ES2604964T3 - Procedimiento de extracción de fósforo y magnesio de fango activo residual y sistema de producción de estruvita - Google Patents

Procedimiento de extracción de fósforo y magnesio de fango activo residual y sistema de producción de estruvita Download PDF

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Abstract

Un procedimiento de tratamiento de residuos, que comprende: (a) producir una primera mezcla de sólidos, microorganismos y líquido a partir del agua residual, y en el que dichos microorganismos contienen fósforo y magnesio; (b) eliminar el fósforo y magnesio de los microorganismos y permitir que dicho fósforo y magnesio eliminados se disuelvan en una parte líquida de dicha primera mezcla, en la que dicha etapa de eliminación incluye añadir compuestos de carbono fácilmente biodegradables (RBC) a dicha primera mezcla, para producir de esta forma una mezcla tratada que incluye magnesio y fósforo disueltos; (c) fermentar y espesar dicha mezcla tratada para producir un líquido rico en fósforo y rico en magnesio que se separa de una mezcla remanente con un contenido reducido en fósforo y reducido en magnesio; (d) tratar adicionalmente dicha mezcla con un contenido reducido en fósforo y reducido en magnesio, para crear de esta forma una mezcla rica en amoniaco y con un contenido reducido en fósforo y reducido en magnesio; (e) deshidratar dicha mezcla rica en amoniaco para producir un líquido rico en amoniaco; y (f) mezclar dicho líquido rico en amoniaco con dicho líquido rico en fósforo y rico en magnesio, para producir estruvita.

Description

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DESCRIPCION
Procedimiento de extraccion de fosforo y magnesio de fango activo residual y sistema de produccion de estruvita Solicitudes relacionadas
Campo de la invencion
La invencion se refiere de forma general al campo de la extraccion del "fango activo residual" (WAS). Mas particularmente, la invencion se refiere a anadir compuestos de carbono facilmente biodegradables (RBC) a fango biologico para reducir la acumulacion de estruvita posterior en un digestor y para producir un producto de estruvita util a partir del anterior.
Antecedentes de la invencion
Como parte del tratamiento secundario de aguas residuales, el agua residual tratada en el tratamiento primario se trata con aire u oxfgeno puro. En lo que se denomina procedimiento de "fangos activos", los microorganismos utilizan el oxfgeno para metabolizar el residuo que llega con el agua residual, formando una mezcla de microorganismos y agua residual que se denomina "licor mezcla". Esta mezcla se lleva a tanques de sedimentacion para su concentracion, formando de esta manera el fango activo concentrado. La mayor parte de este fango se devuelve al tanque de procedimiento de fangos activos. Una parte separada de este fango, denominada fango activo residual (WAS), se retira del procedimiento de fangos activos y se envfa a un sistema de gestion de fango para tratamiento adicional y evacuacion. En un sistema estable, el WAS diario es igual a la conversion diaria de aguas residuales en microorganismos, por tanto, no se produce un aumento neto en la biomasa del licor mezcla. Cuando se manipula el procedimiento de fangos activos, el fosforo y el magnesio se retiran de la corriente lfquida y se concentran en el licor mezcla. Este procedimiento se conoce como eliminacion biologica de fosforo mejorada (EBPR).
En referencia a la Figura 1, en un esquema tfpico 10, el WAS se envfa a una centnfuga (u otro aparato de espesamiento) 14 para el espesamiento, los lfquidos se derivan y se devuelven a la planta depuradora para su tratamiento, mientras que el lodo espesado resultante se envfa a un digestor anaerobio 16 con otros fangos, donde permanece durante 15 dfas o mas antes de enviarse a una segunda centnfuga (u otro aparato de deshidratacion) 18 para su deshidratacion.
Desafortunadamente, tiende a formarse estruvita en el digestor 16, y en otros equipos posterior porque el amoniaco, el magnesio y el fosforo que estan presentes pueden precipitar como estruvita. Es poco practico recoger esta estruvita y tambien tiene el efecto perjudicial de quedar depositada sobre las superficies del reactor 16 y obturar las tubenas y el equipo que sale del reactor.
