ES2607472T3 - Procedimiento y dispositivo de tratamiento de agua residual - Google Patents
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Abstract
Un tanque reactor (0) para el tratamiento biológico de agua de alimentación, en el que dicho tanque reactor (0) comprende un único volumen de reactor en el que el agua de alimentación se somete a tratamiento tanto en una zona de reacción anóxica/anaerobia (31) inferior como en una zona de reacción aerobia (32) superior que están parcialmente separadas por una estructura de separación (4), comprendiendo dicho tanque de reacción una o más entradas (1) de agua de alimentación dispuestas en la zona de reacción anóxica/anaerobia (31) inferior de dicho tanque reactor (0), y una o más salidas (22) del efluente en la zona de reacción aerobia (32) superior de dicho tanque reactor (0), y en el que dicha estructura de separación (4) está dispuesta para permitir el paso ascendente del fluido desde la zona de reacción anóxica/anaerobia (31) inferior hasta la zona de reacción aerobia (32) superior, a la vez que evita parcialmente que entre el oxígeno en la zona de reacción anaerobia/anóxica (31), teniendo además dicha estructura de separación (4) una superficie superior generalmente inclinada dispuesta para guiar dicha materia biológica liberada desde la zona de reacción aerobia (32) superior hasta la zona de reacción anaerobia/anóxica (31) inferior para el procesamiento adicional de dicha materia biológica y recogida del fango, dicha zona de reacción aerobia (32) superior está provista de medios de biopelícula (52) aireada para formar sustratos para el crecimiento y la liberación de la materia biológica, caracterizado porque dicho tanque reactor comprende además una salida de fango (21) desde dicha zona de reacción anóxica/anaerobia (31) inferior de dicho tanque reactor (0) mediante la cual el tiempo de residencia del fango en la zona de reacción anaerobia/anóxica (31) inferior se puede controlar mediante una purga periódica o continua de fango a través de la salida de fango (21), se dispone una línea de recirculación (8) para recircular al menos una parte del efluente procedente de la zona de reacción aerobia (32) superior del tanque reactor (0) hasta la zona anóxica/anaerobia (31) inferior del reactor, y un difusor de burbujas (7) dispuesto para proporcionar periódicamente una gran cantidad de burbujas, de tal forma que el medio de biopelícula dispuesto en la zona aerobia superior pueda desprenderse del exceso de crecimiento de biopelícula y el exceso de biopelícula desprendida descenderá hasta la zona anaerobia/anóxica (31).
Description
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DESCRIPCION
Procedimiento y dispositivo de tratamiento de agua residual Introduccion
La presente invencion se refiere a un procedimiento para tratar el agua residual, en el que el agua residual se dispone para su tratamiento en un unico reactor compuesto de forma general por dos zonas de reaccion. El reactor esta dispuesto para tratar agua tanto anoxicamente/aerobicamente como aerobicamente dentro de un unico volumen del reactor.
De acuerdo con la invencion, el reactor esta especialmente bien adaptado para el tratamiento de agua residual industrial, municipal, agncola, o de otro tipo. Esto conlleva que preferiblemente una parte importante de los solidos en suspension de deban retirar del agua de alimentacion, asf como la eliminacion de tanta materia biologica como sea posible en el efluente tratado del reactor. El reactor de acuerdo con la invencion esta dispuesto para reducir el solido en suspension del efluente tratado a la salida del reactor, y reducir de esta forma la necesidad de procedimientos de tratamiento posterior del efluente, tal como sedimentaciones fisicoqmmicas, reduccion del consumo de agua para la limpieza del reactor, y procedimientos de tratamiento posterior y reducir significativamente el uso de reactivos qmmicos en el tratamiento posterior, asf como facilitar el mantenimiento del reactor. La reduccion en el uso de agua y de reactivos qmmicos es especialmente interesante desde un punto de vista ambiental. El reactor de acuerdo con la invencion esta dispuesto ademas para reducir la cantidad de fango aerobio en exceso y reducir de esta forma la necesidad de procedimientos de tratamiento posterior y de eliminacion de fango tal como la deshidratacion de fango convencional, la estabilizacion de fango convencional, la desinfeccion qmmica u otras tecnicas de tratamiento posterior. Debido al novedoso e inventivo diseno del reactor, la presente invencion tambien puede reducir los requisitos de energfa para el tratamiento del agua.
Antecedentes de la invencion
Los reactores biologicos, o biorreactores, se han utilizado ampliamente para degradar contaminantes tales como sustancias organicas o inorganicas biologicamente degradables en sistemas de tratamiento de aguas residuales municipales e industriales. Normalmente, se comercializan dos tipos de reactores biologicos: i) reactores de fangos activados, y ii) reactores de biopelfcula.
Los disenos convencionales de sistema de tratamiento biologico de aguas residuales que utilizan reactores convencionales de fangos activados y de biopelfcula requieren una unidad para la separacion de fango o partfculas para eliminar parte de los solidos en suspension de los efluentes de los reactores antes de que los efluentes se descarguen hacia los cursos de agua naturales. Los costes de capital de los sistemas de tratamiento de aguas residuales y tambien los costes de operacion tal como el consumo de electricidad y productos qmmicos se reducina si la unidad de separacion de partfculas no fuera necesaria.
El mantenimiento periodico de los sistemas de tratamiento biologico convencional de las aguas residuales da como resultado costes adicionales y perdidas de productividad del efluente limpio. Ademas, los reactores biologicos aerobios de fangos activados y biopelfculas para los sistemas de tratamiento de aguas residuales necesitan una gestion adicional para la eliminacion del fango y, por tanto, incurren en costes adicionales para el sistema de gestion de fangos. El exceso de fangos procedente de los reactores biologicos aerobios de la tecnica anterior debe gestionarse correctamente y eliminarse adecuadamente.
Concentraciones elevadas de solidos en suspension en los efluentes, elevadas viscosidades de los efluentes, y exceso de gestion de fango en los reactores biologicos convencionales de fangos activados ocasionan problemas de funcionamiento y requieren costes de capital adicionales para el conjunto de sistemas de tratamiento de aguas residuales y de produccion de agua limpia.
La presente invencion esta dispuesta para gestionar al menos parte de los problemas resultantes de una elevada produccion de solidos en suspension y de fango aerobico en exceso en el agua de alimentacion de los sistemas de tratamiento y reducir significativamente de esta forma los costes de operacion y mantenimiento de los sistemas de tratamiento biologico de agua de alimentacion.
La presente invencion proporciona un reactor biologico novedoso disenado para controlar los solidos en suspension en el reactor, para reducir la cantidad de fango aerobio en exceso producir en la digestion aerobia, y producir un efluente que tenga una concentracion relativamente baja de solidos en suspension.
Antecedentes biologicos generales
La composicion del agua residual puede variar de una sociedad que produce agua residual a otra, y depende de la calidad del agua, el uso y las practicas de conservacion, atributos culturales, actividad industrial y tipo de tratamiento industrial realizado en la planta. Un problema ocasionado por el vertido de agua residual bruta en un receptor es la eutrofizacion del receptor debido a la introduccion de sustancias nutritivas (nitrogeno, fosforo y materia organica) que son factores limitantes del crecimiento biologico. El vertido de agua residual bruta en el medio ambiente tiene el
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riesgo de diseminacion de organismos patogenos y la acumulacion y almacenamiento de diferentes metales pesados. Los reactores biologicos se utilizan para biodegradar sustancias organicas o inorganicas en sistemas de tratamiento de aguas residuales municipales e industriales.
El tratamiento anaerobico/anoxico del agua residual es el tratamiento biologico del agua residual generalmente sin el suministro de aire u oxfgeno elemental. Los microorganismos anaerobios anoxicos pueden transformar los compuestos organicos de las aguas residuales y producir gas que contiene una importante proporcion de metano y algo de dioxido de carbono, conocido como biogas. Las bacterias anaerobias anoxicas realizan la desnitrificacion en un entorno anoxico anaerobio. Los procedimientos de desnitrificacion en un entorno anoxico pueden convertir el nitrito/nitrato en nitrogeno gaseoso, que por lo general es menos danino si se libera a la atmosfera. El nitrato, que puede ser indeseable en el efluente, se lixivia rapidamente hacia las aguas subterraneas, donde puede desempenar un papel importante en los procedimientos de eutrofizacion.
En el campo de la ingeniena de aguas residuales, las sustancias organicas se pueden medir por la cantidad de oxfgeno que necesitan para oxidarse qmmicamente. Esta cantidad de oxfgeno se denomina como "demanda qmmica de oxfgeno" (DQO), que es, basicamente, una medida del contenido de materia organica o de su concentracion. Una parte importante de la DQO en las aguas residuales puede ser biodegradable y, por tanto, se convierte en fango, que es caro de eliminar y requiere tratamiento posterior. Una depuradora de aguas residuales aerobica es, basicamente, una "fabrica de fango biologico". Debe suministrarse oxfgeno continuamente aireando las aguas residuales, con el consiguiente coste elevado de energfa para hacer funcionar los aireadores.
La nitrificacion puede tener lugar en la zona aerobica del reactor. La nitrificacion es la oxidacion biologica del amoniaco con oxfgeno para dar nitrito, seguido por la oxidacion de esos nitritos a nitratos.
