ES2341370T3 - Sistema y metodo para eliminar el lodo mediante azonacion. - Google Patents
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Abstract
Un sistema de tratamiento de lodos que comprende: un reactor de ozonación de gasto tipo pistón (30) que comprende una tubería acoplada de forma fluídica a un depósito de tratamiento de lodo activado (20) y adaptado para recibir una corriente de líquido que contiene biosólidos desde el depósito de tratamiento de lodo activado; una fuente de gas enriquecido en ozono (44); un sistema de inyección de gas (40) acoplado a la fuente de gas enriquecido en ozono (44) y adaptado para inyectar gas enriquecido en ozono en la corriente de líquido en el reactor de ozonación de tipo gasto tipo pistón (30); el reactor de ozonación de tipo gasto tipo pistón (30) adaptado para limitar el tiempo de contacto de los biosólidos con el gas enriquecido en ozono dentro del reactor de ozonación de tipo gasto tipo pistón de 10 a 60 segundos para facilitar la lisis de los biosólidos y la reducción del lodo; y una tubería de retorno (28) acoplada al reactor de ozonación de tipo gasto tipo pistón (30) para transportar la corriente líquida ozonada al depósito de tratamiento de lodo activado (20).
Description
Sistema y método para eliminar el lodo mediante
ozonación.
La presente invención se refiere a métodos y
sistemas para el tratamiento de lodos activados y, más
particularmente, a la utilización de ozono para la reducción de
biosólidos en el proceso de tratamiento de lodos activados.
Los tradicionales métodos de tratamiento de
aguas residuales suponen transportar corrientes de aguas residuales
en contacto con bacterias en un proceso de tipo aeróbico o
anaeróbico que se conoce como tratamiento de lodos activados. Estas
bacterias consumen partes del material sustrato o residuo contenido
en el agua residual, que son compuestos típicamente orgánicos que
contienen carbono, nitrógeno, fósforo, azufre y otros por el
estilo. Típicamente, una parte del residuo se consume para favorecer
el metabolismo de las células bacterianas o mantener el
funcionamiento fisiológico de las células bacterianas. Además, una
parte del residuo se consume también como parte del proceso de
síntesis de nuevas células bacterianas. El proceso de tratamiento de
lodo activado produce una cierta cantidad de lodo y sólidos
asociados que deben ser eliminados continuamente del depósito de
tratamiento para mantener el resto de lodo en estado estacionario
que es crítico para el funcionamiento eficaz del sistema de
tratamiento de lodos activados.
Para mantener la capacidad de eliminación de
residuo de la planta de tratamiento en estado estacionario es
importante controlar la generación de nuevas células bacterianas
dentro del proceso de tratamiento de lodos activados. Demasiada
síntesis de nuevas células bacterianas en exceso de la que se
requiere para el tratamiento del residuo en o cerca del estado
estacionario da como resultado un exceso de formación de biosólidos
atribuible a la acumulación o de sintetizados recientes o de células
bacterianas innecesarias. Este exceso de biosólidos debe ser
continuamente eliminado durante el proceso de tratamiento de lodos
activados.
Los métodos actuales para "tomar medidas
respecto a" la eliminación de lodos incluye transportar el lodo a
vertederos públicos, utilización del lodo para aplicaciones en el
terreno o con fines agrícolas, e incineración del lodo. La mayor
parte de las operaciones de eliminación del lodo requieren algún
tratamiento previo del lodo; un proceso conocido en la técnica como
transporte de sólidos. Los procesos de transporte de los sólidos
son a menudo operaciones costosas y que consumen tiempo y que
típicamente suponen una o más de las siguientes etapas: (a) la
concentración de los lodos en el espesante, que requiere normalmente
el uso de polímeros; (b) digestión del lodo para estabilizar las
bacterias y reducir además el volumen y el contenido patógeno del
lodo; (c) desaguado del lodo para alcanzar aproximadamente un
15-25% del contenido de sólidos; que supone el paso
del lodo a través de centrífugas u otros dispositivos del tipo de
separación sólido-líquido; (d) almacenamiento del
lodo; y (e) transporte a vertederos, aplicación en el terreno de
granjas u otros usos finales.
Se estima que los costes asociados con los
procesos de transporte y de separación de sólidos pueden ser un
20-60% de los costes totales de operación asociados
con el proceso de tratamiento global de aguas residuales. Debido al
coste y al tiempo asociado con la manipulación y separación de
sólidos, es beneficioso minimizar la cantidad de exceso de lodo
producida en el proceso de tratamiento de aguas residuales.
En los sistemas y métodos convencionales de
tratamiento de lodos activados, el oxígeno se requiere tanto para la
oxidación química del material sustrato (es decir, el residuo) así
como para la síntesis de nuevas células y proceso metabólicos de las
células bacterianas. También se ha informado del uso de ozono además
de oxígeno para el tratamiento de lodos. Más particularmente, se ha
informado del tratamiento de ozono del lodo en combinación con
agitadores mecánicos y/o una bomba que proporciona el mezclado
motriz. El contacto lodo-ozono ocurre típicamente en
un modo de reacción del tanque agitado de forma continua (CSTR, en
inglés) y la lisis (ruptura de la integridad de la pared celular)
resulta como una consecuencia de la fuerte acción oxidante del ozono
sobre las paredes celulares. Un ejemplo de un sistema de
reacción en tanque agitado de forma continua (CSTR) se muestra en
EP-A-0 881 195. La lisis conduce
a la liberación del contenido celular rico en sustrato de las
células bacterianas. De esta manera, las células sólidas que, de
otro modo, habrían sido descartadas como lodo en exceso son lisadas,
y por ese hecho, son transformadas en sustrato que puede se
consumido por las bacterias en el depósito de tratamiento.