Una centnfuga (u otro aparato de deshidratacion) 18 adicional produce fango deshidratado 20 adicional, que bien se reutiliza con beneficio o se elimina, y lfquidos 22, que son ricos en amoniaco y fosforo. Se ha aprendido que la estruvita aglomerada se puede recoger de los lfquidos 22, mediante un reactor de estruvita 24. Esta estruvita aglomerada es un producto comercializable que se puede usar como un fertilizante de liberacion temporalizada, recuperando de esta forma parte del coste del tratamiento de aguas residuales. Desafortunadamente, para recoger la estruvita se requiere la adicion de magnesio al procedimiento, lo que constituye una buena parte del coste del procedimiento y reduce la rentabilidad.
En A Feasible Approach of Integrating Phosphate Recovery as Struvite at Waste Water Treatment Plants, Proceedings, Institute Of Environmental Engineering, pp. 551-558 (2007), D. Montag, y col. describen un sistema de recuperacion de fosfato que desaconseja la adicion de uno o mas acidos grasos volatiles (VFA) para eliminar el fosforo. Los autores lo consiguen mostrando tiempos de retencion prolongados en lugar de la adicion de acidos organicos o inorganicos externos. En The Modified Renphosystem: A High Biological Nutrient Removal System, Wat. Sci. Tech., Vol. 35, N° 10, pp. 137-146 (1997), J. H. Rensink, y col. describen el denominado sistema Renpho modificado. Los autores no ensenan la adicion de VFA como agentes para dosificar WAS, no ensenan la retirada/eliminacion tanto del magnesio como del fosfato, no ensenan la fermentacion, no ensenan el ajuste del pH antes de la mezcla agua/centrato, y no ensenan el uso de un deshidratador relacionado con un digestor.
En Wastewater Treatment Plant and Opportunities for Phosphorus Recovery, Environ. Techn., 1999, Vol. 20, N° 7, pp 743-747, S. Williams, y col. analizan la composicion de numerosas corrientes de procedimiento para la recuperacion potencial de P en una EDAR britanica y sugieren combinar el centrado (que tiene un elevado contenido en amoniaco) y el licor de fangos activos residual (que libera fosforo durante el almacenamiento). En An economic and environmental evaluation of the opportunities for substituting phosphorus recovered from wastewater treatment works in existing UK fertilizer markets, Environ. Tech., Vol. 21, N.° 9. pp 1067-1084 (2000), M. R. Gaterell, y col. describen un procedimiento potencial simplificado para maximizar la precipitacion de estruvita (adaptado de Williams y col., citado anteriormente).
Ninguno de estos artfculos, ni ninguna otra publicacion de la tecnica anterior conocida ensena la separacion de un reactivo activado por VFA en una corriente lfquida rica en fosforo y rica en magnesio a enviar a un reactor de
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estruvita para la produccion de estruvita aglomerada, ni tampoco en una corriente de fango pobre en fosforo y pobre en magnesio a enviar a un digestor para reducir el perjuicio de la acumulacion de estruvita en el interior del mismo.
Sumario
La presente invencion puede tomar la forma de un procedimiento para tratar una primera mezcla de solidos y microorganismos residuales que contienen fosforo y magnesio, induciendo en primer lugar la mezcla de microorganismos para que libera fosforo y magnesio, que posteriormente se derivan a medida que la mezcla se espesa, para producir un lfquido rico en fosforo y magnesio y una mezcla tratada con un contenido reducido en fosforo y magnesio. Esta mezcla tratada se introduce en un digestor anaerobio donde se forma amoniaco, pero se combina muy poco con el fosforo o el magnesio, ya que se ha reducido en gran medida la concentracion de estos elementos. A continuacion, la mezcla con alto contenido en amoniaco se deshidrata para producir un lfquido rico en amoniaco, que se combina con el lfquido rico en fosforo y magnesio. En una realizacion preferida, a partir de esta combinacion se recoge un producto de estruvita util.
Ademas, la produccion de estruvita perjudicial en el digestor anaerobio se reduce en gran medida, en comparacion con los procedimientos de tratamiento de residuos de la tecnica anterior.
