ES2248331T3 - Metodo para la limpieza biologica de aguas residuales. - Google Patents
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Abstract
Un método para la purificación biológica de aguas residuales en donde las aguas residuales se purifican primero en un proceso de biopelícula y luego en un proceso de lodos activados, en donde a toda la biomasa sobrante del proceso de biopelícula o la porción principal de la misma se le permite pasar hacia el proceso de lodos activados, caracterizado porque el proceso de degradación biológica en el proceso de biopelícula se opera bajo la limitación de una de las sales nutrientes, nitrógeno o fósforo por medio del cociente entre la cantidad de DBO5 y el nitrógeno biológicamente disponible suministrado al proceso de biopelícula, siendo conservado dentro del intervalo desde 60:1 hasta 240:1, preferiblemente dentro del intervalo desde 80:1 hasta 180:1, particularmente dentro del intervalo desde 100:1 hasta 150:1, y/o el cociente entre las cantidades de DBO5 y el fósforo biológicamente disponible suministrado al proceso de biopelícula que se mantiene dentro del intervalo desde 300:1 hasta 1200:1,preferiblemente dentro del intervalo desde 450:1 hasta 900:1, particularmente dentro del intervalo desde 500:1 hasta 700:1.
Description
Método para la limpieza biológica de aguas
residuales.
La invención se relaciona con un método para la
purificación biológica de aguas residuales en donde las aguas
residuales se purifican primero en un proceso de biopelícula, y
luego en un proceso de lodos activados todos de biomasa sobrante del
proceso de biopelícula, o la parte principal del mismo, siéndole
permitido pasar al proceso de lodos activados. Se ha encontrado que
proporciona grandes ventajas en comparación con los métodos del
estado de la técnica.
En la purificación biológica de aguas residuales,
estas pasan a través de algún tipo de reactor, tanque o dársena en
donde se utilizan microorganismos para convertir las impurezas
existentes en el agua, en productor finales inocuos tales como
dióxido de carbono y agua. La purificación i.a. puede realizarse con
suministro de aire (aeróbicamente) o sin suministro de aire
(anaeróbicamente). En todos los procesos de purificación biológica,
algunas de las impurezas degradadas se convierten en biomasa
microbiana, un biolodo, que debe ser separado del agua y removido
del proceso, deshidratado, y clarificado de alguna manera,
usualmente por medio de vertimiento o combustión. El manejo del lodo
en conexión con la purificación biológica involucra costos
operativos grandes y es por lo tanto deseable mantener la producción
de lodos tan baja como sea posible en el proceso biológico.
Con miras a obtener una degradación extensiva de
las impurezas orgánicas en el agua residual, y lograr procesos más
compactos, a menudo se utilizan procesos de purificación biológica
en donde los microorganismos activos se retiene en el proceso con el
propósito de mantener un alto contenido de biomasa activa. Existen
dos modelos principales para la retención. O bien se le permite a la
biomasa crecer en forma suspendida en el proceso y luego se la
separa del agua en una etapa de separación después del reactor y
luego se la retorna al reactor (procesos de lodos activados), o se
retiene la biomasa permitiendo que los microorganismos crezcan como
una biopelícula sobre algún tipo de material portador incluido en el
proceso (procesos de biopelícula). También es común combinar
procesos de biopelícula y procesos de lodos activados de tal manera
que el agua residual sea tratada primero en un proceso de
biopelícula, por ejemplo un así llamado biolecho, y luego en un
proceso de lodos activados. Esto da como resultado un proceso
intensivo más compacto y para perturbaciones más intensivas que en
un proceso puro de lodos activados, y una purificación más extensiva
obtenido al mismo tiempo que el que usualmente se obtiene con un
proceso puro de biopelícula.
En el proceso de biopelícula así como en el
proceso de lodos activados y en procesos combinados, la biomasa
sobrante que corresponde a la producción de lodos en el sistema,
debe ser removida del proceso.