El contenido celular es una matriz líquida que
está constituida por proteínas, lípidos, polisacáridos y otros
azúcares, ADN, ARN e iones orgánicos. Debido a la baja selectividad
que tiene lugar cuando el contacto entre ozono y lodo se lleva a
cabo en un modo de reactor agitado de forma continua, se consumen
cantidades excesivas de ozono se consumen usando métodos previos
para la ozonación del lodo. Además, algunos usos informados previos
del ozono requerían el pretratamiento especializado o la
modificación del lodo. Tales pretratamientos y modificaciones pueden
incluir ajustar el pH del lodo, incrementar la temperatura del lodo,
incrementar la presión del recipiente de tratamiento del ozono, o
pasar el lodo a través de etapas de predigestión anaeróbica. Así, el
uso previo de ozono en el tratamiento del lodo suponía una
complejidad adicional, materiales, equipo y costes incrementados
asociados con ello.
El documento JP 09 150182 A describe un
sistema de ozonación de aguas residuales que usa un tanque de
aireación que es un reactor de tipo gasto tipo pistón, en el que el
ozono es inyectado aguas arriba y separado del tanque de
aireación.
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Se conocen tres métodos principales de sistemas
de reacción, siendo estos el sistema de Reactor en Tanque Agitado de
Forma Continua (CSTR), el Reactor de Gasto Tipo Pistón de
Selectividad Superior (PFR) y el Sistema de Reactor por Lotes (BRS).
La mayor diferencia entre los diferentes modos del reactor estriba
fundamentalmente en: (i) la cantidad media de tiempo que una
molécula está dentro del espacio de reacción, también conocida como
distribución del tiempo de permanencia; (ii) la interacción entre
"parcelas" de reacción, por ejemplo, hay un retromezclado
significativo en el CSTR, mientras que el PFR se caracteriza por un
retromezclado, si acaso, muy limitado; y (iii) el rendimiento
obtenido. Los Sistemas de Reactor por Lotes se aplican típicamente a
operaciones de tratamiento de aguas residuales a pequeña escala.
La invención es un sistema de tratamiento de
lodos como se define en la reivindicación 1. La invención además es
un método de reducción de lodo como se define en la reivindicación
12.
El anterior y otros aspectos, características, y
ventajas de la presente invención será más evidente de la siguiente
y más detallada descripción de la misma, presentada junto con los
siguientes dibujos, en los que:
La Figura 1 es una representación esquemática de
un sistema de tratamiento de lodos activados que incorpora una
realización del presente sistema y proceso de ozonación de lodo;
La Figura 2 es un gráfico que representa el
comportamiento en funcionamiento de un proceso de tratamiento del
exceso de lodos de acuerdo con las realizaciones descritas
actualmente;
La Figura 3 es una representación esquemática de
una realización alternativa del presente sistema y proceso de
ozonación del lodo en el que el gas enriquecido en ozono se
introduce en múltiples posiciones dentro del reactor de ozonación
del lodo;
La Figura 4 es una representación esquemática de
otra realización alternativa del presente sistema de ozonación de
lodo en el que la tubería de descarga del reactor de ozonación de
lodo se acopla a algún otro proceso de postratamiento del lodo aguas
abajo del reactor;
La Figura 5 es una representación esquemática de
todavía otra realización alternativa del presente sistema de
ozonación del lodo en el que el sistema de inyección del gas
enriquecido en ozono inyecta el gas enriquecido en ozono en o cerca
de la bomba asociada con el reactor de ozonación del lodo;
La Figura 6 es todavía otra realización del
presente sistema y proceso de ozonación de lodo en el que el lodo es
preprocesado antes del reactor de ozonación del lodo;
La Figura 7 es todavía otra realización
alternativa del presente sistema de ozonación de lodo en el que el
contacto gas-líquido entre el gas enriquecido en
ozono y la corriente de líquido ocurre aguas arriba del reactor de
ozonación de lodos; y
La Figura 8 es todavía otra realización del
presente sistema de ozonación de lodo en el que la corriente de
líquido tratada es una corriente de aguas madres mixtas desde el
depósito del lodo activado.
Los números de referencia correspondientes
indican componentes correspondientes a través de las diversas vistas
de los dibujos.
En sistemas y métodos convencionales de
tratamiento de lodos activados, el oxígeno se requiere tanto para la
oxidación química del material sustrato como para la síntesis de
nuevas células y procesos metabólicos de las células bacterianas. El
requerimiento de oxígeno para la oxidación química del material
sustrato en el proceso de tratamiento se refiere a menudo a la
Demanda Química de Oxígeno (DQO) mientras los requisitos de oxígeno
para la separación del sustrato vía el consumo de sustrato para
síntesis de nuevas células y el mantenimiento de procesos
metabólicos de las células bacterianas se denomina como Demanda
Biológica de Oxígeno (DBO).
