ES2948913T3

ES2948913T3 - Fotobiorreactor

Info

Publication number: ES2948913T3
Application number: ES13805484T
Authority: ES
Inventors: Daniel Murray
Original assignee: Industrial Phycology Ltd
Current assignee: Industrial Phycology Ltd
Priority date: 2013-01-09
Filing date: 2013-12-05
Publication date: 2023-09-21
Anticipated expiration: 2033-12-05
Also published as: WO2014108665A1; CN105008512B; RS64292B1; HUE063222T2; HRP20230583T1; CN105008512A; US20150329395A1; GB2509710B; GB2509710A; GB201300323D0; DK2943561T3; FI2943561T3; SI2943561T1; CY1126126T1; LT2943561T; PT2943561T; EP2943561B1; US10829398B2; EP2943561A1; PL2943561T3

Abstract

La presente invención se refiere a un fotobiorreactor para el tratamiento de aguas residuales. El fotobiorreactor comprende una cámara de tratamiento para recibir un cultivo de algas, una entrada de agua para suministrar agua residual a dicha cámara, al menos una fuente de luz proporcionada dentro de dicha cámara para proporcionar luz a dicho cultivo y al menos una salida de agua para eliminar el agua tratada. . La al menos una salida de agua está además dispuesta en uso para eliminar selectivamente una proporción de la biomasa producida dentro de dicha cámara cuando dicha biomasa alcanza un nivel máximo predeterminado para mantener un cultivo continuo o sustancialmente continuo de algas dentro de dicha cámara. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Fotobiorreactor

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un fotobiorreactor, un sistema y un método para el tratamiento de aguas residuales a base de algas.

Antecedentes de la invención

El control de los niveles de fosfato en las aguas residuales tratadas es un desafío importante para la industria de aguas residuales. Los métodos actuales para reducir el nivel de fosfato de las aguas residuales a un nivel aceptable normalmente comprenden el uso de floculantes, tales como por ejemplo sulfato férrico. Estos métodos son costosos, producen desechos tóxicos y requieren una optimización cuidadosa del proceso para evitar que se exceda la regulación de efluentes para compuestos férricos y fosfato. Estos métodos también pueden dar como resultado una eliminación ineficiente de fosfatos y/o el escape de compuestos férricos a los cursos de los ríos, lo que puede provocar daños ambientales.

Se ha descubierto que las algas se pueden utilizar para reducir significativamente el contenido de fosfato en las aguas residuales. Las algas generalmente están expuestas a las aguas residuales dentro de un fotobiorreactor. Los métodos y sistemas convencionales para usar algas para tratar aguas residuales tienen una serie de inconvenientes que incluyen la necesidad de una gran cantidad de espacio, problemas de contaminación, requisitos de energía, vulnerabilidad al clima y falta de idoneidad para el uso a escala industrial. Por ejemplo, los sistemas convencionales suelen utilizar la luz solar y el cultivo al aire libre. Por lo tanto, estos sistemas están limitados a regiones con condiciones óptimas y, como resultado, tienen una eficiencia reducida y limitan el alcance del uso de estos sistemas para tratar aguas residuales con algas a escala industrial.

Ejemplos de sistemas convencionales se describen en los documentos EE. UU. 2011/107664, EE. UU. 2011/247977 y EE. UU. 2011/266215. El documento EE. UU. 2011/107664 describe un sistema de cultivo de algas, saliendo las algas del sistema a un estanque abierto de tratamiento de aguas residuales. El documento EE. UU. 2011/247977 describe un sistema de tanque abierto para el tratamiento de aguas residuales, en el que se utiliza iluminación cenital y una membrana de separación para separar el agua tratada de las microalgas del tanque. Y el documento EE. UU.

2011/266215 describe un sistema en el que las aguas residuales se pretratan con nutrientes y metales en traza, y se mezclan con algas activadas que regresan, antes de introducirlas en un fotobiorreactor genérico.

Por lo tanto, existe la necesidad de un fotobiorreactor mejorado que aborde uno o más de los problemas asociados con los sistemas convencionales para el tratamiento de aguas residuales. En particular, existe la necesidad de un fotobiorreactor mejorado que pueda usarse a escala industrial para tratar aguas residuales con una eficiencia mejorada.