Un problema principal resuelto por la presente invencion es que la cantidad de componentes indeseados en el agua residual debena reducirse para evitar la contaminacion derivada del vertido del efluente.
Antecedentes de la tecnica
En la tecnica anterior se conocen numerosos sistemas de tratamiento del agua existentes ya en uso. Algunos de los mas pertinentes con respecto a la presente invencion se describen a continuacion.
La publicacion de patente alemana DE19758486A1, "Method and device for biological removal of Nitrogen from wastewater", describe un reactor tanque vertical que comprende una zona de reaccion anaerobia en la parte inferior y una zona de reaccion aerobia en la parte superior. Las dos zonas de reaccion estan separadas por una placa horizontal de tipo boquilla cuyo fin es evitar que el fango de la zona aerobia superior migre a la zona anaerobia inferior. Las reacciones anaerobias se producen en un filtro denso de pequeno tamano de partfculas, donde el filtro ocupa todo el diametro del tanque. Las reacciones aerobias se producen en un filtro menos denso de tamano de partfculas grande, que tambien ocupa todo el diametro del tanque. El agua residual se bombea a traves de una entrada inferior al interior del filtro inferior, en la zona anaerobia. El filtro inferior recoge las partfculas residuales y permite que el agua que contiene el nitrogeno gaseoso producido ascienda hasta el filtro superior mas grueso en la zona aerobia. Una conduccion de aire bombea oxfgeno al tanque por debajo del filtro superior. El procedimiento aerobio que se produce en el filtro superior fabrica una mayor cantidad de fango. El residuo del filtro inferior y del filtro superior se eliminan deteniendo todo el procedimiento del tanque, y usando el deposito superior de agua limpia para limpiar la totalidad del sistema en direccion de la gravedad, y drenando el tanque hacia la entrada inferior, que se ha convertido en una salida.
El resumen de patente japonesa JP01231994 publicado el 18.09.1989: "Sewage treating equipment", tambien describe un tanque vertical para el flujo ascendente de agua residual a traves de un filtro de reaccion anaerobia inferior, y adicionalmente a traves de una zona aerobia superior. Los gases como el nitrogeno y el dioxido de carbono que se pueden formar en la zona de reaccion anaerobia inferior quedan atrapados mediante lo que se denomina un tabique que esta formado por un dispositivo en forma de embudo doblemente concentrico situado por encima de lecho del filtro anaerobio. Los gases se desvfan del tan tanque a traves de una conduccion de gas desde las partes superiores del dispositivo embudo. El agua de la zona de reaccion anaerobia inferior para de forma ascendente a traves del tabique en forma de embudo, y pasa a una zona de reaccion en un lecho de filtro aerobio superior a la que se suministra oxfgeno desde abajo mediante una conduccion de oxfgeno situada justo por encima del tabique en forma de embudo. El agua se trata mediante organismos aerobios adheridos al material suspendido en el material del lecho del filtro de la zona aerobia. El material del lecho del filtro debe limpiarse o intercambiarse. La salida de dicho material suspendido del lecho del filtro se evita mediante una red que evita la salida del lecho del filtro situada en la parte superior del lecho del filtro superior. El agua purificada se recoge por encima de la red protectora superior.
El resumen de patente japonesa JP09253687 publicado el 30.09.1997, "Anaerobic and aerobic treatment and apparatus for waste water", tambien describe una disposicion de tanque vertical. El agua se deja ascender desde la zona empaquetada anaerobia inferior a la zona empaquetada anaerobia superior, y se dispone en la parte superior una salida para el agua purificada. Un dispositivo de aireacion constituye la separacion entre la zona aerobia superior y la zona anaerobia inferior. Un equipo de agitacion se dispone por de debajo del lecho empaquetado
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inferior.
La patente de Estados Unidos US6063273 publicada el 16.05.2000, "Apparatus for the biological purification of waste water" tambien describe una disposicion de tanque vertical con una zona anaerobia inferior, denominada reactor UASB, y una particion que separa la zona inferior de una zona aerobia superior. Se deja que los efluentes anaerobios asciendan a traves de la particion y lleguen la zona de reaccion aerobia. Encima de la zona anaerobia hay una trampa de recogida de gases. Un separador por flotacion esta dispuesto en el reactor aerobio para separar la biomasa del agua purificada. El exceso de biomasa producido en la zona aerobia descrito en esta patente de Estados Unidos seguira el exceso de agua que sale de la parte inferior de la zona aerobia y asciende a traves de una conduccion hasta una camara de flotacion, en la que burbujas de aire arrastras el exceso de biomasa en forma de floculos en la superficie del agua de la camara de flotacion. En la superficie, se deja que los floculos salgan por una disposicion de vertedero a traves de un canal situado en el centro de tronco del tanque de fango, y se eliminan del sistema. El documento US6063273 menciona especialmente en la col. 1, lmeas 47-50: "As the result of the fact that the flow in the aerobic reactor may be fairly turbulent, the anaerobic biomass cannot sink back into the anaerobic reactor, which adversely affects the purification efficiency". Ademas, de las lmeas 59-65 los autores citan "The partition ensures, inter alia, that the anaerobic sludge does not end up in the aerobic reactor and the aerobic sludge cannot sink into the anaerobic reactor." Las frases citadas muestran que las dos zonas de reaccion estan estrictamente separadas, y que no intercambian material. Para eliminar el exceso de masa aerobia producida a partir del lfquido purificado, un equipo de separacion con flotacion esta montado en la parte superior del reactor aerobico.
El documento US 5972219 describe un reactor de capa de fango de flujo ascendente modificado que tiene la caractenstica adicional, con respecto a los reactores UASb anteriormente mencionados, de tener una conduccion de suministro de oxfgeno tambien bajo la zona anaerobia. El uso de la conduccion de oxfgeno adicional puede estimular el crecimiento de biomasa facultativo y de biomasa aerobia, de esta forma, los procedimientos del reactor pueden realizarse alternando entre los modos anaerobio y aerobio, que se pueden utilizar durante las condiciones cambiantes durante el ano. Esta publicacion no consigue describir la combinacion entre el control del tiempo de residencia del fango en la zona de reaccion anaerobia/anoxica inferior, la recirculacion de al menos una parte del efluente procedente de la zona de reaccion aerobia superior del reactor y el suministro periodico de grandes cantidades de burbujas para retirar el exceso de crecimiento de biopelmula.
El documento US 4350588 describe la fermentacion biologica de materia organica en un recipiente unico individual integral donde tanto el procedimiento aerobio como el anaerobio se realizan en el interior de dicho recipiente. Esta publicacion no ensena que el agua se trata anaerobiamente en primer lugar y despues aerobicamente, por el contrario, el flujo de materia a traves del reactor se realiza en direccion descendente, partiendo de la camara anaerobia superior y el flujo desciende hasta la camara anaerobia.
Existen algunas desventajas comunes a los cinco aparatos anteriormente mencionados. El fango producido en la zona anaerobia inferior se elimina del tanque por separado del fango producido en la zona aerobia superior. Como las dos zonas estan separadas, y la zona aerobia no es pura, se necesita mucho oxfgeno, lo que requiere mucha energfa. El fango producido en la zona aerobia generalmente segun la tecnica anterior debe eliminarse mecanicamente de la parte superior de la zona aerobia, o los filtros para retirar el fango del agua purificada deben limpiarse regularmente. Existe un riesgo general de crecimiento indeseado en las conducciones.
Una desventaja de la tecnica anterior es, entre otros factores, la produccion de solidos en suspension y otras sustancias qmmicas. Dichos componentes pueden incurrir en una eutrofizacion indeseada.
La tecnica anterior muestra que varios reactores utilizados en el tratamiento de las aguas residuales utilizan reactores de tipo UASB (capa de fango anaerobio de flujo ascendente) que comprenden zonas aerobias y anaerobias independientes que se recorren de forma verticalmente hacia arriba. Los reactores UASB se caracterizan por tener dos zonas separadas por una barrera tal que evita que la materia de la zona aerobia descienda hasta la zona anaerobia, tal como una placa de boquilla, un tabique, un filtro, o una zona de separacion combinada con una placa perforada.
El documento US 6132602 describe un reactor de flujo vertical ascendente para el tratamiento de aguas residuales. La publicacion describe la agitacion violenta y la consiguiente distribucion de la materia biologica del agua residual a tratar junto con una oxigenacion muy importante del agua residual mediante el bombeo de una gran cantidad de aire que burbujea a traves del sistema. la distribucion fina de la materia biologica dentro de la seccion de tratamiento permite una mayor area de contacto entre los agentes de tratamiento biologico y el agua residual fuertemente oxigenada. El agua tratada y el material biologico debenan fluir hacia debajo de forma externa hasta el elemento de tratamiento principal, en donde el material biologico debena sedimentar y tratarse anaerobiamente en una zona de fango, y recircularse el agua residual. Uno de los principales objetivos de acuerdo con dicha patente estadounidense es distribuir el material biologico de tal manera que no se aglomere. Un inconveniente importante del documento US 6132602 es, en primer lugar, que el material biologico finamente distribuido no sedimentara con facilidad en la zona de fango. la distribucion activa del material biologico para evitar la aglomeracion contrarrestara la eliminacion de parte de los solidos en suspension. De acuerdo con ello, se necesita una segunda zona de sedimentacion, lo que complica el diseno. Adicionalmente, incluso una segunda zona de sedimentacion no eliminara adecuadamente todos los solidos en suspension, y se necesitara tratamiento adicional del agua residual. Dicho diseno presenta ademas la
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desventaja de tener que burbujear una gran cantidad de aire a traves del sistema, necesitando por tanto un gran consumo de ene^a. Ademas, el documento US 6132602 requiere la instalacion de numerosos elementos discoidales y canales en el espacio del reactor, que lo aumenta tambien los gastos de capital, y reduce el volumen de reactor disponible.