Los sistemas y procedimientos para llevar a la practica la presente invencion se muestran en las Figuras 2, 3, y 2A y se describen en el texto adjunto, que debena ayudar a clarificar la invencion en sus diversas realizaciones.
Breve descripcion de los dibujos
La Figura 1 es un diagrama de bloques de un sistema de tratamiento de residuos de la tecnica anterior.
La Figura 2 es un diagrama de bloques de un tratamiento de residuos de acuerdo con la presente invencion.
La Figura 3 es un diagrama de bloques de una realizacion alternativa de un sistema de tratamiento de residuos de acuerdo con la presente invencion.
La Figura 2A es un diagrama de bloques de otra realizacion adicional de un sistema de tratamiento de residuos de acuerdo con la presente invencion.
Descripcion detallada de las realizaciones preferidas
En referencia a la Figura 2, en una realizacion preferida de un procedimiento 110 de tratamiento de fango activo residual (WAS), el fosforo y el magnesio se liberan por accion de los microorganismos en un reactor anaerobio 112, donde esta el WAS, durante un tiempo mmimo de 0,5 horas. Un procedimiento para llevar a cabo esta liberacion es mediante la adicion de uno o mas compuestos de carbono facilmente biodegradables (RBC), tal como uno o mas acidos grasos volatiles (VFA) al fango del reactor anaerobio, con de 3 a 8 gramos (y preferentemente 4-6 gramos) del uno o mas VFA anadidos por gramo de fosforo liberado planificado. En otra tecnica, el fango activo se mantiene durante 36 a 96 horas, sin la adicion de VFA, para respiracion y fermentacion endogena para liberar fosforo y magnesio.
El WAS resultante se envfa a un dispositivo de espesamiento 114, tal como una centnfuga, cinta de espesamiento o tamices rotatorios, y los lfquidos 115 resultantes, que tienen niveles mejorados de fosforo y magnesio, se envfan a un reactor de estruvita 124, que se analizara mas detalladamente a continuacion. Se produce solamente una produccion de estruvita muy pequena en los lfquidos 115, ya que tiene un nivel de amoniaco muy bajo. Los VFA u otras formas de RBC se pueden generar mediante fermentacion, tal como en el procedimiento unificado de fermentacion y espesamiento (UFAT) descrito en la patente de los Estados Unidos n.° 6.387.264 B1. Otros procedimientos para obtener VFA incluyen diferentes procedimientos de fermentacion, recogida de diferentes productos residuales y su adquisicion como productos qmmicos, tales como acido acetico.
El WAS espesado con niveles reducidos de fosforo y magnesio se envfa a un digestor anaerobio 116 con otros fangos, y normalmente se mantiene allf durante un mmimo de quince dfas, donde se trata adicionalmente mediante bacterias anaerobias que generan altas concentraciones de amoniaco. La produccion de estruvita en el digestor 116, sin embargo, esta muy reducida en comparacion con la cantidad de estruvita producida en el digestor 16 del sistema de la tecnica anterior (que podna ser identico al digestor 116) debido a la reduccion en fosforo y magnesio en el WAS espesado, ambos son necesarios para la formacion de estruvita. Esta reduccion en la formacion de estruvita reduce en gran medida la formacion de depositos de estruvita en el digestor y las tubenas y el equipo que se encuentra despues del digestor anaerobio 116.
El fango tratado del digestor 116 se deshidrata 118, mediante el uso de una centnfuga, cinta de deshidratacion, tamiz, prensas de marco y placas, etc. donde el solido deshidratado resultante se reutiliza con un beneficio o se desecha. Los lfquidos 122 ricos en amoniaco, que son menos capaces de formar estruvita en las conducciones y equipos asociados debido al contenido reducido en fosforo y magnesio, se envfan al reactor de estruvita 124, donde el amoniaco abundante se combina con el fosforo y magnesio de los lfquidos 115 para formar estruvita.