Resumen de la invención

De acuerdo con un primer aspecto, la presente invención proporciona un fotobiorreactor para el tratamiento de aguas residuales que incluyen contaminantes, comprendiendo el fotobiorreactor:

una cámara de tratamiento que tiene una base y una o más paredes de cámara que se extienden desde la base, y un eje longitudinal, la cámara de tratamiento dispuesta para recibir un cultivo de algas que tiene una biomasa;

una entrada de agua para el suministro de aguas residuales a dicha cámara de tratamiento;

al menos una fuente de luz provista dentro de dicha cámara de tratamiento, siendo operable la o cada fuente de luz para proporcionar luz a dicho cultivo contenido dentro de la cámara de tratamiento

un difusor de gas ubicado a lo largo de toda la base de la cámara de tratamiento, y operable para proporcionar una corriente de aire difusa en la cámara de tratamiento;

una primera salida de agua dispuesta para retirar el agua tratada de la cámara de tratamiento; donde

la salida de agua está dispuesta además en uso para la eliminación selectiva de una proporción de dicha biomasa del cultivo de algas producido dentro de dicha cámara de tratamiento cuando dicha biomasa alcanza un nivel máximo predeterminado para mantener un cultivo continuo o sustancialmente continuo de algas dentro de dicha cámara de tratamiento;

una segunda salida de agua dispuesta para la eliminación selectiva de una proporción de la biomasa del cultivo de algas producida dentro de dicha cámara cuando dicha biomasa alcanza un nivel máximo predeterminado para mantener la biomasa del cultivo de algas dentro de un nivel máximo predeterminado dentro de dicha cámara de tratamiento; y

al menos una membrana ubicada dentro de la cámara, donde al menos una membrana tiene una periferia, y toda la periferia de la membrana está en contacto con una o más paredes de la cámara, y donde al menos una membrana está dispuesta entre la primera y segundas salidas para retener dicho cultivo de algas dentro de la cámara mientras permite que el agua tratada sea eliminada por dicha primera salida de agua.

De acuerdo con un segundo aspecto, la presente invención proporciona un método para tratar aguas residuales que comprende poner en contacto un cultivo de algas con una entrada de aguas residuales en un fotobiorreactor o sistema como se describe aquí para producir una biomasa de algas y una salida de aguas residuales tratadas.

Por lo tanto, las realizaciones de la presente invención proporcionan ventajosamente un fotobiorreactor eficiente, altamente productivo, para todo clima, internamente iluminado, continuo o sustancialmente continuo y el uso del mismo para tratar aguas residuales. Preferiblemente, el fotobiorreactor está totalmente aislado de los entornos contaminantes.

El término “cultivo continuo o sustancialmente continuo” se utiliza en el presente documento para referirse a un cultivo que está presente dentro de la cámara del fotobiorreactor durante todo el proceso de tratamiento y, al mismo tiempo, permite la recolección de una proporción de biomasa cuando la biomasa dentro de la cámara alcanza un nivel máximo predeterminado. No es necesario añadir cultivo adicional a la cámara. El cultivo continuo o sustancialmente continuo está presente dentro de la cámara a una concentración de al menos un nivel mínimo predeterminado. La eliminación de la biomasa provoca la dilución del cultivo dentro de la cámara durante el proceso de tratamiento. La dilución del cultivo se controla de modo que la concentración del cultivo continuo o sustancialmente continuo dentro de la cámara no caiga por debajo del valor mínimo predeterminado.

El fotobiorreactor puede disponerse de manera que el tiempo de retención de la biomasa dentro de la cámara sea independiente del tiempo de retención del agua dentro de la cámara. Al separar el tiempo de retención hidráulica del tiempo de retención de la biomasa, el agua tratada puede fluir continuamente a través del fotobiorreactor desde la entrada hasta la salida, lo que permite una adición fresca constante de agua residual y aumenta ventajosamente la capacidad máxima de biomasa. El fotobiorreactor permite por lo tanto tratar un aumento significativo de aguas residuales por un volumen dado de cultivo de algas. La biomasa se puede recolectar cuando la biomasa alcanza un límite máximo predeterminado.

La cámara puede tener cualquier forma adecuada, por ejemplo, la cámara puede tener una forma sustancialmente cilíndrica. La salida puede comprender una primera salida dispuesta en uso para permitir el flujo continuo de agua tratada desde la cámara y una segunda salida dispuesta en uso para eliminar selectivamente una parte de la biomasa. La biomasa puede eliminarse con las aguas residuales tratadas. La disposición de las salidas primera y segunda puede ser tal que la distancia entre la primera salida y la base de la cámara sea mayor que la distancia entre la segunda salida y la base de la cámara. Las salidas primera y segunda pueden estar alineadas a lo largo de una dirección que se extiende sustancialmente paralela al eje longitudinal de la cámara.

El fotobiorreactor podría instalarse hacia el final de los sistemas de tratamiento de aguas residuales existentes. Por ejemplo, el fotobiorreactor se puede utilizar como etapa de pulido final al final de los sistemas de tratamiento de aguas residuales existentes.

