ES2212895B1 - Reactor biologico integrado de lecho fijo ordenado. - Google Patents
Reactor biologico integrado de lecho fijo ordenado.Info
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Abstract
El reactor biológico integrado de lecho fijo ordenado es un sistema de depuración de aguas residuales para eliminar simultáneamente materia orgánica y nitrógeno por combinación de procesos aerobios y anaerobios. Consiste en un recipiente vertical (Figura 1) en cuyo interior se coloca el relleno de flujo vertical sobre el que se adhiere, la biomasa. La introducción de gas oxigenado por una parte del fondo del recipiente permite diferenciar dos zonas: oxigenada y no oxigenada. La recirculación interna, debida al efecto air-lift, combina los procesos biológicos implicados en la eliminación de materia orgánica y nitrógeno. Las campanas colocadas sobre la sección no oxigenada recogen el biogás generado en el proceso anaerobio. Por integrar las etapas anaerobias y aerobias, proporciona efluentes de calidad, reduciendo el coste energético, la producción de fango, los requerimientos de espacio y los costes de instalación de los sistemas combinados existentes. El relleno ordenado evita problemas deobturación.
Description
Reactor biológico integrado de lecho fijo
ordenado.
La presente invención se enmarca en el sector de
sistemas de tratamiento de aguas residuales, concretamente entre los
tratamientos biológicos.
Existen numerosos tipos de reactores para el
tratamiento biológico de aguas residuales. Los procesos aerobios
producen efluentes de alta calidad y permiten la oxidación de
nitrógeno amoniacal. Sin embargo, su capacidad de tratamiento está
limitada por la velocidad de disolución de oxígeno, la aireación
supone un consumo energético importante y la producción de fangos
en exceso es elevada. Los procesos anaerobios permiten tratar
cargas contaminantes mucho mayores, generan metano y convierten el
nitrógeno oxidado en nitrógeno gas.
En el campo de la depuración anaerobia de aguas
residuales para la eliminación única y exclusivamente de materia
orgánica se ha desarrollado un reactor anaerobio de película fija
con relleno ordenado, adecuado para el tratamiento de aguas
residuales con elevado contenido de sólidos en suspensión.
La combinación de procesos aerobios, anóxicos y
anaerobios permite la eliminación óptima de carbono y la
eliminación de nitrógeno mediante la secuencia de etapas de
nitrificación y desnitrificación.
La eliminación simultánea de carbono y nitrógeno
se ha realizado mediante combinaciones de varios reactores aerobios
y anaerobios, cada uno de ellos de distintos tipos, o mediante
reactores que integran los procesos implicados.
Dentro de estos últimos los más habituales son
reactores de cultivo suspendido, que pueden ser continuos
compartimentados, como el Bardenpho y el A/O, o discontinuos
secuenciales, conocidos como SBR.
En lo que se refiere a reactores con cultivo
inmovilizado destaca el reactor integrado
aerobio-anaerobio de lecho fluidizado. En este
sistema el gas oxigenado se introduce a una altura intermedia del
reactor. Presenta el inconveniente de que el biogás que se genera
en la región anaerobia, situada en la parte inferior, se mezcla y
diluye con el gas oxigenado que se introduce en la región aerobia,
situada por encima de la anterior, impidiendo su aprovechamiento
energético.
Nuestra propuesta es conceptualmente diferente al
utilizar, frente al lecho móvil fluidizado, un lecho fijo con
módulos de relleno ordenado de flujo vertical. Pero especialmente
porque la introducción del gas oxigenado se realiza por el fondo
del reactor, sin abarcar toda su sección horizontal, lo que hace
que las regiones aerobia y anaerobia sean paralelas, evitando la
mezcla del biogás con el gas oxigenado.
Finalmente, la introducción de gas oxigenado en
una parte de la sección del reactor crea corrientes características
conocidas como de air-lift. La velocidad
ascensional del agua en la región oxigenada es notablemente mayor
que la debida a la alimentación de agua residual, lo que provoca
que parte del agua que alcanza la parte superior retorne a través
de la zona no oxigenada por la que circula en sentido descendente.
El resultado es que el nitrato generado en la nitrificación aerobia
es recirculado a la región no oxigenada, en la que es convertido en
nitrógeno molecular gaseoso por desnitrificación. Esta
recirculación puede llegar a sustituir al circuito de recirculación
externo imprescindible en el reactor integrado
aerobio-anaerobio de lecho fluidizado.
