ES2289580T3

ES2289580T3 - Material de soporte para bacterias.

Info

Publication number: ES2289580T3
Application number: ES04804222T
Authority: ES
Inventors: Antonio Giangrasso
Original assignee: Pfleiderer Water Systems GmbH
Current assignee: Pfleiderer Water Systems GmbH
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2004-12-22
Publication date: 2008-02-01
Anticipated expiration: 2024-12-22
Also published as: US7892800B2; IL175894A0; EP1697443B1; TW200531926A; KR20070012326A; CN1898303A; JP2007519774A; WO2005061594A2; PT1697443E; DE10360465A1; US20070202176A1; DE502004004684D1; ATE370183T1; BRPI0418028A; MXPA06006904A; ZA200604241B; AU2004303507A1; DE10360465B4; PL1697443T3; EP1697443A2

Abstract

Material compuesto con una densidad específica de 0, 8 a 1, 2 g/cm3, que comprende los siguientes componentes: (a) uno o varios granos de un material inorgánico no metálico con una superficie específica de 10.000 a 1.000.000 m2/m3, con una porosidad de 10 a 80%, con poros de los que al menos un 50% presentan un tamaño de poro entre 0, 1 y 1.000 µm, en el que más de un 50% de los granos muestran un tamaño de grano de 0, 1 a 50 mm; y (b) una o varias partículas plásticas con una densidad específica de 0, 6 a 1, 2 g/cm3, y una superficie específica de 50 a 1.000 m2/m3, de las que más de un 50% presentan un tamaño de partícula de 0, 01 a 100 mm.

Description

Material de soporte para bacterias.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un material compuesto de granos inorgánicos no metálicos y partículas plásticas, que es particularmente adecuado como material de soporte para bacterias. Un campo de aplicación preferido de dichos materiales de soporte es el uso en las etapas biológicas de instalaciones de depuración.

Estado de la técnica

Actualmente en los procedimientos biológicos utilizados para la purificación de aguas residuales se explota principalmente en la mayoría de las ocasiones la capacidad de los microorganismos de oxidar contaminantes orgánicos con consumo de oxígeno. Para la operación de instalaciones de depuración, es por tanto de gran interés proporcionar un material de soporte que ofrezca un medio de vida conveniente a bacterias en instalaciones de depuración. A este respecto, es decisivo por una parte proporcionar una superficie lo mayor posible sobre la que las bacterias puedan fijarse, mientras que por otra parte es ventajoso si el material de soporte muestra una densidad específica que corresponda con el líquido a depurar, de modo que el material de soporte flote en el líquido y pueda circular mediante las corrientes presentes. Otro criterio para un soporte para bacterias ventajoso es la presencia de una superficie suficientemente lisa que posibilite que el cieno formado sobre el material de soporte que incluye las bacterias saturadas pueda desprenderse de vez en cuando del soporte, y por tanto dar espacio para un nuevo crecimiento bacteriano y por tanto para la regeneración de la unidad de depuración.

Como material de soporte para bacterias es conocido el uso de lava y/o guijarros en filtros de lecho fijo. Sin embargo, esta variante se caracteriza por la desventaja de que el soporte es más pesado que el agua, y por tanto no es capaz de flotar. Es otra desventaja que aparezcan altas pérdidas de presión. Es igualmente desventajoso para el uso de estos materiales como soportes de bacterias en instalaciones de depuración que el problema de contaminación no esté resuelto satisfactoriamente en este caso, y que dichos materiales de soporte presenten una superficie demasiado baja.

Además, es conocido el uso de soportes plásticos en instalaciones de depuración, particularmente basados en cuerpos de moldeo. Estos se caracterizan sin embargo por una baja superficie de como máximo 600 m^{2}/m^{3}, así como por su parcial tendencia a la flotación.

Se utilizan además también soportes basados en cerámica, que sin embargo no pueden igualmente ser satisfactorios, ya que por un lado no pueden flotar y por otro lado son demasiado caros de adquirir.

