ES2190895B2 - Reactor biologico hibrido de membranas para tratamiento de aguas residuales industriales y urbanas. - Google Patents
Reactor biologico hibrido de membranas para tratamiento de aguas residuales industriales y urbanas.Info
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Abstract
Reactor biológico híbrido de membranas para tratamiento de aguas residuales industriales y urbanas con materia orgánica, nitrógeno, combinando la presencia de microorganismos en suspensión y en un biofilm. Consta de tres cámaras: anóxica (1); aerobia, tipo air-lift (2), y filtración (3). En las tres cámaras se mantiene el lodo microbiano en suspensión, mientras que en la cámara aerobia (2) se confina un soporte plástico granular y rugoso sobre el que crece una biopelícula con una fracción elevada de microorganismos nitrificantes y se mantiene fluidizado mediante la aplicación de una corriente de aire que se distribuye a través de difusores en la cámara. La cámara de filtración (3) incorpora módulos de membranas de ultrafiltración de fibras huecas que se utilizan para separar el agua tratada del lodo. biológico, recirculando el lodo a la cámara anóxica con objeto de mantener una concentración microbiana adecuada.
Description
Reactor biológico híbrido de membranas para
tratamiento de aguas residuales industriales y urbanas.
Reactor biológico híbrido de membranas para
tratamiento de aguas residuales industriales y urbanas con materia
orgánica y nitrogenada. Está constituido por tres cámaras: anóxica,
aerobia y de filtración de membranas. El reactor propuesto es un
sistema compacto con el que se consiguen niveles muy bajos o
despreciables de sólidos en suspensión en el efluente depurado.
Descripción del estado de la técnica de las
principales: A) Tecnologías de tratamiento biológico y procesos de
eliminación de contaminantes nitrogenados y orgánicos; y B) Sistemas
de biorreactores de membranas y reactores híbridos para el
tratamiento de aguas residuales.
Los sistemas de tratamiento biológico se utilizan
ampliamente para la eliminación de contaminantes orgánicos,
compuestos de nitrógeno y fósforo y se fundamentan en procesos
biológicos que emplean cultivos de microorganismos de diferentes
especies, fundamentalmente bacterias, hongos, algas, protozoos y
metazoos.
La eliminación de materia orgánica y nitrogenada,
en los sistemas de tratamiento biológico, se lleva a cabo mediante
dos clases de microorganismos: microorganismos heterótrofos y
bacterias nitrificantes. Los microorganismos heterótrofos se
caracterizan por usar compuestos orgánicos en su crecimiento, tanto
en condiciones aerobias (usando oxígeno como agente oxidante) o
anóxicas (reduciendo nitrito o nitrato a nitrógeno gaseoso). Las
bacterias nitrificantes oxidan amoníaco a nitrito o nitrato, en
condiciones aerobias y se caracterizan por tener menor velocidad de
crecimiento y menor tasa de producción celular que las bacterias
heterótrofas.
Los procesos tradicionales se clasifican en:
(A.1) sistemas de tratamiento de biomasa en suspensión, y (A.2)
sistemas de biopelícula. Los primeros se caracterizan porque los
microorganismos crecen formando flóculos que se ponen en contacto
con el agua residual; y los segundos porque los microorganismos
crecen sobre soportes sólidos formando agregados microbianos
denominados biopelículas o biofilms (Metcalf & Eddy Inc.
Ingeniería de Aguas Residuales, Ed. McGraw Hill, (1995); Henze et
al. Wastewater treatment, Ed. Springer, (1997)).
Los procesos de tratamiento híbrido serían una
tercera clase de sistemas que combinan la presencia de biomasa en
suspensión y biomasa formando biopelículas.