Con el propósito de que el proceso biológico
funcione, se requiere que ciertas cantidades de nitrógeno y de
fósforo biológicamente disponibles se encuentren presentes. Estas
sustancias nutrientes son necesarias para la vida en la biomasa
microbiana y existen allí han componentes celulares como proteínas,
ácidos nucleicos y fosfolípidos. La biomasa microbiana normalmente
contiene alrededor del 10% de nitrógeno y 1,5% de fósforo que e
tomado de los alrededores por la degradación de material orgánico y
el crecimiento de nueva biomasa. Las aguas residuales que contienen
bajos niveles de sales nutrientes biológicamente disponibles en
relación con la materia orgánica degradable (medida por ejemplo como
consumo bioquímico de oxígeno, DBO_{5}), usualmente debe ser
suministrada con nitrógeno y/o fósforo extra con el propósito de
obtener buenos resultados de purificación. Una regla común según el
criterio de la purificación biológica aeróbica es que las aguas
residuales deben tener una relación de cantidad entre DBO_{5},
nitrógeno (N) y fósforo (P) de alrededor de 100:5:1 con el propósito
de que la purificación funcione óptimamente. Cuando se dosifica
nitrógeno y fósforo al proceso de purificación, a menudo se utilizan
compuestos fácilmente disponibles tales como amoniaco, nitrato, urea
y ortofosfato. Para aguas residuales que tienen un contenido
naturalmente bajo de sales nutrientes, el suministro de las mismas a
menudo es uno de los rubros más grandes de los costos de
operación.
operación.
Cuando existe una carencia de sales nutrientes
disponibles en la purificación biológica, usualmente surgen
problemas tales como la degradación incompleta del material orgánico
y una malas propiedades de separación y de deshidratación del
biolodo. La carencia de sales nutrientes en un proceso de lodos
activados a menudo da como resultado un gran crecimiento de
filamentos formadores de bacterias que causan problemas de
separación de lodos en la forma del así hinchamiento de lodos,
mientras que la carencia de sales nutrientes en un proceso de
biopelícula puede crear grandes cantidades de biomasa finamente
suspendida que es muy difícil de separar.
La presente invención se relaciona con un método
del tipo referido anteriormente que de acuerdo con la reivindicación
1, se caracteriza porque el proceso de degradación biológica en el
proceso de biopelícula se afecta por la limitación de una de las
sales nutrientes de nitrógeno y fósforo, por el cociente entre las
cantidades de DBO_{5} y el nitrógeno biológicamente disponible
suministrado al proceso de biopelícula que se mantiene dentro del
intervalo desde 60:1 hasta 240:1, preferiblemente dentro del
intervalo desde 80:1 hasta 180:1, particularmente dentro del
intervalo desde 100:1 hasta 150:1, y/o el cociente entre las
cantidades de DBO_{5} y el fósforo biológicamente disponible que
se mantiene dentro del intervalo desde 300:1 hasta 1200:1,
preferiblemente dentro del intervalo desde 450:1 hasta 900:1,
particularmente dentro del intervalo desde 500:1 hasta 700:1. Este
método combina así el tratamiento de aguas residuales en un proceso
de biopelícula, seguido por un proceso de lodos activados, con la
operación del proceso de biopelícula bajo la gran limitación de
sales nutrientes, que inesperadamente se ha encontrado que
proporciona grandes ventajas en lo que concierne al proceso. La
biomasa que se forma en el proceso de biopelícula bajo tales
condiciones, se ha encontrado que se degrada fácilmente en el
proceso siguiente de lodos activados. En la mayoría de los casos
estas sales nutrientes liberadas se ha encontrado que son
suficientes para el proceso de lodos activados, lo cual significa
que la demanda de sales nutrientes para el proceso total, será muy
baja en comparación con los procesos convencionales. En los casos en
donde se requieren sales nutrientes extra en el proceso de
dosificación de nitrógeno y/o de fósforo a los lodos activados, esta
puede efectuarse directamente a la dársena de lodos activados.
Además de la baja producción de lodos y del bajo consumo de sales
nutrientes, se ha encontrado que el método de la invención, imparte
al biolodo propiedades de muy buena separación y de deshidratación.
