WO2013129901A1 - Bioreactor combinado para el tratamiento de aguas residuales, mediante procesos anaerobios, aerobios y anoxicos de degradación de materia orgánica con sistema separador de zonas y captación de biogás, natas y lodos - Google Patents

Bioreactor combinado para el tratamiento de aguas residuales, mediante procesos anaerobios, aerobios y anoxicos de degradación de materia orgánica con sistema separador de zonas y captación de biogás, natas y lodos Download PDF

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biogas
aerobic
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Francisco Xavier VALDES SIMANCAS
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Valdes Simancas Francisco Xavier
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Definitions

  • the present invention falls in the field of treatment, sanitation and reduction of the organic load contaminating wastewater; more specifically it refers to a Bioreactor, which incorporates anaerobic, aerobic and anoxic digestion processes of the organic matter of wastewater for its sanitation, and that includes a novel system of separation of zones and capture of biogas, cream and sludge.
  • UBOX® is a reactor that has two sections: in the lower part it comprises an anaerobic section and in the upper part an aerobic section.
  • the wastewater is fed in the lower section which is pre-treated anaerobically, using the UASB upflow anaerobic process (Upflow Anaerobic Sludge Bed); in the middle section it comprises a separation module of three phases that allow to collect and separate the biogas produced and that also work to keep the sludge in the lower part of the reactor; on the gas separation and collection module a plurality of air injectors are arranged through which air is introduced to improve the aerobic degradation of the remaining COD (Chemical Oxygen Demand).
  • An efficient separator in the upper part of the tank that allows the discharge of the effluent and prevents the exit of the activated sludge, at the same time that avoids that the air bubbles interfere with the sedimentation process.
  • the UBOX® system combines the two processes in a single tank, using an aerobic process at the top; but it requires aerators, which mean a large energy consumption and the elimination of the organic load is not so efficient, so sanitation is not the most optimal.
  • Sedimentation tank 10 represents an anaerobic zone where sedimentation, sludge accumulation and digestion of sediments occur.
  • the biozone or ventilation zone 20 comprising a cover or cover 21 located in the upper part of the lower sedimentation tank 10 and housing a rotor biological contact 22, the rotor has an arrow 25 which is rotated by a motor 23;
  • the surface of the biological rotor is covered with a thin layer of biomass that is frequently exposed to the atmosphere while rotating the rotor.
  • the microorganisms naturally present in the feed of the wastewater and multiply very rapidly in the cyclic periods submerged and exposed to which they are subjected on the surface of the rotor. The microorganisms rapidly break down the layers of the biomass.
  • the water is fed through an opening in the cover or cover 21 that protects the biological rotor and the water at the end. of the path through the biological rotor is finally passed to the final sedimentation tank 30 or clarifier tank where there is less sedimentation and where said tank 30 comprises means for recirculating the biomass or sludge from said tank 30 towards the tank 10.
  • the tank does not comprise means for separating a completely anaerobic zone by means of a separating system of the transition or anoxic zone and that allows to capture the biogas and the creams of the anaerobic zone and the sludges of the transition or anoxic zone.
  • a secondary tank 15 attached to the tank 13 and separated by the wall 46 receives by decanting the water coming from the tank 13 and the water in said tank 15 it is fed to the reservoir 20 where the rotary digester is located, which is immersed in 30 to 50% of its diameter where the digestion of organic matter is accelerated in an aerobic process; the water after passing through the biological digester passes to the clarifying reservoir 22 and in case it still finds sediments, these are pumped to the tank 13.
  • the clarified and purified water is passed through a disinfection base 56 with UV rays of UV bulbs 54; UV light destroys residual microscopic microorganisms; alternatively a disinfection bulb or a chlorination unit is used.
  • This tank is divided into two tanks by means of a dividing wall and requires a third tank to complete the process.
  • no additional separator for the purely anaerobic zone is disclosed, nor is a biogas recovery system designed to collect and recover the gas for reuse; nor is a system for the collection of creams or the collection of sludge from the additional transition zone disclosed or suggested.
  • US Pat. No. 5,395,529 to James PJ Butler of March 7, 1995 which discloses an apparatus for the treatment of wastewater, consisting of a tank comprising an inlet port 1 and an outlet port 8; a first zone 3 of settlement of residual water solids below the level of inlet port 1; a second zone 7 of settlement of solids below the level of port of exit 8; and a compartment 14, such that the first settling zone 3 is in communication with the compartment 14 and said compartment 14 is in communication with the second settling zone 7.
  • a biological contact rotor 4 is mounted to rotate in the compartment 14.
  • each tank has a sedimentation chamber for the separation of treated water and sludge, joined to it a perimeter spill which in turn has an annular water collector channel treated with at least one pipe that connects both tanks to supply the Residual water supply in the second tank distributor to continue with the treatment.
  • Patent applications MX / a / 2011/004708 and MX / a / 2008/008724 are also cited as references.
  • a combined Bioreactor for the treatment of wastewater through anaerobic, aerobic and anoxic processes of degradation of organic matter that includes a system of collection of biogas, creams and sludge in a practical, efficient way and functional; and that in the same reservoir allows the execution of anaerobic, aerobic and anoxic digestion with the possibility of cleaning wastewater achieving a removal efficiency of BOD (biological oxygen demand) and SST (total suspended solids) greater than 95%, in addition to a nitrification process.
  • BOD biological oxygen demand
  • SST total suspended solids
  • the main objective of the present invention is to make available a bioreactor that allows to carry out both an anaerobic degradation, as well as an aerobic and also anoxic degradation of the organic matter of wastewater, and which at the same time comprises means for separating stages, capturing and collect biogas produced in anaerobic digestion; as well as the collection of mud and cream; allowing at the same time an aeration in the upper zone by means of a biological contact rotor; and in this way allow the sanitation of the wastewater, achieving an efficiency of removal of BOD (biological oxygen demand) and SST (total suspended solids) greater than 95% and a process of nitrification and denitrification.
  • BOD biological oxygen demand
  • SST total suspended solids
  • Another objective of the invention is to allow said bioreactor for anaerobic, aerobic and anoxic digestion of the organic matter of wastewater and biogas capture system, creams and sludge, which also allows the use of biogas as fuel for electric power generation by an electric generator coupled to a combustion engine where the heat residue of the engine can be used to preheat the plant's influent, as long as the temperature of the water to treat never exceed 40 ° C and accelerate the biological activities of digestion of organic matter.
  • Another objective of the invention is to allow said bioreactor for the anaerobic, aerobic and anoxic digestion of the organic matter of wastewater and system for capturing biogas, cream and sludge, which also implies a smaller space requirement when understanding all the processes in a only bioreactor and that ai use a biological contact rotor as an aerobic process, the energy consumption is reduced to a minimum, this being one of the processes that presents the lowest cost per cubic meter of treated water.
  • Another objective of the invention is to allow said bioreactor for the anaerobic, aerobic and anoxic digestion of the organic matter of wastewater and system of capture of biogas, cream and sludge, which besides generating few sludges, integrates a collection system thereof , both in the bottom of the anaerobic bioreactor, as in the lower part of the transition zone and in the lower part of the aerobic rotor bioreactor.
  • the sludge in the aerobic zone is recirculated to the transition zone, those in the transition zone to the anaerobic zone and in the anaerobic zone they are stored for a period that allows their complete digestion so that the process as a whole produces only inert muds and in very low quantities, this contributes to facilitate the sludge collection process and reduce the costs of disposal of the same.
  • Another objective of the invention is to allow said bioreactor for the anaerobic, aerobic and anoxic digestion of the organic matter of wastewater and system, of capture of biogas, cream and sludge, which also does not generate perceptible unpleasant odors in the plant.
  • Another objective of the invention is to allow said bioreactor for the anaerobic, aerobic and anoxic digestion of the organic matter of wastewater and system for the capture of biogas, cream and sludge, which also presents the possibility of cogeneration of energy through production. and biogas collection; which allows a better separation of the anaerobic, aerobic and anoxic section through the use of polyhedral separators of biogas collection areas, also defining a barrier for the formation of creams in the upper part of the bioreactor, the collection of sludge produced and which also serves to prevent its passage to the following processes of the plant.
  • the bioreactor for the anaerobic, aerobic and anoxic digestion of the organic matter of wastewater and the system for capturing biogas, cream and sludge consists of a tank of substantially rectangular shape with a minimum depth 7m, which is divided into three zones; an anaerobic zone in the background, an anoxic or transition zone in the middle and an aerobic zone in the upper part; At least one wastewater supply duct that is disposed in the upper part of the anaerobic zone.