El documento WO 9416999 se refiere a un sistema de tratamiento secundario en el que se proporciona un unico reactor y en el que se situan una pluralidad de zonas de reaccion. Existen tres zonas principales en el reactor, en el que la zona mas inferior 9 es una zona de recogida de fango, una zona 10 inferior siguiente es una zona de sedimentacion anoxica, por encima de la cual existe una zona 11, que es una zona de mezcla y aireacion a traves de a que se bombea el agua residual, y provista de bolas de flotacion 17 que son bolas de plastico flotante sobre el que se adhiere el medio bacteriano por sf mismo. Sin embargo, las bolas flotantes delimitan simplemente el tanque en tres zonas, en la que solamente el area mas superior del tanque es la zona en la que tiene lugar la reaccion. El flujo hacia la zona aerobia se dirige de forma descendente, y el fango activado anaerobio no contribuye al tratamiento del agua residual. Adicionalmente, este reactor funciona de acuerdo con el procedimiento de elevacion de aire, y por tanto requiere bastante energfa. El efluente tambien comprendera una gran cantidad de solidos en suspension debido a la agitacion violenta del agua residual.
El documento EP0428537 describe un procedimiento para la purificacion biologica del agua residual mediante un procedimiento de fangos activados, en el que el agua residual se pone en contacto con microorganismos en las zonas de tratamiento anoxico y aerobio, respectivamente, que se introducen de forma alternante en dichas zonas de tratamiento. Sin embargo, Este procedimiento requiere un tratamiento posterior en una zona de tratamiento aerobio adicional separada seguida por la introduccion del agua en una balsa de decantacion. Asf, el documento EP0428537 requiere cuatro volumenes separados para tratar el agua, de los que dos son volumenes de tratamiento aerobio.
El documento WO 9111396 se refiere a un sistema y procedimiento para la produccion de los denominados "soportes de biopelfcula" y a un tratamiento posterior de las aguas residuales mediante los mismos.
Los artfculos de revision como "Moving-medium biofilm reactors" de Rodgers y Zhan Reviews in Environmental Science and Biotechnology 2: 213-224 2003, y "Development of anaerobic sludge bed (ASB) reactor technologies for domestic wastewater treatment: motives and perspectives" de Kalago y Verstraete, World journal of Microbiology & Biotechnology 15:523-534, 1999, muestran algunos de los diversos enfoques de tratamiento de aguas residuales que bien estan en uso o empiezan a implantarse. Se deben mencionar los contactores biologicos rotatorios (RBC) y los reactores de biopelfcula de desplazamiento vertical descritos por Rodgers and Zhan. Ambas metodologfas difieren del reactor descrito en la presente solicitud. Los autores describen ademas el procedimiento conocido como reactores de biopelfcula de lecho movil, en el que se utilizan soportes, como se describe el documento WO 9111396.
Kalago y Verstraete analizan varios procedimientos para el tratamiento anaerobio de las aguas residuales, pero estan menos interesados en el tratamiento aerobio posterior del efluente resultante. Entre los procedimientos analizados se encuentra el uso del reactor anaerobio de capa de fango de flujo ascendente (UASB), asf como el tanque septico descrito segun el mismo principio, el lecho de fango granular expandido (EGSB), la hidrolisis en lecho de fango de flujo ascendente (HUSB) y variantes de los mismos. Como se indica, existe una necesidad general de un sistema aerobio posterior para tratar posteriormente el efluente para conseguir eliminar nutrientes y patogenos. Los sistemas de tratamiento posterior pueden ser bastantes grandes, y sus ejemplos incluyen lagunas y estanques de oxidacion.
Goncalves y col en Water Science and Technology, Volumen 38, fasdculos 8-9, 20 de noviembre de 1998, paginas 189-195 presentan un procedimiento para un tratamiento en dos etapas del agua residual que utiliza una combinacion de reactor de capa de fango de flujo ascendente (UASB) y un biofiltro sumergido. El biofiltro sumergido es principalmente una etapa de afinado del efluente, una vez que el agua residual se ha tratado con el UASB, y el procedimiento descrito ilustra la complejidad de los sistemas de la tecnica anterior. El biofiltro sumergido no forma parte del reactor UASB, requiere una gestion del fango independiente, y no existe circulacion entre el procedimiento anaerobio y el biofiltro sumergido.
Breve sumario de la invencion
La presente invencion busca superar los problemas anteriormente descritos relativos a la reduccion en el exceso de fango aerobio y una elevada concentracion de solidos en el efluente del reactor, y comprende: Un tanque reactor para el tratamiento biologico del agua contaminada en el que dicho tanque reactor comprende un unico volumen de reactor en el que el agua se somete a tratamiento tanto en una zona de reaccion anoxica/anaerobia inferior como en una zona de reaccion aerobia superior que esta parcialmente separada por una estructura de separacion, comprendiendo dicho tanque de reaccion una o mas entradas de agua de alimentacion dispuestas en la zona de reaccion anoxica/anaerobia inferior de dicho tanque reactor, y una o mas salidas del efluente en la zona de reaccion aerobia superior de dicho tanque reactor, y en el que dicha estructura de separacion esta dispuesta para permitir el paso ascendente del fluido desde la zona de reaccion anoxica/anaerobia inferior hasta la zona de reaccion aerobia superior, a la vez que evita parcialmente que entre el oxfgeno en la zona de reaccion anoxica/anaerobia, teniendo ademas dicha estructura de separacion una superficie superior generalmente inclinada dispuesta pata guiar dicha materia biologica liberada desde la zona de reaccion aerobia superior hasta la zona de reaccion anaerobia/anoxica
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inferior para el procesamiento adicional de dicha materia biologica y recogida del fango, dicha zona de reaccion aerobia superior esta provista de medios de biopelfcula aireada para formar sustratos para el crecimiento y la liberacion de la materia biologica, caracterizado porque dicho tanque reactor comprende ademas una salida de fango desde dicha zona de reaccion anoxica/anaerobia inferior de dicho tanque reactor mediante la cual el tiempo de residencia del fango en la zona de reaccion anaerobia/anoxica inferior se puede controlar mediante una purga periodica o continua de fango a traves de la salida de fango, se dispone una lmea de recirculacion para recircular al menos una parte del efluente procedente de la zona de reaccion aerobia superior hasta la zona anoxica/anaerobia inferior del reactor, y un difusor de burbujas dispuesto para proporcionar periodicamente una gran cantidad de burbujas de tal forma que el medio de biopelfcula dispuesto en la zona aerobia superior puede desprenderse del exceso de crecimiento de biopelfcula y el exceso de biopelfcula desprendida descendera hasta la zona anaerobia/anoxica inferior.
La invencion comprende ademas un procedimiento para un procedimiento de tratamiento biologico del agua de alimentacion en un tanque reactor de acuerdo con la reivindicacion 1, que comprende recibir dicho agua de alimentacion mediante una o mas entradas de agua de alimentacion en una zona de reaccion anaerobia/anoxica inferior de dicho tanque reactor, dejar que los efluentes fluyan a traves de una o mas salidas de fluente en una zona de reaccion aerobia superior de dicho tanque reactor, sometiendose dicha agua de alimentacion a tratamiento tanto en dicha zona de reaccion anoxica/anaerobia inferior como en dicha zona de reaccion aerobia superior que estan parcialmente separadas por una estructura de separacion, airear dicha zona de reaccion aerobia superior, y permitiendo dicha estructura de separacion el paso ascendente del fluido desde la zona de reaccion anoxica/anaerobia inferior hasta la zona de reaccion aerobia superior, a la vez que evita parcialmente que entre el oxfgeno en la zona de reaccion anaerobia/anoxica, guiando una superficie superior de dicha estructura de separacion dicha materia biologica liberada desde dicha zona de reaccion aerobia superior hasta la zona de reaccion anaerobia/anoxica inferior que procesa adicionalmente dicha materia biologica, caracterizado porque dicha zona de reaccion aerobia superior esta provista de sustratos de formacion de medios de biopelfcula para el crecimiento y la liberacion de materia organica, y como el fango recogido en dicha zona de reaccion anaerobia/anoxica inferior deja dicho tanque reactor de forma periodica o continua a traves de una salida de fango desde dicha zona de reaccion anoxica/anaerobia inferior de dicho tanque reactor, el tiempo de residencia del fango dentro de la zona de reaccion anaerobia/anoxica inferior se puede controlar.
La invencion comprende ademas el uso de dicho tanque reactor para el tratamiento de agua residual de origen municipal, industrial, agncola y de acuicultura, tal como se define en las reivindicaciones 17, 18, 19, y 20, respectivamente. Las realizaciones adicionales preferidas de la invencion se definen en las reivindicaciones dependientes.