Mantener un cultivo continuo o sustancialmente continuo tiene la ventaja de que la biomasa producida se puede recolectar regularmente mientras se mantiene un cultivo activo de alta densidad dentro del fotobiorreactor. El fotobiorreactor de la presente invención puede ofrecer el potencial de ahorrar espacio en comparación con los sistemas convencionales. Ventajosamente, el fotobiorreactor y el método de la invención pueden proporcionar una alta tasa de rendimiento del tratamiento de agua al mismo tiempo que proporciona la recolección de biomasa. La biomasa se puede recolectar a un ritmo comparable al cultivo y recolección de un solo lote en un sistema convencional no continuo. La biomasa recolectada puede luego introducirse en un digestor anaeróbico, por ejemplo, para la producción de gas.

El método puede comprender además determinar la tasa de aumento/crecimiento de la biomasa y compararla con un recuento predeterminado de biomasa/células, por ejemplo, un recuento ideal de biomasa/células, y diluir regularmente el cultivo en consecuencia. El cultivo puede diluirse cada 24 horas para mantener la biomasa en este nivel predeterminado. El cultivo puede diluirse, por ejemplo, en un 20 % cada 24 horas.

La al menos una fuente de luz puede calibrarse para emitir luz predominantemente en longitudes de onda que mejoran la fotosíntesis. Por lo tanto, la al menos una fuente de luz puede calibrarse para permitir una tasa de crecimiento del cultivo más eficaz. La clorofila es más eficiente para absorber la luz roja. La luz de otras longitudes de onda solo se absorbe parcialmente. La al menos una fuente de luz está preferiblemente calibrada para proporcionar luz que tiene predominantemente una longitud de onda en la región de 620 a 645 nm, por ejemplo, para proporcionar luz roja. La fuente de luz puede emitir luz que tiene una mayor proporción de luz roja que de luz azul. Al calibrar la longitud de onda de la fuente de luz, el método y el fotobiorreactor de la invención proporcionan una eficiencia mejorada y un ahorro de costes de energía, ya que no se desperdicia energía en longitudes de onda que no son utilizadas por el cultivo o se pierden como calor.

La al menos una fuente de luz puede comprender al menos un diodo emisor de luz (LED). Los LED tienen un gran potencial para el ahorro de energía, lo que hace que la iluminación artificial de los fotobiorreactores sea rentable.

El fotobiorreactor puede comprender al menos una fuente de luz en forma de columna alargada. Por ejemplo, el al menos un LED puede tener la forma de una columna alargada. La columna alargada puede disponerse para extenderse dentro de la cámara en una dirección que se extiende sustancialmente paralela al eje longitudinal de la cámara. Por ejemplo, la columna alargada se puede disponer para que se extienda en una dirección que se extiende sustancialmente perpendicular a la base de la cámara. Las al menos unas columnas alargadas pueden estar separadas entre sí para proporcionar una cobertura de luz uniforme, por ejemplo, una intensidad de luz uniforme dentro de la cámara.

La(s) fuente(s) de luz pueden ser programables. Por ejemplo, los LED pueden ser luces intermitentes de alta frecuencia (FLE). Las luces intermitentes de alta frecuencia se pueden ajustar para controlar la cantidad de luz que incide en el cultivo.

La reacción fotosintética que tiene lugar en la clorofila del cultivo transcurre con la máxima eficiencia energética. La reacción se puede dividir en dos secciones; los centros de reacción dependientes de la luz y la oscuridad. Inicialmente, la reacción dependiente de la luz en la clorofila captura la energía de la luz entrante en el centro receptor de luz. A través de una serie de reacciones químicas, la energía inicial pasa a un centro de reacción oscuro para su uso en otras reacciones fotosintéticas. El centro de reacción dependiente de la luz solo puede absorber una cantidad determinada de energía por segundo antes de que el centro de reacción se sature. Si el exceso de luz se convierte en el centro de reacción de la luz, p.ej., por la iluminación continua, esta energía se desperdicia. Esta energía desperdiciada tiene el potencial de provocar un fotoblanqueo que puede reducir la eficiencia de la fotosíntesis. El fotoblanqueo también puede causar daño permanente a la célula.

El uso de luces intermitentes de alta frecuencia permite ventajosamente controlar la emisión de luz de manera que la energía luminosa sólo se proporciona cuando la reacción de fotosíntesis dependiente de la luz es receptiva a la energía. En consecuencia, el uso de luces intermitentes de alta frecuencia ayuda a evitar la saturación excesiva del centro de reacción de la luz y, como tal, ayuda a aumentar la productividad de las reacciones de fotosíntesis de las células.