- A.1)
- En los sistemas de biomasa en suspensión destaca el proceso de lodos activos desarrollado en el Reino Unido en 1914 (Andern E. y Lockett W.T. J. Soc. Chem. Ind. 33, 523 (1914)). Consta de un reactor donde se mantiene un cultivo microbiano en suspensión en condiciones aerobias y un sedimentador para separar el agua residual tratada del lodo microbiano, recirculándolo al sistema biológico. El proceso de lodos activos se diseñó inicialmente para la eliminación de materia orgánica contaminante, pero posteriormente se desarrollaron diferentes configuraciones del proceso para la eliminación de compuestos de nitrógeno y fósforo del agua residual. Se suelen utilizar configuraciones dotadas de uno o múltiples reactores que se mantienen de forma continua o intermitente en condiciones anóxicas o anaerobias, con la finalidad de promover la eliminación adicional de estos nutrientes. Una de las limitaciones importantes del sistema es que opera con bajas concentraciones de biomasa, limitando la velocidad de conversión de contaminantes en la unidad, por lo que se deben construir unidades relativamente voluminosas. Aún así, es el proceso de tratamiento biológico más utilizado al ser robusto y fiable.
- A.2)
- En los sistemas de biofilm o biopelícula de microorganismos inmovilizados destacan: 1) filtros percoladores, 2) contactores biológicos rotatorios y 3) filtros biológicos sumergidos.
- A.2.1)
- Los filtros percoladores, utilizados desde el siglo XIX, consisten en una columna dotada con un relleno (de guijarros, piedras, listones de madera, soporte plástico, etc.) que se mantiene fijo y sobre el que crece un biofilm formado por microorganismos. En la columna, abierta por sus extremos superior e inferior; el agua residual se esparce a lo largo de todo el sistema poniendo en contacto el agua residual, las biopelículas y el aire. Las principales aplicaciones de los filtros percoladores son la eliminación de materia orgánica y el tratamiento de nitrificación biológica. No se recomienda su utilización cuando se requiera eliminar nitrógeno del agua residual.
- A.2.2)
- Los contactores biológicos rotatorios, conocidos como biodiscos, están formados por un soporte de discos plásticos de alta superficie específica sobre los que crece una biopelícula; los discos, acoplados a un eje rotatorio, se hallan sumergidos parcialmente en el agua residual. La rotación de los discos permite la correcta transferencia de oxígeno desde el aire a la biopelícula y facilita el contacto de la biopelícula con los contaminantes presentes en el agua residual. El proceso de biodiscos se originó en la Technical University of Stuttgart (Alemania) en 1955 y la primera planta a escala industrial se puso en marcha en EE. UU. en 1969. Los biodiscos presentan el mismo inconveniente que los filtros percoladores, por lo que se usan poco si hay que eliminar nitrógeno.
- A.2.3)
- El principio de operación de los filtros biológicos sumergidos es semejante al de los filtros percoladores, aunque en estos sistemas se inunda totalmente la columna conteniendo el soporte con agua residual. El suministro de aire, si se precisase, se garantiza mediante la inyección de aire y existen también unidades que operan en condiciones anóxicas para la desnitrificación. Los soportes para el crecimiento de las biopelículas son materiales orgánicos como polietileno, poliestireno, poliuretano, partículas granulares de arcilla expandida, partículas de puzolana, arena, u otros materiales con tamaños comprendidos generalmente entre 1 y 5 mm. Los primeros biofiltros a escala industrial fueron desarrollados en los años 70 en Francia usando arcillas expandidas como soporte (Lazarova y Manem, Biofilms II: Process Analysys and Applications, Editor James E. Bryers, (2000)). Algunos de estos sistemas utilizan soportes plásticos granulares, con una densidad ligeramente menor que la del agua, (patentes FR2707183 y WO9713727) sobre los que crece una biopelícula, lo que permite fluidizar dichos soportes de forma sencilla introduciendo un flujo de gas en el sistema. Los biofiltros sumergidos son unidades muy compactas que se utilizan con diversos fines: eliminación anaerobia, desnitrificación y/o oxidación aerobia de materia orgánica así como nitrificación de amonio en aguas residuales, y poseen velocidades de eliminación de contaminante relativamente elevadas. Uno de los problemas más generales para su aplicación se deriva de la mayor complejidad técnica.
Los sistemas híbridos se caracterizan por
combinar la presencia de biomasa en suspensión con biomasa
inmovilizada en un soporte en el mismo sistema, lo que permite
mantener concentraciones de biocatalizador más elevadas que las que
se usan en reactores de biomasa en suspensión, esta peculiaridad
constituye una ventaja, ya que se puede depurar el agua residual en
equipos híbridos más compactos que los clásicos sistemas de lodos
activos. Además, existe la posibilidad de transformar las plantas de
lodos activos ya construidas en plantas de sistemas híbridos
realizando pequeñas modificaciones en la obra civil y añadiendo un
soporte adecuado para aumentar la capacidad de tratamiento de la
planta.
