ES2558455T3 - Un procedimiento para el tratamiento aeróbico termófilo de aguas residuales orgánicas concentradas y la planta relacionada - Google Patents

Abstract

Un procedimiento para el tratamiento aeróbico termófilo de aguas residuales, que comprende las siguientes etapas: - dichas aguas residuales son alimentadas para un tratamiento biológico aeróbico termófilo en lecho fluidizado, dentro de un reactor (1) cerrado, provisto con un sistema (2) de control termostático y con un sistema (3) de recirculación hidráulica; - dichas aguas son remitidas después a un tratamiento (4) de ultrafiltración; - dichas aguas residuales tratadas son descargadas posteriormente; - se insufla oxígeno O2 puro dentro de dicho reactor (1); en donde dichas aguas residuales son de tipo orgánico concentrado y dicho procedimiento comprende también la siguiente etapa: - se proporciona cal Ca(OH)2 para el tratamiento biológico aeróbico termófilo en lecho fluidizado, en donde dicha cal Ca(OH)2 está dispuesta para formar, por medio de un proceso de carbonatación con dióxido de carbono CO2 generado por la degradación del sustrato orgánico en el procedimiento aeróbico biológico, un medio de soporte inerte natural que consiste en micropartículas de carbonato de calcio CaCO3, en donde dichas micropartículas están dispuestas para permitir el desarrollo sobre las mismas de una flora bacteriana aeróbica adherente, y dichas micropartículas cubiertas por dicha flora bacteriana aeróbica adherente, separadas por medio de dicho tratamiento (4) de ultrafiltración, son, al menos parcialmente, reintroducidas en dicho reactor (1) por medio de dicho sistema (3) de recirculación hidráulico.

Description

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DESCRIPCION

Un procedimiento para el tratamiento aerobico termofilo de aguas residuales organicas concentradas y la planta relacionada

Esta invention se refiere al campo de sistemas y plantas para el tratamiento de aguas residuales.

Mas en detalle, la invencion se refiere a un procedimiento para el tratamiento aerobico termofilo de aguas residuales organicas concentradas y una planta en la que se implementa dicho procedimiento.

Las mejores tecnicas disponibles (BAT, por sus siglas en ingles) en uso hoy en dla, identificadas por estandares aplicables actualmente para plantas para el tratamiento qulmico-flsico y biologico de residuos fluidos, indican una amplia variedad de procedimientos y plantas adecuados.

Donde es posible, se prefieren generalmente procedimientos biologicos en el caso de tratar aguas residuales organicas biodegradables. Se usa habitualmente un sistema con un procedimiento aerobico que implica fangos activos, porque es el mejor conocido y se considera fiable. Las alternativas al procedimiento de fangos activos, tales como sistemas que usan biomasa adherente, no pueden contar con estas caracterlsticas.

Los procedimientos adecuados incluyen las siguientes tecnicas en particular, que se clasifican como BAT:

- sedimentacion/floculacion;

- microfiltracion y ultrafiltracion;

- osmosis inversa y nanofiltracion;

- precipitation;

- oxidation qulmica;

- tratamientos aerobicos.

Mas en particular, se usan habitualmente plantas biologicas aerobicas termofilas para tratar aguas residuales con un alto contenido de materia organica.

Los sistemas biologicos aerobicos termofilos (para tratar aguas residuales con un alto contenido de materia organica) se basan en procedimientos a temperaturas mas altas que 45°C. Para alcanzar esta temperatura de manera economicamente rentable, es posible generalmente recurrir a una de dos alternativas:

1. el uso de agua ya calentada que proviene de procedimientos de production particulares, tales como industrias de fabrication de papel;

2. el uso de aguas residuales con un alto contenido de materia organica; las reacciones de degradation de la materia organica son exotermicas, con lo que los valores de temperatura pueden ser mantenidos sin necesidad de proporcionar una fuente de calor, simplemente asegurando ciertas condiciones, es decir:

- una concentration suficiente de materia organica biodegradable;

- un aislamiento termico adecuado del reactor.

Finalmente, es bien sabido que se pueden usar reactores de lecho fluidizado con una sustancia inerte adecuada para servir como medio de soporte difuso para la flora bacteriana adherente que se desarrolla durante el proceso biologico.