Se ha encontrado ventajosamente que el uso de luces intermitentes de alta frecuencia ayuda a producir aumentos significativos en la población y densidad de cultivo. Como tal, el fotobiorreactor y el método de las realizaciones de la presente invención se pueden usar para tratar aguas residuales con una eficiencia mejorada en comparación con los sistemas convencionales.

La tasa de intermitencia de las luces intermitentes de alta frecuencia se dispone preferiblemente para que parpadeen de manera que la relación entre el período de tiempo en el que se emite luz y el período de tiempo en el que no se emite luz es de aproximadamente 1:2. Las luces intermitentes de alta frecuencia pueden disponerse para que parpadeen a una velocidad que emita 10 microsegundos de luz por cada 20 microsegundos de oscuridad. El uso de luces intermitentes de alta frecuencia también tiene la ventaja adicional de proporcionar un importante ahorro de energía en comparación con una fuente de luz que no sea intermitente.

Además, las células del cultivo pueden dañarse mediante el uso de luz que tenga una intensidad superior a una intensidad umbral. Sin embargo, se ha encontrado ventajosamente que el fotobiorreactor puede usar luces intermitentes de alta frecuencia para emitir luz con una intensidad por encima del umbral de intensidad sin causar daño al cultivo. El solicitante ha descubierto que cuando se usan luces intermitentes de alta frecuencia, esta intensidad de luz aumentada del pulso de luz no se proporciona durante el tiempo suficiente para dañar los mecanismos fotosintéticos dentro de las células.

Por lo tanto, el fotobiorreactor puede permitir que la luz de la fuente de luz penetre en mayor medida, por ejemplo, a una mayor profundidad dentro del cultivo que los sistemas convencionales debido a la provisión de una fuente de luz intermitente que emite pulsos de luz que tienen una mayor intensidad, por ejemplo, una intensidad mayor que la intensidad umbral. La mayor distancia de penetración dentro del cultivo aumenta la capa fotoactiva del cultivo. La profundidad de la capa fotoactiva es una de las principales limitaciones de los fotobiorreactores convencionales. Los biorreactores convencionales, que tienen iluminación continua, están diseñados con capacidades pequeñas para reducir el desperdicio de energía lumínica resultante de la corta capa fotoactiva.

La fuente de luz puede ser una fuente de luz de intensidad variable. Por consiguiente, durante el uso, la intensidad luminosa de la fuente de luz puede ser variable. El método puede comprender además ajustar la intensidad de la luz de la fuente de luz durante el proceso de tratamiento de aguas residuales. La intensidad de la luz se puede variar en respuesta a la densidad creciente del cultivo. Por ejemplo, a medida que avanza el proceso de tratamiento y aumenta la densidad de cultivo dentro del fotobiorreactor, la intensidad de la luz puede aumentar. La intensidad de la luz de la fuente de luz puede depender directamente de la densidad del cultivo. La intensidad de la luz de la fuente de luz puede incrementarse en función del tiempo a medida que continúa el proceso de tratamiento. La intensidad de la luz se puede aumentar durante un período de tiempo predeterminado. La intensidad de la luz de la fuente de luz puede controlarse o variarse para proporcionar el nivel de iluminación requerido al cultivo para cada etapa del proceso.

El fotobiorreactor puede comprender además una capa aislante. La capa aislante se puede disponer en uso para regular/controlar el calor dentro de la cámara. La(s) entrada y/o salida(s) de agua residual pueden comprender cada una, una válvula.

El fotobiorreactor comprende al menos una membrana. Por ejemplo, el fotobiorreactor puede comprender una membrana dispuesta en uso para garantizar que se mantenga la esterilidad del cultivo. La primera membrana se puede colocar adyacente a o en la entrada de agua residual a la cámara de tratamiento.

El fotobiorreactor comprende una membrana dispuesta en uso para retener el cultivo dentro de la cámara de tratamiento mientras permite que el agua residual tratada pase a través de la salida. El tamaño de poro de la membrana se selecciona preferiblemente para retener la biomasa dentro de dicha cámara. Por ejemplo, una membrana puede ubicarse adyacente a o en la salida de agua tratada y biomasa. La membrana puede moverse entre una posición abierta que permite que la biomasa/agua tratada fluya a través de dicha salida y una posición cerrada en la que la biomasa se retiene dentro de la cámara y el agua tratada fluye a través de la salida. La membrana se puede disponer en uso para moverse a la posición abierta cuando la biomasa dentro de la cámara alcanza el nivel máximo predeterminado.