Debido a que también se incrementa la baja producción de lodos, de
la así llamada la edad de los lodos en el proceso, lo cual significa
que puede lograrse una degradación mayor del material orgánico por
el método de la invención, que en un método convencional que tiene
el mismo volumen total del proceso. Las buenas propiedades de
separación de los lodos y el que no haya sobrantes de las sales
nutrientes, juntos proveen una descarga de sales nutrientes muy baja
al medio
receptor.
receptor.
Con el propósito de obtener las grandes ventajas
de la invención, se ha encontrado que es necesario que una de las
sales nutrientes de nitrógeno o de fósforo, este presente en un
déficit grande en relación con el material degradable en el proceso
de biopelícula. Con tal limitación, la reducción del material
orgánico en el proceso de biopelícula se verá ligeramente reducido,
pero grandes ventajas como las descritas más arriba se lograran con
el cambio del carácter de la biomasa sobrante, que se obtiene. Con
un déficit muy grande de una de las sales nutrientes, se minimizará
la reducción demasiado de tal manera que se perderá el efecto
positivo. Se ha encontrado que la relación entre las cantidades de
DBO_{5} y el nitrógeno biológicamente disponible en el proceso de
biopelícula, debería estar en el intervalo desde 60:1 hasta 240:1,
preferiblemente dentro del intervalo desde 80:1 hasta 180:1,
particularmente dentro del intervalo desde 100:1 hasta 150:1, y/o la
relación entre las cantidades de DBO_{5} y el fósforo
biológicamente disponible en el proceso de biopelícula, debería
estar dentro del intervalo desde 300:1 hasta 1200:1, preferiblemente
dentro del intervalo desde 450:1 hasta 900:1, particularmente dentro
del intervalo desde 500:1 hasta 700:1. Ya que el método de la
invención requiere de un considerable déficit de una de las sales
nutrientes en el proceso de biopelícula, no es adecuado para las
aguas residuales que naturalmente contienen niveles más altos de
sales nutrientes que aquellas definidas por los intervalos
anteriores, por ejemplo la mayoría de las aguas residuales
municipales. En la mayoría de las aguas residuales municipales, una
da las sales nutrientes de nitrógeno y de fósforo está presente en
un nivel bajo en relación con el DBO. Por medio del suministro de
una cantidad medida de sales nutrientes de tal manera que se obtiene
una relación entre el DBO y el nitrógeno o el fósforo como se
definió antes, las ventajas operacionales del método de la invención
pueden lograrse para estas aguas residuales.
En algunos casos, la degradación de la biomasa
sobrante del proceso de biopelícula en el proceso de lodos
activados, puede ser tan efectiva que las sales nutrientes liberadas
proporcionan un sobrante de sales nutrientes en el proceso de lodos
activados. Con el propósito de reducir la descarga de sales
nutrientes y de reducir el consumo de sales nutrientes, es posible
en tales casos retornar una parte del flujo de aguas residuales de
salida desde la etapa de separación de proceso de lodos activados
hasta el proceso de biopelícula. De esta forma, las sales nutrientes
liberadas pueden ser retornadas y se reduce la dosificación de sales
nutrientes nuevas al proceso de biopelícula, lo cual resulta también
en una reducción de la descarga de sales nutrientes.
Con el propósito de obtener mejores resultados
por medio del método de la invención, se ha encontrado también que
el proceso de biopelícula debería ser operado a una carga dentro de
un intervalo que va desde 2 hasta 20 kg de DBO_{5} por m^{3} del
volumen en proceso y veinticuatro horas, preferiblemente dentro del
intervalo desde 3 hasta 15 kg de DBO_{5}/m^{3} y veinticuatro
horas, particularmente dentro del intervalo desde 4 hasta 10 kg de
DBO_{5}/m^{3} y veinticuatro horas.