Un problema particular cuando se usan procedimientos termofilos se refiere a las pobres caracterlsticas de sedimentabilidad del fango: esto hace diflcil clarificar el efluente y limita la eficacia del tratamiento. La causa del problema estriba en la limitada capacidad de la biomasa para formar grumos, lo que a su vez es debido a una escasez de bacterias formadoras de grumos, que encuentran diflcil desarrollarse en un entorno que no es apropiado idealmente para ellas, como en el caso de reactores biologicos que funcionan a altas temperaturas.

Una solution conocida para vencer este problema es adoptar un sistema de filtration (p.ej., ultrafiltracion) corriente abajo del reactor de lecho fluidizado a fin de separar la biomasa de las aguas residuales tratadas. El sistema biologico resultante, equipado con tal unidad de filtracion, se llama reactor biologico de membrana (MBR, por sus siglas en ingles).

Por otro lado, los problemas que se derivan del uso de lechos fluidizados se refieren sustancialmente a la necesidad de suministrar artificialmente el sustrato inerte al comienzo del procedimiento y tambien mas tarde debido al arrastre del material en el flujo sobrante de fango que pasa a traves de la salida del reactor.

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Las tecnicas y plantas usadas actualmente tienen generalmente tambien numerosos otros inconvenientes, que incluyen:

- la necesidad de volumenes grandes y la ocupacion de espacios grandes;

- el potencial para producir emisiones gaseosas con mal olor;

- una alta salida de fango;

- dificultades con el tratamiento de materia organica sintetica escasamente biodegradable.

El documento US 2004/159607 A1 describe un procedimiento de tratamiento aerobico de aguas residuales en condiciones mesofilas donde se usan granulos de calcita como soporte para los microorganismos aerobicos.

El documento JPA08232595 describe el uso de compuestos de Ca anadidos en un metodo de procesamiento de aguas residuales de naturaleza organica mediante un metodo anaerobico de suelos de fangos de tipo flujo ascendente, que reaccionan con el dioxido de carbono generado por fermentacion de metano dentro de un reactor, produciendo CaCO3.

El objetivo de la presente invencion es un procedimiento para el tratamiento aerobico termofilo de aguas residuales organicas concentradas y una planta en la que se implementa dicho procedimiento, que cuenta con tecnicas clasificables como BAT, y que vence los problemas que caracterizan aun dichas tecnicas convencionales.

En particular, el objetivo de la invencion es ofrecer un procedimiento basado en un reactor de lecho fluidizado que usa un dispositivo del tipo MBR que vence los problemas de la sedimentabilidad del fango, en donde ya no hay necesidad de suministrar artificialmente la sustancia inerte usada como medio de soporte difuso para la flora bacteriana adherente que se desarrolla durante el proceso biologico.

Objetivos adicionales incluyen: reducir los volumenes y los espacios necesarios para implementar el procedimiento de tratamiento; evitar la emision de gases con mal olor desde la planta; reducir la salida de fango de la planta; y permitir el tratamiento economicamente rentable de materia organica sintetica escasamente biodegradable.

Estos objetivos son conseguidos por la presente invencion por medio de un procedimiento para el tratamiento aerobico termofilo de aguas residuales organicas concentradas segun la reivindicacion independiente 1. Estan contenidos rasgos adicionales del procedimiento en las reivindicaciones dependientes 2-5. La invencion tambien se refiere a una planta para el tratamiento aerobico termofilo de aguas residuales organicas concentradas de acuerdo con la reivindicacion independiente 6. Estan contenidos rasgos adicionales de la planta en las reivindicaciones dependientes 7-10. Ademas de las ventajas conocidas de usar un procedimiento aerobico termofilo con una biomasa adherente, es decir, altas velocidades de reaccion, volumenes de reactor reducidos, flexibilidad, resistencia a la sobrecarga, estabilidad de proceso, salidas reducidas de fango ya bien estabilizado, equipo mas directo en la planta que en las llneas de tratamiento de fango convencionales, las ventajas del procedimiento y de la planta segun la invencion tambien incluyen las siguientes:

- la disminucion de parte del dioxido de carbono desarrollado por el proceso de degradacion de la materia organica y su conversion en carbonato de calcio debido a su reaccion con la cal anadida durante el procedimiento; el grado al que el CO2 desarrollado por el procedimiento de tratamiento es disminuido puede ser controlado ajustando la cantidad de cal suministrada al reactor termofilo y la retirada equivalente del carbonato de calcio, para estabilizar el valor de operation preajustado para los solidos totales en suspension en el lecho fluidizado;

- la formation de carbonato de calcio que permite obtener de manera economicamente rentable un medio de soporte inerte natural para la biomasa adherente, que no necesita rellenado;

- la contention de emisiones gaseosas con mal olor y su mas facil extraction gracias a las dimensiones mas limitadas del reactor;

- la reduction de los caudales de gases implicados y por consiguiente de los fenomenos de desorcion (“stripping”) gracias al uso de oxlgeno puro en lugar de aire, lo que permite tambien que el sistema funcione con concentraciones de oxlgeno disuelto muy altas (4-8 mg/l); valores que tambien podrlan ser obtenidos usando sistemas de insuflacion de aire, pero los costes de operacion serlan prohibitivos. Esto equivale a la creation de altos gradientes de concentration, que actuan como “fuerza impulsora” para la transferencia de oxlgeno entre el entorno llquido y las partes mas internas de los grumos de fango, que son generalmente pobres en oxlgeno. El oxlgeno puede penetrar dentro de la masa de los grumos de fango de manera mucho mas eficaz que en sistemas de aire insuflado. Los microorganismos son por tanto provistos idealmente con oxlgeno, con lo que pueden conseguir la degradacion de la materia organica contenida en las aguas residuales hasta un maximo efecto;

- el problema de la sedimentabilidad limitada del fango termofilo es vencido gracias al sistema de filtration de membrana (ultrafiltracion) ubicado corriente abajo del sistema biologico termofilo de lecho fluidizado “natural”,

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que tambien puede estar seguido por otros tratamientos de tipo conocido;

- inhibicion de los patogenos, un aspecto que puede ser fundamental en el tratamiento de ciertos tipos de aguas residuales, tales como las que proceden de actividades de crla de animales;

- la oportunidad de recuperar calor;

- el desarrollo de bacterias adecuadas para el procedimiento de tratamiento independientemente de la morfologla y capacidad de formation de grumos del fango, lo que conduce a niveles de biodegradation mas eficaces;

- una alta capacidad para la degradation incluso de moleculas sinteticas, que no son facilmente biodegradables en plantas biologicas convencionales;

- el efluente del reactor termofilo es adecuado para un tratamiento biologico mesofilo posterior;

- el fango que proviene del reactor termofilo puede ser reutilizado en aplicaciones de labranza porque consiste principalmente en carbonato de calcio (que tiene una action correctora y estabilizante natural sobre el pH del suelo, incluso en areas con lluvias acidas) y en materia organica estabilizada que no contiene patogenos, materia organica biorresistente acumulable, ni metales pesados.

Las ventajas de la invention se haran mas evidentes a partir de la description que sigue, en la que se describen realizaciones preferidas como ejemplos no limitantes con la ayuda de las figuras, en donde:

La Fig. 1 muestra esquematicamente el concepto basico que esta detras del procedimiento y la planta segun la invencion;

Las Figs. 2, 3, 4, 5 muestran ejemplos de variantes mas complejas del procedimiento ilustrado en la Fig. 1;

La Fig. 6 muestra un detalle de la planta para implementar el procedimiento basico segun la invencion;

La Fig. 7 proporciona datos experimentales sobre la eficacia mensual en la retirada de la COD (demanda qulmica de oxlgeno), obtenidos usando las opciones de procesamiento mostradas en las Figs. 1-2 y 3.

La Fig. 8 compara los datos experimentales para las cargas de COD en el agua en la entrada del reactor termofilo y despues de su disminucion en un reactor preparado segun la invencion, reunidos para dos periodos de monitorizacion.