Los reactores híbridos están adquiriendo cada vez
mayor importancia en la depuración de aguas residuales con materia
orgánica y nitrógeno, ya que conjugan la robustez de los sistemas de
lodos activos con la mayor capacidad de depuración de los sistemas
de biopelículas.
Ejemplos de sistemas híbridos son la patente
US5061368 y las referencias bibliográficas (Andreottola et al.;
Münch et al.; Ødegaard et al.; Wat. Sci. Technol. v 41, nº
4-5, (1999)) que utilizan soportes plásticos como
los descritos en las patentes US5458779, US5543039 y US6126829 para
mejorar el rendimiento de diversos reactores biológicos en las que
crece biomasa tanto en suspensión como en biofilms.
La patente US5061368 emplea un sistema híbrido
que alterna cámaras anaerobias y anóxicas, manteniendo biomasa en
suspensión en todo el sistema y biomasa inmovilizada en cubitos de
un gel retenidas en cámaras aerobias nitrificantes. Una desventaja
de este sistema es que inmoviliza de forma artificial
microorganismos nitrificantes en cubitos de gel de polietilenglicol
que hay que reponer periódicamente para suplir aquellas partículas
de gel que se rompen o desgastan, por lo que es preciso fabricar
nuevos cubitos de gel, no solo durante la etapa de puesta en marcha,
sino también durante la operación en continuo del sistema. Además,
no se pueden aplicar velocidades de carga muy elevadas ya que pueden
causar la ruptura de los cubitos de gel por el aumento de la
velocidad de crecimiento de los microorganismos inmovilizados.
Otro inconveniente de los sistemas descritos en
las publicaciones mencionadas anteriormente, son los que pueden
surgir de la aplicación de velocidades de carga orgánica elevadas,
así como de las propias características
físico-químicas del agua residual, que pueden
afectar negativamente a las propiedades de sedimentabilidad del
fango que se genera en los sistemas biológicos y por tanto puede
afectar negativamente a la separación, mediante sedimentadores, de
sólidos del agua tratada. Los sistemas híbridos mencionados utilizan
sedimentadores por lo que, para determinadas aplicaciones y en
determinadas condiciones, su eficiencia se puede ver afectada por
una incorrecta separación de los sólidos del agua tratada.
La primera cita sobre la utilización de sistemas
de membrana data de 1969. Se utilizó una membrana de ultrafiltración
para la separación del agua residual tratada de la biomasa en un
sistema de lodos activos. La combinación de las dos tecnologías ha
llevado al desarrollo de tres grupos de procesos biológicos de
membranas: i) separación líquidosólido mediante membranas para la
retención de la biomasa en reactores biológicos; ii) utilización de
membranas permeables a un compuesto gaseoso para la transferencia de
oxígeno sin burbujeo en reactores; iii) proceso de membranas
extractivo aplicado para la eliminación de compuestos orgánicos
degradables en aguas residuales industriales problemáticas (Brindle
K. and Stephenson T., Biotechnol. Bioeng. 49,
601-610, (1996)). Destacar que el sistema híbrido de
membranas propuesto en nuestra invención es una aplicación novedosa
más del primer grupo (i), donde se utilizan sistemas de filtración
de membranas para la separación del agua residual de los
microorganismos.
La mayor parte de los sistemas de tratamiento
biológico que utilizan membranas en la actualidad, son
modificaciones del proceso de lodos activos, donde se ha sustituido
el sedimentador secundario, empleado en los procesos tradicionales,
por unidades de filtración de membranas para la separación de los
microorganismos en suspensión del agua tratada en reactores de
biomasa en suspensión. Las membranas que se han utilizado para este
fin son membranas de microfiltración o ultrafiltración fabricadas
con materiales orgánicos o inorgánicos dispuestos en módulos de
fibras huecas, de placas o tubulares que se pueden colocar dentro o
fuera del reactor biológico (Günder B. and Krauth K., Wat. Sci.