  • This zone is characterized by the absence of oxygen, which favors the degradation of the organic matter contained in the wastewater; by means of this degradation, a small quantity of sludge is generated, which sediments in the bottom, leaving a sufficient period of time for its digestion and later it is extracted by means of a specially designed pipe located at the bottom of the tank.
  • This pipe can be made of PVC, stainless steel, high density polyethylene or any material with a corrosion resistance that allows a useful life of at least 50 years, a diameter sufficient for its function and a thickness that will prevent it from collapsing. with the load of water from the outside and a total vacuum inside. It is placed approximately 10cm from the bottom of the tank so that it has a catchment area by means of holes that are distributed uniformly in the lower part.
  • Each tube consists of holes of different diameters that typically range from 19.05mm to 38.1mm (3 ⁇ 4 "to VA"). The smaller holes are located on the side closest to the suction and grow as you go to the opposite end, so that the suction is even along the length of the tube.
  • the Bioreactor or tank has an intermediate polyhedral separator panel with a special configuration of rhomboids for the collection of biogas, sludge and cream, which together form an intermediate polyhedral separator panel united and supported in a plurality of columns and intermediate beams implemented in the tank; said joined separators define a plurality of conical collectors with upper duct connection nozzles of a biogas collection and conduction network and a plurality of funnel-shaped collectors with lower connection nozzles for ducts that define a network for collecting and driving sludge from the anoxic zone.
  • Said intermediate polyhedral separator panel separates the anaerobic zone from the anoxic zone; where said separators are made of a laminated material resistant to corrosion and with the rigidity necessary to support the weights of the sludge and the flotation efforts of the gases such as Fiberglass Reinforced Polyester (GRP), Stainless Steel or Other material that resists corrosion for at least 50 years.
  • GRP Fiberglass Reinforced Polyester
  • Stainless Steel or Other material that resists corrosion for at least 50 years.
  • Each of said plurality of conical biogas and cream collectors and said plurality of sludge collector funnels of said intermediate polyhedral separator panel is formed of four straight pieces substantially in the form of rhomboids comprising respective perimeter connecting eyebrows to be joined with similar adjacent parts. with an inclination of 45 to 60 ° with clamping means and with sealing elements with each other to form said intermediate polyhedral spacer panel.
  • These pieces in the superior part have an eyebrow of a quarter of circumference, so that when four pieces are united forming a cone to collect gas and creams, said eyebrows define a superior cylindrical nozzle where a gas collection tube and creams are inserted.
  • the parts at the end opposite the area where the raw water supply duct is located have openings for the water to reach the top of the anaerobic tank, that is, the anoxic or transition zone, the surface of the openings must be have a combined area so that the water velocity through the passage to the maximum flow of the plant oscillates between 0.05 and 0.15 meters per second.
  • baffles of the same material with an inclination similar to that of the intermediate polyhedral separator panel, so as to impede the upward flow of the gas bubbles, and at the same time allow the flow of water through from the opening to the next anoxic or transition zone, thus being able to follow the treatment process without having excess water flow to the next zone.
  • the height of the gas collector is between 1.5 and 2 m, at a depth of between 5 to 7 m in the bioreactor and the overlap between the intermediate polyhedral separator panel and the baffle should be between 10 and 20 cm, to avoid the upward flow of the gas bubbles.
  • the upper and lower parts are generated upper and lower cylindrical outlets, where pipes are connected to a pipe network that connects all the upper outlets and sends the gas and creams to a device that is responsible for their separation and another network that connects the lower outlets and sends the sedimented mud to the anaerobic zone of the tank to continue with its digestion.
  • each sludge collector has two pipes, one responsible for capturing the gas and cream that floats to the upper part of the intermediate polyhedral separator panel and another responsible for moving the sludge that settle and accumulate in the lower part of them, using gravity or pumping as a means of transport, depending on the location of the external separator, these waste will pass through a device that will be responsible for carrying out the separation of gas / sludge / cream (biogas), it is worth mentioning that the device that will be responsible for gas extraction must have an estimated time for the release of the gas generated, passing it directly to a gas blender, using it as fuel for the generation of energy from the same plant or for any other purpose.
  • the main process of the device will be the sedimentation of sludge and cream that will continue to generate methane gas and carbon dioxide.
  • This mixture creates a minimum concentration of oxygen that is consumed quickly creating an anoxic environment which allows the growth of denitrifying bacteria that convert nitrates and nitrites from the recirculation stream to nitrogen gas in the presence of carbon compounds contained in the wastewater .
  • the upper section of the bioreactor is the aerobic zone, comprising at least one RBC biological contact rotor, which is a polyethylene disc or other material with similar properties of 5.5 m in diameter that rotates on an axis by the action of an engine, leaving in contact with air and water from the anoxic zone.
  • the RBC in the early stages performs the degradation of the remaining organic matter of the water and in the last stages allows the growth of different nitrifying bacteria (nitrosomes and nitrobacter) that convert ammonia nitrogen (NH4) into nitrites (N 02) and later in nitrates (N03) that as already explained above will be transformed into nitrogen gas in the anoxic zone through a process known as denitrification.
  • the invention has another type of sludge extraction pipe, this is located in the lower part of the biological contact rotor connected to the semicircular plates that separate the aerobic zone from the anoxic zone, so that the biomass that is released from the discs do not accumulate in said plates, but are extracted by means of said pipe and are recirculated towards the anoxic zone, where one part will be degraded and another will sediment in the intermediate polyhedral separator panel for collecting sludge from said area.
  • said intermediate polyhedral separator panel comprises reinforcing elements disposed below and supported on said intermediate columns and beams.
  • FIGURES Figure 1 shows a plan view of the bioreactor for the anaerobic, aerobic and anoxic digestion of the organic matter of wastewater and system for capturing biogas, cream and sludge, in accordance with the present invention, without polishing the biological reactors of Contact.
  • Figure 2 shows a front view of the section A-A illustrated in Figure 1, of the Bioreactor for the anaerobic, aerobic and anoxic digestion of the organic matter of wastewater and system for capturing biogas, cream and sludge.
  • Figure 3 shows a side view of the section B-B illustrated in Figure 1, of the Bioreactor for the anaerobic, aerobic and anoxic digestion of the organic matter of waste water and system for capturing biogas, cream and sludge.
  • Figure 4 shows a conventional perspective of the intermediate polyhedral separator panel (without the detail of the upper and lower tubes) as an element for capturing and collecting the biogas and creams produced in the anaerobic digestion; as well as the sludge from the anoxic zone.
  • Figure 5 shows a conventional perspective of the intermediate polyhedral separator panel with the pipe network to capture and collect the biogas and creams produced in the anaerobic digestion; as well as the pipe network for the collection of sludge from the anoxic zone.
  • Figure 5a illustrates a side view of the intermediate polyhedral spacer panel illustrated in Figure 5.
  • Figure 6 shows a conventional perspective in elevation of a straight modular part in a rhomboid form for the conformation of the intermediate polyhedral separator panel as an element to capture and collect the biogas produced in the anaerobic digestion; as well as pickup of creams, figure 6a illustrate an enlargement of the upper portion "Z" of the piece shown in figure 6.
  • Figure 6b illustrates an enlargement of the lower "Y" portion of the piece shown in Figure 6.
  • Figure 7 illustrates a conventional perspective view of straight pieces forming the intermediate polyhedral separator panel, comprising the openings for the passage of water and the regulating fables for the passage of gas and water.
  • Figures 7a and 7b illustrate side views of a straight piece forming the intermediate polyhedral spacer panel, comprising the openings for the passage of water and the regulating fables for the passage of gas and water.
  • Figure 8 shows a conventional perspective of a bioreactor modality for anaerobic, aerobic and aerobic digestion. anoxic organic wastewater and biogas collection system, cream and sludge.
  • Figure 9 shows a side view of a portion of the rotor and the lower semicircular plates with the sludge discharge ducts of the aerobic zone.
  • the invention consists of a bioreactor 1 of substantially rectangular shape with a minimum depth of 7m, which is divided into three zones; an anaerobic zone in the bottom 2 that is characterized by the absence of oxygen, which favors the degradation of the organic matter contained in the wastewater; By means of this degradation, a small amount of sludge is generated, which is sedimented in the bottom and later extracted by means of a perforated pipe 2a ( Figure 8) that is located at the bottom of the bioreactor.