Con referencia a la Fig. 1, el procedimiento basico de tratamiento de aguas residuales organicas concentradas comprende las siguientes etapas:

- dichas aguas residuales Qin son alimentadas para un tratamiento biologico aerobico termofilo en lecho fluidizado dentro de un reactor 1 cerrado con un sistema 2 para el control termostatico de la temperatura basado en un intercambiador de calor interno o externo (que usa agua caliente, por ejemplo), y un sistema 3 de recirculation hidraulica;

- dichas aguas sufren posteriormente un tratamiento 4 de ultrafiltracion;

- se insufla oxlgeno O2 puro dentro de dicho reactor 1;

- se proporciona cal Ca(OH)2 para el tratamiento biologico aerobico termofilo en lecho fluidizado;

- dichas aguas residuales tratadas Qout son descargadas posteriormente.

La cal Ca(OH)2 disponible en el reactor 1 es adecuada para formar un medio de soporte inerte natural que consiste en micropartlculas de carbonato de calcio CaCO3 por medio de un proceso de carbonatacion con dioxido de carbono CO2 generado por la degradacion del sustrato organico en el proceso biologico. Dichas micropartlculas son adecuadas para proporcionar un area superficial considerable dispuesta para permitir el desarrollo de una flora bacteriana aerobica adherente.

El tratamiento 4 de ultrafiltracion, que se consigue con el equipo de membrana de tipo conocido, permite mantener la biomasa dentro del reactor 1 mientras es descargado el flujo Qout de agua tratada.

La cal Ca(OH)2 es dosificada bien directamente en la etapa de tratamiento biologico termofilo, como se muestra en la Figura 1, o bien en una etapa previa de retratamiento qulmico-flsico dentro de un reactor 5 de contacto por mezcla, como se muestra en la Figura 2.

En una variante adicional del procedimiento mostrada en la Figura 3, hay un tratamiento 6 de nanofiltracion realizado segun una tecnica conocida corriente abajo del tratamiento 4 de ultrafiltracion.

La Figura 4 muestra otra variante del procedimiento, en donde un tratamiento de fangos activos mesofilo que

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comprende una etapa de tratamiento en un reactor 7 mesofilo y una etapa de sedimentacion en un tanque 8 de sedimentacion es adoptado como alternativa al sistema 6 de nanofiltracion de tipo membrana en serie con el tratamiento 4 de ultrafiltracion.

El tratamiento biologico termofilo/mesofilo combinado permite una reduccion adicional en COD y BOD5 de aproximadamente 40% y 80%, respectivamente.

La Figura 5 muestra una variante, como ejemplo adicional, en donde un tratamiento 9 de oxidacion qulmica OX es insertado en la llnea de recirculacion que lleva el concentrado que proviene de la nanofiltracion 6, el objeto de lo cual es aumentar la biodegradabilidad de las aguas residuales y por consiguiente permitir su recirculacion en el reactor 1 biologico en lugar de en el compartimiento 5 de tratamiento flsico-qulmico. El tratamiento 9 puede ser de tipo conocido, p.ej, con la adicion de nitrogeno o con un procedimiento basado en peroxido de hidrogeno y radiacion UV.

El tratamiento de oxidacion qulmica tambien podrla ser incluido en otros puntos de la planta (en la configuration basica de la Fig. 1, o en una de las variantes de las Figs. 2-4), tambien con el fin de proteger el segundo tratamiento biologico (mesofilo) contra cualquier materia toxica/inhibidora entrante y/o mejorar la eficacia de la retirada de materia organica, y/o aumentar la biodegradabilidad de las aguas residuales.

Con referencia a las figuras, se da a continuation una description de una planta que implementa el procedimiento basico para el tratamiento aerobico termofilo de aguas residuales organicas concentradas, junto con las soluciones alternativas correspondientes y algunos datos sobre la eficacia conseguida.

Se obtuvieron resultados notables usando un tanque 1 biologico que funcionaba en condiciones termofilas (T > 45°C) mantenidas por medio de un intercambiador 2 de calor y hecho de cemento reforzado con paredes de 30 cm de espesor cubiertas con paneles prefabricados a fin de contener los olores y mantener la temperatura.

El reactor 1 biologico termofilo tiene un area superficial de 267 m2 (21 m x 12,8 m) y es de 5,3 m de alto, 1,5 m de los cuales estan bajo tierra, proporcionando un volumen util total de aproximadamente 1.000 m3.