Para iniciar el reactor de acuerdo con la invencion, se cree que se pueden utilizar los procedimientos convencionales para iniciar reactores biologicos, es decir, siembra de las zonas de reaccion, o acondicionado, dejando que el agua residual pase al interior del reactor en las condiciones de funcionamiento establecidas. Los organismos anaerobios/anoxicos ya presentes en el agua residual creceran en la zona anaerobia/anoxica inferior y los organismos aerobios presentes en el agua residual se estableceran en la zona aerobia. Cuando los procedimientos anaerobios/anoxicos y los procedimientos aerobios esten establecidos e intercambien materia, y el agua residual se alimente lentamente al sistema, el efecto global del procedimiento es que el efluente de buena calidad fluira desde la zona aerobia, y el exceso de fango aerobio se recogera en la zona anaerobia/anoxica de la que se retira el fango residual.
Ventajas de la invencion. y solucion a algunos problemas de la tecnica anterior
Una primera ventaja de la invencion es principalmente el tratamiento del agua tanto en condiciones anoxicas/anaerobias y en condiciones aerobias en el interior de un solo volumen del reactor. Una parte importante de los solidos en suspension del agua alimentada y del efluente se eliminar de forma biologica e hidrodinamica. En la presente invencion, se deja que el material biologico producido en la zona aerobia superior quede expuesto a la zona anaerobia/anoxica inferior, y de esta forma se reduce la cantidad de masa de fango aerobio total producida, en oposicion a los dispositivos de la tecnica antecedente donde se evita que la materia organica producida en la zona organica descienda hasta la zona anoxica/anaerobia. En la presente invencion, se deja que el material biologico producido en la zona aerobia superior quede expuesto a la zona anaerobia/anoxica inferior, y de esta forma se reduce el fango aerobio total producido. Una parte muy importante de la biomasa que crece en la zona aerobia se conduce hacia abajo para su reprocesamiento en la zona anaerobia/anoxica, produciendo en su caso fango residual.
Una segunda ventaja de la invencion es una descomposicion mas eficaz de los compuestos organicos del agua de alimentacion, que da como resultado una cantidad reducida de fango residual, y por tanto una contaminacion reducida del medio ambiente. Esto dara como resultado menos problemas de obstruccion en el reactor, reduciendo de esta forma en tratamientos posterior del fango vertido tal como la deshidratacion de fango convencional, la estabilizacion de fango convencional, la desinfeccion qmmica u otras tecnicas de tratamiento posterior.
Una tercera ventaja de la presente invencion con respecto a la tecnica antecedente, es la posible eliminacion del fango que se produce en la zona anaerobia/anoxica, que elimina la necesidad de eliminar el fango de la zona aerobia.
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Una cuarta ventaja de la invencion es principalmente la reduccion de productos qmmicos organicos e inorganicos, y las partmulas solidas del agua tratada, reduciendo el riesgo de eutrofizacion del receptor.
Una quinta ventaja de la invencion es que el tiempo de residencia del fango en la zona de reaccion anaerobia/anoxica aumenta, y por tanto esta disponible mas tiempo disponible para la compresion gravitacional del fango, tal como el volumen de fango resultante se reduce.
Una sexta ventaja de la invencion es un menor requisito de oxfgeno y, por tanto, una necesidad menor de consumo de energfa para bombear aire al difusor de burbujas para liberar las burbujas de oxfgeno bajo la zona aerobia.
Una septima ventaja de la invencion es conseguir una calidad del agua mejorada usando menos energfa.
Una octava ventaja de la invencion es que, aunque la estructura de separacion grna las partmulas de biomasa descendentes producidas en la zona aerobia hasta la zona anaerobia/anoxica, la misma estructura de separacion grna el agua que fluye hacia arriba desde la zona anaerobia/anoxica hasta la zona aerobia y evita que el oxfgeno se difunda en la zona anaerobia/anoxica.
Una novena ventaja de la invencion es que, debido a la buena calidad del efluente con concentraciones relativamente bajas de solidos en suspension, potencialmente se reducen las necesidades de tratamiento posterior, dependiendo del uso previsto del efluente. Esto dara como resultado una reduccion en los costes de capital de los procedimientos de tratamiento posterior asociados con la menor necesidad de usar qmmicos en los procedimientos de tratamiento posterior.
Una decima ventaja de la invencion es incluso aunque se produce biomasa en la zona aerobia superior del reactor, esta biomasa se transporta por gravedad hasta la zona anaerobia/anoxica inferior del reactor de tal forma que la descomposicion principal del exceso de biomasa aerobia y la produccion del fango residual se producen en la zona anaerobia/anoxica. El tiempo de residencia de la biomasa y el fango dentro de la zona de reaccion inferior se puede controlar mediante una retirada periodica o continua de fango de la zona anaerobia/anoxica inferior y se puede adaptar de tal forma que haya tiempo suficiente para la compactacion y la estabilizacion del fango. Esto dara como resultado un volumen de fango residual inferior, y tambien dara como resultado costes de tratamiento posterior menores asociados con la menor necesidad de tratamiento posterior y la menor necesidad de transporte del fango residual, ya que su masa es menor.
Otra ventaja adicional de la presente invencion es que, en oposicion a la tecnica antecedente que necesita una salida de fango en la zona aerobia superior, la presente invencion no requiere una salida para extraer fango de la zona aerobia.
El reactor de la invencion esta dispuesto para tratar agua tanto anaerobicamente/anoxicamente como aerobicamente dentro de un unico volumen de reactor. La tecnica antecedente describe procedimientos de una sola lmea de flujo para la depuracion biologica de las aguas residuales que se introduce sucesivamente en zonas de tratamiento de forma diferente de la presente invencion donde el reactor comprende un procedimiento integrado en el mismo volumen y donde la biomasa de la zona aerobia se dirige hacia la zona anaerobia/anoxica para un tratamiento adicional mediante la circulacion hidrodinamica ventajosa autoimpulsada.
El tratamiento aerobio del agua residual de acuerdo con la tecnica anterior puede ser un procedimiento que requiere mucha energfa, en el que se forma una gran cantidad de fango aerobio. El tratamiento anaerobio/anoxico del fango puede requerir menos energfa. Al combinar estos dos sistemas aerobio y anaerobio/anoxico en el mismo volumen de reactor y utilizando la gravedad para transportar los componentes seleccionados en las direcciones seleccionadas, se pueden obtener ventajas de ambos entornos y reducir al mismo tiempo las desventajas de cada sistema.
Leyendas de las figuras
La invencion se ilustra en la figura adjunta, que en ninguna forma limita el alcance de la invencion, quedando dicho alcance limitado solamente por las reivindicaciones.
La Figura 1 es una ilustracion de una realizacion del reactor de acuerdo con la invencion. La entrada de agua residual (1) se ilustra comprendiendo un distribuidor (11) de flujo de agua de alimentacion. Se ilustra una posible salida de fango residual (21) desde la zona anaerobia/anoxica. Se muestra una salida de efluente (22) desde la parte superior de la seccion superior de la zona aerobia. La zona de reaccion anoxica/anaerobia inferior (31) puede incluir un medio (51) de fango activado y/o biopelmula. La zona de reaccion aerobia superior (32) comprende medios de biopelmula (52). Una estructura de separacion (4) esta situada entre la zona de reaccion aerobia superior y la zona de reaccion anaerobia/anoxica inferior. En la realizacion ilustrada, tamices (6) superior e inferior estan dispuestos para delimitar la zona de reaccion aerobia superior (32). Un dispositivo difusor de burbujas (7) esta situado sobre la estructura de separacion (4) para liberar gas a la zona de reaccion aerobia superior (32). Se puede situar una lmea de recirculacion (8). Se indica la direccion de flujo del agua de alimentacion, y tiene un angulo de inclinacion (8) en la estructura de separacion. Se han indicado las direcciones de flujo para mostrar algunos de los patrones de flujo dentro del reactor.
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La Fig. 2 es una seccion vertical a lo largo de la lmea A-A' de una realizacion de la invencion que tiene una estructura de separacion (4) conica dispuesta de forma concentrica con un eje central del tanque reactor (0), y la horizontal
La Fig. 3 es bastante similar a la Fig. 2, salvo porque la estructura de separacion esta dispuesta asimetricamente, desplazada para colocarse mas cerca de una de las paredes verticales.
La Fig. 4 ilustra una estructura de separacion en forma de cupula, y
La Fig. 5 ilustra una estructura de separacion que comprende varias subestructuras de separacion.
Realizaciones de acuerdo con la invencion
La invencion se describira en referencia a las figuras adjuntas, aunque el alcance de la invencion esta limitado solamente por las reivindicaciones adjuntas. La presente invencion presenta un reactor en el que el volumen del reactor permite un tratamiento anoxico/anaerobio, asf como un tratamiento anaerobio realizados en dicho volumen. El tanque reactor (0) comprende entradas para el agua de alimentacion (1) a tratar, y salidas para el efluente (22) y el fango (21). Las entradas (1) de agua de alimentacion deben situarse en el extremo inferior del tanque reactor (0) de tal forma que el agua de alimentacion atraviese el fango o los posibles medios de biopelfcula (51) dispuestos en su interior. Esto es una ventaja, ya que el agua de alimentacion proporcionara carbono a la zona de reaccion anoxica/anaerobia (31). En consecuencia, el agua de alimentacion se tratara en primer lugar en el interior de la zona de reaccion anoxica/anaerobia inferior (31).