La Figura 1 muestra una ilustración esquemática
de un sistema de tratamiento de lodos activados (10) que incorpora
una realización del presente sistema de ozonación de lodos (12).
Como se ve en dicho lugar, el típico sistema de tratamiento de lodos
activados típico (10) incluye un conducto de admisión (14) adaptado
para recibir aguas residuales, varios dispositivos de preprocesado
(16) y un depósito del lodo activado (20), uno o más aclaradores
(22) adaptados para separar el líquido limpiado del lodo acumulado,
un conducto de salida (24) para transportar el líquido limpiado a
una tubería de descarga (23), una tubería de evacuación de lodo
activado (26) y una tubería de retorno de lodo activado (RAS) (28)
adaptada para transportar y devolver el lodo al depósito del lodo
activado (20). También se muestra un digestor (25) y un dispositivo
de desaguado (27). A diferencia de los sistemas previos de la
técnica, donde los biosólidos se incluyen como parte del lodo
activado de evacuación (WAS). Los biosólidos son transportados
también a lo largo de la tubería RAS (28) de los clarificadores (22)
al depósito (10) del lodo activado. A lo largo del recorrido, una
cantidad prescrita del líquido que incluye el lodo y biosólidos se
desvía al reactor de ozonación de lodo (30) para la ozonación. Sin
embargo, la corriente desviada no necesita ser tratada ni modificada
antes de entrar en el reactor (30). El presente sistema de ozonación
de lodo (12) y el proceso suponen el uso de un reactor (30) diseñado
para mantener la realización de un esquema de reacción de alta
selectividad acoplado operativamente a la tubería RAS (28). El
reactor (30) es un reactor de gasto tipo pistón que toma una
corriente lateral (32) de la tubería de RAS (28).
El caudal total de volumen de lodo a través del
reactor de gasto tipo pistón (30) oscila, preferiblemente, desde
aproximadamente 1 vez el caudal volumétrico equivalente del lodo
activado de evacuación (WAS) hasta aproximadamente 40 veces el
caudal volumétrico equivalente del lodo activado de evacuación
(WAS). Este intervalo de entre aproximadamente 1 a 40 veces el flujo
volumétrico equivalente del lodo activado residual (WAS) establece
en parte, la relación óptima de gas a líquido dentro del reactor de
gasto tipo pistón (30). Preferiblemente, la relación de gas a
líquido debería ser menor que o igual a 1,0. El caudal volumétrico
total de lodo es ajustable y es preferiblemente controlado junto con
el flujo de gas enriquecido en ozono y la concentración de ozono en
el flujo de gas enriquecido en ozono en el reactor de gasto tipo
pistón, para lograr el nivel deseado de reducción en biosólidos
mientras se minimiza la administración de ozono requerido.
Como se ve en la Figura 1, la corriente lateral
(32) de lodo desviado se pasa a través de una bomba (34) a un
reactor de ozonación de lodos mostrado como el reactor de gasto tipo
pistón (30). El reactor de gasto tipo pistón incluye una longitud
suficiente de la tubería (36) que junto con el caudal asegura un
tiempo de permanencia del lodo en el reactor de gasto tipo pistón
(30) que es adecuado para asegurar la disolución eficaz del ozono y
la reacción del ozono con los biosólidos. Las realizaciones
ilustradas incluyen también uno o más sistemas de inyección de gas
(40) a través del cual un gas enriquecido en ozono se introduce en
el reactor de gasto tipo pistón (30). Los sistemas inyectores de gas
preferidos (40) comprenden una fuente de gas enriquecido en ozono y
una o más toberas o dispositivos de tipo venturi (42) para inyectar
el gas enriquecido en ozono en el lodo. Preferiblemente, la fuente
de gas enriquecido en ozono es un generador de ozono (44) acoplado a
una fuente o suministro de gas oxígeno (no mostrado).
Alternativamente, la corriente de gas enriquecida en ozono (46)
puede ser suministrada desde sistemas in situ de
almacenamiento. Preferiblemente, la concentración deseada de ozono
es mayor que o igual al 6%. En sí, se prefieren concentraciones
superiores de ozono, las concentraciones superiores ayudan a
asegurar que la relación gas a líquido en el contactor de lodo se
mantenga dentro de un intervalo óptimo.
El gas enriquecido en ozono se suministra,
preferiblemente, a la realización ilustrada a presiones nominales y,
típicamente, presiones inferiores que las presiones de
funcionamiento dentro de la parte de los dispositivos de inyección
próximos (42) del reactor de gasto tipo pistón (30). De esta manera,
el gas enriquecido en ozono es ingerido en y a través de los
dispositivos de inyección (42) mediante una embutición en vacío
generada por la caída de presión a través de los dispositivos de
inyección (42). Sin embargo, un experto en la técnica puede apreciar
realizaciones en las que el gas enriquecido en ozono se suministra a
presiones superiores a la presión dentro del reactor de gasto de
tipo pistón (30) u otro recinto que ponga en contacto el
gas-líquido.