El reactor 1 biologico es alimentado con un flujo Qin entrante a una velocidad de 8,3 m3/h y tiene un flujo Qmbr de recirculacion (a una velocidad) de 120 m3/h que proviene del tratamiento 4 de ultrafiltracion, constituyendo as! un sistema de tratamiento de tipo MBR.

El sistema de oxidacion biologica usa oxlgeno puro (anadido en la forma de microburbujas usando el sistema OXY- DEP conocido); esto asegura una oxidacion eficaz, reduciendo la action de desorcion o “stripping” de los gases con mal olor, y permitiendo que se cumplan las demandas de oxlgeno pico debidas a sobrecarga.

Con referencia en particular a la Figura 6, el oxlgeno puro es inyectado directamente en mezcladores 10 estaticos (Qo2, 75 m3/h) para sobresaturar las aguas residuales recirculantes dentro de ellos a un caudal Qox de 300 m3/h, tanto para garantizar el suministro al lecho fluidizado como para permitir la entrega de oxlgeno al reactor 1. El fluido contiene por tanto microburbujas de oxlgeno finamente dispersas dentro de su masa en cantidades mas grandes que en sistemas convencionales.

Las aguas residuales as! enriquecidas son devueltas despues al tanque mediante los eyectores 11 llquido-llquido, en cantidad suficiente para llevar todo el flujo de fluido que sale del eyector hasta los valores de saturation correspondientes a la presion de la cabeza hidrostatica en el tanque.

Esto hace posible explotar dicha cabeza hidrostatica para mantener el oxlgeno en contacto con el fluido durante tanto tiempo como sea posible, y tambien para asegurar la adecuada agitation de las aguas residuales y del lecho fluidizado con una distribucion uniforme del gas disuelto.

El tratamiento termofilo es alimentado con un suministro de aguas residuales Qin de procesos industriales o el percolato de vertederos a un pH neutro con un alto contenido de materia organica, nitrogeno y otros residuos llquidos.

La siguiente tabla muestra los niveles mlnimos, maximos y medios de los principales parametros contaminantes caracterlsticos de las aguas residuales suministradas al compartimiento biologico termofilo.

Parametro

Unidad de medida Valor

media

min max

Caudal

[m3/d] 249 150 516

COD

[mg/l] 24.000 15.723 39.300

N-NH4+

[mg/l] 250 126 450

N-NOx'

[mg/l] 1.190 620 1.560

Cu

[mg/l] 0,03 no registrable 0,18

Cr

[mg/l] 0,007 no registrable 0,07

Ni

[mg/l] 3,8 2 6,7

Zn

[mg/l] 0,73 0,3 1,4

La Figura 7 muestra la eficacia mensual en la retirada de la COD y los valores medios que se refieren a dos periodos de monitorizacion. Estas eficacias fueron conseguidas usando una planta del tipo MBR, como se muestra en la Figura 2, y una planta del tipo mostrado en la Figura 3. Las eficacias obtenidas fueron como sigue:

5 en el primer caso (Ox + UF), la eficacia en la retirada de la COD fue 81% en el primer periodo y 72% en el

segundo;

en el ultimo caso (Ox + UF + NF), la eficacia en la retirada de la COD fue 89% en el segundo periodo de ensayo solamente.

La Figura 8 muestra una comparacion entre las cargas de COD en la entrada y despues de la disminucion en el 10 reactor termofilo durante los dos periodos de monitorizacion mencionados anteriormente. Claramente, a pesar del aumento en la carga organica en la entrada, la carga organica disminuida sigue siendo casi la misma.