Technol., vol 38, pp 382-393 (1998); Buisson H. et
al. Wat. Sci. Technol. 37(9), pp. 89-95
(1998); Günder B. and Krauth K., Wat. Sci. Technol., vol 40, pp
311-320 (1999), Ghyoot W. and Verstraete W., Wat.
Res., 34, pp. 205-215, (2000)). Asimismo, existen
diversas patentes que se basan en la utilización de diferentes
módulos de filtración de membranas que se pueden o podrían usar en
la separación del agua residual tratada en biorreactores de biomasa
en suspensión (patentes US5558774 y US6303035).
La presente invención supone mejoras en los
sistemas para el tratamiento biológico de aguas residuales, en
general, y reactores híbridos, en particular. Una de las principales
características del reactor híbrido propuesto es la de confinar
partículas de un soporte granular plástico en la cámara aerobia, con
densidad ligeramente menor a la del agua. Este soporte no rompe ni
se deteriora por el uso en el sistema; además no va a romper por
crecimiento de la biomasa en el mismo (como puede ocurrir en
sistemas que utilizan microorganismos inmovilizados en el seno de
geles poliméricos) ya que el crecimiento se limita a la superficie
del soporte plástico. De esta forma se ahorra también la necesidad
de disponer de un stock de partículas de gel con
microorganismos.
Otra ventaja es la utilización de un sistema de
filtración de membranas de fibras huecas. Como se mencionó, en los
sistemas híbridos que utilizan sedimentadores para separar el agua
depurada del lodo biológico, la eficiencia de la separación depende
de las propiedades de sedimentabilidad del lodo, y puede empeorar si
se aplican cargas contaminantes elevadas en el sistema. El sistema
de filtración de membrana propuesto independiza el proceso de
separación del agua residual tratada y el lodo de las propiedades de
sedimentabilidad, por lo que se pueden aplicar velocidades de carga
más elevadas sin riesgo de sufrir problemas de operación del
sistema. Además, se evita el posible lavado del fango del reactor
biológico.
La instalación de unidades de filtración de
membrana en el reactor híbrido hace posible la obtención de un
efluente con niveles bajos de sólidos en suspensión, que cumpliría
los requerimientos de vertidos más exigentes de este contaminante,
disminuye notablemente el vertido de microorganismos con el efluente
(incluidos patógenos y otros vectores sanitarios); además, es
apropiado para vertidos en las proximidades de zonas de cultivos
marinos o piscifactorías y de zonas de captación de aguas utilizadas
para el riego o la producción de agua potable.
En el reactor biológico propuesto se confina el
soporte granular plástico con las biopelículas en la cámara aerobia,
usando dispositivos de separación que permiten el paso libre del
licor de mezcla, con los microorganismos en suspensión entre las
tres cámaras de las que consta la unidad.
Con esta propuesta es posible operar el sistema
con un lodo en suspensión que contiene una fracción elevada de
microorganismos heterótrofos precisados para desnitrificar en la
cámara anóxica y eliminar restos de materia orgánica soluble que
pudiesen llegar a la cámara aerobia; así se limita el crecimiento de
bacterias heterótrofas en el biofilm, se incentiva el crecimiento de
bacterias nitrificantes en el biofilm y por ello se evita que se
inhiba o reduzca la capacidad nitrificante de la biopelícula que
crece sobre el soporte plástico. Todo esto permite que se pueda
aplicar y operar con velocidades de cargas orgánicas (kg
DQO/m^{3}.d) y nitrogenadas (kg
N-NH_{4}^{+}/m^{3}.d) relativamente elevadas y
mayores que la de sistemas anteriormente mencionados, sin que se
sufran por ello disminuciones de eficiencia de depuración o
problemas debidos a la ruptura o colmatación del soporte por el
crecimiento de la biomasa.
Las figuras 1-5 representan el
reactor biológico híbrido de membranas:
Esquema del reactor constituido por las tres
cámaras: cámara anóxica (1), cámara aerobia (2), y cámara de
filtración (3).
Perspectiva tridimensional del reactor, mostrando
las tres cámaras, las dos placas deflectoras (7) de la cámara
aerobia, canal de recirculación del agua residual (18) y rebosadero
(17). Se ha destacado la obra civil, omitiendo equipos
auxiliares.