En una realizacion de la invencion, el agua de alimentacion se distribuye a traves de un distribuidor (11) de flujo de agua de alimentacion de tal forma que el flujo de agua de alimentacion se distribuye bien antes de fluir a traves de la zona de reaccion anoxica/anaerobia inferior (31). Esto permitira una buena distribucion del carbono organico y las sustancias nutrientes en realizaciones en las que el agua de alimentacion comprende carbono organico y sustancias nutrientes que se degradaran y consumiran mediante el material biologico anoxico/anaerobio de la zona de reaccion inferior (31).
La zona de reaccion anoxica/anaerobia inferior (31) puede incluir un fango activado, medios de biopelfcula (51) u otros agentes biologicos para el tratamiento anoxico/anaerobio del agua de alimentacion, asf como para la estabilizacion del fango y de la biomasa en sedimentacion procedentes de la zona de reaccion aerobia superior (32). En una realizacion de la invencion, se puede disponer una mezcla de fango activado y medios de biopelfcula (51) para el tratamiento anaerobio/anoxico del agua de alimentacion y el fango. Los mecanismos de reaccion de la zona de reaccion anoxica/anaerobia inferior (31) son bien conocidos en la tecnica, y por tanto no se describiran detalladamente en la presente solicitud. Existen varios mecanismos de tratamiento que pueden utilizarse, tal como una desnitrificacion anoxica/anaerobia del fango en el interior de la zona de reaccion inferior (31). Mediante el uso de un procedimiento de desnitrificacion, el carbono organico contenido en el agua de alimentacion, como se ha mencionado anteriormente, servira como fuente de carbono para la reaccion.
La zona de reaccion inferior (31) esta dispuesta por tanto para digerir y recoger el exceso de fango que sedimenta desde una zona de reaccion superior (32) del reactor. El tiempo de residencia del fango dentro de la zona de reaccion inferior (31) se puede controlar mediante una purga periodica o continua de fango a traves de la salida de fango (21) y se puede adaptar de tal forma que haya tiempo suficiente para la estabilizacion del fango. Esto dara como resultado un volumen de fango inferior y por tanto tambien un volumen de fango reducido, lo que da como resultado una disminucion en los costes del tratamiento posterior asociado con el tratamiento del fango.
Tras haber atravesado la zona de reaccion anoxica/anaerobia (31), el agua de alimentacion pasara por una estructura de separacion (4), en la que la estructura de separacion (4) tiene una variedad de funciones, incluyendo mantener la zona de reaccion anoxica/anaerobia inferior (31) separada de la zona de reaccion aerobia superior (32), evitando la difusion del oxfgeno desde la zona de reaccion aerobia superior (32) hasta la zona de reaccion anoxica/anaerobia inferior (31), asf como para dirigir el material biologico que sedimenta desde la zona de reaccion superior (32) hacia la zona de reaccion inferior (31).
Por encima de la estructura de separacion (4) se encuentra la zona de reaccion aerobia superior (32) anteriormente mencionada, en la que el agua de alimentacion experimenta un tratamiento biologico aerobio. El tratamiento del agua de alimentacion dentro de la zona de reaccion aerobia superior (32) comprende un tratamiento biologico del agua de alimentacion mediante el material biologico dispuesto en el interior de la zona de reaccion aerobia (31).
La zona de reaccion aerobia (32) puede comprender una pluralidad de medios de biopelfcula (52) aireados que se mantienen en su sitio mediante tamices (6) gruesos, un lecho fluidizado que comprende medios de biopelfcula, un lecho fijo que comprende medios, o cualquier otro procedimiento adecuado para soportar la biopelfcula; todos estos deben considerarse comprendidos dentro del alcance de la presente invencion. Los medios de biopelfcula, como tal, se conocen en la tecnica, y no son un objeto de la presente invencion. A medida que se produce el tratamiento del agua de alimentacion en la zona de reaccion superior (32), crecera biopelfcula sobre los medios de biopelfcula (52). La biopelfcula resultante, despues de haber alcanzado un tamano suficiente, caera o se desprendera de los soportes (52) y el material biologico que ahora flota libremente sedimentara hacia la seccion inferior del reactor. La estructura
de separacion (4) esta dispuesta para dirigir el material biologico en sedimentacion hacia la zona de reaccion anoxica/anaerobia inferior (31) en la que el material biologico se unira al fango incluido en la misma.
En la presente invencion, la estructura de separacion (4) puede tener mas de una funcion, por tanto. Debera mantener la zona de reaccion anoxica/anaerobia inferior separada de la zona de reaccion aerobia superior, evitando 5 la difusion del oxfgeno desde la zona de reaccion aerobia superior hasta la zona de reaccion anoxica/anaerobia inferior. Ademas, debera dirigir el material biologico que sedimenta desde la zona de reaccion superior hacia la zona de reaccion inferior. El separador parcialmente abierto integra tanto la zona aerobia como las zonas anaerobias/anoxicas y controla el flujo hidrodinamico en el biorreactor de la invencion. Al permitir la interaccion mutua entre los procedimientos de fango activado anaerobio/anoxico en la zona anoxica/anaerobia y el 10 procesamiento adicional de digestion/descomposicion anaerobia/anoxica de la biomasa sedimentada dentro de la zona anaerobia/anoxica en la que el fango anaerobio utiliza la biomasa aerobia sedimentada como sustancias/nutricion para actividades biologicas, y la velocidad de produccion de biomasa biologicamente anaerobia es significativamente inferior la velocidad de produccion de fango aerobio, por lo tanto; la cantidad neta de fango y material solido producido de esta forma se puede reducir significativamente en el reactor y en el agua efluente.
15 Los procedimientos microbianos dentro de la zona de reaccion anoxica/anaerobia inferior (31) pueden comprender, en una realizacion de la invencion, un procedimiento de desnitrificacion. Esto dara como resultado que los nitratos y nitritos del agua de alimentacion se reduzcan para formar nitrogeno gaseoso. Otros procedimientos de reaccion biologica anoxica/anaerobia pueden tener lugar, evidentemente, dentro de la zona de reaccion inferior (31) de acuerdo con la invencion. Otros ejemplos pueden incluir la degradacion biologica de microcontaminantes organicos 20 que frecuentemente constituyen un problema en los procedimientos de tratamiento del agua.
Los procedimientos microbiologicos dentro de la zona de reaccion aerobia superior (32) pueden comprender, en una realizacion de la invencion, la nitrificacion de los compuestos del agua de alimentacion, de tal manera que el amomaco NH3 reacciona para formar nitrito y nitrato.
Otros procedimientos de reaccion biologica aerobia pueden tener lugar, evidentemente, dentro de la zona de 25 reaccion superior (32) de acuerdo con la invencion.
Las proporciones volumetricas de las zonas de reaccion inferior y superior (31, 32) entre sf se pueden seleccionar libremente de acuerdo con la composicion del agua de alimentacion y la reaccion y calidad del efluente deseadas.
Tras haber atravesado la zona de reaccion superior (32), el agua de alimentacion ha experimentado tanto la reaccion anoxica/anaerobia como la reaccion aerobia dentro de un unico volumen del reactor.
30 Para airear la zona de reaccion aerobia superior (32) se dispone un difusor de burbujas (7) para liberar las burbujas que comprenden oxfgeno de tal forma que se cumple la demanda biologica de oxfgeno del agua de alimentacion y puede tener lugar la reaccion aerobia. El difusor de burbujas (7) puede tener cualquier constitucion adaptada y se encuentran en la tecnica numerosos ejemplos. En una realizacion de la invencion, el difusor de burbujas (7) puede liberar burbujas que tienen un diametro bastante pequeno, estando dispuestas de tal forma que no tengan un efecto 35 de cizallamiento demasiado grande sobre la biopelfcula incluida en la zona de reaccion superior (32). Ademas, proporcionara una mayor superficie de contacto entre el oxfgeno y la biopelfcula en comparacion con el uso de burbujas gruesas. Si es necesario, el difusor de burbujas (7) debera estar tambien dispuesto para ser capaz periodicamente de proporcionar una gran cantidad de burbujas de tal forma que el medio de biopelfcula dispuesto en la zona aerobia superior puede desprenderse del exceso de crecimiento de biopelfcula y el exceso de biopelfcula 40 desprendida descendera hasta la zona anaerobia/anoxica inferior.
Las burbujas de aire a traves de la zona de reaccion superior (32) puede dar adicionalmente como resultado un mezclado de la zona de reaccion superior (32) garantizando que existe circulacion de fluido dentro de la zona de reaccion (32), lo que permite que se produzca el mezclado. Es importante garantizar que el volumen del reactor se utiliza de forma eficaz.