En referencia a la Figura 3, en una segunda realizacion preferida, la entrada al sistema 210 se realiza en forma de solidos en suspension en el licor mezcla (MLSS) 214 tomados de la zona anaerobica 212 del tanque de aireacion, en un sistema de eliminacion biologica de fosforo mejorada (EBPR). La mayona de los MLSS avanzan hasta una
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parte adelantada del tanque de aireacion 218. Los RBC se anaden a los MLSS agregados en un sistema EBPR convencional, haciendo de esta forma que el fosforo y magnesio se liberen de los microorganismos. Ademas de esta diferencia, el procesamiento es basicamente el mismo, aunque se necesitan algunas variaciones para adaptar el mayor flujo 214 al espesador 216, ya que el MLSS es normalmente tres veces mas diluido que el WAS. Para gestionar el flujo diluido, el espesador 216 puede utilizar el espesamiento por gravedad que va seguido opcionalmente por una cinta o una centnfuga u otro dispositivo de espesamiento. El reactor anaerobio 112 y la adicion suplementaria de RBC, como se muestra en la Figura 2, se pueden eliminar.
La Figura 2A muestra otra realizacion mas del sistema inventado, similar al de la Figura 2 (y que tiene identicos marcadores de referencia para elementos identicos). Se puede observar que el sistema 220 incluye un flujo principal 220a y una corriente de flujo secundario 220b, como se muestra, respectivamente por encima y por debajo de la lmea discontinua horizontal. En el presente documento se cita al sistema 220 como el proveedor de la produccion in situ, es decir, cerrada o contenida, del producto de estruvita util (por ejemplo, productos comercializables tales como aglomerados o partfculas de formas y tamanos regulares e irregulares, productos no comercializables tales como fango de estruvita, etc.) a partir del WAS, sin que se necesiten aportes internos para realizar el procedimiento de produccion.
Como se entendera, el fango primario contenido en un clarificador primario 222 se procesa a traves de una UFAT 224 de acuerdo con la patente de Estados Unidos n.° 6.387.264 o un procedimiento equivalente que incluye un fermentador 226 y un espesador 228 o un fermentador/espesador combinado que procesa colectivamente el fango primario para obtener VFA y un fango espesado. Los VFA de la UFAT 224 se introducen en un tanque de aireacion EBPR 112a y a un separador/espesador 114 que incluye, por ejemplo, un tanque de liberacion anaerobio 114a y un segundo espesador tal como una centnfuga de espesado 114b. (Reactor anaerobio 112 de la Figura 2 en esta realizacion alternativa de la invencion que por tanto toma la forma de un tanque de aireacion EBPR 112a y un clarificador secundario 112b, como se ilustra en la Figura 2A).
El fango espesado se alimenta a un digestor 116, como se muestra en la Figura 2A. Tanto corriente abajo del digestor 116 en el reactor de estruvita (como se ha descrito anteriormente en referencia a la Fig. 2) o corriente arriba del digestor 116, el pH de los lfquidos ricos en P y ricos en Mg se ajusta mediante un ajustador de pH 117 (mostrado con un penmetro discontinuo ya que esta situado opcionalmente en esta ubicacion corriente arriba en lugar de en el reactor de estruvita 124). Los expertos en la materia apreciaran que, a pesar de ajustar el pH de los lfquidos ricos en P y ricos en Mg antes de que lleguen al reactor de estruvita, sin embargo, la estruvita sigue sin formarse en la conduccion corriente arriba porque no hay amoniaco presente). Ademas, las concentraciones maximas de los fluidos en el reactor de estruvita corriente abajo se reducen. De esta forma, el ajustador de pH 117 situado opcionalmente corriente arriba produce una corriente lfquida 115' rica en fosforo y rica en magnesio como entrada el reactor de estruvita 124. (Asf, el ajustador de pH 117 produce una topologfa en el sistema 220 que es mas economica y directa que la topologfa del sistema 110 anteriormente descrita en referencia a la Figura 2 en la que el ajuste del pH se realiza en el reactor de estruvita.)