El sistema inyector de gas (40) incluye también
unos medios o mecanismos de control adecuados (no mostrados) que
permite el control operativo de la velocidad de inyección,
temporizado y volumen de gas enriquecido en ozono. El control de la
velocidad de inyección del gas, temporizado de inyección y volumen
del gas enriquecido en ozono se establece como diana para
proporcionar el contacto eficaz gas-líquido y
fomentar una disolución óptima del ozono en la corriente de líquido
que fluye a través del reactor de gasto tipo pistón (30). Más
particularmente, el control del sistema de inyección de gas se
ajusta, preferiblemente, para estar dentro de un intervalo prescrito
de relación del flujo de gas a flujo de líquido, en el que el flujo
de gas es comprobado desde la velocidad de inyección, temporizado y
volumen de gas a través de los dispositivos de inyección (42) y el
flujo de líquido representa el flujo de lodo a través del reactor de
gasto tipo pistón (30). El intervalo preferido de relaciones gas a
líquido es menor que o igual que aproximadamente 1,0. Esta relación
gas a líquido asegura que el gas u ozono se dispersa adecuadamente
en el líquido y asegura, además, que no hay un exceso de gas en la
mezcla de fluido. Se minimiza un excesivo retromezclado y batido. De
forma más importante, la relación anteriormente descrita gas a
líquido junto con otras características de flujo relacionadas
trabaja para minimizar el excesivo retromezclado y batido así como evitar la estratificación de los flujos respectivos.
trabaja para minimizar el excesivo retromezclado y batido así como evitar la estratificación de los flujos respectivos.
Habiendo pasado a través del reactor de gasto
tipo pistón (30), el lodo ozonado se devuelve a la tubería RAS (28)
de la planta mediante una tubería de retorno (50). Alternativamente,
la corriente de lodo o líquido ozonado que sale del reactor de gasto
tipo pistón (30) puede ser devuelta al depósito de lodo activado
(20) en una tubería separada del resto del flujo de RAS o puede ser
devuelta a una parte diferente de la planta de tratamiento de aguas
residuales. Generalmente, si el flujo principal de RAS se lleva a un
depósito anóxico o anaerobio, entonces puede ser preferible para el
lodo ozonado (que es ahora también altamente oxigenado) para ir a un
depósito óxico o aerobio. De otro modo, el contenido en oxígeno del
lodo ozonado puede alterar las condiciones requeridas en las etapas
anóxicas o anaerobias.
Al final de la tubería RAS (28) o de la tubería
de retorno (50) está un mecanismo eyector opcional, eductor, o
disposición de la tobera de salida (no mostrada) adaptada para
devolver el lodo ozonado a la superficie o a una profundidad
suficiente en el depósito de lodo activado (20) y asegurar un buen
mezclado del lodo ozonado con el líquido a granel en el depósito de
lodo activado (20). La disposición del mecanismo eyector o de la
tobera de salida (que no se muestra) sirve también para fomentar la
recuperación de oxígeno en el proceso anteriormente
identificado.
Los principios de funcionamiento detrás del
sistema descrito de tratamiento de ozonación de lodo implican el
contacto de los biosólidos y del ozono disuelto en un reactor de
gasto tipo pistón, en el que tiene lugar el contacto primario y la
reacción del oxidante (ozono disuelto) y los biosólidos. El presente
proceso requiere el contacto eficaz gas-líquido
entre la corriente líquida de lodo o de las aguas madres mixtas y un
gas enriquecido en ozono para fomentar la disolución eficaz del
ozono en la corriente de líquido. El contacto eficaz
gas-líquido se logra con reactores de gasto tipo
pistón y técnicas de inyección de gas enriquecido en ozono
apropiadamente diseñadas.
En la reacción entre el gas enriquecido en ozono
y los biosólidos en el reactor de gasto de tipo pistón, las paredes
celulares de las células bacterianas son quebrantadas como resultado
de la oxidación química inducida por ozono de las paredes celulares
de las bacterias. Esta ruptura de las paredes celulares bacterianas
se conoce como lisis y conduce a la liberación del contenido celular
de las células bacterianas. El contenido celular es, generalmente,
una matriz líquida que está constituida por proteínas, lípidos,
polisacáridos y otros azúcares, ADN, ARN e iones orgánicos. Como
resultado de la lisis, las células sólidas de los biosólidos que, de
otra manera, se habrían acumulado y descargado en los procesos de
manipulación de sólidos, se transforman en componentes de sustrato
(DQO) y posteriormente se consumen por las bacterias en el depósito
de tratamiento de lodos activados.
Un reactor de gasto tipo pistón se usa para
lograr una gran selectividad de la reacción de lisis proporcionando
un intervalo estrecho de tiempo de contacto entre las células
bacterianas o biosólidos en exceso y ozono disuelto, de manera que
el ozono se usa, sólo o predominantemente, en el proceso de
oxidación que conduce a la lisis de células bacterianas ("reacción
primaria"). Idealmente, la administración de ozono y el tiempo de
contacto gas-líquido está limitado para no oxidar
adicionalmente los contenidos celulares ("reacciones
secundarias"). Esto prevé el más eficaz uso de ozono, que conduce
a la máxima reducción de lodo con la mínima administración de ozono.
El tiempo de contacto preferido oscila entre aproximadamente 10 y 60
segundos.
La dosificación de ozono ingerido en el lodo se
controla también tanto por ajustes en la concentración de ozono en
el flujo de gas o por ajustes en el caudal del gas enriquecido en
ozono inyectado en el lodo o ambos. El control de la dosificación de
ozono está establecida como diana para lograr la actividad de lisis
celular deseada con el mínimo empleo de ozono.