La cámara comprende una primera salida para la eliminación de aguas residuales tratadas y una segunda salida dispuesta en uso para eliminar selectivamente una parte de la biomasa. Una membrana está dispuesta dentro de la cámara para ubicarse entre dicha primera y segunda salida. La membrana está dispuesta en uso para retener la biomasa dentro de la cámara mientras permite que el agua residual tratada sea eliminada por la primera salida. La membrana puede disponerse dentro de la cámara de tratamiento para extenderse en un ángulo, por ejemplo sustancialmente perpendicular, al eje longitudinal de la cámara a una altura predeterminada por encima de la base de la cámara. Toda la periferia de la membrana está en contacto con las paredes de la cámara. La membrana está preferiblemente situada dentro de la cámara por debajo de la primera salida, por ejemplo, más cerca de la base de la cámara que de la primera salida. La segunda salida está preferiblemente dispuesta más cerca de la base de la cámara que la membrana. En esta disposición, la membrana impide que la biomasa sea retirada de la cámara por la primera salida. El tamaño de poro de la membrana se selecciona preferiblemente para retener la biomasa dentro de dicha cámara.

La cámara comprende además un difusor de gas. El difusor de gas está dispuesto para extenderse por toda la base de la cámara. El difusor de gas está preferiblemente dispuesto para evitar zonas muertas y proporcionar depuración de gases a los lados de la cámara y/o la fuente de luz interna. El aire dentro de la cámara fluye hacia arriba desde dicha base de la cámara. La cámara puede comprender además un nanodifusor de dióxido de carbono.

El método de la presente invención da como resultado la formación de una biomasa de algas que se forma durante el tratamiento de aguas residuales. La energía unida dentro de todo el material celular de la biomasa de algas puede recuperarse económicamente mediante digestión anaeróbica utilizando bacterias. Por lo tanto, el método puede comprender además poner en contacto dicha biomasa con al menos una cepa bacteriana para la digestión anaeróbica de dicha biomasa. La biomasa preferiblemente se pone en contacto con al menos una cepa bacteriana para la digestión anaeróbica dentro de al menos un digestor anaeróbico. La digestión anaeróbica puede realizarse aguas abajo de dicho fotobiorreactor.

En otro aspecto, la presente invención proporciona un sistema de aguas residuales que comprende al menos un fotobiorreactor como se describe aquí y al menos un digestor anaeróbico para recibir la biomasa del fotobiorreactor(es) y al menos una cepa bacteriana adaptada para la digestión de algas. El digestor anaeróbico está preferiblemente adaptado para la digestión de algas. El al menos un digestor anaeróbico está preferiblemente ubicado aguas abajo del fotobiorreactor o fotobiorreactores.

El sistema puede comprender el fotobiorreactor y el digestor como una unidad integral.

Al usar el proceso de digestión, la totalidad de la biomasa se puede utilizar para la producción de gas, tal como por ejemplo gas metano para energía y dióxido de carbono. El dióxido de carbono puede separarse y usarse, por ejemplo, reciclarse como alimento para las algas dentro de la cámara. Ventajosamente, las fracciones líquidas y sólidas sobrantes no se contaminan con aditivos químicos. Las fracciones líquida y sólida se pueden utilizar como fertilizante y/o acondicionador líquido o sólido. Las fracciones restantes pueden incluir carbono secuestrado y agua limpia. No se requiere ningún procesamiento químico adicional y, ventajosamente, la digestión de la biomasa de algas no produce ningún residuo tóxico. La cepa de algas para usar con el fotobiorreactor, el método y el sistema de la invención pueden seleccionarse de Chlorella vulgaris, Spirulina maxima, Chlorella, Scenesmus, y Chlamydomas reinhardtii, o una mezcla de los mismos.

El fotobiorreactor puede comprender además una entrada adicional para suministrar metales, tales como por ejemplo oro y tierras raras, a la cámara de tratamiento. Los metales pueden proporcionarse en forma de suspensión. Por lo tanto, el método puede comprender además la etapa de introducir metales en la cámara de tratamiento del fotobiorreactor. El cultivo ingiere el metal y precipita nanopartículas del metal dentro de la célula. Las nanopartículas de metales son importantes en la ciencia moderna y la fabricación de productos electrónicos. Una vez que el agua residual tratada y la biomasa (que contiene las nanopartículas de metal ingeridas) pasan al digestor, la digestión de las algas da como resultado la descomposición de la biomasa y, como tal, proporciona un método fácil para liberar nanopartículas. El método puede comprender además la etapa de recuperar las nanopartículas de metales durante la digestión anaeróbica de la biomasa, por ejemplo en el digestor. Los metales pueden ser magnéticos. El método puede comprender el uso de magnetismo para recuperar nanopartículas de metales magnéticos ingeridos. Las realizaciones del fotobiorreactor y el método de la invención pueden usarse para tratar aguas residuales y producir nanopartículas de metales simultáneamente.