  • the process of degradation of organic matter happens through the action of anaerobic bacteria called methanogens, as the name implies, these bacteria produce methane and carbon dioxide (CH 4 and C0 2 ), which is called biogas;
  • This biogas is light so it has an upward flow inside the tank; an anoxic or transitional zone in medium 3 where the water coming from the anaerobic zone arrives together with an amount of recirculating water that comes from an aerobic zone 4, creating a mixture that creates a minimum concentration of oxygen that is quickly consumed creating an anoxic environment, which allows the growth of denitrifying bacteria that convert nitrates from the recirculation stream to gaseous nitrogen in the presence of carbon compounds contained in the wastewater and an aerobic zone 4 in the upper part, separated from the zone anoxic with semicircular plates 5 supported on a trabe 6, where one or several biological contact rotors 7 are arranged, depending on the needs, consisting of a polyethylene or polypropylene disc with diameters of up to 5.5 m (which could be larger) where
  • nitrifying bacteria nitrosomes and nitrobacter
  • At the bottom of said anaerobic zone 2 is comprised at least one waste water supply duct (not shown) near the top.
  • the tank has a plurality of pieces in the form of a rhomboid for the collection of biogas, which together form an intermediate polyhedral separator panel 10 joined and supported on a plurality of intermediate columns 1a implemented in bioreactor 1.
  • said separators joined together to form the intermediate polyhedral separator panel 10 are defined by a plurality of conical collectors 11 with duct connecting nozzles 12 of a biogas and cream capture and conduction network 13 and a plurality of funnel-shaped collectors 14 with connection nozzles 15 of ducts 16 that define a network for collecting and driving sludge.
  • Said intermediate polyhedral separator panel 10 separates the zone anaerobic 2 from the anoxic or transition zone 3; wherein said separator is preferably made of FRP (polyester reinforced with glass fiber) or of any other material with similar properties.
  • the conical collectors 11 and the funnel-shaped collectors 14 are formed by four straight pieces 17 substantially in the form of rhomboids comprising respective perimeter eyebrows 18 for joining with similar pieces attached with an inclination of 45 to 60 ° with respect to the horizontal and are coupled by said eyebrows that are fastened with fastening means and with seal elements (not shown) to form said intermediate polyhedral spacer panel 10.
  • These straight pieces with a conical configuration 17 in the upper part have an upper eyebrow of a quarter of circumference 19, so that when four pieces are joined they form a conical gas collector and creams 11, said eyebrows define an upper cylindrical connection nozzle 12 (see figures 5 and 5a) where it is possible to connect the gas collection tubes and creams from the biogas capture and conduction network 13; similarly there is a similar finish in the lower part with a lower eyebrow of a quarter of circumference 20, so that the four pieces are joined, forming a funnel collector of sludge 14 (see figures 5 and 5a), said eyebrows define a lower cylindrical connection nozzle 15 where it is possible to connect the ducts to collect sludge 16
  • Figure 1 shows a hole 21 in a corner of the intermediate polyhedral separator panel 10 for water entry and at the opposite end comprises openings 22 for water to reach the top of the bioreactor, the surface of the openings should be such that the water speeds mentioned above are respected.
  • Said openings are covered in the lower part by a baffle 22a) of the same material with an inclination similar to that of the intermediate polyhedral separator panel so as to impede the upward flow of the gas bubbles, and at the same time allow the flow of water to through the openings 22 to the next anoxic or transition zone, thus being able to follow the treatment process without having excess water flow to the next zone.
  • FIGS. 5 and 7 show the baffles 22a fixed in the some of the straight pieces 17 that form the intermediate polyhedral separating panel 10, precisely the pieces 17 of the end zone; said baffles 22a being disposed just below the openings 22, which are arranged with an inclination similar to that of said straight pieces 17 so as to impede the upward flow of the gas bubbles, and at the same time allow the flow of water to In the FIGS.
  • the bioreactor 1 can also be designed in another of its preferred embodiments with a homogenization tank 23 attached to the bioreactor 1, where the flow and organic load supplied to the bioreactor 1 are dosed to be dosed at the bottom of the same through a raw water supply pipe 26; at the exit of the treated water after passing through the biological contact rotors 7, an efficiency of removal of BOD (biological demand for oxygen) and SST (total suspended solids) greater than 95% is achieved; the water passes by overflow to a second final clarifier tank 24 with chamfered walls to favor the sedimentation of biomass detached from the biological contact rotors 7, comprising at the bottom pumps and recirculation ducts of biomass 25 towards the anoxic zone 6.
  • the clarified and purified water is passed through means of disinfection with UV (preferably), ozone or chlorine to destroy residual microorganisms. In any of the disinfection methods, it is necessary to ensure the necessary contact times for each method to perform its function.
  • Figure 8 clearly shows the perforated pipe 2a (Fig. 8) which is at the bottom of the bioreactor near the bottom of the anaerobic zone 2; the plurality of pieces in the form of a rhomboid for the collection of biogas is also seen, which together form an intermediate polyhedral separator panel 10 defined by a plurality of conical collectors 11 with connection nozzles 12 for ducts of a catchment network and driving biogas and creams 13 towards a gas collector and a plurality of funnel-shaped collectors 14 with connection nozzles. 15 of ducts 16 that define a network for uptake and conduction of sludge.
  • FIGS. 8 and 9 are the recirculated plates 5 supported on a track 6 below the at least one biological contact rotor 7, which separates the aerobic zone 4 in the upper part of the anoxic zone 3. Said semicircular plates they accumulate the biomass released from the rotor and residual sludge; and comprises means for connecting sludge discharge pipes 27 connected to a pump 28 for recirculating them towards the anoxic zone 3, where one part will be degraded and another will settle in the intermediate polyhedral separator panel 10 for collecting sludge from said zone 3.

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Abstract

La invención se refiere a una biorreactor para la digestión de materia orgánica de aguas residuales que comprende una zona aerobia en la parte inferior donde las bacterias anaerobias degradan la materia orgánica y generan biogás, una zona anóxica en la parte media donde las bacterias desnitrificantes convierten los nitratos a nitrógeno gaseoso y una zona aerobia en la parte superior con un rotor biológico de contacto donde las bacterias nitrificantes convierten el nitrógeno amoniacal en nitritos y nitratos. El biorreactor dispone de un conjunto de separadores con sección romboide que definen una pluralidad de colectores cónicos que al unirse forman un panel separador poliédrico, donde cada colector cónico dispone de una boquilla que lo conecta a una red de biogás o a una red de lodos y natas.

Description

BIOREACTOR COMBINADO PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES, MEDIANTE PROCESOS ANAEROBIOS, AEROBIOS Y ANOXICOS DE DEGRADACIÓN DE MATERIA ORGÁNICA CON SISTEMA SEPARADOR DE ZONAS Y CAPTACIÓN DE BIOGÁS,
NATAS Y LODOS.
CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención cae en el campo del tratamiento, saneamiento y disminución de la carga orgánica contaminante de aguas residuales; más específicamente se refiere a un Bioreactor, que incorpora conjuntamente procesos de digestión anaerobia, aerobia y anóxica de la materia orgánica de aguas residuales para su saneamiento, y que incluye un novedoso sistema de separación de zonas y captación de biogás, natas y lodos.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Los procesos biológicos tanto anaerobios, como aerobios y anóxicos son ampliamente utilizados en el tratamiento de aguas residuales, sin embargo, en la mayoría de las plantas que aplican varios tratamientos se utilizan dos o más tanques por separado, uno para el proceso aerobio y otro para el proceso anaerobio, lo cual implica la utilización de una gran superficie de terreno.
En el mercado se conoce un tanque para el tratamiento de aguas residuales, que remueve los compuestos orgánicos mediante un tratamiento biológico de una primera etapa anaerobia en una zona inferior y una segunda etapa aeróbica en la zona superior. Dicho tanque conocido como UBOX® es un reactor que tiene dos secciones: en la parte inferior comprende una sección anaerobia y en la parte superior una sección aerobia. El agua residual es alimentada en la sección inferior la cual es pre-tratada anaeróbicamente, utilizando el proceso anaerobio de flujo ascendente UASB (Upflow Anaerobic Sludge Bed); en la sección media comprende un módulo de separación de tres fases que permiten colectar y separar el biogás producido y que también funcionan para mantener el lodo en la parte inferior del reactor; sobre el módulo de separación y captación de gas se disponen una pluralidad de inyectores de aire por donde se introduce aire para mejorar la degradación aerobia del DQO (Demanda Química de Oxigeno) restante. Un separador eficiente en la parte superior del tanque que permite la descarga del efluente e impide la salida del lodo activado, al mismo tiempo que evita que las burbujas de aire interfieran con el proceso de sedimentación. El sistema UBOX® combina los dos procesos en un solo tanque, utilizando un proceso aerobio en la parte superior; pero requiere de aireadores, los cuales significan un gran consumo de energía y la eliminación de la carga orgánica no es tan eficiente, por lo que el saneamiento no es el más óptimo.