Volviendo ahora a la Figura 2, se ha ilustrado
un gráfico que representa el comportamiento en funcionamiento de un
proceso de tratamiento de lodo activado con ozonación de lodo en el
reactor de gasto tipo pistón de acuerdo con las realizaciones
descritas si se comparan con un proceso de reducción de lodo como se
enseña en la técnica anterior que comprende un proceso de
tratamiento de lodo activado con ozonación aplicada en un modo de
reacción agitado en continuo a una parte del RAS, que luego se
devuelve directamente al depósito de lodo activado. En ambos
ejemplos se aplica el mismo caudal de ozono. Como se ve en dicho
lugar, el perfil de mayor pendiente de la curva (60) asociado con el
presente proceso de ozonación indica una velocidad más rápida a la
que el proceso de lisis tiene lugar y una reducción o eliminación
realzada global de sólidos por unidad de ozono aplicado.
Aproximadamente 1.600 mg/l de sólidos son
eliminados dentro de los primeros 40 minutos usando el proceso de ozonación presente como se representa mediante la curva (60) comparada con aproximadamente 400 mg/l de sólidos separados usando el proceso de ozonación convencional como se representa mediante la curva (62), con la misma dosificación total de ozono aplicado en
eliminados dentro de los primeros 40 minutos usando el proceso de ozonación presente como se representa mediante la curva (60) comparada con aproximadamente 400 mg/l de sólidos separados usando el proceso de ozonación convencional como se representa mediante la curva (62), con la misma dosificación total de ozono aplicado en
\hbox{ambos casos.}
La Tabla 1 muestra otra comparación de la
producción de biosólidos en unas instalaciones de tratamiento de
aguas residuales usando el proceso de ozonación anteriormente
descrito con producción de biosólidos en la misma instala-
ción de tratamiento de aguas residuales sin el uso del presente reactor de ozonación de lodo y del proceso asociado.
ción de tratamiento de aguas residuales sin el uso del presente reactor de ozonación de lodo y del proceso asociado.
También, la Tabla 2 muestra una comparación del
comportamiento de reducción de lodos del sistema de ozonación de
lodos descrito actualmente y el proceso a otros diversos ejemplos de
ozonación de lodos informado. Como se ve en dicho lugar, el Factor
de Eliminación (es decir, los kilogramos del Lodo Total eliminados
por kilogramo de Ozono usado) del sistema de ozonación de lodo
descrito actualmente supera con mucho el Factor de Eliminación
aparente de los sistemas descritos en la documentación de la técnica
anterior.
\vskip1.000000\baselineskip
Las Figuras 3-8 ilustran
realizaciones alternativas del presente proceso de tratamiento del
lodo. En particular, la Figura 3 ilustra una realización del proceso
de tratamiento de lodos en el que el gas enriquecido en ozono se
inyecta o, de otra manera, se introduce en múltiples posiciones en o
próximo al reactor de gasto tipo pistón (30). La inyección en puntos
múltiples puede ser beneficiosa para controlar de forma más precisa
o lograr un contacto mejorado gas-líquido que
necesita ocurrir en el reactor de gasto tipo pistón (30).
\global\parskip1.000000\baselineskip
La Figura 4 también ilustra otra realización del
presente sistema y proceso de tratamiento del lodo en el que la
tubería de retorno (50) del reactor de gasto tipo pistón (30) no se
devuelve directamente al depósito de lodo activado (20), sino más
bien a algún otro proceso de postratamiento aguas abajo del reactor
de gasto tipo pistón (30) tal como un digestor, una unidad de
estabilización de lodo o un depósito de tratamiento secundario
(70).
La Figura 5 ilustra una realización del actual
sistema y proceso de tratamiento de lodos en el que el reactor de
gasto tipo pistón (30) incluye una bomba (34) y un sistema de
inyección de gas enriquecido (40) adaptado para inyectar el gas
enriquecido en ozono en o cerca de la bomba (34).
La Figura 6 ilustra todavía otra realización del
sistema de ozonación del lodo (12) en el que el lodo para el
tratamiento en el reactor de gasto tipo pistón (30) es preprocesado
mediante un espesante de lodo u otro dispositivo para la
concentración de sólidos (80). Alternativamente, el lodo que va a
ser desviado al reactor de gasto de tipo pistón (30) puede ser
diluido con agua (que no se muestra) para producir una corriente de
líquido con una menor concentración de sólidos que entra en el
reactor de gasto tipo pistón (30).
Todavía otra técnica de preprocesado o
pretratamiento que puede ser empleada con las realizaciones
descritas de la invención supone pasar el lodo a través de un
digestor u otros medios para la estabilización del lodo o para la
manipulación de los sólidos antes de la desviación al reactor de
gasto tipo pistón. Todavía otras técnicas de pretratamiento de lodo
compatibles con el actual sistema y proceso de ozonación de lodo
incluiría la adición de agentes solubilizantes al lodo, aplicación
de ondas ultrasónicas, homogeneización y otros medios de mezclado o
agitación. También puede utilizarse el empleo de agentes químicos
que facilitan la lisis de las células bacterianas o realzan la
capacidad para la digestión de los lodos.