Se ha encontrado que las algas pueden crecer dentro del fotobiorreactor a una tasa significativa y, como tal, el cultivo puede diluirse en más del 20 % por día. Al combinar varios fotobiorreactores continuos o sustancialmente continuos, se ha encontrado que la combinación puede producir una cantidad de biomasa superior a la cantidad de cultivo utilizada dentro de un fotobiorreactor en un día para la digestión mientras se mantiene la biomasa máxima dentro de los fotobiorreactores. El sistema puede comprender un digestor anaeróbico para recibir biomasa de una pluralidad de fotobiorreactores.

El sistema puede comprender además un separador dispuesto en uso para separar el agua tratada del agua tratada y la biomasa obtenida de la salida del fotobiorreactor, por ejemplo el separador se sitúa preferiblemente entre el fotobiorreactor y el digestor.

El uso de algas para tratar las aguas residuales puede proporcionar un potencial significativo para la producción de gas, el tratamiento del agua y las ganancias. Ventajosamente, el fotobiorreactor y el método de la invención eliminan la limitación de la mayoría de las energías renovables, es decir, el suministro variable de viento, sol u otro parámetro ambiental.

El biogás producido por la digestión anaeróbica de la biomasa dentro de los digestores anaeróbicos puede recolectarse. El biogás es preferiblemente metano. El(los) digestor(es) anaeróbico(s) puede(n) estar dispuesto(s) en uso para producir metano a una tasa de al menos 0.25 L CH4 g VS-1, preferiblemente al menos 0.5 L CH4 g VS-1. El fotobiorreactor, el sistema y el método de la invención se pueden usar para generar energía, por ejemplo, electricidad. En otro aspecto, se proporciona un método para generar electricidad que comprende usar el biogás generado por el método descrito en el presente documento y convertir dicho biogás en electricidad usando un generador de energía.

Si bien la invención se ha descrito anteriormente, ésta se extiende a cualquier combinación inventiva de características expuestas anteriormente o en la siguiente descripción. Aunque las realizaciones ilustrativas de la invención se describen en detalle en este documento con referencia a los dibujos adjuntos, debe entenderse que la invención no se limita a estas realizaciones precisas. Como tal, muchas modificaciones y variaciones serán evidentes para los expertos en la materia. Además, se contempla que una característica particular descrita individualmente o como parte de una realización puede combinarse con otras características descritas individualmente, o partes de otras realizaciones, incluso si las otras características y realizaciones no mencionan la característica particular. Por lo tanto, la invención se extiende a tales combinaciones específicas no descritas todavía.

Breve descripción de los dibujos

La invención se puede realizar de diversas formas y, a modo de ejemplo únicamente, se describirán ahora sus realizaciones, haciendo referencia a los dibujos adjuntos en los que:

La Figura 1 es una ilustración esquemática de un fotobiorreactor de acuerdo con una forma de realización de la invención; y

La Figura 2 es una ilustración esquemática de un sistema de tratamiento de aguas residuales de acuerdo con una forma de realización de la invención.

De acuerdo con la Figura 1, el fotobiorreactor 10 comprende una cámara 12 de tratamiento cilíndrica que comprende una entrada 14 de agua residual, seis LED 16 internos y una salida 18 de agua tratada. La cámara 12 tiene una forma sustancialmente cilíndrica. Los LED 16 son columnas alargadas. Los LED 16 se extienden sustancialmente paralelos al eje longitudinal de la cámara 12. Los LED 16 están separados entre sí dentro de la cámara para proporcionar una intensidad de luz uniforme dentro de la cámara 12.

La entrada 14 de agua residual comprende además una válvula 19 y una primera membrana 20 dispuesta en uso para mantener la esterilidad. La salida 18 de agua tratada comprende una primera salida 21 para mantener un flujo continuo de agua tratada. La cámara 12 también comprende una segunda membrana 22 que se extiende sustancialmente perpendicular al eje longitudinal de la cámara 12. La segunda membrana 22 está ubicada más cerca de la base de la cámara 12 que la primera salida 20. La segunda membrana 22 está situada a una altura entre la entrada 14 y la primera salida 20. Toda la periferia de la segunda membrana 22 está en contacto con las paredes de la cámara 12. La segunda membrana 22 se selecciona para evitar que la biomasa fluya a través de la primera salida 20.

La cámara comprende una segunda salida 24 dispuesta en uso para eliminar selectivamente una proporción de la biomasa producida dentro de dicha cámara 12 cuando dicha biomasa alcanza un nivel máximo predeterminado para mantener un cultivo continuo o sustancialmente continuo de algas dentro de dicha cámara 12. La primera salida 20 está ubicada a una distancia predeterminada por encima de la segunda salida 24. La segunda salida 24 está ubicada más cerca de la base de la cámara 12 que la segunda membrana 22.