Resumen de la invención

Respecto al estado de la técnica anterior, la presente invención se basa en el objetivo de proporcionar un material de soporte para bacterias para uso en instalaciones de depuración que presente una alta superficie específica para la fijación de bacterias, que sea capaz de flotar en el medio acuoso de la instalación de depuración y que posibilite el desprendimiento de cieno y bacterias saturadas durante la operación mediante una superficie suficientemente lisa.

Este objetivo se consigue según la invención mediante el material compuesto según la reivindicación 1. Las formas de realización preferidas de este material compuesto se describen en las reivindicaciones subordinadas 2 y 3.

La presente invención se refiere además al uso del material compuesto según la invención como material de soporte para bacterias. Este aspecto de la presente invención se describe en las reivindicaciones 4 a 6.

Además, la presente invención se refiere también a un procedimiento para la fabricación del material compuesto según la invención. Este procedimiento se describe en las reivindicaciones 7 y 8.

Descripción detallada de la invención 1. Definiciones

1.1 A menos que se observe expresamente otra cosa, la presente invención usa los términos "poro", "poroso" y "porosidad" en el sentido de porosidad abierta. Estos términos se refieren por tanto a poros que son accesibles desde el exterior.

1.2 La "superficie específica" se determina mediante adsorción de nitrógeno según el procedimiento BET según la norma DIN 66.131.

1.3 La "porosidad" accesible (abierta) se determina mediante porosimetría con mercurio según la norma DIN 66.133.

1.4 El "tamaño de grano" se determina mediante análisis de tamizado según la norma DIN 53.477.

1.5 La "porosidad" se define por la fórmula (I)

(I)P = V x 100%/(1/S + V)

en la que P designa la porosidad (%), S la densidad real (g/cm^{3}) y V el volumen de poro específico (cm^{3}/g).

1.6 El "volumen de poro específico" y el "tamaño de poro" se determinan mediante porosimetría con mercurio según la norma DIN 66.133. En la medida del volumen de poro específico según la porosimetría con mercurio, se determina la cantidad de mercurio infiltrada en la muestra y la presión necesaria para ello. Mediante estos datos, se determina el volumen de poro y tamaño de poro mediante la fuerza capilar conocida del mercurio. Debido a que el mercurio sólo puede infiltrarse en poros accesibles, también puede hacerse la medida sólo de la porosidad
abierta.

1.7 La "densidad real" (densidad de sólido) se obtiene mediante medida según la norma DIN 66137-2.

2. Material inorgánico no metálico

El material inorgánico no metálico utilizado en el material compuesto según la invención tiene el objetivo de proporcionar una superficie suficientemente grande para la fijación de bacterias. Para la aptitud para la fijación de bacterias es decisivo, además del tamaño de la superficie específica, también su estructura. Es particularmente preferido para la fijación de bacterias si el material inorgánico no metálico presenta poros accesibles desde fuera que no sean demasiado pequeños, para garantizar un buen intercambio de materia con el medio circundante.

Según la invención, se consiguen los requisitos anteriores mediante un material inerte que presenta las siguientes características:

-: una superficie específica de 10.000 a 1.000.000 m^{2}/m^{3},

-: una porosidad de 10 a 80%,

-: poros de los que al menos un 50% presentan un tamaño de poro entre 0,1 y 1.000 \mum, y

-: granos de los que más de un 50% muestran un tamaño de grano de 0,1 a 50 mm.

A este respecto se prefieren materiales cuya superficie específica ascienda a 25.000 a 500.000 m^{2}/m^{3}. Se prefieren especialmente materiales con superficies específicas de 100.000 a 500.000 m^{2}/m^{3}. Se utilizan ventajosamente igualmente materiales en los que al menos un 80% de los poros se encuentren en un intervalo de tamaño de 0,5 a 100 \mum, preferiblemente 5 a 50 \mum. Es igualmente preferible si un 70% del material presenta un tamaño de grano de 0,1 a 50 mm, con especial preferencia 1 a 20 mm. Se prefiere además el uso de un material cuya porosidad (abierta) ascienda a 40 a 80%, con especial preferencia a 50 a 70%.

Además, el material inorgánico no metálico (como también el plástico descrito a continuación) se caracteriza porque es inerte en el medio circundante en el que se utiliza como material de soporte para bacterias (por tanto típicamente en un medio acuoso), y por tanto se supone que no es soluble ni participa en reacciones químicas.