La Figura 7 ilustra una realización del actual
sistema de ozonación del lodo (12) y un método en el que el contacto
inicial gas-líquido entre el gas enriquecido en
ozono y la corriente de líquido tiene lugar aguas arriba del reactor
de gasto tipo pistón (30) y/o en la tubería del RAS (28). En la
realización ilustrada, un dispositivo contactor de
gas-lodo (82) tal como rociadores, difusores,
dispositivos venturi o toberas de mezclado de alta velocidad está
dispuesto aguas arriba del reactor de gasto tipo pistón (30). El
dispositivo contactor de gas-lodo (82) descarga la
mezcla en el reactor de gasto tipo pistón (30) en el que tiene lugar
la lisis de las células bacterianas y las otras reacciones.
En aquellas realizaciones del actual sistema y
proceso de ozonación del lodo en el que tiene lugar el contacto
inicial gas-líquido en la tubería RAS (28) o aguas
arriba del reactor de gasto tipo pistón (30), el gas enriquecido en
ozono puede ser suministrado al espacio de cabeza por encima de la
corriente de líquido o puede ser suministrado bajo presión a una
zona de mezclado prescrita en una orientación prescrita respecto a
la corriente de líquido (por ejemplo, la zona de impulsión de un
dispositivo contactor gas-lodo agitado mecánicamente
o dispositivos de inyección tales como toberas, rociadores, y
difusores que están orientados en un ángulo y distancia prescritos
enfrente de la superficie del líquido).
La Figura 8 representa unas realizaciones
alternativas en las que el fluido tratado no es una corriente
derivada clarificadora ni desviada, de otro modo, a partir del RAS
sino más bien es "un fluido de aguas madres mixtas" extraído
por la tubería 39 del depósito aireado 29.
Para sistemas de tratamiento de lodo activado
que emplean una configuración de biorreactor de membrana, la
disposición alternativa implicaría el uso de un clarificador y en su
lugar usaría una unidad de membrana polimérica o cerámica (no
mostrada) acoplada al reactor de gasto tipo pistón (30). En tal
disposición, el reactor de gasto tipo pistón trataría con ozono una
corriente de líquido de tipo "aguas madres mixtas".
La ozonación eficiente y a un coste eficaz del
lodo en las realizaciones anteriormente descritas requiere la
presencia de tres condiciones de proceso (i) el uso de ozono
predominantemente para la lisis o ruptura de las células, es decir,
lograr una gran selectividad de la reacción de lisis; (ii) limitar
la exposición de las células lisadas total o parcialmente a una zona
adicional dentro del reactor, a medida que éste pueda conducir a la
completa liberación de los contenidos celulares en el reactor y la
costosa oxidación química posterior de los sustratos liberados por
el ozono adicional, más que mediante la opción mucho más barata de
bio-oxidación de los sustratos liberados por las
células bacterianas en el depósito de lodo activado; y (iii) la
realización de un intervalo muy estrecho de las distribuciones de
tiempo de permanencia para las células bacterianas dentro del
reactor.
Mediante el uso de un procedimiento de reacción
de gasto tipo pistón, todas estas deseadas condiciones de proceso
pueden ser realizadas dentro del reactor o contactor. El
procedimiento de la reacción de gasto tipo pistón se logra
específicamente diseñando para que tenga lugar un flujo
lodo-ozono con un retromezclado mínimo y para que
tenga lugar dentro de una configuración principalmente tubular.
Específicamente, las realizaciones ilustradas tienen un tiempo de
permanencia prescrito o controlado y el logro de gran selectividad
de la reacción de lisis. En las realizaciones anteriormente
descritas, una reacción de gasto tipo pistón se usa para lograr una
gran selectividad de la reacción de lisis para mantener un estrecho
intervalo de tiempo de contacto entre células y ozono disuelto (es
decir, una estrecha distribución de tiempo de permanencia), de
manera que el ozono se usa solo para las reacciones que conducen a
la lisis celular ("reacciones primarias"), y de manera que la
ozonación no continúe de manera que oxide más los contenidos
celulares ("reacciones secundarias") ni oxide los productos de
las reacciones primarias ("reacciones terciarias"). Esto
mantiene el más eficaz uso de ozono, que conduce a la máxima
reducción de biosólidos o de lodos con la mínima dosificación de
ozono.
Como se describe con respecto a las
realizaciones ilustradas, una o una multiplicidad de puntos de
inyección de gas se emplean para igualar la velocidad de ozono
suministrada para disolución a la velocidad de reacción de
biosólidos con el ozono disuelto junto a la longitud prescrita o a
la duración prescrita del reactor de gasto tipo pistón. Esto evita
el suministro máximo o mínimo de ozono, fomentando el uso eficiente
de ozono para la lisis celular mientras se evita el uso de ozono
para la oxidación de los contenidos celulares.
En la utilización de las realizaciones
actualmente descritas del actual proceso de tratamiento de lodos, es
deseable controlar parámetros seleccionados, a través del diseño del
sistema o en el funcionamiento del sistema. Preferiblemente, la
velocidad de ozono suministrado para disolución está relacionado con
la velocidad de reacción de los biosólidos con el ozono disuelto a
lo largo de la longitud del reactor de gasto tipo pistón. Esta
correlación del suministro de ozono con la velocidad de la reacción
de biosólidos dentro del reactor de gasto tipo pistón evita un
supersuministro o un suministro insuficiente de ozono y fomenta, por
tanto, el uso eficaz de ozono para la lisis celular bacteriana
mientras se evita el uso de gas ozono para las reacciones
secundarias.