45 La estructura de separacion (4) sirve a una pluralidad de funciones como se ha mencionado anteriormente. La forma del separador es de cierta importancia para garantizar que realizara las diferentes funciones de manera adecuada. El separador debe tener una forma ahusada hacia arriba o forma de domo de tal forma que el material biologico no se acumule en la cara superior de dicho reactor. El angulo de inclinacion de la estructura de separacion (4) puede variar de acuerdo con el tamano de los floculos biologicos que sedimentan desde la zona de reaccion superior (32) y 50 de acuerdo con el regimen de flujo que se produce alrededor de la estructura de separacion (4). La estructura de separacion (4) puede tener, de acuerdo con una invencion, un angulo comprendido entre aproximadamente 20° y aproximadamente 70°. La estructura de separacion (4) debera impedir tambien el movimiento del fango anoxico/anaerobio dentro de la zona de reaccion aerobia (32). Si el fango comprendido en la zona de reaccion inferior (31) se arrastra a la zona de reaccion aerobia superior, el reactor evidentemente funcionara menos bien, y 55 esto producira de forma indeseable un aumento significativo en la concentracion de solidos en suspension del efluente. La estructura de separacion (4) debera tener ademas un tamano y forma suficiente para impedir el movimiento de dicho fango anoxico/anaerobio. En correspondencia, la estructura de separacion (4) debera impedir que la difusion de oxfgeno sea demasiado grande procedente de zona de reaccion aerobia superior (32) hasta la
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zona de reaccion anoxica/anaerobia inferior (31). Evidentemente, se producira cierto flujo descendente hacia la zona de reaccion inferior (31) proporcionando de esta forma oxfgeno a la zona anoxica/anaerobia, sin embargo, debido a la forma de la estructura de separacion (4), la difusion de oxfgeno sera reducida. As^ la estructura de separacion (4) funcionara como un separador hidrodinamico entre las zonas de reaccion inferior y superior (31, 32), como control de la difusion del oxfgeno, y como trampa de fango para evitar que el fango ascienda hasta la zona aerobia superior (32).
Entre las diferentes formas que se pueden considerar para la estructura de separacion (4) estan las formas de tipo techo ahusadas hacia arriba, o conos dirigidos hacia arriba, conos convexos dirigidos hacia arriba, y otras estructuras que tengan una superficie superior estanca que permita que la materia biologica que cae desde arriba se dirija de forma lateral descendente, dejando que el fluido de la zona anaerobia inferior pase hacia arriba, por el lado de dicha superficie superior de la estructura de separacion (4). Sin embargo, cualquier geometna del separador debera considerarse como comprendida dentro del alcance de la invencion si realiza el guiado de la materia biologica de forma descendente hasta la zona anaerobia/anoxica evitando al mismo tiempo que el oxfgeno se difunda hasta la zona anaerobia/anoxica a la vez que grna el flujo hacia arriba desde la zona anaerobia/anoxica. La estructura de separacion (4), en una realizacion de la invencion, estara dispuesta alrededor de un eje central del reactor, por favor, veanse las Figs. 1 y 2, aunque tambien se puede disponer mas cerca de una primera pared del tanque que de una segunda pared opuesta, por favor, vease la Fig. 3. Otras realizaciones de la invencion pueden usar una estructura de separacion en forma de domo, tal como se ilustra en la Fig. 4. En otras realizaciones de la invencion, se puede usar una pluralidad de estructuras de separacion en paralelo en una matriz en el mismo reactor. Los huecos (d) entre las estructuras de separacion (si se usan varias en paralelo) o entre el separador y la pared del tanque, deben ser lo suficientemente grande (mas de 7 mm de los experimentos) para permitir los intercambios entre la masa aerobia que se mueve hacia abajo y el agua y otros fluidos que se mueven hacia arriba mas alla del separador. Las estructuras de separacion pueden cubrir 70 % - 90 % o mas del area de seccion transversal del reactor. El hueco (d) tampoco debe ser demasiado grande, debe ocupar menos del 25 % de la anchura del reactor para el tanque pequeno usado en el experimento de laboratorio, y menos para tanques de gran diametro. Dado el funcionamiento del reactor en el que debe evitar e mezclado de las diferentes zonas de reaccion (3), es ademas evidente que se debera usar en la invencion una velocidad de flujo ascendente del lfquido superficial relativamente baja. La velocidad de flujo ascendente del lfquido superficial debera permanecer, por tanto, entre aproximadamente 0,001 cm/min y 3,5 cm/min, aunque se pueden prever velocidades de flujo mas grandes.
Adicionalmente, se debe reducir la cantidad de materia biologica del efluente, ya que esto sera, de acuerdo con la presente invencion, la fuente mas importante de solidos en suspension totales en el efluente. Si se tiene una velocidad de flujo demasiado grande, o si se tiene una accion de burbujeo demasiado violenta, esto podna dar como resultado un valor creciente de solidos en suspension totales en el efluente por arrastre del material biologico desde los medios de biopelfcula.
El patron de flujo dentro del reactor es en realidad algo mas complicado que la mera salida de agua desde la parte inferior del reactor hacia la salida de efluente situada en la parte superior del reactor. Existira un retromezclado debido al movimiento de sedimentacion del material biologico aerobio, existira un patron de flujo complejo alrededor del separador, en el que el agua de alimentacion que ha fluido mas alla de la estructura de separacion (4) pasara cerca de la pared del reactor, y el gua de retorno desde la parte superior del reactor pasara a lo largo de las placas del separador en direccion descendente hacia la zona de reaccion inferior (31). Tambien se producira una mezcla de ambas zonas de reaccion superior (32) e inferior (31). Este mezclado y el flujo de retorno en el interior del reactor dara como resultado que el agua de alimentacion pasara varias veces desde la zona de reaccion inferior (31) hasta la zona de reaccion superior (32) antes de salir del reactor como efluente tratado. Si se necesita una lmea de recirculacion (8), esta se puede disponer ademas de tal forma que el efluente es se recircule de vuelta a la entrada de agua residual (1) para tratamiento adicional. El porcentaje de efluente a recircular se puede variar de acuerdo con la necesidad y el grado de tratamiento deseado del agua de alimentacion. Las mediciones de, entre otros, el contenido de amoniaco y la demanda de oxfgeno, pueden estar entre los parametros que afectan el grado de recirculacion.
Esto se ha mencionado a traves de las zonas de reaccion superior e inferior (3), como se muestra en la figura 1 de la presente solicitud. Aunque se ha mostrado como principalmente vertical, es evidente que el reactor como tal puede estar inclinado siempre que haya suficiente inclinacion vertical del reactor para permitir que el material biologico de la zona de reaccion superior (32) sedimente hacia la zona de reaccion inferior (31). Para construir un reactor inclinada como se ha descrito anteriormente, es evidente que la estructura de separacion (4) debera modificarse tambien para adaptarla a la disposicion modificada del reactor.
El reactor que se ha descrito en la presente invencion se puede operar en modo continuo o discontinuo, de acuerdo con las especificaciones de operacion del tratamiento del agua de alimentacion.
Asf, la presente invencion describe tanto un reactor como tal, y un procedimiento para tratar el agua de alimentacion contaminada de tal forma que se puede tratar posteriormente para que el agua vertida sea de alta calidad, adecuada para tratamiento secundario y terciario, o adicionalmente para cumplir con las normas de reutilizacion de aguas residuales.
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Realizaciones ilustrativas de la invencion
El reactor de acuerdo con la invencion se ha verificado experimentalmente en un reactor biologico a escala de laboratorio para evaluar el grado de control de los solidos en suspension y la reduccion en la cantidad de fango aerobio en exceso. El reactor biologico y la estructura de separacion se construyeron a partir de acnlico transparente de alta calidad. Medios de biopelfcula fabricados de HDPE, se introdujeron en la zona aerobia superior, donde las fracciones de llenado de los medios de biopelfcula de aproximadamente un 50 % del volumen de la camara proporciona areas de superficie espedfica de 250 m2/m3 Los medios de biopelfcula se conformaron como cilindros cortos que tienen aletas internas cruzadas y externas onduladas. El caudal de aire para la aireacion de la camara de biopelfcula fue de 1 l/min. La camara de biopelfcula se rodeo con placas perforadas con orificios de 5 mm de diametro dispuestas para retener los medios. El fango activado anaerobio se introdujo en la camara inferior. Las concentraciones de solidos en suspension totales del fango activado anaerobio estaban en un intervalo de 6,2-8,7 g/l con un tiempo de retencion de solidos (SRT) de 21 dfas. Los volumenes eficaces de la camara de biopelfcula aerobia y la zona de fango activado anaerobio de la invencion fueron de aproximadamente 1,6 l y aproximadamente 2,2 l, respectivamente. La zona de biopelfcula aerobia y la zona de fango activo anaerobio de la invencion contribuyen teoricamente con aproximadamente un 33 % y 66 % al tiempo de retencion hidraulico total, respectivamente. El flujo lfquido de agua residual paso mas tiempo de retencion hidraulico en la camara de fango activado anaerobio. Las velocidades superficiales del lfquido en el reactor biologico vertical inventado estaban en el intervalo de aproximadamente 0,05 a aproximadamente 0,1 cm/min. La placa divisora que constituye la estructura de separacion (4) usada en el experimento de laboratorio de acuerdo con la invencion cubrio aproximadamente un 88 % del area de la seccion transversal del reactor, y tema una forma de techo con un angulo de pendiente de 380 grados con la horizontal. La separacion entre los bordes de la estructura del separador y las paredes de separacion del reactor fue de 7 mm.