La composición química del material inorgánico no metálico no está determinada con mayor detalle, a condición de que satisfaga los requisitos citados anteriormente. Los siguientes materiales inorgánicos no metálicos pueden utilizarse, por ejemplo, según la presente invención: zeolitas, carbono activo, gránulos de arcilla, materiales silíceos porosos.

Se da a conocer un material especialmente preferido en el documento DE 10022798.

La fabricación de los materiales inorgánicos no metálicos utilizables según la presente invención se realiza mediante técnicas convencionales.

Los tamaños de grano adecuados del material inorgánico no metálico se obtienen mediante molido y/o tamizado.

3. Partículas plásticas

Las partículas plásticas utilizables según la presente invención tienen por un lado el objetivo de posibilitar una densidad específica del material compuesto mediante su unión con el material inorgánico no metálico que corresponda con el medio circundante, de modo que el material compuesto pueda flotar en ese medio.

Por otro lado, el material plástico posibilita, por su superficie plana en comparación con el material inorgánico no metálico, un desprendimiento de cieno y bacterias saturadas de la superficie del material compuesto.

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Para satisfacer estos objetivos, es ventajoso si la partícula plástica presenta una densidad específica de 0,6 a 1,2 g/cm^{3}, preferiblemente 0,9 a 1,1 g/cm^{3}, y una superficie específica de 50 a 1.000 m^{2}/m^{3}, preferiblemente 100 a 500 m^{2}/m^{3}, y si más de un 50% de las partículas plásticas presentan un tamaño de partícula de 5 a 100 mm, preferiblemente 8 a 60 mm.

Básicamente, cualquier material plástico es adecuado para uso según la presente invención, a condición de que puedan fabricarse partículas a partir de este material que satisfagan las propiedades anteriores. Son plásticos adecuados típicos para uso según la presente invención PE (polietileno), PP (polipropileno), PS (poliestireno), PU (poliuretano), ABS (acrilonitrilo-butadieno-estireno) y PVC (poli(cloruro de vinilo)).

La forma de la partícula plástica no está establecida, y pueden utilizarse partículas con forma de bola, de disco, de lente y de cubo, al igual que formas mixtas y partículas totalmente irregulares.

El tamaño y la forma de la partícula se determinan mediante el proceso de fabricación.

4. Material compuesto

Es un aspecto esencial del material compuesto la presencia tanto de granos de material inorgánico no metálico como de partículas plásticas. La relación en peso relativa de estos componentes se encuentra típicamente en el intervalo de (material inorgánico no metálico:partícula plástica)= 85:15 a 15:85. La relación en peso exacta de los componentes se predetermina mediante la densidad específica deseada del material compuesto, así como por las densidades específicas de los componentes, y puede determinarse fácilmente por un experto.

La densidad específica deseada del material compuesto surge en el uso como material de soporte de bacterias en instalaciones de depuración de la densidad específica del medio en la instalación de depuración. Con respecto a la capacidad de flotación de las partículas, puede ser ventajoso elegir la densidad específica del material de soporte de modo que no se aparte más de un 20% de la densidad específica del medio. Se prefieren mejor materiales compuestos cuyas densidades específicas no se aparten más de un 10% de la del medio. Se prefieren especialmente materiales compuestos con una densidad específica que se encuentre en el intervalo de \pm 5% de la densidad específica del medio. Esto significa, por ejemplo para medios con una densidad específica de 1 g/cm^{3}, que la densidad específica del material de soporte debería encontrarse a 0,8 a 1,2 g/cm^{3}, preferiblemente a 0,9 a 1,1 g/cm^{3} y con especial preferencia a 0,95 a 1,05 g/cm^{3}.

Los componentes del material compuesto se unen ventajosamente entre sí de modo que soporten las cargas mecánicas que aparecen en su uso (por ejemplo, en la operación de una instalación de depuración). El tipo de unión de los componentes no está establecido con detalle, y puede comprender tanto una compresión con fusión de las partículas plásticas como un pegado de los componentes.