Forma y disposición de la conducción de paso del
licor de mezcla (6) desde la cámara anóxica (1) a la cámara aerobia
(2).
Pozos de captación (10 y 10') del licor de mezcla
de la cámara aerobia (2) a la cámara de filtración (3). La
conducción (11) se utiliza para el transporte del agua residual
entre las cámaras.
Sección AA' (en figura 1) que muestra un
dispositivo de impulsión del licor de mezcla desde la cámara de
filtración a la cámara anóxica, mostrando el agitador centrífugo
(15), la conducción (16) y el canal de recirculación (18).
Las figuras 1 y 2 representan las características
esenciales del sistema. Consta de tres cámaras: cámara anóxica (1);
cámara aerobia, tipo air-lift (2); y cámara de
filtración (3). En las tres cámaras se mantiene el lodo microbiano
en suspensión. En la cámara aerobia (2) se confina, además, un
soporte plástico granular y rugoso de densidad inferior a la del
agua, sobre el que crece una biopelícula con una fracción elevada de
microorganismos nitrificantes. El sistema incorpora en su cámara de
filtración (3) módulos de membranas de ultrafiltración de fibras
huecas (12) que se utilizan para separar el agua tratada del lodo
biológico, recirculando el lodo de esta cámara a la anóxica (1).
La figura 1 muestra como se introduce el agua
residual en la cámara anóxica (1) a través de la conducción ubicada
en la parte superior de la misma (4) mezclándose el influente con el
licor de mezcla presente en la cámara. La homogeneidad de la mezcla
formada por microorganismos en suspensión y agua residual se
garantiza utilizando un dispositivo adecuado de agitación mecánica
(5), como un acelerador de flujo o agitador mecánico.
En la cámara (1) se produce la desnitrificación
biológica por la que parte de los aniones de nitrógeno presentes en
el agua se reducen a nitrógeno gaseoso, mediante el biocatalizador
presente, efectuándose además, la eliminación de una fracción
elevada de los contaminantes orgánicos en la reacción de
desnitrificación y la adsorción de compuestos orgánicos solubles, de
forma que se consigue eliminar parte de la materia orgánica del agua
que de otra forma, podría ser asimilada por las biopelículas
presentes en la cámara aerobia (2).
La conducción de la figura 3 permite el paso del
licor de mezcla desde la cámara anóxica (1) a la aerobia (2). Esta
vía de paso está formado por una o más conducciones de sección
circular (6) por las que circula el licor de mezcla procedente de
(1) hacia (2). El diseño de la conducción en ángulo se plantea de
forma que se limite la retromezcla del fluido entre las cámaras y
minimice o impida tanto la entrada de soporte de la cámara aerobia
(2) a la cámara anóxica (1) como la deposición de lodo en el mismo.
La inclinación del tramo inclinado del tubo con respecto al tramo
horizontal del mismo estará comprendida entre 20º y 90º.
La cámara aerobia (2) es un dispositivo tipo
air-lift en el que se instalan dos placas
deflectoras o bafles que dividen esta cámara en tres secciones
rectangulares (figuras 1 y 2): una sección central denominada riser
o tiro, que dispone en su parte inferior de difusores por los que se
distribuye aire, y dos secciones en los laterales denominadas
bajantes o down-comers. En esta cámara aerobia (2)
se confina un soporte granular rugoso de plástico con una densidad
del 5% al 15% menor que la del agua, tamaño de las partículas de
soporte comprendido entre 1,5 y 5 mm y sobre las cuales crece la
biopelícula. Se recomienda la utilización de soporte rugoso de
polietileno de alta densidad con las características descritas
anteriormente, o como las descritas en las patentes FR2707183 y
WO9713727 que utilizan un soporte plástico granular para el
tratamiento de aguas residuales en sistemas biológicos de biofilm o
biopelícula, diferentes al reactor biológico híbrido de membrana que
se propone en nuestra invención. La fracción de volumen de soporte
en esta cámara estará comprendida entre el 15 y el 25% v/v, según
aplicación.
En la cámara aerobia la introducción del flujo de
aire necesario se realiza desde la conducción de suministro de aire
(8) hacia una batería de difusores (9), montados en parrilla,
ubicada en la parte inferior de la sección de tiro. El flujo de aire
será el adecuado para asegurar la transferencia del oxígeno
necesario para que se produzcan las reacciones bioquímicas que
tienen lugar y para mantener la circulación del soporte plástico y
el licor de mezcla en la cámara aerobia.