Dentro del alcance de la invención, el proceso de
biopelícula puede realizarse en muchas otras formas, y puede
dividirse en varias etapas parciales. Sin embargo, el así llamado
proceso de biopelícula con material portador suspendido, se ha
encontrado que es particularmente favorable para la función de la
invención. En este proceso el material portador es mantenido en
suspensión y el movimiento en el proceso se logra a través del
suministro de aire. Por medio de esa disposición puede hacerse
particularmente compacto el método de la invención, comprado con la
utilización de otros tipos de procesos de biopelículas.
Una comparación entre el método de la invención y
el tratamiento de aguas residuales en un proceso de biopelícula o en
un proceso de lodos activados, individualmente o en una combinación
entre el proceso de biopelícula y el proceso de lodos activados con
dosificación normal de sales nutrientes, muestra que el método de la
invención proporciona resultados considerablemente mejores que otros
procesos como se verá en la Tabla 1. Los análisis fueron realizados
sobre aguas residuales de una industria forestal, y como se verá en
la tabla, la producción de lodos sobrantes fue drásticamente menor
con el método de la invención que con los métodos convencionales,
así como el consumo de nitrógeno y fósforo. Además, se logró una
reducción ligeramente mayor de COD debido a la mayor edad de los
lodos en el proceso, y se conservó la descarga de sales nutrientes
en un nivel más bajo que en cualquiera de los otros procesos.
| \begin{minipage}[t]{155mm} Comparación entre el resultado de la purificación en el proceso de lodos activados, el proceso de biopelícula, y los procesos combinados de biopelícula/lodos activados, con dosificación normal de sales nutrientes y baja dosificación de acuerdo con la invención, respectivamente. \end{minipage} | ||||
| Lodos | Biopelícula | Biopelícula / | Biopelícula/lodos activados | |
| activados | lodos activados | con bajo contenido de | ||
| convencional | sales nutrientes | |||
| Tiempo de hinchamiento (h) | 20 | 8 | 3 + 8 | 3 + 8 |
| Reducción de COD (%) | 72 | 65 | 71 | 75 |
| Producción de lodos (kg de | 0,21 | 0,28 | 0,16 | 0,05 |
| sustancia seca/kg de COD | ||||
| reducido) | ||||
| Consumo de nitrógeno (gN/kg | 15 | 25 | 15 | 3 |
| de COD reducido) | ||||
| Consumo de fósforo (gP/kg | 2 | 5 | 2 | 0,5 |
| de COD reducido) | ||||
| Índice de volumen de lodos | 120 | 80 | 70 | 50 |
| (ml/g) | ||||
| Nitrógeno saliente total (mg/l) | 6 | 13 | 8 | 4 |
| Fósforo saliente total (mg/l) | 0,7 | 2 | 1,4 | 0,4 |
Con el propósito de explicar la invención con más
detalle, se hace referencia al dibujo acompañante que describe
modalidades ilustrativas de la invención, en donde
La Fig 1 describe una modalidad de la invención
en donde el agua residual es tratada en un proceso aireado de
biopelícula,
La Fig 2 describe la misma combinación del
proceso de la Fig 1 pero con el proceso de biopelícula dividido en
tres etapas parciales, y
La Fig 3 describe la misma combinación del
proceso de la Fig 1 pero con el proceso de lodos activados dividido
en varias etapas parciales.
En la modalidad de acuerdo con la Fig 1, se trata
al agua residual en un proceso aireado de biopelícula 1 con material
portador suspendido, a partir del cual se pasa el agua residual sin
separación de la biomasa sobrante, hasta un proceso de lodos
activados 2. Se suministra el agua residual que originalmente
contiene 600 mg/l de DBO_{5}, 2 mg/l de nitrógeno biológicamente
disponible en la forma de amoniaco, y 1 mg/l de fósforo
biológicamente disponible en la forma de ortofosfato, con nitrógeno
extra de 3 para un contenido total de nitrógeno disponible de 5
mg/l, con el propósito de obtener aquellas condiciones óptimas de
acuerdo con la invención. No se suministró fósforo extra. Al proceso
de lodos activados 2, se conecta una etapa de sedimentación 6, y se
suministra el lodo concentrado de esta etapa al proceso de lodos
activados 2.