Un separador/espesador 114 actua para separar la entrada de WAS de un clarificador secundario 112b corriente abajo del tanque de aireacion EBPR 112a y la entrada de VFA desde la UFAT 224 en dos corrientes de salida diferentes. Una primera corriente lfquida 115 rica en fosforo y rica en magnesio (Rica en P y Mg) (o, preferentemente, una corriente lfquida 115' con el pH ajustado) se alimenta al reactor de estruvita 124, tal como se ha descrito anteriormente. Una segunda mezcla 230 con contenido relativamente reducido de fosforo y de magnesio (Pobre en P y Mg) se alimenta a un digestor 116 seguido por un deshidratador o centnfuga de deshidratacion 118 para producir una corriente lfquida 122 rica en amoniaco que tambien se alimenta de al reactor de estruvita 124. Los biosolidos con un contenido en fosforo reducido (P reducido) se producen como otro subproducto de la etapa de deshidratacion. Al separar el WAS en dos corrientes independientes de concentracion diferente que contienen fosforo y magnesio, corriente abajo, la produccion de estruvita considerada perjudicial en el interior del digestor 116 se minimiza mientras que la produccion simultanea de estruvita en el reactor de estruvita 124 se maximiza.
Los expertos en la tecnica apreciaran que un tratamiento adicional 232 corriente abajo dentro del procedimiento principal 220a se puede llevar a cabo mediante precipitacion, filtracion, y desinfeccion (por ejemplo, cloracion seguida de decloracion) de la salida del clarificador secundario 112b (parte del cual se recircula a la entrada del tanque de aireacion EBPR 112a, y parte del cual se desvfa al procedimiento de la corriente secundaria 220b, como se ilustra). Por lo tanto, el efluente del tratamiento 232 corriente abajo es adecuado para su vertido a un no u otra masa de agua y es la salida principal del procedimiento y sistema inventado, mientras que el producto de estruvita util y potencialmente comercializable, por ejemplo, un fertilizante aglomerado, es la corriente secundaria afluente del procedimiento y sistema inventado. El experto tambien apreciara que otros efluentes del reactor de estruvita 124 se pueden recircular como se muestra a la corriente afluente de la planta, en lo que se puede considerar un sistema 220 practicamente de "ciclo cerrado".
Para las realizaciones, el reactor de estruvita pueden adoptar cualquier forma que permita la combinacion del fosforo y magnesio con el amonio, para formar estruvita, incluyendo un tanque de sedimentacion, donde la estruvita espontaneamente precipitada se formana y sedimentana para su reutilizacion como materia prima, un producto util como fertilizante, o un producto residual. En una realizacion preferida, la estruvita aglomerada se forma segun un procedimiento divulgado en la publicacion internacional con numero WO 2005/077834 A1.
En una primera variante preferida de la realizacion MLSS o WAS, la desviacion de magnesio desde el digestor anaerobio y la consiguiente reduccion en la formacion de la estruvita perjudicial, protege a los equipos del procedimiento y reduce los costes de operacion. En una segunda variante preferida, se anade magnesio para capturar fosforo adicional, provocando de esta forma que el sistema produzca estruvita adicional y una corriente 5 residual con menos fosforo y amoniaco para recircularse de vuelta a la planta depuradora de aguas residuales para retratamiento. Ademas, se pueden anadir fosforo y magnesio para aumentar la produccion de estruvita y reducir la cantidad de amoniaco enviado de vuelta para retratamiento.
Esta previsto que la descripcion anterior proporcione un ejemplo de un procedimiento y sistema que esta comprendido dentro del alcance de la invencion. Las personas expertas reconoceran que otros procedimientos y
10 sistemas tambien estaran comprendidos en el alcance de la invencion.
Se entendera que la presente invencion no esta limitada al procedimiento o detalle de construccion, fabricacion, material, aplicacion o uso descritos e ilustrados en el presente documento. De hecho, cualquier variacion de fabricacion, uso, o aplicacion se considera como una realizacion alternativa, y por tanto esta dentro del espmtu y el alcance de la invencion.
15 Se pretende ademas que cualesquiera otras realizaciones de la presente invencion que sean resultado de cualesquiera cambios en la aplicacion o procedimiento de uso o de operacion, configuracion, procedimiento de fabricacion, forma, tamano, o material, que no esten especificados en la descripcion detallada dada por escrito o en las ilustraciones incluidas en el presente documento tal como comprendena un experto en la tecnica, estan comprendidos en el alcance de la presente invencion.