El reactor de gasto tipo pistón con inyección de
ozono se diseña y se hace funcionar de una manera tal que un único
paso de lodo a través del reactor de gasto tipo pistón logre una
casi completa y sustancialmente uniforme lisis de las células
bacterianas innecesarias o en exceso. Preferiblemente, variando el
volumen de lodo que se desvía y procesa a través del reactor de
gasto tipo pistón, gestionando estrechamente la distribución del
tiempo de permanencia, o variando la dosificación de ozono, es
posible controlar la cantidad de lodo que se reduce.
Alternativamente, el reactor de gran selectividad puede diseñarse y
hacerse funcionar de una manera en la que se requieran varios pasos
a través del reactor para lograr la deseada eliminación del lodo.
También, ya que el tiempo de permanencia obtenido en un Sistema de
Reactor por Lotes se controla dentro de un estrecho intervalo como
con el reactor de gasto tipo pistón, es posible lograr una buena
selectividad de la reacción con un reactor por lotes en lugar de un
reactor de gasto tipo
pistón.
pistón.
Valores típicos para la relación
Alimento-Microorganismo (F/M), es decir, la relación
de los gramos de material sustrato que entran en el depósito de lodo
activado en una base diaria comparado con la cantidad en gramos de
células bacterianas en el depósito de lodo activado, oscila desde
aproximadamente 0,04 a 2,0 gramos de material de sustrato por
día/gramo de células bacterianas, dependiendo del tipo del proceso
de lodo activado que se utiliza. Del mismo modo, la producción de
las células bacterianas recién sintetizadas siguiendo el consumo
bacteriano del material sustrato es de aproximadamente 0,2 a 0,6 kg
de biosólidos por kg de material sustrato consumido. Así, usando el
actual proceso para ozonación de lodo, uno modelaría o determinaría
empíricamente la cantidad del lodo que ha de ser desviada al
reactor de gasto tipo pistón, el tiempo de permanencia y la cantidad
de ozono que se necesita inyectar en el reactor para reducir entre
aproximadamente 0,2 a 0,6 kg de lodo regula la masa media (en kg) de
nuevo material sustrato introducido en el depósito de lodo activado
por día. Desde un punto de vista económico, se puede calcular el
ahorro de costes de eliminación de la manipulación de sólidos
asociado con el volumen de biosólidos frente al coste del ozono
consumido en el proceso.
Los métodos anteriormente identificados y los
sistemas para el tratamiento del lodo usando ozono pueden ser
utilizados solos o junto con otras técnicas de reducción de lodo.
Además, cada una de las etapas específicas involucradas en el
proceso preferido, descrito aquí, y cada uno de los componentes en
los sistemas preferidos son fácilmente modificados o ajustados para
cumplir el peculiar diseño y los requisitos operacionales del
particular sistema de tratamiento de lodos activados en el que se
usa y el entorno de funcionamiento preciso para un proceso de
tratamiento de lodo activado determinado.
Por ejemplo, el gas de la fuente usada junto con
el sistema de generación de ozono comprimiría el aire, el aire
enriquecido con oxígeno, el gas oxígeno puro o gas oxígeno casi
puro. Sin embargo, debido al proceso de tratamiento de lodo activado
en el núcleo también tiene un requisito básico de oxígeno, se
prefiere el uso de gas oxígeno puro o casi puro como gas de la
fuente preferido. Además, el uso de un gas de la fuente de oxígeno
puro o casi puro y la inyección del gas enriquecido en ozono en o
cerca del reactor de gasto tipo pistón podía ser controlado de una
manera tal que toda o una fracción sustancial de los requisitos
globales de oxígeno para el tratamiento biológico en el proceso de
lodo activado en el depósito de lodo activado es proporcionado por
el sistema de ozonación de lodos.
De lo anterior, debería comprenderse que la
presente invención proporciona así un método y sistema para el
tratamiento de lodo usando gas enriquecido en ozono.
Claims (18)
1. Un sistema de tratamiento de lodos que
comprende:
- un reactor de ozonación de gasto tipo pistón (30) que comprende una tubería acoplada de forma fluídica a un depósito de tratamiento de lodo activado (20) y adaptado para recibir una corriente de líquido que contiene biosólidos desde el depósito de tratamiento de lodo activado;
- una fuente de gas enriquecido en ozono (44);
- un sistema de inyección de gas (40) acoplado a la fuente de gas enriquecido en ozono (44) y adaptado para inyectar gas enriquecido en ozono en la corriente de líquido en el reactor de ozonación de tipo gasto tipo pistón (30);
- el reactor de ozonación de tipo gasto tipo pistón (30) adaptado para limitar el tiempo de contacto de los biosólidos con el gas enriquecido en ozono dentro del reactor de ozonación de tipo gasto tipo pistón de 10 a 60 segundos para facilitar la lisis de los biosólidos y la reducción del lodo; y
- una tubería de retorno (28) acoplada al reactor de ozonación de tipo gasto tipo pistón (30) para transportar la corriente líquida ozonada al depósito de tratamiento de lodo activado (20).