El correcto funcionamiento del reactor híbrido
exige que el soporte granular plástico utilizado quede confinado en
la cámara aerobia (2). Para evitar salidas del soporte granular
plástico hacia la cámara de filtración (3) se coloca un dispositivo
con el que se realiza la separación del licor de mezcla del soporte
plástico (Figuras 1 y 4) en el extremo inferior de la zona de tiro
(10) anexa a la cámara de filtración (3). El dispositivo de
separación está formado por un pozo de sección rectangular (10) que
dispone de un tubo de sección circular (11) que comunica la cámara
aerobia con un segundo pozo (10') ubicado en la cámara de filtración
de membranas. El tubo utilizado se caracteriza por tener el extremo
situado en el pozo 10 cerrado y el otro extremo abierto hacia el
pozo 10' y una ranura longitudinal de sección rectangular, orientada
hacia abajo, por la que pasa el licor de mezcla de 10 hacia 10', de
esta forma se capta el licor de mezcla que fluye desde la cámara
aerobia (2) a la cámara de filtración (3), evitando así la succión y
transporte de partículas plásticas de soporte hacia (3). La solera
de los pozos (10 y 10') de las cámaras (2) y (3) se construyen con
una pendiente comprendida entre 20 y 45º, con objeto de minimizar
los depósitos de lodos en estas zonas (Sección BB', Figura 4).
El agua residual tratada se separa (como
permeado) del licor de mezcla en la cámara (3) utilizando unos
casetes que disponen de los módulos de filtración de membrana de
fibras huecas. Los casetes se sumergen en el seno del licor de
mezcla, de forma que la parte externa de las membranas de filtración
se encuentren en contacto con el lodo mientras que la parte interna
de las fibras se haya en contacto con el efluente filtrado que se
evacua, a través de una conducción conectada a una bomba centrífuga
(13), Figura 1. Se recomienda la utilización de módulos de
ultrafiltración o microfiltración de membrana de fibra hueca
fabricados en polisulfonas, polipropileno o cualquier otro polímero
orgánico adecuado. Dichos módulos irán montados en casetes o
estructuras rectangulares, y con sistemas de limpieza de la membrana
adecuados, mediante inyección de corriente de aire, retro lavado con
el permeado o cualquier otro sistema recomendado para la aplicación.
Se recomienda el uso de módulos de filtración de membranas ZeeWeed®
de la casa Zenon Environmental Inc. o equivalentes.
En la cámara de filtración (3) se purga de forma
controlada el exceso de lodos que se genera a través de una
conducción que parte de la cámara de filtración (3) y se acopla a la
bomba (14), Figura 1.
Para la recirculación del lodo retenido en la
cámara de filtración (3) hacia la cámara anóxica (1) se procederá a
utilizar un dispositivo de recirculación de fangos (figura 1 y
figura 5) formado por un impulsor centrífugo de flujo horizontal
(15) que dirige a través de la conducción (16) una corriente de
licor de mezcla desde la cámara de filtración (3) a un canal de
recirculación (18) ubicado en un lateral del sistema (figura 2 y
figura 5). El lodo se recircula a través de este canal descargando
el licor de mezcla en la cámara anóxica (1) a través de un
rebosadero rectangular (17).
De acuerdo con la presente invención, el tamaño
del reactor depende tanto del caudal de agua residual a tratar como
de las características intrínsecas del propia agua residual
(concentración de contaminantes, temperatura, presencia de
sustancias inhibidoras o tóxicas para los procesos biológicos) las
cuales van a incidir en la velocidad de carga de contaminante que se
recomendará para el diseño del reactor.
Para el caso de aguas residuales urbanas e
industriales con componentes orgánicos fácilmente biodegradables, la
velocidad de carga orgánica está comprendida entre 2,5 y 7
kg/m^{3}.d de DQO; la velocidad de nitrificación, referida a la
cámara aerobia, está comprendida entre 0,5 y 1,5 kg/m^{3}.d de
N-NH_{4}^{+}; y la velocidad de desnitrificación,
referido al volumen de la cámara anóxica (1), está comprendida entre
0,5 y 1,2 kg/m^{3}.d de N-NO_{x}^{-}.