En la modalidad de acuerdo con la Fig 2, el
proceso de biopelícula 1 ha sido dividido en tres etapas parciales.
El agua residual contiene originalmente 2000 mg/l de DBO_{5}, 250
ml/l de nitrógeno biológicamente disponible, y 2 mg/l de fósforo
biológicamente disponible. Se trata al agua residual en el proceso
de biopelícula 1 sin el suministro de nitrógenos y fósforo extra
mientras que por el contrario, se dosifica fósforo extra hasta 4 al
proceso de lodos activados 2 con el propósito de evitar la carencia
del mismo.
En la modalidad de acuerdo con la Fig 3, el
proceso de lodos activados 2 se divide en varias etapas parciales y
se retorna un flujo parcial de 5 del agua saliente desde la etapa de
separación 6 hasta el proceso de biopelícula 1, de tal manera que
las sales nutrientes liberadas en el proceso de lodos activados 2 se
retornan parcialmente al proceso de biopelícula, y se reduce la
necesidad del suministro extra de sales nutrientes al proceso de
biopelícula. El retorno tiene lugar a un flujo que iguala al ingreso
de aguas residuales no tratadas. Las aguas residuales contienen
originalmente 900 mg/l de DBO_{5}, 3 mg/l de nitrógeno
biológicamente disponible y 0,5 ml/l de fósforo biológicamente
disponible. Se suministra nitrógeno y fósforo extra al agua residual
hasta 7 para un contenido totalmente disponible de 5 mg/l de
nitrógeno y 1 mg/l de fósforo.
Claims (6)
1. Un método para la purificación biológica de
aguas residuales en donde las aguas residuales se purifican primero
en un proceso de biopelícula y luego en un proceso de lodos
activados, en donde a toda la biomasa sobrante del proceso de
biopelícula o la porción principal de la misma se le permite pasar
hacia el proceso de lodos activados, caracterizado porque el
proceso de degradación biológica en el proceso de biopelícula se
opera bajo la limitación de una de las sales nutrientes, nitrógeno o
fósforo por medio del cociente entre la cantidad de DBO_{5} y el
nitrógeno biológicamente disponible suministrado al proceso de
biopelícula, siendo conservado dentro del intervalo desde 60:1 hasta
240:1, preferiblemente dentro del intervalo desde 80:1 hasta 180:1,
particularmente dentro del intervalo desde 100:1 hasta 150:1, y/o el
cociente entre las cantidades de DBO_{5} y el fósforo
biológicamente disponible suministrado al proceso de biopelícula que
se mantiene dentro del intervalo desde 300:1 hasta 1200:1,
preferiblemente dentro del intervalo desde 450:1 hasta 900:1,
particularmente dentro del intervalo desde 500:1 hasta 700:1.
2. El método de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque el proceso de biopelícula se opera a una
carga dentro del intervalo que va desde 2 hasta 20 kg de DBO_{5}
por m^{3} del volumen en proceso y 24 horas, preferiblemente
dentro del intervalo desde 3 hasta 15 kg de DBO_{5} por m^{3}
del volumen de proceso y 24 horas, particularmente dentro del
intervalo desde 4 hasta 10 kg de DBO_{5} por m^{3} del volumen
de proceso y 24 horas.
3. El método de acuerdo con las reivindicaciones
1 ó 2, caracterizado porque el proceso de biopelícula está
dispuesto de tal manera que el material portador para el crecimiento
microbiano en el proceso, se mantiene completa o parcialmente en
suspensión y se mueve por medio del suministro de aire hacia el
proceso.
4. El método de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque se retorna un
flujo parcial de aguas residuales salientes desde la etapa de
separación del proceso de lodos activados hacia el proceso de
biopelícula.
5. El método de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque se dosifica
directamente más nitrógeno y/o fósforo biológicamente disponibles al
proceso de lodos activados.
6. El método de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el proceso de
biopelícula se lleva a cabo en dos o más etapas.
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