En el estado de la técnica se encontró la patente US 4.692.241 de John L. Nicholson del 08 de septiembre de 1987 la cual divulga rotores biológicos para el tratamiento de agua residual; dentro de dicha patente se divulga en la figura 1 un tanque de sedimentación inferior 10 con una biozona 20 y un tanque de sedimentación final 30. El tanque de sedimentación 10 representa una zona anaerobia donde se da la sedimentación, acumulación de lodos y la digestión de los mismos, después un poco más arriba esta una zona de transición y en la parte superior se encuentra la biozona o zona de ventilación 20 que comprende una cubierta o tapa 21 localizada en la parte superior del tanque de sedimentación inferior 10 y que aloja un rotor biológico de contacto 22, el rotor tiene una flecha 25 que se hace girar por una motor 23; la superficie del rotor biológico está cubierta con una delgada capa de biomasa que se expone frecuentemente a la atmosfera mientras gira el rotor. Los microorganismos presentes de forma natural en la alimentación de las aguas residuales y se multiplican muy rápidamente en los cíclicos periodos sumergidas y expuestas a la que están sometidos en la superficie del rotor. Los microorganismos descomponen rápidamente las capas de la biomasa.
El agua se alimenta por una abertura de la cubierta o tapa 21 que resguarda superiormente el rotor biológico y el agua al final del recorrido por el rotor biológico se pasa finalmente al tanque final de sedimentación 30 o tanque clarificador donde hay una sedimentación menor y en donde dicho tanque 30 comprende medios para recircular la biomasa o lodos de dicho tanque 30 hacia el tanque 10.
En esta patente, el tanque no comprende medios para separar una zona completamente anaerobia mediante un sistema separador de la zona de transición o anóxica y que permite capturar el biogás y las natas de la zona anaerobia y los lodos de la zona de transición o anóxica.
Se encontró la patente US 7.156.986B2 de Theodore U. Warrow del 02 de enero de 2007, la cual protege un contactor biológico rotatorio, el cual comprende un primer tanque clarificador profundo 12 en donde se lleva a cabo una sedimentación y existe una digestión anaerobia; el tanque comprende una cubierta semicircular en la parte superior que separa una zona anaerobia de una zona aerobia, el área superior a dicha cubierta (ver figura 2) define un área de ventilación donde tiene acción el rotor; el tanque comprende una entrada 14 donde se descarga el agua residual a tratar y en donde se lleva a cabo la sedimentación; el agua que se ha clarificado y se le han eliminado los lodos y sedimentos, se hace pasar por una entrada (ver figura 3) hacia la parte superior de ventilación donde tienen acción las bacterias aerobias y donde el rotor ayuda en la aireación y ventilación para favorecer el crecimiento bacteriano y que éstas puedan digerir la carga orgánica; este tanque presenta un proceso anaerobio y un proceso aerobio; el agua pasa por todo el circuito del rotor que está dividido en 4 etapas por donde va pasando el agua y al final se descarga hacia un tanque clarificador.
Al igual que la patente anterior, no se divulga, ni se sugiere un separador adicional de la zona netamente anaerobia, ni un sistema de recuperación de biogás que permita colectar y recuperar el gas para reutilizarse; tampoco se divulga o se sugiere un sistema de recolección de natas ni la recolección de lodos de la zona adicional de transición.
Se encontró también la patente US7.077.959B2 de Richard J. Petrone del 18 de julio de 2006, la cual protege una unidad de tratamiento de agua residual que comprende una entrada 11 a un tanque 12 completamente sellado; en la parte superior comprende un reservorio 20 separado del tanque 12 por una pared inferior; en dicho reservorio se dispone un digestor rotatorio 24. Un segundo reservorio superior 22 como unidad clarificadora se dispone en la parte alta el tanque; el tanque 12 comprende una pared divisoria 46 que lo divide en dos tanques, el tanque de colección 13 donde precipitan los sólidos y en presencia de bacterias anaerobias permite una digestión preliminar de materia orgánica. Un tanque secundario 15 adjunto al tanque 13 y separado por la pared 46 recibe por decantación el agua procedente del tanque 13 y el agua en dicho tanque 15 es alimentada al reservorlo 20 donde se dispone el digestor rotario que está inmerso en un 30 a 50% de su diámetro donde se acelera la digestión de materia orgánica en un proceso aerobio; el agua después que pasa por el digestor biológico pasa al reservorio clarificador 22 y en caso de que aún halla sedimentos, éstos se bombean hacia el tanque 13. El agua clarificada y depurada se hace pasar a través de una base de desinfección 56 con rayos UV de bulbos UV 54; la luz UV destruye microorganismos microscópicos residuales; alternativamente se usa un bulbo de desinfección o una unidad de cloración.
Este tanque está dividido en dos tanques por medio de una pared divisoria y requiere de un tercer tanque para completar el proceso. Al igual que la patente anterior, no se divulga, ni se sugiere un separador adicional de la zona netamente anaerobia, ni un sistema de recuperación de biogás que permita colectar y recuperar el gas para reutilizarse; tampoco se divulga o se sugiere un sistema de recolección de natas, ni la recolección de lodos de la zona adicional de transición.
Se encontró la patente US5.395.529 de James P. J. Butler del 07 de marzo de 1995, la cual divulga un aparato para el tratamiento de agua residual, que consta de un tanque que comprende un puerto de entrada 1 y un puerto de salida 8; una primera zona 3 de asentamiento de sólidos del agua residual por debajo del nivel del puerto de entrada 1 ; una segunda zona 7 de asentamiento de sólidos debajo del nivel del puerto de salida 8; y un compartimiento 14, tal que la primera zona de sedimentación 3 está en comunicación con el compartimiento 14 y dicho compartimiento 14 está en comunicación con la segunda zona de sedimentación 7. Un rotor biológico de contacto 4 está montado para rotar en el compartimiento 14. En esta patente se ejecutan ambos procesos anaerobio y aerobio para el tratamiento de aguas residuales; al igual que la patente anterior, no se divulga, ni se sugiere un separador adicional de la zona netamente anaerobia, ni un sistema de recuperación de biogás que permita colectar y recuperar el gas para reutilizarse; tampoco se divulga o se sugiere un sistema de recolección de natas ni la recolección de lodos de la zona adicional de transición. El diseño y configuración del tanque, tampoco permite un proceso continuo y eficiente de saneamiento de aguas residuales.
En México se encontró la solicitud de patente MX/a/2007/013635 de Leticia Montoya Herrera et al. presentada el 31 de octubre de 2008, la cual divulga un aparato de depuración para tratamiento de aguas residuales de agroindustrias denominado reactor anaerobio dúplex consistente en dos tanques similares conectados en serie. Cada tanque tiene unida en la parte superior una pieza cónica truncada con paredes con ángulos a 60°. Esta posee una campana invertida con paredes a 60°, denominada cámara de separación de biogás, incluyendo al menos una campana de recolección y desalojo de natas al exterior de cada tanque mediante un tubo.
También posee un distribuidor circular, formado por secciones distribuidas en partes iguales, cada sección va unida con uno o varios tubos que bajan sujetados hasta el fondo del tanque. En la parte superior cada tanque tiene una cámara de sedimentación para la separación de agua tratada y lodos, unida a ella un vertedor perimetral que a su vez posee un canal anular recolector de agua tratada con al menos una tubería que conecta ambos tanques para suministrar la alimentación del agua residual en el distribuidor del segundo tanque para seguir con el tratamiento. Con este reactor anaerobio dúplex se obtienen eficiencias de al menos 80% de remoción en tratamiento de aguas residuales de agroindustrias con valores de DQO superiores a 5000 mg/L.
También se citan como referencia las solicitudes de patente MX/a/2011/004708 y MX/a/2008/008724. No se encontró en ninguno de los documentos citados, un Bioreactor combinado para el tratamiento de aguas residuales mediante procesos anaerobios, aerobios y anóxicos de degradación de materia orgánica que comprenda integralmente un sistema de recolección de biogás, natas y lodos de una manera práctica, eficiente y funcional; y que en un mismo reservorio permita la ejecución de digestión anaerobia, aerobia y anóxica con la posibilidad de sanear aguas residuales logrando una eficiencia de remoción de DBO (demanda biológica de oxígeno) y SST (sólidos suspendidos totales) mayor al 95%, además de un proceso de nitrificación. En donde el biogás colectado pueda utilizarse como combustible para precalentar la corriente de entrada o como materia prima para la cogeneración de energía que se puede utilizar en el proceso en la misma planta o para cualquier otro fin.