El experimento estaba destinado a investigar la estrategia para controlar las concentraciones de solidos en suspension totales. Se determino el efecto de las velocidades de lfquido ascendentes y los tiempos de retencion hidraulicos (TRH) sobre las concentraciones de solidos en suspension. El agua residual municipal de la comunidad de Trondheim utilizada se pretrato mediante sedimentacion por gravedad, y a continuacion el sobrenadante del decantador se bombeo al reactor biologico. Se uso una bomba peristaltica MasterFlex informatizada con un control de velocidad de ±0,25 % para controlar el caudal de las aguas residuales. Se usaron una tarjeta National Instrument DAQ: USB 6210 y LabVlEw 8.2 para la adquisicion de los datos experimentales.
Efecto de las velocidades de ascension de liquido y los tiempos de retencion hidraulicos (TRH) sobre la calidad del efluente del reactor biologico vertical
Las concentraciones de solidos en suspension totales (SST) y las caractensticas organicas residuales del efluente del reactor biologico inventado dependen de las velocidades de ascension del flujo de lfquido de la invencion. Se usaron velocidades superficiales de ascension de lfquido bajas de 0,099 cm/min a un TRH de 5,2 h y 0,062 cm/min a un TRH de 8,3 h. La Tabla 1 muestra las caractensticas promedio de las aguas residuales y los efluentes del reactor biologico vertical para TRH de 5,2 y 8,3 horas. La concentracion de solidos en suspension totales, FCOD, y la turbidez en los efluentes para un TRH de 8,3 h fue significativamente inferior que los valores para un TRH de 5,2 h. Para un TRH de 8,3 h o la velocidad de ascension de 0,062 cm/min, la concentracion de SST promedio se redujo a 14,3 mg/l que era muy baja comparada con los efluentes tfpicos de aproximadamente 200 mg/l para la biopelfcula reactiva y 350 mg/l para el reactor biologico de fango activado con un sedimentador de partfculas. La eliminacion del color, dQo, amomaco, nitrogeno total, y absorbancias UV en los efluentes para un TRH de 5,2 y 8,3 h fueron relativamente similares. Se consiguieron elevadas tasas de eliminacion de solidos en suspension y turbideces para un TRH de 8,3 horas, que fueron del 87,5 % y el 92 % para el rechazo de solidos en suspension y el rechazo de la turbidez del reactor biologico inventado, respectivamente. El efluente del reactor de acuerdo con la invencion para un TRH de 8,3 horas fue mucho mas transparente que el de la TRH de 5,2 horas. La reduccion en la conductividad de la Tabla 1 muestra que la parte anaerobica extrajo principalmente las sales inorganicas del afluente de aguas residuales. Los valores de SUVA a 254 y la absorbancia espectral espedfica a 436 nm en el efluente para un TRH de 8,3 horas fueron diferentes de los obtenidos para el afluente y los del efluente para un TRH de 5,2 horas. Los incrementos en los valores de SUVA se refieren a determinados cambios moleculares de las sustancias organicas tras las biodegradaciones en el reactor biologico inventado.
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Tabla 1. Caractensticas promedio del agua residual afluente y tasas de eliminacion en los efluentes del reactor
biologico vertical para un TRH de 5,2 y 8,3 hora
- Caractenstica
- Afluente al biorreactor Efluente del biorreactor
- TRH de 5,2 h
- TRH de 8,3 h
- Valor
- % Eliminacion Valor % Eliminacion
- Demanda qmmica de oxfgeno - DQO (mg O2/l)
- 273,4 89,7 67,2 56,1 79,5
- Demanda qrnmica de oxfgeno filtrada - FCOD (mg O2/l)
- 135,2 52,4 61,2 27,6 79,6
- Solidos en suspension totales- SST (mg/l)
- 114,7 46,1 59,8 14,3 87,5
- Carbono organico total -COT (mg/l)
- 73,6 27,2 63,0 19,9 73,0
- Carbono organico disuelto -COD (mg/l)
- 42,4 17,8 58,0 13,1 69,1
- Turbidez (NTU)
- 89,3 19,6 78,1 7,1 92,0
- N-NH3 (mg/l)
- 29,7 22,5 24,2 21,2 28,6
- Nitrogeno total (TKN) (mg/l)
- 41,3 34,2 17,2 28,6 30,8
- Absorbancia UV a 254 nm - UV254 (m-i)
- - 28,6 32,2 27,3 35,3
- Absorbancia espectral 436 nm -UV436 (m"')
- 2,1 1,8 14,3 1,6 23,8
- Absorbancia UV espedfica a 254 nm - SUVA a 254 nm (l/m.mg)
- 0,99 1,6 - 2,0 -
- Absorbancia espectral espedfica a 436 nm (l/m.mg)
- 0,050 0,101 - 0,122 -
- Conductividad (mS/cm)
- 1016 804 - 781 -
- pH
- 7,34 8,15 - 8,29 -
- Color (mg Pt/l)
- 56,4 - 47,1 -
La reduccion en el volumen de fango aerobico en exceso en una realizacion del tanque reactor de acuerdo con la invencion se evaluo preliminarmente pro un procedimiento convencional. Las comparaciones entre las tasas de acumulacion de fango (altura) del fango en exceso que cae de la zona aerobia superior hasta la zona anoxica/anaerobia inferior con y sin la estructura de separacion se puede utilizar razonablemente en este ensayo preliminar. Sin la estructura de separacion, no se establecen condiciones anoxicas en la zona inferior debido a la difusion de oxfgeno hacia abajo. La altura de fango en la zona anaerobia inferior sin la estructura de separacion aumento con la velocidad promedio (en 8 dfas) en aproximadamente 1,2 cm/dfa, y los foculos de fango sedimentado teman una densidad de empaquetamiento baja. Sin embargo, tras instalar la estructura de separacion, se establecieron condiciones anaerobias en la zona anaerobia inferior. Las caractensticas del fango cambiaron, donde el color del fango fue notablemente mas oscuro con mayor densidad del fango acumulado. Despues del tercer dfa se descubrio un ligero aumento en el nivel de fango de la camara. La velocidad de aumento promedio de la altura de fango con el separador fue aproximadamente 13-16 veces menor que la velocidad de aumento sin la presencia de una estructura de separacion y condiciones de digestion anaerobia.
De acuerdo con el reactor de la presente invencion, la produccion de fango total sera inferior que con procedimientos comparables de acuerdo a los de la tecnica antecedente. Esto es importante, porque la gestion del fango es costosa para convertir el fango resultante en un producto que se pueda desechar. Existira, sin embargo, menos necesidad de bombeo de fango ya que el fango aerobio en exceso de la zona de reaccion superior (32) simplemente sedimentara en la zona de reaccion anoxica/anaerobia inferior para formar parte del fango comprendido en la misma. El diseno del reactor permitira un tiempo de residencia del fango mas prolongado, lo que reduce adicionalmente el volumen de fango aerobio en exceso, y reduce por tanto el coste de la gestion del fango.
Debido al patron de flujo del reactor, en el que el flujo se dirige fundamentalmente hacia arriba, el agua de alimentacion pasa en primer lugar a traves de la zona de reaccion anoxica/anaerobia inferior, el efluente resultante del reactor tender un contenido de solidos en suspension totales menor que en los procedimientos comparables de la tecnica antecedente. Esto permite una pluralidad de beneficios, entre los cuales, menos problemas de obstrucciones en la zona de reaccion aerobia (32), evidentemente, menos cantidad de solidos en suspension totales en el efluente que pueden necesitar tratamiento adicional del efluente y especialmente habra menos necesidad de aireacion de la zona de reaccion aerobia (32). Como la mayor parte del coste de energfa asociado con la gestion del agua de alimentacion se debe a la necesidad de bombear aire para satisfacer la demanda biologica de oxfgeno del
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agua de alimentacion, el ahorro de utilizar un reactor de acuerdo con la presente invencion es notable. Otros beneficios del reactor de acuerdo con la presente invencion incluyen menos necesidad de tratamiento posterior del agua y menos consumo de productos qmmicos durante el tratamiento posterior del efluente. Esto es de especial interes desde el punto de vista ambiental. El reactor es de especial interes cuando se aplica a la gestion de aguas residuales municipales o industriales. Los volumenes de agua de alimentacion que se deben tratar en dichas aplicaciones son muy grandes, por tanto, existe un incentivo importante para reducir todos los costes asociados con la gestion de dichas aguas de alimentacion. Otras aplicaciones incluyen el tratamiento en aplicaciones espedficas de aguas de bebida, o el tratamiento de agua de alimentacion procedente de aplicaciones de la agricultura o acuicultura.
Una pluralidad de reactores de acuerdo con la invencion se puede disponer en paralelo de tal forma que una planta de agua de alimentacion puede tratar grandes volumenes de agua de alimentacion. Una disposicion modular tiene numerosas ventajas, facilitando la inspeccion y la sustitucion de elementos estropeados o de tanques completos. En la realizacion en la que los reactores estan dispuestos verticalmente principalmente, esto puede permitir que una planta de agua de alimentacion tenga una huella pequena, reduciendo adicionalmente las necesidades de superficie y, por tanto, los costes de capital de la planta.