2. El sistema de tratamiento de lodos de la
reivindicación 1, en el que la fuente de gas enriquecido en ozono
(44) comprende, además, un generador de ozono acoplado a una fuente
de oxígeno (44) y el gas enriquecido en ozono es un gas de oxígeno
enriquecido en ozono.
3. El sistema de tratamiento de lodos de la
reivindicación 1, en el que la fuente de gas enriquecido en ozono
(40) comprende, además, un generador de ozono acoplado a una fuente
de aire del ambiente y el gas enriquecido en ozono es aire
enriquecido en ozono.
4. El sistema de tratamiento de lodos de la
reivindicación 1, en el que la fuente de gas enriquecido en ozono
(40) comprende, además, un generador de ozono acoplado a una fuente
de aire enriquecido en oxígeno y el gas enriquecido en ozono es una
mezcla de aire-oxígeno enriquecida en ozono.
5. El sistema de tratamiento de lodos de la
reivindicación 1, en el que el sistema de inyección de gas (40)
comprende, además, una o más toberas (42) dispuestas en el reactor
de ozonación de tipo gasto tipo pistón (30).
6. El sistema de tratamiento de lodos de la
reivindicación 1, en el que el sistema de inyección de gas (40)
comprende, además, un dispositivo venturi (42) dispuesto en el
reactor de ozonación de tipo gasto tipo pistón (30).
7. El sistema de tratamiento de lodos de la
reivindicación 1, en el que el sistema de inyección de gas (40)
comprende, además, una pluralidad de dispositivos de inyección
dispuestos próximos al reactor de ozonación de tipo gasto tipo
pistón (30).
8. El sistema de tratamiento de lodos de la
reivindicación 1, en el que el sistema de tratamiento de lodos
incluye, además, una tubería (28) de lodo activado de retorno (RAS)
adaptado para reciclar lodo activado al depósito (20) de tratamiento
de lodo activado y el reactor (30) de ozonación de tipo gasto tipo
pistón se acopla a la tubería RAS que devuelve la corriente ozonada
al depósito de tratamiento de lodo activado.
9. El sistema de tratamiento de lodos de la
reivindicación 1, que comprende, además, un subsistema de
pretratamiento (80) interpuesto entre el depósito de tratamiento de
lodo activado (20) y el reactor de ozonación de tipo gasto tipo
pistón (30), el subsistema de pretratamiento de lodo adaptado para
acondicionar la corriente de líquido para optimizar la lisis de los
biosólidos en el reactor de ozonación de tipo gasto tipo pistón.
10. El sistema de tratamiento de lodos de la
reivindicación 1, en el que la corriente de líquido es una corriente
de aguas madres mixtas.
11. El sistema de tratamiento de lodos de la
reivindicación 1, en el que la corriente de líquido es una corriente
de lodo.
12. Un método de reducción de lodo que comprende
las etapas de:
- tratar el agua residual en un depósito de lodo activado (20);
- desviar una corriente de líquido que contiene biosólidos desde el depósito (20) de lodo activado a un reactor (30) de ozonación de tipo gasto tipo pistón;
- introducir un gas enriquecido en ozono en la corriente de líquido en o aguas arriba del reactor de ozonación de tipo gasto tipo pistón (30) de una manera controlada que fomente el contacto eficaz gas-líquido entre la corriente de líquido y el gas enriquecido en ozono y optimice la distribución de tiempo de permanencia de los biosólidos en la corriente ozonada para inducir la lisis de los biosólidos a través de la interacción de los biosólidos con el ozono dentro del reactor de ozonación de tipo gasto tipo pistón; y
- descargar la corriente de líquido ozonado que contiene subproductos resultantes de la lisis a un biorreactor para la bio-oxidación adicional de dichos subproductos;
- en donde el tiempo de contacto entre el ozono y los biosólidos está entre 10 y 60 segundos.
13. El método de reducción de lodos de acuerdo
con la reivindicación 12, que comprende además la etapa de producir
un gas enriquecido en ozono al generar ozono y mezclar el ozono con
un gas, y en el que el porcentaje de ozono está entre 6 y 15 por
ciento en volumen.
14. El método de reducción de lodo de acuerdo
con la reivindicación 12, que comprende además la etapa de producir
un gas enriquecido en ozono generando ozono y mezclando el ozono con
una mezcla de oxígeno y aire del ambiente, y en donde el porcentaje
de ozono está entre 6 y 15 por ciento en volumen.
15. El método de reducción de lodos de acuerdo
con la reivindicación 12, que comprende además la etapa de pretratar
la corriente de líquido que contiene biosólidos.
16. El método de reducción de lodos de acuerdo
con la reivindicación 12, en el que la etapa de introducir un gas
enriquecido en ozono en el reactor de ozonación de tipo gasto tipo
pistón (30) que comprende además inyectar gas enriquecido en ozono
en una pluralidad de posiciones dentro del reactor de ozonación de
tipo gasto tipo pistón.
17. El método de reducción de lodos de acuerdo
con la reivindicación 12, en el que la etapa de descargar la
corriente de líquido ozonada comprende además descargar la corriente
de líquido ozonada de retorno al depósito (20) de lodo activado.
18. El método de reducción de lodo de acuerdo
con una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 17, en el que la
relación de biosólidos reducidos en kilogramos al uso de ozono en
kilogramos es igual a o mayor que 10.
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