OBJETIVOS DE LA INVENCIÓN
El objetivo principal de la presente invención es hacer disponible un bioreactor que permita llevar a cabo tanto una degradación anaerobia, como una degradación aerobia y también anóxica de la materia orgánica de aguas residuales, y que al mismo tiempo comprenda medios para separar etapas, captar y colectar el biogás producido en la digestión anaerobia; así como la captación de lodos y natas; permitiendo al mismo tiempo una aireación en la zona superior mediante rotor biológico de contacto; y de este modo permita el saneamiento del agua residual, logrando una eficiencia de remoción de DBO (demanda biológica de oxígeno) y SST (sólidos suspendidos totales) mayor al 95% y un proceso de nitrificación y desnitrificación. Otro objetivo de la invención es permitir dicho bioreactor para la digestión anaerobia, aerobia y anóxica de la materia orgánica de aguas residuales y sistema de captación de biogás, natas y lodos, que además permita la utilización del biogás como combustible para generación de energía eléctrica mediante un generador eléctrico acoplado a un motor de combustión donde el residuo de calor del motor se puede utilizar para precalentar el influente de la planta, siempre y cuando la temperatura del agua a tratar nunca supere los 40°C y acelerar las actividades biológicas de digestión de materia orgánica.
Otro objetivo de la invención es permitir dicho bioreactor para la digestión anaerobia, aerobia y anóxica de la materia orgánica de aguas residuales y sistema de captación de biogás, natas y lodos, que además implique un menor requerimiento de espacio al comprender todos los procesos en un solo bioreactor y que ai utilizar un rotor biológico de contacto como proceso aerobio, el consumo de energía se reduzca al mínimo, siendo este uno de los procesos que presenta el menor costo por metro cúbico de agua tratada.
Otro objetivo de la invención es permitir dicho bioreactor para la digestión anaerobia, aerobia y anóxica de la materia orgánica de aguas residuales y sistema de captación de biogás, natas y lodos, que además de generar pocos lodos, integre un sistema de recolección de los mismos, tanto en el fondo del bioreactor anaerobio, como en la parte baja de la zona de transición y en la parte baja del bioreactor del rotor aerobio. Los lodos de la zona aerobia se recirculan a la zona de transición, los de la zona de transición a la zona anaerobia y en la zona anaerobia se almacenan por un periodo que permita su completa digestión de manera que el proceso en su conjunto produzca únicamente lodos inertes y en muy bajas cantidades, esto contribuye a facilitar el proceso de recolección de lodos y reducir los costos de disposición de los mismos.
Otro objetivo de la invención es permitir dicho bioreactor para la digestión anaerobia, aerobia y anóxica de la materia orgánica de aguas residuales y sistema, de captación de biogás, natas y lodos, que además no genera olores desagradables perceptibles en la planta.
Otro objetivo de la invención es permitir dicho bioreactor para la digestión anaerobia, aerobia y anóxica de la materia orgánica de aguas residuales y sistema de captación de biogás, natas y lodos, que además presente la posibilidad de la cogeneración de energía a través de la producción y recolección de biogás; que permite hacer una mejor separación de la sección anaerobia, aerobia y anóxica a través del uso de separadores poliédricos de zonas de recolección de biogás, definiendo además una barrera para la formación de natas en la parte superior del bioreactor, la recolección de lodos producidos y que también sirve para impedir su paso a los siguientes procesos de la planta.
Y todas aquellas cualidades y objetivos que se harán aparentes al realizar una descripción general y detallada de la presente invención apoyados en las modalidades ilustradas.
BREVE DESCRIPCIÓN DEL INVENTO
De manera general, el bioreactor para la digestión anaerobia, aerobia y anóxica de la materia orgánica de aguas residuales y sistema de captación de biogás, natas y lodos, de conformidad con la presente invención consiste en un tanque de forma substancialmente rectangular con una profundidad mínima de 7m, el cual está dividido en tres zonas; una zona anaerobia en el fondo, una zona anóxica o de transición en el medio y una zona aerobia en la parte superior; al menos un ducto de alimentación de agua residual que se dispone en la parte superior de la zona anaerobia. Esta zona se caracteriza por la ausencia de oxígeno, lo cual propicia la degradación de la materia orgánica contenida en el agua residual; mediante esta degradación se genera poca cantidad de lodo, que se sedimenta en el fondo, dejándose un periodo de tiempo suficiente para su digestión y posteriormente se extrae por medio de una tubería especialmente diseñada, localizada en el fondo del tanque. Esta tubería puede ser de PVC, acero inoxidable, polietileno de alta densidad o cualquier material con una resistencia a la corrosión que le permitan una vida útil de al menos 50 años, de un diámetro suficiente para su función y un espesor que le evite colapsarse aun con la carga de agua del exterior y un vacio total en su interior. Está colocada a aproximadamente 10cm del fondo del tanque de manera que tenga área de captación por medio de barrenos que se distribuyen uniformemente en la parte inferior. Esta tubería está distribuida a lo largo del bioreactor, permitiendo abarcar la totalidad del área de sedimentación. Cada tubo consta de barrenos de diferentes diámetros que oscilan típicamente de 19.05mm a 38.1 mm (¾" a VA"). Los barrenos más pequeños se encuentran en el lado más cercano a la succión y crecen conforme se avanza al extremo opuesto, de manera que la succión sea uniforme a lo largo del tubo.
En el fondo del bioreactor, el proceso de degradación de materia orgánica sucede por la acción de bacterias anaerobias llamadas metanogénicas, como su nombre lo indica, estas bacterias producen Metano y dióxido de carbono (CH4 y CO2) el cual se le llama biogás; este biogás es ligero por lo que tiene un flujo ascendente dentro del tanque.
Para evitar que el biogás se escape y poder aprovecharlo, el Bioreactor o tanque cuenta con un panel separador poliédrico intermedio con una configuración especial de romboides para la recolección de biogás, lodos y natas, que unidas entre sí forman un panel separador poliédrico intermedio unido y soportado en una pluralidad de columnas y trabes intermedias implementadas en el tanque; dichos separadores unidas entre sí definen una pluralidad de colectores cónicos con boquillas de conexión superiores de ductos de una red de captación y conducción de biogás y una pluralidad de colectores en forma de embudo con boquillas de conexión inferiores de ductos que definen una red de captación y conducción de lodos provenientes de la zona anóxica. Dicho panel separador poliédrico intermedio separa la zona anaerobia de la zona anóxica; en donde dichos separadores están hechos de un material laminado resistente a la corrosión y con la rigidez necesaria para soportar los pesos de los lodos y los esfuerzos de flotación de los gases como seria el Poliéster Reforzado con Fibra de Vidrio (PRFV), Acero inoxidable u otro material que resista la corrosión por al menos 50 años.
Cada uno de dicha pluralidad de colectores cónicos de biogás y natas y dicha pluralidad de embudos colector de lodos de dicha panel separador poliédrico intermedio se conforma de cuatro piezas rectas substancialmente en forma de romboides que comprenden sendas cejas perimetrales de unión para unirse con piezas similares adjuntas con una inclinación de 45 a 60° con medios de sujeción y con elementos de sello entre sí para conformar dicho panel separador poliédrico intermedio. Estas piezas en la parte superior tienen una ceja de un cuarto de circunferencia, de manera que cuando se unen cuatro piezas formando un cono para colectar gas y natas, dichas cejas definen una boquilla cilindrica superior donde se inserta un tubo de recolección de gas y natas del proceso anaerobio; de la misma forma se tiene un terminado similar en la parte inferior, de modo que unidas las cuatro piezas, formando un embudo para colectar lodos, dichas cejas definen una boquilla cilindrica inferior donde es posible conectar los tubos para recolectar los lodos del proceso anóxico o de transición. Las piezas del extremo opuesto a la zona donde se dispone el ducto de alimentación de agua cruda, tienen aberturas para que el agua llegue a la parte superior del tanque anaerobio, es decir la zona anóxica o de transición, la superficie de las aberturas debe de tener una área combinada de manera que la velocidad del agua por el pasaje al flujo máximo de la planta oscile entre 0.05 y 0.15 metros por segundo. Estas aberturas van cubiertas en la parte inferior por un bafle del mismo material con una inclinación similar a la del panel separador poliédrico intermedio, de modo que impida el flujo ascendente de las burbujas de gas, y al mismo tiempo permita el flujo de agua a través de la abertura hacia la siguiente zona anoxica o de transición, pudiendo asi seguir el proceso de tratamiento sin tener exceso de flujo de agua a la siguiente zona. La altura del colector de gas está entre 1.5 y 2 m, a una profundidad de entre 5 a 7m en el bioreactor y el traslape entre el panel separador poliédrico intermedio y el bafle debe ser entre 10 y 20cm, para evitar el flujo ascendente de las burbujas de gas.