El dispositivo que se propone es un recipiente
vertical en cuyo interior se colocan módulos de relleno ordenado de
flujo vertical que actúan como soporte para la adhesión de la
biomasa, lo que le convierte en un reactor biológico de cultivo
adherido.
Un conjunto de difusores de burbuja fina
introduce gas oxigenado por el fondo del reactor, con la
particularidad de dispersarse por sólo una parte de su sección
transversal, lo que permite diferenciar dos zonas: la oxigenada, en
la que tienen lugar procesos aerobios, y la no oxigenada, en la que
tienen lugar procesos anaerobios y anóxicos.
El agua residual se introduce por la parte
superior de la zona no oxigenada, por la que circula en sentido
descendente. En esta zona, por entrar el agua residual, la
concentración de materia orgánica es elevada, lo que favorece el
proceso de metanogénesis, y garantiza la disponibilidad de materia
orgánica, necesaria para la desnitrificación.
El agua residual, que ha circulado en sentido
descendente por la región no oxigenada, pasa a la zona oxigenada
por la que circula en sentido ascendente. En esta zona la materia
orgánica, que no ha sido digerida en la región anterior, se elimina
por oxidación y tiene lugar el proceso de nitrificación por el que
el nitrógeno orgánico y amoniacal se oxida a nitrito y nitrato.
La inyección de gas oxigenado en la zona
oxigenada da lugar al efecto air-lift, circulación
ascendente del agua acompañando a la nube de burbujas del gas
oxigenado. Este efecto air-lift da lugar a
corrientes de recirculación interna: agua que asciende por la
región oxigenada y retorna por la región no oxigenada por la que
circula en sentido descendente. De esta forma el nitrógeno oxidado
sufre el proceso de desnitrificación, lo que a su vez rebaja los
costes de oxigenación por permitir que parte de la materia orgánica
contenida en el agua residual sea eliminada de forma
anóxica.
anóxica.
El hecho de que la recirculación se encuentre
asociada a la propia inyección del gas oxigenado permite reducir
los costes de instalación y energéticos propios de los circuitos de
recirculación externos, imprescindibles en otros sistemas de
tratamiento.
Solamente cuando la recirculación interna sea
insuficiente para alcanzar los niveles de eliminación de nitrógeno
exigidos, el sistema se completará, con un circuito de
recirculación externo opcional que retorna el agua de la región
oxigenada a la región no oxigenada.
La extensión de la zona oxigenada puede ser
variable. La instalación de llaves de paso en la parrilla de
difusores permite fijar la extensión de la superficie oxigenada en
el valor deseado.
El volumen de la zona oxigenada y la cantidad de
oxígeno a introducir deben calcularse por los métodos
convencionales, en función de la concentración de materia orgánica
y nitrogenada, y el rendimiento que se desea alcanzar.
La variación de la extensión de la superficie por
la que entra el gas oxigenado permite adaptar el sistema a
distintos tipos de agua, con distintas relaciones
carbono-nitrógeno, o a distintos objetivos de
tratamiento, que incluso podrían ser variables a lo largo del
tiempo en el caso de vertidos estacionales.
Las ventajas del sistema se indican a
continuación:
- \bullet
- Elimina simultáneamente materia orgánica y nitrógeno.
- \bullet
- El biogás generado en la zona anaerobia puede ser aprovechado, lo que no ocurre en los actuales sistemas integrados en los que los que se mezcla y diluye con el gas oxigenado.
- \bullet
- Sólo una parte de la materia orgánica se elimina por vía aerobia, lo que reduce los costes de oxigenación, desaparecen las limitaciones de carga asociadas a la disolución del oxígeno y se reducen los costes de gestión de los fangos en exceso.
- \bullet
- El cultivo adherido garantiza la retención de biomasa, evitando los problemas derivados de la pérdida de biomasa, característicos de los reactores de cultivo suspendido.
- \bullet
- La disposición ordenada del soporte evita su obturación por acumulación de sólidos, habitual en filtros desordenados.
- \bullet
- La extensión de la zona oxigenada se puede variar, lo que permite adaptar el sistema a las características del agua y a los objetivos de tratamiento.
Figura 1. Diagrama de flujo del proceso (el
significado de los números está recogido en el modo de realización
de la invención).
Figura 2. Perspectiva de los tubos empleados como
material de relleno en el ejemplo de realización recogido en el
modo de realización de la invención.
El proceso descrito se representa en el diagrama
de flujo recogido en la figura 1. Las características principales
de la instalación y su modo de operar se describen a
continuación.