El diseño del reactor estará formado por tres
cámaras, preferentemente de sección rectangular, u otras formas
geométricas diferentes combinadas (ovalado, circular, etc.). La
relación entre los volúmenes de las tres cámaras, referido al
volumen total del reactor, será del 45% para la cámara anóxica (1),
45-50% para la cámara aerobia (2), y
5-10% para la cámara de filtración de membranas
(3).
Los módulos de filtración de membrana de fibra
hueca tendrán las características y especificaciones recomendadas
anteriormente.
Para el cálculo de la superficie del módulo de
membranas que se precisa, es necesario contactar con el proveedor o
fabricante de dicho módulo. Como orientación indicar que los módulos
recomendados tienen una capacidad para filtrar, en condiciones de
operación estacionarias, entre 20 y 30 L de efluente permeado por
metro cuadrado de membrana y hora de operación.
Caudal de agua residual afluente 21 m^{3}/h;
concentración de DQO total medida a la entrada del sistema 1900
mg/L, concentración de amonio 300 mg
N-NH_{4}^{+}/L.
La relación de recirculación utilizada sería de
3. La concentración de oxígeno disuelto en la cámara aerobia sería
superior a 3 mg/L, mientras que en la cámara anóxica la
concentración de oxígeno se mantendría por debajo de 0,3 mg/L. La
carga de amonio en la sección aireada limita el volumen del sistema,
y se establece en 1,0 kg N-NH_{4}^{+}/m^{3}.d.
La carga de materia orgánica en el sistema sería de 2,9 kg
DQO/m^{3}.d. El volumen total del reactor sería de 14 m^{3}, y
considerando que los porcentajes del volumen total de la cámara
anóxica, aerobia y del compartimento de membrana son de 45%, 45% y
10% del volumen total, corresponderían 6,3 m^{3} al tanque
aerobio, 6,3 m^{3} al tanque anóxico, y el compartimento de la
unidad de membrana un volumen de 1,4 m^{3}. Se precisa un volumen
de 1,26 m^{3} (20% v/v) de soporte granular plástico, con las
características previamente indicadas, para promover el crecimiento
de biopelículas nitrificantes en la cámara aerobia.
El sistema es capaz de nitrificar el 98% de la
carga de amonio que se aplica al sistema (0,98 kg
N-NH_{4}^{+}/m^{3}.d), la eliminación de
nitrógeno alcanza 86%, mientras que la eliminación de la DQO total
en el sistema (volumen total) resulta ser el 92% (2,7 kg
DQO/m^{3}.d).
Claims (7)
1. Reactor biológico híbrido de membranas para
tratamiento de aguas residuales industriales y urbanas, que está
compuesto de tres cámaras: cámara anóxica (1), cámara aerobia (2) y
cámara de filtración de membranas (3); las cámaras son de sección
rectangular o cualquier otra forma geométrica; caracterizado
porque la cámara anóxica (1) está dotada de uno o varios agitadores
mecánicos, un rebosadero de sección rectangular en uno de sus
laterales. Sobre la cámara anóxica se descarga un agua residual
influente a través de una conducción ubicada en la parte superior de
la cámara. En la cámara anóxica se pone en contacto el agua
residual influente con el licor de mezcla y una corriente de lodo
recirculado desde la cámara de filtración de membranas (3),
eliminándose nitrato y una fracción de la materia orgánica
presente. El reactor es de aplicación en depuración de materia
orgánica y nitrogenada, y eliminación de sólidos en suspensión.
2. Reactor, según la reivindicación 1,
caracterizado por conducto(s) angular(es) de
sección circular(es) que comunica(n) la cámara anóxica
(1) con la cámara aerobia (2). El conducto tiene la forma de tubo
en ángulo con dos tramos: uno horizontal y otro con una inclinación
comprendida entre 20 y 90° respecto al primer tramo.