Como ya se mencionó anteriormente, al realizar el ensamble de todas las piezas, en la parte superior e inferior se generan salidas cilindricas superiores e inferiores, donde se conecta tubos de una red de tubería que conecta todas las salidas superiores y envía el gas y natas a un dispositivo que se encarga de su separación y otra red que conecta las salidas inferiores y envía el lodo sedimentado hacia la zona anaerobia del tanque para continuar con su digestión.
Entonces en dicho panel separador poliédrico intermedio que define la pluralidad de colector cónico para colectar biogás y natas y cada embudo colector de lodos cuenta con dos tuberías, una encargada de capturar el gas y natas que flota a la parte superior del panel separador poliédrico intermedio y otra encargada de trasladar los lodos que se sedimentan y se acumulan en la parte inferior de las mismas, utilizando la gravedad o bombeo como medio de transporte, según sea la ubicación del separador externo, estos residuos pasaran por un dispositivo que se hará cargo de realizar la separación de gas/ lodos/ natas (biogás), cabe mencionar que el dispositivo que se encargara de la extracción del gas, deberá tener un tiempo estimado para la liberación del gas generado, pasándolo directamente a una licuadora de gas, utilizándolo como combustible para la generación de energía de la misma planta o para cualquier otro fin . El principal proceso del dispositivo será la sedimentación de lodos y natas que seguirá generando gas metano y dióxido de carbono. Una vez que el agua pasó por la sección anaerobia llega a la zona anóxica o de transición, a esta zona llega también una cantidad de agua de recirculación que proviene de la zona aerobia. Esta mezcla crea una mínima concentración de oxígeno que se consume rápidamente creando un ambiente anóxico el cual permite el crecimiento de bacterias desnitrificantes que convierten los nitratos y nitritos de la corriente de recirculación a nitrógeno gaseoso en la presencia de compuestos de carbono contenidos en el agua residual.
La sección superior del bioreactor es la zona aerobia, comprende al menos un rotor biológico de contacto RBC, el cual es un disco de polietileno u otro material con propiedades similares de 5.5 m de diámetro que rota sobre un eje por acción de un motor, quedando en contacto con el aire y el agua proveniente de la zona anóxica. El RBC en las primeras etapas realiza la degradación de la materia orgánica remanente del agua y en las últimas etapas permite el crecimiento de diferentes bacterias n itrif icantes (nitrosomas y nitrobacter) que convierten el nitrógeno amoniacal (NH4) en nitritos(N 02) y posteriormente en nitratos(N03) que como ya se explicó anteriormente se transformarán en nitrógeno gas en la zona anóxica a través de un proceso conocido como desnitrificación. Por debajo de dicho rotor biológico de contacto se disponen placas semirculares que separan la zona aerobia de la zona anóxica. Mediante estos procesos se logra el tratamiento del agua residual y la disminución de la carga orgánica contaminante en más del 95%. Además la invención cuenta con otro tipo de tubería de extracción de lodos, ésta se ubica en la parte baja del rotor biológico de contacto conectados a las placas semirculares que separan la zona aerobia de la zona anóxica, de manera que la biomasa que se desprenda de los discos no se acumule en dichas placas , sino que se extrae por medio de dicha tubería y se recircula hacia la zona anóxica, donde se degradará una parte y otra se sedimentará en el panel separador poliédrico intermedio de recolección de lodos de dicha zona. En otra de las modalidades de la invención; dicho panel separador poliédrico intermedio comprende elementos de refuerzo dispuestos por debajo y soportados en dichas columnas y trabes intermedias. Para comprender mejor las características de la invención se acompaña a la presente descripción, como parte integrante de la misma, los dibujos con carácter ilustrativo más no limitativo, que se describen a continuación.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La figura 1 muestra una vista en planta del bioreactor para la digestión anaerobia, aerobia y anóxica de la materia orgánica de aguas residuales y sistema de captación de biogás, natas y lodos, de conformidad con la presente invención, sin ¡lustrar los reactores biológicos de contacto.
La figura 2 muestra una vista frontal de la sección A-A ¡lustrada en la figura 1 , del Bioreactor para la digestión anaerobia, aerobia y anóxica de la materia orgánica de aguas residuales y sistema de captación de biogás, natas y lodos.
La figura 3 muestra una vista lateral de la sección B-B ilustrada en la figura 1, del Bioreactor para la digestión anaerobia, aerobia y anóxica de la materia orgánica de aguas residuales y sistema de captación de biogás, natas y lodos.
La figura 4 muestra una perspectiva convencional del panel separador poliédrico intermedio (sin el detalle de los tubos superiores e inferiores) como elemento para captar y colectar el biogás y natas producido en la digestión anaerobia; así como los lodos de la zona anóxica.
La figura 5 muestra una perspectiva convencional del panel separador poliédrico intermedio con la red de tubería para captar y colectar el biogás y natas producido en la digestión anaerobia; así como la red de tubería para la captación de lodos de la zona anóxica. La figura 5a ilustra una vista lateral del panel separador poliédrico intermedio ilustrado en la figura 5.
La figura 6 muestra una perspectiva convencional en elevación de una pieza modular recta en forma romboide para la conformación del panel separador poliédrico intermedio como elemento para captar y colectar el biogás producido en la digestión anaerobia; así como la captación de natas, La figura 6a ilustran una ampliación de la porción superior "Z" de la pieza mostrada en la figura 6.
La figura 6b ilustran una ampliación de la porción inferior "Y" de la pieza mostrada en la figura 6.
La figura 7 ilustra una vista en perspectiva convencional de piezas rectas que forman el panel separador poliédrico intermedio, que comprenden la aberturas para el paso de agua y los fables de regulación del paso de gas y agua.
Las figuras 7a y 7b ilustran vistas laterales de una pieza recta que conforma el panel separador poliédrico intermedio, que comprenden la aberturas para el paso de agua y los fables de regulación del paso de gas y agua.
La figura 8 muestra una perspectiva convencional de una modalidad del bioreactor para la digestión anaerobia, aerobia y anóxica de la materia orgánica de agua residual y sistema de captación de biogás, natas y lodos.
La figura 9 muestra una vista lateral de una porción del rotor y las placas inferiores semicirculares con los ductos de descarga de lodos de la zona aerobia.
Para una mejor comprensión del invento, se pasará a hacer la descripción detallada de alguna de las modalidades del mismo, mostrada en los dibujos que con fines ilustrativos mas no limitativos se anexan a la presente descripción.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DEL INVENTO
Los detalles característicos del bioreactor para la digestión anaerobia, aerobia y anóxica de la materia orgánica de agua residual y sistema de captación de biogás, natas y lodos, se muestran claramente en la siguiente descripción y en los dibujos ilustrativos que se anexan, sirviendo los mismos signos de referencia para señalar las mismas partes.
Haciendo referencia a las figuras 1 a 3 y 8, la invención consiste en un bioreactor 1 de forma substancialmente rectangular con una profundidad mínima de 7m, el cual está dividido en tres zonas; una zona anaerobia en el fondo 2 que se caracteriza por la ausencia de oxígeno, lo cual propicia la degradación de la materia orgánica contenida en el agua residual; mediante esta degradación se genera poca cantidad de lodo, que se sedimenta en el fondo y posteriormente se extrae por medio de una tubería barrenada 2a (fig. 8) que se encuentra en el fondo del bioreactor. El procesó de degradación de materia orgánica sucede por la acción de bacterias anaerobias llamadas metanogén ¡cas, como su nombre lo indica, estas bacterias producen metano y dióxido de carbono (CH4 y C02), el cual se le llama biogás; este biogás es ligero por lo que tiene un flujo ascendente dentro del tanque; una zona anóxica o de transición en el medio 3 donde llega el agua procedente de la zona anaerobia junto con una cantidad de agua de recirculación que proviene de una zona aerobia 4, creando una mezcla que crea una mínima concentración de oxígeno que se consume rápidamente creando un ambiente anóxico, el cual permite el crecimiento de bacterias desnitrificantes que convierten los nitratos de la corriente de recirculación a nitrógeno gaseoso en la presencia de compuestos de carbono contenidos en el agua residual y una zona aerobia 4 en la parte superior, separada de la zona anóxica con placas semirculares 5 soportadas sobre una trabe 6, en donde se disponen uno o varios rotores biológicos de contacto 7, dependiendo de las necesidades, que consisten de un disco de polietileno o polipropileno de diámetros de hasta 5.5 m (que podrían ser mayores) donde se soportan múltiples hojas de una biopelícula y que rotan por acción de un motor 8 sobre un eje 9, quedando en contacto con el aire y el agua proveniente de la zona anóxica. Los rotores biológicos de contacto 7 en las primeras etapas realiza la degradación de la materia orgánica remanente del agua y en las últimas etapas permite el crecimiento de diferentes bacterias n itrif ¡cantes (nitrosomas y nitrobacter) que convierten el nitrógeno amoniacal en nitritos y posteriormente en nitratos que como ya se explicó anteriormente se transformarán en nitrógeno gas en la zona anóxica.