La disposición espacial de los componentes dentro del material compuesto igualmente no está establecida con detalle. Por tanto, pueden presentarse en el material compuesto según la invención, además de puntos de contacto entre granos de material inorgánico no metálico y partículas plásticas, también puntos de contacto entre granos inorgánicos no metálicos y/o entre partículas plásticas.

Además, se prefiere que los componentes del material compuesto se seleccionen y unan entre sí de modo que la superficie específica del material compuesto se encuentre en el intervalo de 500 a 750.000 m^{2}/m^{3}, con especial preferencia a 10.000 a 700.000 m^{2}/m^{3}. La forma y el tamaño de las partículas del material básicamente no están establecidos. Pero se han mostrado como ventajosas partículas con forma de disco con una base en forma circular, un diámetro de 1 a 10 cm, preferiblemente 2 a 6 cm, y un grosor de 2 a 20 mm, preferiblemente 5 a 10 mm, pudiendo presentar estas partículas con forma de disco mayores cavidades.

5. Uso del material compuesto

El material compuesto según la invención es particularmente adecuado como material de soporte para bacterias para uso en etapas de depuración biológica de instalaciones de depuración. Se utiliza típicamente en una cantidad que corresponde a 5 a 50% en vol., preferiblemente a 10 a 40%, del recipiente de reacción.

En la puesta en marcha del material, puede inocularse el material de soporte con las correspondientes bacterias, pero esto no es necesariamente obligatorio.

El uso del material compuesto según la invención no está limitado sin embargo a instalaciones de depuración. De hecho, el material compuesto es adecuado como soporte para bacterias para otras aplicaciones como, por ejemplo, biorreactores en la industria química, reactores de fermentación en la industria alimentaria, etc. En dichas aplicaciones, puede ser necesario adaptar los componentes utilizables a las condiciones y requisitos presentes respecto a resistencia, densidad específica, toxicidad, etc. La adaptación puede realizarse fácilmente con ayuda de ensayos rutinarios y al alcance de los conocimientos generales del experto pertinente.

6. Fabricación del material compuesto

El material compuesto según la invención puede fabricarse a partir de los componentes mediante

(1): mezclado del material inorgánico no metálico con las partículas plásticas;

(2): relleno de la mezcla en el molde previsto para ella;

(3): fusión de la superficie de las partículas plásticas, y dado el caso

(4): compresión de las partículas plásticas fundidas con los granos del material inorgánico no metálico;

pudiéndose efectuar la etapa (4) simultáneamente a la etapa (3) o a continuación de la etapa (3).

La fusión en la etapa (3) se realiza mediante calentamiento de las partículas plásticas a una temperatura superior al punto de fusión del plástico durante un periodo de 5 a 60 min. Preferiblemente, debería fundirse sólo la zona del borde de la partícula, de modo que la estructura y forma de la partícula se mantuvieran en su núcleo. Sin embargo, no son dañinas deformaciones marginales de la partícula.

El procedimiento de fabricación comprende típicamente el mezclado del material inorgánico no metálico con el material plástico, el relleno en un molde sinterizado adecuado, y dado el caso compresión. A continuación, se realiza el sinterizado de la mezcla en la instalación de sinterización según un programa de sinterización preestablecido con los parámetros temperatura y tiempo de residencia (VWZ). Durante el tiempo de residencia en la instalación de sinterización, se realiza una sinterización conjunta de las partículas plásticas con inclusión del material inorgánico no metálico.

En una forma de realización preferida, se consiguió la unión entre las partículas plásticas y el material inorgánico no metálico usando un polvo plástico. El polvo plástico puede añadirse en cualquier momento antes de la fusión. Los tamaños de grano preferidos del polvo plástico están en el intervalo de 0,2 a 1,5 mm, con especial preferencia en el intervalo de 0,2 a 1,0 mm. Debido a estos tamaños de grano reducidos, se facilita la fusión y por tanto la unión de los componentes. El polvo plástico funciona por tanto como intermedio.

Como material para el polvo plástico es adecuado el material de las partículas plásticas, pero pueden utilizarse también otros materiales similares. Por "materiales similares" se entienden a este respecto materiales que presenten una densidad específica de 0,6 a 1,2 g/cm^{3}, preferiblemente 0,9 a 1,1 g/cm^{3}. Además, el punto de fusión del polvo plástico debería ser similar al de las partículas plásticas. Preferiblemente, el punto de fusión no debería encontrarse a más de un 10% por encima del de las partículas plásticas, y a no más de un 30% por debajo del de las partículas plásticas.