3. Reactor, según la reivindicación 1,
caracterizado porque la cámara aerobia (2) de tipo airlift,
dispondrá de un soporte granular plástico para el crecimiento de
biopelículas. La cámara está dotada de dos placas deflectoras o
bafles, que dividen la cámara en tres secciones, la sección central
aireada y las otras dos secciones laterales no aireadas, que se
comunican entre sí tanto a través de la parte inferior como
superior de la cámara. En la parte inferior de la sección aireada
se dispondrá una parrilla de difusores. En la cámara aerobia se
suministra una corriente de aire a través de la parrilla de
difusores, para homogeneizar el licor de mezcla y las partículas de
soporte granular plástico y para transferir el oxígeno que se
precisa en las reacciones bioquímicas que tienen lugar, oxidación
de materia orgánica y reacción de nitrificación biológica. La
corriente de aire induce la circulación del soporte y el licor de
mezcla desde la sección central aireada, en sentido ascendente, y
las dos secciones laterales, en sentido descendente.
4. Reactor, según las reivindicaciones 1 y 3,
caracterizado por un soporte granular rugoso de plástico de
polietileno de alta densidad o material plástico con
características equivalentes, con una densidad del 5 al 15% menor
que la del agua, tamaño comprendido entre 1,5 y 5 mm. El volumen
del soporte, ubicado en la cámara aerobia, estará comprendido entre
el 15 y el 25% v/v, referido al volumen de la cámara aerobia, según
aplicación. Sobre dicho soporte crece una biopelícula con un
actividad nitrificante elevada que apenas varía con la carga
orgánica y condiciones de operación.
5. Reactor, según las reivindicaciones 1, 3 y 4,
caracterizado por un dispositivo de separación entre el
licor de mezcla y el soporte granular plástico: El dispositivo se
ubica por debajo de la parrilla de difusores de la cámara aerobia,
y se encuentra anexo a la cámara de filtración. El dispositivo, en
uno de sus lados, está dotado de un pozo de sección rectangular, y
en otro de sus lados tiene una pendiente de la solera comprendida
entre 20 y 45°. El dispositivo dispone de un tubo que comunica el
pozo de la cámara aerobia con otro pozo similar ubicado en la
cámara de filtración (3). El tubo tiene un extremo cerrado (en la
cámara aerobia) y otro abierto (hacia la cámara de filtración) y
posee una ranura longitudinal abierta y orientada hacia abajo en el
pozo de la cámara aerobia.
6. Reactor, según la reivindicación 1,
caracterizado porque la cámara de filtración (3) está dotada
de módulos de ultrafiltración o microfiltración de membranas de
fibras huecas, fabricadas en polisulfonas, polipropileno o
cualquier otro polímero adecuado. Dichos módulos irán montados en
casetes o estructuras rectangulares dotadas de sistemas de limpieza
de membranas adecuados, mediante corriente de aire, retro lavado
con permeado o cualquier otro sistema que recomiende el fabricante
de los módulos de filtración de membranas, y que sea compatible con
la aplicación. El agua residual depurada se filtra con ayuda de una
o más bombas centrifugas conectadas a los módulos de filtración de
membranas. Se recomienda el uso de módulos de filtración de
membranas ZeeWeed® de la casa Zenon Environmental Inc. o
equivalentes. La cámara de filtración se dotará con una línea de
purga de fangos, que consiste de una conducción conectada a una
bomba, a través de la cual se purga periódicamente el lodo
generado. La cámara de filtración dispondrá de un impulsor de flujo
horizontal, y de una conducción ubicada en un lateral de la cámara
con un extremo enfrente del impulsor de flujo horizontal.
7. Reactor, según las reivindicaciones 1 y 6,
caracterizado por un dispositivo de recirculación de fangos
desde la cámara de filtración de membranas (3) hacia la cámara
anóxica (1), constituido por un impulsor de flujo horizontal
enfrentado a un extremo de una conducción ubicada en un lateral de
la cámara anóxica, que conecta ésta a un canal rectangular
instalado en uno de los laterales superiores del reactor. El canal
rectangular se prolonga desde la cámara de filtración hasta la
cámara anóxica y dispone de un rebosadero anexo a la cámara anóxica.
El licor de mezcla o lodo retenido en la cámara de filtración se
recircula, utilizando el impulsor de flujo horizontal que conduce
el lodo por la conducción hacia el canal de recirculación. El licor
de mezcla retorna a la cámara anóxica a través del rebosadero
ubicado en el canal de recirculación.
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