La cámara 12 comprende además un difusor 26 de gas en la base 28 de la cámara 12. El difusor 26 está dispuesto para extenderse por toda la base 28 de la cámara 12. El difusor 26 está dispuesto para evitar zonas muertas dentro de la cámara 12 y para proporcionar depuración de gas a los lados de la cámara 12 y/o la fuente de luz interna. El aire 30 dentro de la cámara 12 fluye hacia arriba desde dicha base 28. La cámara 12 comprende además dos nanodifusores 34 de dióxido de carbono ubicados en superficies opuestas de la cámara 12.

En uso, se coloca un cultivo de algas (no mostrado) dentro de la cámara 12. El cultivo (no mostrado) se coloca hacia la base de la cámara 12 y en un lugar por debajo de la altura de la segunda membrana 22. El agua residual ingresa a la cámara 12 a través de la entrada 14. El aire se introduce a través de la base 28. El agua residual se pone en contacto con el cultivo. Los LED aportan luz al cultivo. Los LED están dispuestos para proporcionar una relación de luz roja: azul de 3:1. Los LED también están dispuestos para ser luces intermitentes de alta frecuencia y la intensidad de la luz de los LED está dispuesta en uso para aumentar a medida que aumenta la biomasa dentro de la cámara 12.

El agua tratada fluye continuamente a través de la primera salida 20. El cultivo reduce el nivel de fosfato en el agua. La segunda membrana 22 evita que la biomasa se elimine por la primera salida 20. Se determina la tasa de crecimiento de las algas, y la segunda salida 24 se usa selectivamente para eliminar una proporción de la biomasa producida dentro de la cámara 12 cuando dicha biomasa alcanza un nivel máximo predeterminado para mantener un cultivo continuo o sustancialmente continuo de algas dentro dicha cámara 12. Cuando la biomasa está por debajo del nivel predeterminado, la segunda salida 24 está en una posición cerrada. Cuando la biomasa dentro de la cámara 12 alcanza el nivel predeterminado, la segunda salida 24 se mueve a una posición abierta permitiendo que la biomasa/agua tratada fluya desde la cámara 12.

Cuando el nivel de biomasa dentro de la cámara 12 disminuya adecuadamente, la salida 24 se cerrará. Por ejemplo, se puede permitir que el 20 % de la biomasa salga de la cámara. La biomasa eliminada y el agua tratada eliminada a través de la segunda salida 24 fluyen luego a un separador (no mostrado) que separa o filtra la biomasa del agua residual tratada. Luego, la biomasa se introduce en un digestor anaeróbico. El digestor anaerobio comprende al menos una cepa bacteriana para digerir la biomasa. La biomasa se convierte dentro del digestor anaeróbico (no mostrado) en gas metano y dióxido de carbono.

Un sistema 50 de tratamiento de aguas residuales normalmente puede comprender múltiples fotobiorreactores. Como se muestra en la Figura 2, el sistema 50 de tratamiento de aguas residuales puede comprender cinco fotobiorreactores 10' como se muestra en la Figura 1. Cada uno de los fotobiorreactores 10' puede comprender además una entrada (no mostrada) para suministrar metales, tales como por ejemplo oro y cobre a la cámara 12' de tratamiento. El agua residual se introduce en las cámaras 12' de tratamiento. También se introduce una suspensión de metal en las cámaras 12' de tratamiento. Los LED 16' proporcionan una fuente de luz para el cultivo de algas. El cultivo elimina los fosfatos de las aguas residuales y también ingiere los metales para formar nanopartículas. Las primeras salidas 22' de aguas residuales de los fotobiorreactores 10' están conectadas para suministrar una corriente de agua limpia tratada. Las segundas salidas 24' de aguas residuales de los fotobiorreactores 10' están conectadas para suministrar una corriente de agua tratada y biomasa. La corriente proporcionada por las segundas salidas 24' de aguas residuales se suministra a un separador 52. El separador filtra la corriente para suministrar biomasa al digestor 54 anaeróbico y agua tratada limpia. En el digestor 54 anaeróbico, la biomasa es digerida por una cepa bacteriana. La digestión hace que las paredes celulares se rompan y liberen las nanopartículas de metal 56 para su recolección. La biomasa se convierte en metano y dióxido de carbono. El gas metano se recolecta para la producción de energía. El dióxido de carbono se recicla en el suministro del fotobiorreactor. Los fragmentos líquidos y sólidos restantes dentro del fotobiorreactor se pueden utilizar como fertilizantes líquidos y sólidos.