En el fondo de dicha zona anaerobia 2 se comprende al menos un ducto de alimentación de agua residual (no mostrado) cerca de la parte superior.
Para evitar que el biogás se escape de la zona anaerobia 2 y se pueda aprovechar, el tanque cuenta con una pluralidad de piezas en forma de romboide para la recolección de biogás, que unidas entre sí forman un panel separador poliédrico intermedio 10 unido y soportado en una pluralidad de columnas intermedias 1a implementadas en el bioreactor 1.
Haciendo referencia a las figuras 2 a 5a; dichos separadores unidos entre sí para formar el panel separador poliédrico intermedio 10 la definen una pluralidad de colectores cónicos 11 con boquillas de conexión 12 de ductos de una red de captación y conducción de biogás y natas 13 y una pluralidad de colectores en forma de embudo 14 con boquillas de conexión 15 de ductos 16 que definen una red de captación y conducción de lodos.
Dicho panel separador poliédrico intermedio 10 separa la zona anaerobia 2 de la zona anóxica o de transición 3; en donde dicho separador están hechas preferentemente de PRFV (poliéster reforzado con fibra de vidrio) o de cualquier otro material de propiedades similares.
Con referencia a las figuras 6 a 6b y retomando la referencia de las figuras 5 y 5a; los colectores cónicos 11 y los colectores en forma de embudo 14 se conforman por cuatro piezas rectas 17 substancialmente en forma de romboides que comprenden sendas cejas perimetrales 18 de unión para unirse con piezas similares adjuntas con una inclinación de 45 a 60° con respecto a la horizontal y se acoplan mediante dichas cejas que se sujetan con medios de sujeción y con elementos de sello (no mostrados) para conformar dicho panel separador poliédrico intermedio 10. Estas piezas rectas con una configuración cónica 17 en la parte superior tienen una ceja superior de un cuarto de circunferencia 19, de manera que cuando se unen cuatro piezas forman un colector cónico de gas y natas 11 , dichas cejas definen un boquilla de conexión cilindrica superior 12 (ver figuras 5 y 5a) donde es posible conectar los tubos de recolección de gas y natas de la red de captación y conducción de biogás 13; de la misma forma se tiene un terminado similar en la parte inferior con una ceja inferior de un cuarto de circunferencia 20, de modo que unidas las cuatro piezas, formando un embudo colector de lodos 14 (ver figuras 5 y 5a), dichas cejas definen un boquilla de conexión cilindrica inferior 15 donde es posible conectar los ductos para recolectar lodos 16.
En la figura 1 se aprecia un barreno 21 en una esquina del panel separador poliédrico intermedio 10 para la entrada de agua y en el extremo opuesto comprende aberturas 22 para que el agua llegue a la parte superior del bioreactor, la superficie de las aperturas debe ser tal que se respeten las velocidades del agua mencionadas anteriormente. Dichas aberturas van cubiertas en la parte inferior por un bafle 22a) del mismo material con una inclinación similar a la del panel separador poliédrico intermedio de modo que impida el flujo ascendente de las burbujas de gas, y al mismo tiempo permita el flujo de agua a través de las aberturas 22 hacia la siguiente zona anóxica o de transición, pudiendo así seguir el proceso de tratamiento sin tener exceso de flujo de agua a la siguiente zona.
En las figuras 5 y 7 se aprecian los bafles 22a fijos en las algunas de las piezas rectas 17 que forman el panel separador poliédrico intermedio 10, precisamente las piezas 17 de la zona extrema; dichos bafles 22a estando dispuestos justo debajo de las aberturas 22, los cuales se disponen con una inclinación similar a la de dichas piezas rectas 17 de modo que impida el flujo ascendente de las burbujas de gas, y al mismo tiempo permita el flujo de agua a través de las aberturas 22. En las figuras 7a y 7b se aprecian las vistas laterales de las piezas 17 de la zona extrema de dicho panel separador poliédrico intermedio con la disposición de los fables 22a dispuestos en la cara inferior en la zona donde se disponen dichas aberturas 22; estas ilustraciones permiten apreciar el flujo que sigue el biogas hacia los colector cónico de gas y natas 11 (ver figura 5) y el curso que sigue el agua hacia la zona anóxica o de transición 3 (ver figura 2).
Con referencia a la figura 8, el bioreactor 1 puede además estar diseñado en otra de sus modalidades preferidas con un tanque de homogenización 23 adjunto al bioreactor 1, en donde se uniformiza el flujo y carga orgánica suministrada al bioreactor 1 para dosificarse en el fondo del mismo a través de una tubería de suministro de agua cruda 26; a la salida del agua tratada después de pasar por lo rotores biológicos de contacto 7 se logra una eficiencia de remoción de DBO (demanda biológica de oxígeno) y SST (sólidos suspendidos totales) mayor al 95%; el agua pasa por desbordamiento a un segundo tanque clarificador final 24 de fondo con paredes achaflanadas para favorecer la sedimentación de biomasa desprendida de los rotores biológicos de contacto 7, comprendiendo en el fondo bombas y ductos de recirculación de biomasa 25 hacia la zona anóxica 6. El agua clarificada y depurada se hace pasar a través de medios de desinfección con rayos UV (preferentemente), ozono o clorado para destruir microorganismos residuales. En cualquiera de los métodos de desinfección se debe de asegurar los tiempos de contacto necesarios para que cada método haga su función.
La figura 8 muestra claramente la tubería barrenada 2a (fig. 8) que se encuentra en el fondo del bioreactor cerca del fondo de la zona anaerobia 2; se aprecia también la pluralidad de piezas en forma de romboide para la recolección de biogás, que unidas entre si forman un panel separador poliédrico intermedio 10 que la definen una pluralidad de colectores cónicos 11 con boquillas de conexión 12 de ductos de una red de captación y conducción de biogás y natas 13 hacia recolector de gases y una pluralidad de colectores en forma de embudo 14 con boquillas de conexión. 15 de ductos 16 que definen una red de captación y conducción de lodos .
Pueden apreciarse también en las figuras 8 y 9 las placas recirculares 5 soportadas sobre una trabe 6 por debajo del al menos un rotor biológico de contacto 7, la cual separa la zona aerobia 4 en la parte superior de la zona anóxica 3. Dichas placas semicirculares acumulan la biomasa desprendida del rotor y lodos residuales; y comprende medios de conexión de tubería de descarga de lodos 27 conectadas a una bomba 28 para recircularlos hacia la zona anóxica 3, donde se degradará una parte y otra se sedimentará en el panel separador poliédrico intermedio 10 de recolección de lodos de dicha zona 3.
El invento ha sido descrito suficientemente como para que una persona con conocimientos medios en la materia pueda reproducir y obtener los resultados que mencionamos en la presente invención. Sin embargo, cualquier persona hábil en el campo de la técnica que compete el presente invento puede ser capaz de hacer modificaciones no descritas en la presente solicitud, sin embargo, si para la aplicación de estas modificaciones en una estructura determinada o en el proceso de manufactura del mismo, se requiere de la materia reclamada en las siguientes reivindicaciones, dichas estructuras deberán ser comprendidas dentro del alcance de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES Habiendo descrito suficientemente la invención, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes cláusulas reivindicatorías.
1.- Un bioreactor combinado para el tratamiento de aguas residuales, mediante procesos anaerobios, aerobios y anóxicos de degradación de materia orgánica con sistema separador de zonas y captación de biogás, natas y lodos, caracterizado por comprender una zona anaerobia en el fondo donde se alimenta el agua residual a sanear, donde se propicia la degradación de la materia orgánica del agua residual por la acción de bacterias anaerobias que producen biogás (CH4 y CO2) y el poco lodo generado se deposita en el fondo el cual se extrae por medio de una tubería barrenada que se encuentra en el fondo del bioreactor; una zona anóxica o de transición en el medio, para el agua procedente de la zona anaerobia junto con una cantidad de agua de recirculación de una zona aerobia, con un crecimiento de bacterias desnitrificantes que convierten los nitratos de la corriente de recirculación a nitrógeno gaseoso en la presencia de compuestos de carbono contenidos en el agua; y una zona aerobia en la parte superior donde se dispone al menos un rotor biológico de contacto que realiza la degradación de la materia orgánica remanente del agua y en las últimas etapas permite el crecimiento de diferentes bacterias nitrif ¡cantes que convierten el nitrógeno amoniacal en nitritos y posteriormente en nitratos; en donde dicho tanque cuenta con una pluralidad de separadores en forma de romboide para recolección de biogás, lodos y natas que unidos entre sí forman un panel separador poliédrico intermedio, unido y soportado en una pluralidad de columnas y trabes intermedias implementadas en el tanque; dichos separadores unidos entre si definen una pluralidad de colectores cónicos con boquillas superiores de conexión de ductos de una red de captación y conducción de biogás y natas y una pluralidad de embudos colectores con boquillas de conexión cilindricas inferiores donde se conectan ductos de una red de captación y conducción de lodos.