El reactor como tal se puede usar para el tratamiento biologico de cualquier agua de alimentacion tal como, por ejemplo, aguas residuales industriales y municipales. La composicion biologica tanto del fango comprendido dentro de la zona de reaccion inferior (31) y la composicion de la zona de reaccion superior (32) es muy adaptable para ajustarse a las necesidades de tratamiento de una amplia variedad de composiciones de aguas residuales.
El reactor de acuerdo con la invencion tambien puede usarse en barcos. En muchas partes del mundo, la descarga de aguas residuales no es aconsejable o esta incluso prohibida debido a la legislacion ambiental. Un barco que deje e puerto con un tanque reactor de acuerdo con la invencion puede tratar las aguas residuales de las actividades de pasajeros y tripulacion en el tanque del reactor mientras navega, descargando o purificando adicionalmente el efluente en la planta segun necesidad, y manteniendo el fango. El fango producido sera tendra un volumen mucho mas pequeno que el agua residual. Cuando llegue al puerto, el fango recogido se puede retirar del tanque y transportarse a una instalacion terrestre, reduciendo significativamente de esta forma la contaminacion del agua durante la travesfa del barco.
Claims (18)
- REIVINDICACIONES1. Un tanque reactor (0) para el tratamiento biologico de agua de alimentacion, en el que dicho tanque reactor (0) comprende un unico volumen de reactor en el que el agua de alimentacion se somete a tratamiento tanto en una zona de reaccion anoxica/anaerobia (31) inferior como en una zona de reaccion aerobia (32) superior que estan5 parcialmente separadas por una estructura de separacion (4), comprendiendo dicho tanque de reaccion una o mas entradas (1) de agua de alimentacion dispuestas en la zona de reaccion anoxica/anaerobia (31) inferior de dicho tanque reactor (0), yuna o mas salidas (22) del efluente en la zona de reaccion aerobia (32) superior de dicho tanque reactor (0), y en el que dicha estructura de separacion (4) esta dispuesta para permitir el paso ascendente del fluido desde la zona de 10 reaccion anoxica/anaerobia (31) inferior hasta la zona de reaccion aerobia (32) superior, a la vez que evita parcialmente que entre el oxfgeno en la zona de reaccion anaerobia/anoxica (31),teniendo ademas dicha estructura de separacion (4) una superficie superior generalmente inclinada dispuesta para guiar dicha materia biologica liberada desde la zona de reaccion aerobia (32) superior hasta la zona de reaccion anaerobia/anoxica (31) inferior para el procesamiento adicional de dicha materia biologica y recogida del fango,15 dicha zona de reaccion aerobia (32) superior esta provista de medios de biopelfcula (52) aireada para formar sustratos para el crecimiento y la liberacion de la materia biologica, caracterizado porquedicho tanque reactor comprende ademas una salida de fango (21) desde dicha zona de reaccion anoxica/anaerobia (31) inferior de dicho tanque reactor (0) mediante la cual el tiempo de residencia del fango en la zona de reaccion 20 anaerobia/anoxica (31) inferior se puede controlar mediante una purga periodica o continua de fango a traves de la salida de fango (21),se dispone una lmea de recirculacion (8) para recircular al menos una parte del efluente procedente de la zona de reaccion aerobia (32) superior del tanque reactor (0) hasta la zona anoxica/anaerobia (31) inferior del reactor, y un difusor de burbujas (7) dispuesto para proporcionar periodicamente una gran cantidad de burbujas, de tal forma 25 que el medio de biopelfcula dispuesto en la zona aerobia superior pueda desprenderse del exceso de crecimiento de biopelfcula y el exceso de biopelfcula desprendida descendera hasta la zona anaerobia/anoxica (31).
- 2. El tanque reactor (0) de la reivindicacion 1 en el que dicha zona de reaccion aerobia (31) inferior comprende un fango activado para la descomposicion anaerobia/anoxica de la materia biologica o biomasa procedente de la zona de reaccion aerobia (32) superior.30 3. El tanque reactor (0) de acuerdo con la reivindicacion 1 o 2, en el que dichos medios de biopelfcula (52) aireadosreciben oxfgeno mediante inyeccion de aire a traves de un difusor de burbujas (7) situado bajo dicha zona de reaccion aerobia (32).
- 4. El tanque reactor (0) de la reivindicacion 1, 2 o 3, en el que dichos medios de biopelfcula (52) estan dispuestos para liberar dicho material biologico en una direccion generalmente descendente tras la finalizacion de un ciclo de35 crecimiento sobre los medios de biopelfcula (52).
- 5. El tanque reactor (0) de la reivindicacion 4 en el que dichos medios de biopelfcula (52) estan dispuestos para ser fluidificados en la zona de reaccion aerobia (32) superior.
- 6. El tanque reactor (0) de la reivindicacion 5 en el que dichos medios de biopelfcula (52) estan dispuestos para ser restringidos mecanicamente en el interior de la zona de reaccion aerobia (32) superior.40 7. El tanque reactor (0) de acuerdo con la reivindicacion 3, en el que dicho difusor de burbujas (7) esta dispuestopara liberar burbujas que tienen un diametro pequeno.
- 8. El tanque reactor (0) de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, comprendiendo dicha estructura de separacion (4) un montaje de dos o mas subestructuras de separacion (41).
- 9. Un procedimiento de tratamiento biologico de agua de alimentacion en un tanque reactor (0) de acuerdo con la 45 reivindicacion 1, que comprende recibir dicha agua de alimentacion a traves de una o mas entradas (1) de agua dealimentacion en una zona de reaccion anaerobia/anoxica (31) inferior de dicho tanque reactor (0),dejar que los efluentes fluyan a traves de una o mas salidas (22) de efluente en una zona de reaccion aerobia (32)superior de dicho tanque reactor (0),sometiendose dicha agua de alimentacion a tratamiento tanto en dicha zona de reaccion anoxica/anaerobia (31) 50 inferior como en dicha zona de reaccion aerobia (32) superior que estan parcialmente separadas por una estructura de separacion (4),airear dicha zona de reaccion aerobia (32) superior,permitiendo dicha estructura de separacion (4) el paso ascendente del fluido desde la zona de reaccion anoxica/anaerobia (31) inferior hasta la zona de reaccion aerobia (32) superior, a la vez que evita parcialmente que 55 entre el oxfgeno en la zona de reaccion anaerobia/anoxica (31),una superficie superior de dicha estructura de separacion (4) que grna dicha materia biologica liberada desde dicha zona de reaccion aerobia (32) superior hasta la zona de reaccion anaerobia/anoxica (31) inferior que procesa adicionalmente dicha materia biologica,51015202530caracterizado porque dicha zona de reaccion aerobia (32) superior esta provista de sustratos de formacion de medios de biopeKcula (52) para el crecimiento y la liberacion de materia organica, y permitiendo que el fango recogido en dicha zona de reaccion anaerobia/anoxica (31) inferior abandone dicho tanque reactor (0) de forma periodica o continua a traves de una salida de fango (21) desde dicha zona de reaccion anoxica/anaerobia (31) inferior de dicho tanque reactor (0), el tiempo de residencia del fango dentro de la zona de reaccion anaerobia/anoxica (32) inferior se puede controlar.
- 10. El procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 9 en el que dicho tratamiento biologico comprende un procedimiento de nitrificacion en dicha zona de reaccion aerobia (31), y un procedimiento de desnitrificacion en dicha zona de reaccion anoxica/anaerobia (32).
- 11. El procedimiento de la reivindicacion 9 o 10, en el que dicha zona de reaccion aerobia (31) inferior comprende fango activado.
- 12. El procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 9, 10 u 11, que comprende ademas airear dicha zona de reaccion aerobia (32) superior con un difusor de burbujas (7).
- 13. El procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 13, en el que dicho difusor de burbujas (7) libera burbujas que tienen un diametro pequeno.
- 14. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13, en el que dichos medios de biopelfcula (52) aerobios son circulados en el interior dicha zona de reaccion aerobia (32) superior.
- 15. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14, en el que dicha velocidad de flujo ascendente del lfquido superficial de flujo ascendente del lfquido superficial en el interior de dicha zona de reaccion anoxica/anaerobia esta en el intervalo de aproximadamente 0,0005 cm/s a aproximadamente 4 cm/s.
- 16. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 15, en el que al menos una parte de dicha corriente efluente se recircula mediante una conduccion de recirculacion (8) para un tratamiento adicional dentro de dicho tanque reactor (0).
- 17. Uso de un reactor de acuerdo con de aguas residuales municipales.
- 18. Uso de un reactor de acuerdo con de aguas residuales industriales.
- 19. Uso de un reactor de acuerdo con de aguas residuales agncolas.
- 20. Uso de un reactor de acuerdo con de aguas residuales de acuicultura.cualquiera de las reivindicaciones 1 cualquiera de las reivindicaciones 1 cualquiera de las reivindicaciones 1 cualquiera de las reivindicaciones 1a 8 para el tratamiento de una corriente a 8 para el tratamiento de una corriente a 8 para el tratamiento de una corriente a 8 para el tratamiento de una corriente
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