Aunque la invención se ha descrito anteriormente con una o más realizaciones preferidas, se apreciará que se pueden realizar diversos cambios y/o modificaciones sin apartarse del alcance de la invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un fotobiorreactor (10) para el tratamiento de aguas residuales que incluye contaminantes, comprendiendo el fotobiorreactor:

una cámara (12) de tratamiento que tiene una base (28) y una o más paredes de cámara que se extienden desde la base (28), y un eje longitudinal, la cámara de tratamiento dispuesta para recibir un cultivo de algas que tiene una biomasa;

una entrada (14) de agua dispuesta para el suministro de aguas residuales a dicha cámara (12) de tratamiento;

al menos una fuente (16) de luz provista dentro de dicha cámara (12) de tratamiento, siendo operable la o cada fuente de luz para proporcionar luz a dicho cultivo contenido dentro de la cámara (12) de tratamiento;

un difusor (26) de gas ubicado a través de la base (28) completa de la cámara (12) de tratamiento, y operable para proporcionar una corriente de aire difusa en la cámara (12) de tratamiento;

una primera salida (18) de agua dispuesta para la eliminación de agua tratada de la cámara (12) de tratamiento, donde al menos una salida (18) de agua está dispuesta además para la eliminación selectiva de una proporción de dicha biomasa del cultivo de algas producido dentro de dicha cámara (12) de tratamiento, cuando dicha biomasa alcance un nivel máximo predeterminado para mantener un cultivo continuo o sustancialmente continuo de algas dentro de dicha cámara (12) de tratamiento;

al menos una membrana ubicada dentro de la cámara, donde al menos una membrana tiene una periferia, y toda la periferia de la membrana está en contacto con una o más paredes de la cámara, y donde al menos una membrana está dispuesta entre la primera y segunda salidas para retener dicho cultivo de algas dentro de la cámara mientras permite que el agua tratada sea eliminada por dicha primera salida de agua.

2. Un fotobiorreactor como se reivindica en la reivindicación 1, en el que dicha al menos una fuente de luz tiene la forma de una columna alargada.

3. Un fotobiorreactor como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha fuente de luz comprende al menos un diodo emisor de luz (LED).

4. Un fotobiorreactor como se reivindica en la reivindicación 3, en el que al menos un LED es una luz intermitente de alta frecuencia (FLE).

5. Un fotobiorreactor como se reivindica en la reivindicación 4, en el que la luz intermitente se dispone en uso para que parpadee de modo que la relación entre el período de tiempo en el que se emite la luz y el período de tiempo en el que no se emite la luz es de aproximadamente 1:2.

6. Un fotobiorreactor como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la intensidad de luz proporcionada por la fuente de luz es variable.

7. Un fotobiorreactor como se reivindica en la reivindicación 6, en el que la al menos una fuente de luz está dispuesta en uso para proporcionar una intensidad de luz creciente durante un período de tiempo predeterminado.

8. Un fotobiorreactor como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las longitudes de onda de la luz emitida desde al menos una fuente de luz están calibradas para mejorar la fotosíntesis.

9. Un fotobiorreactor como se reivindica en la reivindicación 8, en el que al menos una fuente de luz está calibrada para proporcionar luz que tiene predominantemente una longitud de onda en la región de 620 a 645 nm.

10. Un fotobiorreactor como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que al menos una salida comprende una primera salida para eliminar el agua tratada de la cámara y una segunda salida dispuesta en uso para eliminar selectivamente una proporción de la biomasa.

11. Un fotobiorreactor como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además al menos una membrana dispuesta en uso para retener dicho cultivo dentro de la cámara mientras permite que el agua tratada sea eliminada por dicha salida y permitir selectivamente que una proporción de la biomasa pase por dicha salida cuando la biomasa dentro de dicha cámara alcanza un nivel máximo predeterminado.

12. Un fotobiorreactor como se reivindica en la reivindicación 11, en el que la al menos una salida comprende una primera salida para eliminar el agua tratada de la cámara y una segunda salida dispuesta en uso para eliminar selectivamente una proporción de la biomasa, y en el que se dispone la membrana dentro de la cámara para estar situado entre dicha primera y segunda salida.

13. Un sistema de aguas residuales que comprende al menos un fotobiorreactor como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12 y al menos un digestor anaeróbico para recibir la biomasa de la salida y al menos una bacteria, estando adaptado el digestor anaeróbico para la digestión de algas.

14. Un método para tratar aguas residuales que comprende poner en contacto un cultivo de algas con una entrada de aguas residuales en un fotobiorreactor o sistema como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13 para producir una biomasa de algas y una salida de aguas residuales tratadas.

15. Un método como se reivindica en la reivindicación 14, en el que dicho cultivo de algas se selecciona de Chlorella vulgaris, Spirulina maxima, Chlorella, Scenesmus y Chlamydomonas reinhardtii, o una mezcla de los mismos.