Claims (10)

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   REIVINDICACIONES

   1. Un procedimiento para el tratamiento aerobico termofilo de aguas residuales, que comprende las siguientes etapas:

   - dichas aguas residuales son alimentadas para un tratamiento biologico aerobico termofilo en lecho fluidizado, dentro de un reactor (1) cerrado, provisto con un sistema (2) de control termostatico y con un sistema (3) de recirculacion hidraulica;

   - dichas aguas son remitidas despues a un tratamiento (4) de ultrafiltracion;

   - dichas aguas residuales tratadas son descargadas posteriormente;

   - se insufla oxlgeno O2 puro dentro de dicho reactor (1);

   en donde dichas aguas residuales son de tipo organico concentrado y dicho procedimiento comprende tambien la siguiente etapa:

   - se proporciona cal Ca(OH)2 para el tratamiento biologico aerobico termofilo en lecho fluidizado,

   en donde dicha cal Ca(OH)2 esta dispuesta para formar, por medio de un proceso de carbonatacion con dioxido de carbono CO2 generado por la degradation del sustrato organico en el procedimiento aerobico biologico, un medio de soporte inerte natural que consiste en micropartlculas de carbonato de calcio CaCO3, en donde dichas micropartlculas estan dispuestas para permitir el desarrollo sobre las mismas de una flora bacteriana aerobica adherente, y dichas micropartlculas cubiertas por dicha flora bacteriana aerobica adherente, separadas por medio de dicho tratamiento (4) de ultrafiltracion, son, al menos parcialmente, reintroducidas en dicho reactor (1) por medio de dicho sistema (3) de recirculacion hidraulico.
2. 2. Un procedimiento segun la reivindicacion 1, caracterizado por que la cal Ca(OH)2 es dosificada directamente en la etapa de tratamiento biologico termofilo o en una etapa de pretratamiento qulmico y flsico previa.
3. 3. Un procedimiento segun la reivindicacion 1, caracterizado por que hay un tratamiento (6) de nanofiltracion corriente abajo del tratamiento (4) de ultrafiltracion.
4. 4. Un procedimiento segun la reivindicacion 1, caracterizado por que, despues de la etapa (4) de ultrafiltracion, comprende un tratamiento aerobico en condiciones (7) mesofilas y un tratamiento (8) de sedimentation por gravedad.
5. 5. Un procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones previas, caracterizado por que comprende un procedimiento (9) de oxidation qulmica que tiene efecto sobre al menos un flujo hidraulico.
6. 6. Una planta para el tratamiento aerobico termofilo de aguas residuales, que comprende:

   - un reactor (1) cerrado provisto con una entrada y una salida para dichas aguas residuales, y con medios (2) de control termostaticos, y medios (3) para inducir un flujo de recirculacion dispuesto para fluidizar un material granular contenido dentro de dicho reactor, en donde dicho material granular esta dispuesto para servir como medio de soporte inerte para una flora bacteriana adherente que implementa el procedimiento de tratamiento biologico aerobico termofilo en lecho fluidizado;

   - un dispositivo (4) de ultrafiltracion conectado a la salida de dicho reactor;

   - medios (10, 11) para insuflar oxlgeno O2 puro dentro de dicho reactor,

   en donde dichas aguas residuales son de tipo organico concentrado y dicho sistema comprende:

   - medios para suministrar cal Ca(OH)2 a dicho reactor,

   en donde dicho material granular comprende micropartlculas de carbonato de calcio CaCO3, producido naturalmente por la carbonatacion de la cal Ca(OH)2 con el dioxido de carbono CO2 generado por la degradacion del sustrato organico en el procedimiento aerobico biologico, y dichos medios (3) estan dispuestos para reintroducir, al menos parcialmente, dicho material granular, cubierto por dicha flora bacteriana adherente, separado por medio de dicho dispositivo (4) de ultrafiltracion, en dicho reactor (1).
7. 7. Una planta segun la reivindicacion 6, caracterizada por que comprende un reactor (5) de contacto por mezcla completa en el que se dosifica cal Ca(OH)2.
8. 8. Una planta segun la reivindicacion 6, caracterizada por que esta conectado un dispositivo (6) de nanofiltracion corriente abajo del dispositivo (4) de ultrafiltracion.
9. 9. Una planta segun la reivindicacion 6, caracterizada por que un dispositivo (7) para tratamiento aerobico en

   condiciones mesofilas y un dispositivo (8) de sedimentacion por gravedad estan conectados corriente abajo del dispositivo (4) de ultrafiltracion.
10. 10. Una planta segun cualquiera de las reivindicaciones previas de 6 a 9, caracterizado por que comprende un dispositivo (9) de oxidacion qulmica que tiene efecto sobre al menos un flujo hidraulico.