presión de retención a la entrada de la cámara de operación, teniendo en cuenta la densidad del material de soporte aún fluido (agua) con ρw= 103 kg/m3:

ρw 2

∆p = uw,B = 9bar

2

y a continuación es calculada la potencia hidráulica necesaria con:

ρw 2 π 3 m 2

Phyd =∆pV B = d uw = uw = 3kW

24 2

La base del cálculo es el conocimiento de que la potencia hidráulica de la bomba es necesaria finalmente sólo para la generación de la velocidad de entrada necesaria uw,B. Phyd corresponde, por tanto, a la energía cinética/tiempo del flujo que penetra en la

5 cámara de operación.

Con la eficiencia mecánico-hidráulica η≈ 0,5 de una bomba helicoidal hidrostática que puede ser empleada a modo de ejemplo puede ser indicada finalmente aún la potencia tomada por la bomba de la red eléctrica:

10

P = Pel = Phyd/η = 6 kW

Claims

REIVINDICACIONES

1.

Procedimiento para fraccionar substancias orgánicas en forma de partículas en suspensiones de microorganismos en un medio de soporte, en particular en aguas residuales o lodos de instalaciones de clarificación biológicas, en el que las substancias orgánicas son sometidas en una cámara de operación (3) a fuerzas inerciales como resultado de una aceleración extrema breve seguida inmediatamente de una deceleración del medio de soporte que fluye en un canal de flujo cerrado, caracterizado porque a la entrada de la cámara de operación el medio de soporte es llevado a evaporarse y posteriormente a condensarse aumentando la energía cinética/volumen del flujo de agua hasta un valor máximo ρw·uk2/2 a la entrada de la cámara de operación, de manera que puede formarse flujo de vapor en la cámara de operación debido a la caída de la presión estática por debajo de la presión del vapor, donde ρw designa la densidad del medio de soporte y uk designa la velocidad de flujo a la entrada de la cámara de operación y en la propia cámara de operación ya no se producen burbujas de vapor específicas y se consigue una transición a un flujo de vapor completo.
2.

Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque las variaciones del estado de agregación del medio de soporte se realizan por variación de la velocidad de flujo.
3.

Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque la elevación de la velocidad de flujo se realiza por estrechamiento de la sección transversal del canal de flujo.
4.

Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la suspensión es tratada varias veces sucesivamente.
5.

Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque la suspensión es transportada varias veces a través de la misma cámara de operación.
6.

Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la suspensión es transportada a través de la cámara de operación desde abajo hacia arriba con una dirección de transporte vertical.
7.

Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el medio de soporte tiene una velocidad de flujo uw de al menos 50 m/s.
8.

Método según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el medio de soporte es agua.