20 De acuerdo con ello, aunque la presente invencion se ha mostrado y descrito con referencia a las realizaciones anteriores del procedimiento y sistema inventado, sera evidente para el experto en la tecnica que se pueden realizar otros cambios en la forma y los detalles de la misma sin separarse del alcance de la invencion tal como se ha definido en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (12)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    REIVINDICACIONES
    1. Un procedimiento de tratamiento de residuos, que comprende:
    (a) producir una primera mezcla de solidos, microorganismos y Ifquido a partir del agua residual, y en el que dichos microorganismos contienen fosforo y magnesio;
    (b) eliminar el fosforo y magnesio de los microorganismos y permitir que dicho fosforo y magnesio eliminados se disuelvan en una parte lfquida de dicha primera mezcla, en la que dicha etapa de eliminacion incluye anadir compuestos de carbono facilmente biodegradables (RBC) a dicha primera mezcla, para producir de esta forma una mezcla tratada que incluye magnesio y fosforo disueltos;
    (c) fermentar y espesar dicha mezcla tratada para producir un lfquido rico en fosforo y rico en magnesio que se separa de una mezcla remanente con un contenido reducido en fosforo y reducido en magnesio;
    (d) tratar adicionalmente dicha mezcla con un contenido reducido en fosforo y reducido en magnesio, para crear de esta forma una mezcla rica en amoniaco y con un contenido reducido en fosforo y reducido en magnesio;
    (e) deshidratar dicha mezcla rica en amoniaco para producir un lfquido rico en amoniaco; y
    (f) mezclar dicho lfquido rico en amoniaco con dicho lfquido rico en fosforo y rico en magnesio, para producir estruvita.
  2. 2. El procedimiento de la reivindicacion 1, en el que la etapa (b) se lleva a cabo manteniendo dicha mezcla tratada en un reactor anaerobio durante al menos 0,5 horas.
  3. 3. El procedimiento de la reivindicacion 1, en el que los RBC incluyen acidos grasos volatiles (VFA).
  4. 4. El procedimiento de la reivindicacion 1, en el que los RBC incluyen compuestos que se convierten en acidos grasos volatiles (VFA) mediante dichos microorganismos.
  5. 5. El procedimiento de la reivindicacion 1, en el que dicha primera mezcla es fango activo residual.
  6. 6. El procedimiento de la reivindicacion 1, en el que dicha primera mezcla es de solidos en suspension en el licor mezcla.
  7. 7. El procedimiento de la reivindicacion 1, en el que la etapa (b) se lleva cabo haciendo pasar dicha primera mezcla a traves de una zona anaerobia, en el que estan presentes acidos grasos volatiles que ocasionan que el fosforo y magnesio se expulsen de los microorganismos.
  8. 8. El procedimiento de la reivindicacion 1, en el que la etapa (b) se lleva a cabo reteniendo dicha primera mezcla en un reactor anaerobio durante mas de 36 horas.
  9. 9. El procedimiento de la reivindicacion 1, en el que dicha etapa de mezclar dicho lfquido rico en magnesio y fosforo con dicho lfquido rico en amoniaco se lleva a cabo en un reactor de estruvita y en el que se anade magnesio a dicho reactor de estruvita o cualquier entrada del mismo, para aumentar de esta forma la produccion de estruvita.
  10. 10. El procedimiento de la reivindicacion 1, en el que dicho lfquido rico en amoniaco se mezcla con dicho lfquido rico en fosforo y rico en magnesio de una forma que produce un producto de estruvita util.
  11. 11. El procedimiento de la reivindicacion 1, en el que dicha mezcla con un contenido reducido en fosforo y reducido en magnesio producida en la etapa (c) esta en forma de un fango, y en el que la etapa (d) se lleva a cabo con dicho fango producido en la etapa (c) mezclado con al menos otro fango de dicho procedimiento de tratamiento de residuos.
  12. 12. El procedimiento de la reivindicacion 1, en el que dichas etapas (a), (b), (c), (d), (e), y (f) se llevan a cabo in situ.
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