La cantidad utilizable adecuadamente de polvo plástico depende de los materiales usados restantes, y puede determinarse mediante sencillos ensayos preliminares. En cualquier caso, la cantidad de polvo plástico debería ser ventajosamente al menos tan alta que redujera la separación de los componentes del material compuesto. Por otro lado, no es ventajoso elevar la cantidad de polvo plástico tanto que se supere la cantidad necesaria para recubrir fácilmente todas las superficies.

7. Ejemplo

Se ha fabricado un material compuesto mediante la combinación de un material cerámico con las siguientes propiedades.

Materiales de partida

Material silíceo:

Tamaño de poro:	0,1 a 100 \mum
Densidad del material:	2,2 g/cm^{3}
Porosidad:	60%
Superficie:	350.000 m^{2}/m^{3}

Material plástico:

PEAD
Densidad:	1,035 g/cm^{3}

Polvo plástico:

PEAD
Densidad:	0,951 g/cm^{3}
Temperatura de reblandecimiento:	84ºC (Vicat B50 según norma ISO 306)
Temperatura de proceso:	230ºC
VWZ:	20 min
Densidad específica:	aprox. 1 g/cm^{3}
Tamaño de partícula:	20 a 50 mm
Superficie específica:	aprox. 175.000

El material compuesto era capaz de flotar en medio de instalación de depuración, y posibilitaba la fijación de bacterias. En una operación de ensayo, una instalación de depuración mostró que el soporte colonizado con bacterias era bien capaz de regeneración, ya que las bacterias y cieno pudieron separarse del soporte.

Referencias citadas en la descripción Esta lista de referencia citadas por el solicitante es sólo para conveniencia del lector. No forma parte del documento de patente europea. Aunque se ha tenido un gran cuidado en la compilación de referencias, no pueden excluirse errores u omisiones y la OEP rechaza cualquier responsabilidad a este respecto. Documentos de patente citados en la descripción

\bullet DE 10022798

Claims

1. Material compuesto con una densidad específica de 0,8 a 1,2 g/cm^{3}, que comprende los siguientes componentes:

(a) uno o varios granos de un material inorgánico no metálico con una superficie específica de 10.000 a 1.000.000 m^{2}/m^{3}, con una porosidad de 10 a 80%, con poros de los que al menos un 50% presentan un tamaño de poro entre 0,1 y 1.000 \mum, en el que más de un 50% de los granos muestran un tamaño de grano de 0,1 a 50 mm; y

(b) una o varias partículas plásticas con una densidad específica de 0,6 a 1,2 g/cm^{3}, y una superficie específica de 50 a 1.000 m^{2}/m^{3}, de las que más de un 50% presentan un tamaño de partícula de 0,01 a 100 mm.

2. Material compuesto según la reivindicación 1, en el que el material inorgánico no metálico presenta una superficie específica de 25.000 a 500.000 m^{2}/m^{3}.

3. Material compuesto según una o varias de las reivindicaciones 1 ó 2, en el que la relación en peso del material inorgánico no metálico a partículas plásticas se encuentra de 15:85 a 85:15.

4. Uso del material compuesto según una o varias de las reivindicaciones 1 a 3 como material de soporte para bacterias.

5. Uso según la reivindicación 4 en instalaciones para el tratamiento de aguas.

6. Uso según la reivindicación 4 ó 5, en el que la densidad específica del material compuesto de densidad específica corresponde a la del medio circundante.

7. Procedimiento para la fabricación del material compuesto según una o varias de las reivindicaciones 1 a 3, que comprende las etapas de:

(2): relleno de la mezcla en un molde;

(3): fusión de la superficie de las partículas plásticas, y dado el caso

(4): compresión conjunta de las partículas fundidas con los granos de material inorgánico no metálico,

8. Procedimiento según la reivindicación 7, en el que antes de la etapa (3) se añade un polvo plástico de un material idéntico o similar al material de las partículas plásticas.