2. - El bioreactor combinado para el tratamiento de aguas residuales, mediante procesos anaerobios, aerobios y anóxicos de degradación de materia orgánica con sistema separador de zonas y captación de biogás, natas y lodos, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque dicho panel separador poliédrico intermedio separa la zona anaerobia de la zona anóxica; en donde dicho separador está fabricadas preferiblemente de material laminado resistente a la corrosión y con la rigidez necesaria para soportar los pesos de los lodos y los esfuerzos de flotación de los gases como seria el Poliéster Reforzado con Fibra de Vidrio (PRFV), Acero inoxidable u otro material que resista la corrosión por al menos 50 años.
3. - El bioreactor combinado para el tratamiento de aguas residuales, mediante procesos anaerobios, aerobios y anóxicos de degradación de materia orgánica con sistema separador de zonas y captación de biogás, natas y lodos, de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque cada colector cónico para capturar biogás y natas y cada embudo colector de lodos de dicha panel separador poliédrico intermedio, están conformados por cuatro piezas rectas substancialmente en forma de romboides que comprenden sendas cejas perimetrales de unión para unirse con piezas similares adjuntas con una inclinación de 45 a 60° con medios de sujeción y con elementos de sello; dichas piezas comprendiendo en la esquina superior y en la esquina inferior una ceja de un cuarto de circunferencia, de manera que cuando se unen cuatro piezas se forma una boquilla cilindrica superior donde es posible conectar los tubos de recolección del biogás y natas que flota a la parte superior del panel separador poliédrico intermedio y que los conduce a un dispositivo que se encarga de su separación y una boquilla cilindrica inferior donde es posible conectar los tubos para recolectar lodos sedimentado hacia la zona anaerobia del tanque para continuar con su digestión.
4.- El bioreactor combinado para el tratamiento de aguas residuales, mediante procesos anaerobios, aerobios y anóxicos de degradación de materia orgánica con sistema separador de zonas y captación de biogás, natas y lodos, de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 3, caracterizado porque las piezas que conforman dicho panel separador poliédrico intermedio dispuestas en el extremo opuesto a la zona donde se dispone el ducto de alimentación de agua tratada, tienen aberturas para que el agua llegue a la parte superior del tanque, la superficie de las aberturas debe de tener una área combinada de manera que la velocidad del agua por el pasaje al flujo máximo de la planta oscile entre 0.05 y 0.15 metros por segundo; y en donde dichas aberturas van cubiertas en la parte inferior por un bafle del mismo material con una inclinación similar a la del panel separador poliédrico intermedio de modo que impida el flujo ascendente de las burbujas de gas, y al mismo tiempo permita el flujo de agua a través de la hacia la siguiente zona anóxica o de transición, pudiendo así seguir el proceso de tratamiento sin tener exceso de flujo de agua a la siguiente zona.
5.- El bioreactor combinado para el tratamiento de aguas residuales, mediante procesos anaerobios, aerobios y anóxicos de degradación de materia orgánica con sistema separador de zonas y captación de biogás, natas y lodos, de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 3, caracterizado porque la altura de dicho panel separador poliédrico intermedio, para colectar y separar gas-lodos y natas está entre 1.5 y 2 m, a una profundidad de 5 a 7m en el tanque y el traslape entre el panel separador poliédrico intermedio y el bafle debe ser entre debe ser entre 10 y 20cm para evitar el flujo ascendente de las burbujas de gas.
6.- El bioreactor combinado para el tratamiento de aguas residuales, mediante procesos anaerobios, aerobios y anóxicos de degradación de materia orgánica con sistema separador de zonas y captación de biogás, natas y lodos, de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha pluralidad de colectores cónicos de biogás y natas y dicha pluralidad de embudos colector de lodos de dicha panel separador poliédrico intermedio, comprenden elementos de refuerzo dispuestos por debajo y soportados en dichas columnas y trabes intermedias.
7.- El bioreactor combinado para el tratamiento de aguas residuales, mediante procesos anaerobios, aerobios y anóxicos de degradación de materia orgánica con sistema separador de zonas y captación de biogás, natas y lodos, de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha tubería barrenada se dispone en el fondo del bioreactor y se distribuye a lo largo de éste, estando colocada a aproximadamente 10cm del fondo, de manera que tenga una área de captación por medio de barrenos que se distribuyen uniformemente en la parte inferior; siendo dichos barrenos barrenos de diferentes diámetros que oscilan típicamente de 19.05mm a 38.1 mm (¾" a VA") y en donde los barrenos más pequeños se encuentran en el lado más cercano a la succión y crecen conforme se avanza al extremo opuesto, de manera que la succión sea uniforme a lo largo del tubo.
8.- El bioreactor combinado para el tratamiento de aguas residuales, mediante procesos anaerobios, aerobios y anóxicos de degradación de materia orgánica con sistema separador de zonas y captación de biogás, natas y lodos, de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dichos residuos gas-lodos-natas se conducen a través de dichas tuberías hacia un dispositivo de separación gas/ lodos/ natas, que tiene un tiempo estimado para la liberación del gas generado, pasándolo directamente por un proceso de transformación de gas a energía eléctrica, utilizándolo como combustible para la generación de energía de la misma planta o para cualquier otro fin .
9. - El bioreactor combinado para el tratamiento de aguas residuales, mediante procesos anaerobios, aerobios y anóxicos de degradación de materia orgánica con sistema separador de zonas y captación de biogás, natas y lodos, de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho al menos un rotor biológico de contacto consiste en un disco de polietileno u otro material con propiedades similares de 5.5 m de diámetro que rota sobre un eje por acción de un motor, quedando en contacto con el aire y el agua proveniente de la zona anóxica.
10. - El bioreactor combinado para el tratamiento de aguas residuales, mediante procesos anaerobios, aerobios y anóxicos de degradación de materia orgánica con sistema separador de zonas y captación de biogás, natas y lodos, de acuerdo con las rei indicaciones anteriores, caracterizado porque debajo de dicho al menos un rotor biológico de contacto se disponen placas semirculares que separan la zona aerobia de la zona anóxica, en las que se conectan tubería de extracción de lodos, de manera que la biomasa que se desprenda de los discos no se acumule en dichas placas , sino que se extrae por medio de dicha tubería y se recircula hacia la zona anóxica, donde se degradará una parte y otra se sedimentará en el panel separador poliédrico intermedio de recolección de lodos de dicha zona.
11. - El bioreactor combinado para el tratamiento de aguas residuales, mediante procesos anaerobios, aerobios y anóxicos de degradación de materia orgánica con sistema separador de zonas y captación de biogás, natas y lodos, de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque además comprende un tanque de homogen ización adjunto en donde se uniformiza el flujo y carga orgánica del agua residual previo a su suministro al bioreactor.
12. - El bioreactor combinado para e tratamiento de aguas residuales, mediante procesos anaerobios, aerobios y anóxicos de degradación de materia orgánica con sistema separador de zonas y captación de biogás, natas y lodos, de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque además comprende un tanque clarificador al final a la salida del agua después de pasar por la zona aerobia donde se disponen los rotores biológicos de contacto; el cual comprende un fondo con paredes achaflanadas para favorecer la sedimentación de biomasa desprendida de los rotores biológicos de contacto; comprendiendo en el fondo ductos de recirculación de biomasa a la zona anóxica o de transición.
13.- El bioreactor combinado para el tratamiento de aguas residuales, mediante procesos anaerobios, aerobios y anóxicos de degradación de materia orgánica con sistema separador de zonas y captación de biogás, natas y lodos, de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el agua clarificada en dicho tanque clarificador además se hace pasar por medios de desinfección con rayos UV para destruir microrganismos residuales y alternativamente incluye una unidad de ozono, cloración u otro método a la salida del tanque clarificador final.
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