En la figura 1 se representa el cuerpo del
reactor en el que se aloja el material de relleno ordenado de flujo
vertical [1]. En la parte inferior una parrilla, enrejado o placa
perforada [2] sostiene el material de relleno, quedando en la parte
inferior un espacio libre en el que se sitúa la parrilla de
difusores [3] por los que se introduce el gas oxigenado.
El agua residual entra en el reactor, impulsada
por una bomba [4] por la parte superior de la región no oxigenada
[1], por la que circula, a través del material de relleno, en
sentido descendente. El agua que sale de la región no oxigenada
pasa a la región oxigenada [5] por la que circula en sentido
ascendente. El agua tratada, efluente, abandona el reactor por la
parte superior de la región oxigenada.
Sobre la zona no oxigenada se sitúan las campanas
de recogida de biogás [6]. Unas pequeñas placas deflectoras [7]
canalizan el biogás a las campanas evitando la entrada del gas
oxigenado.
Las flechas indican el sentido en el que circula
el agua en el interior del reactor. Se representa con trazo
discontinuo el circuito de recirculación externo opcional [8],
dotado con una bomba de recirculación [9] que retorna a la región
no oxigenada parte del agua que sale del reactor.
A título ilustrativo, se presentan las
características de un dispositivo como el descrito probado
experimentalmente en una instalación prototipo
piloto-industrial. Las principales características
de éste prototipo se describen a continuación.
El sistema consta de un recipiente vertical de
\hbox{1.8 m ^{3} } de volumen útil, en el que se aloja
el material de relleno ordenado de flujo vertical que, en la
instalación que se describe, son tubos corrugados de PVC de 22 mm de
diámetro colocados verticalmente como los representados en la
figura 2: perspectiva de los tubos.
La alimentación durante el ejemplo ha sido agua
residual de un matadero de aves, aplicándose cargas 0.8
kg/m^{3}\cdotd en DQO y 0.1 kg/m^{3}\cdotd en NKT, alcanzando
rendimientos del 93% en eliminación de materia orgánica y 70% en
nitrógeno.
Como gas oxigenado se utiliza aire, suministrado
por una soplante, que se inyecta en el reactor por la parte
inferior a través de una parrilla de difusores, en el ejemplo que
se describe 5 difusores tubulares de membrana por los que se
inyecta 2-3 Nm^{3}/h por difusor. Un juego de
llaves de paso permite poner en servicio más o menos difusores,
controlando de este modo la extensión de la superficie aireada.
La alimentación entra en el reactor por un
sistema de distribución colocado en la parte superior de la región
oxigenada. El sistema de distribución está formado por una serie de
conducciones horizontales que poseen orificios orientados hacia
arriba, con el fin de evitar la aparición de caminos
preferentes.
El agua tratada se recoge también por la parte
superior, por un juego de conducciones horizontales perforadas como
el descrito para la entrada del agua residual, en este caso
colocado sobre la región oxigenada. Una serie de llaves de paso
permite que cada una de las conducciones perforadas colocadas en la
parte superior sirva para la entrada de agua residual o para la
salida de efluente.
Sobre la región no aireada se han instalado
campanas para la recogida de biogás, que es conducido a un
gasómetro. La instalación piloto descrita cuenta con un sistema
adicional de grabación y control automático de la temperatura, pH,
producción de biogás y caudal de agua residual entrante.
El análisis de los datos experimentales y los
correspondientes balances de materia indican con claridad que en la
región no aireada se produce metano, fruto de la descomposición
anaerobia de la materia orgánica, y nitrógeno molecular, fruto de
la desnitrificación anóxica de nitrato y nitrito. Se ha comprobado
que el nitrógeno orgánico y amoniacal se oxidan mediante procesos
biológicos de nitrificación en la región oxigenada. Por último, se
ha comprobado como la recirculación interna, debida al efecto
air-lif, es suficiente para eliminar el nitrógeno
mediante la combinación de los procesos de nitrificación y
desnitrificación descritos. La eficacia de eliminación de materia
orgánica se ha mantenido dentro de los niveles habituales de los
procesos biológicos aerobios.
Claims (5)
1. Reactor biológico integrado de lecho fijo
ordenado, que utilizando un sistema de introducción de gas
oxigenado colocado en la parte inferior, se caracteriza
porque permite oxigenar una parte variable de su sección
horizontal.
2. Reactor biológico integrado de lecho fijo
ordenado, que utilizando un material de relleno de flujo vertical y
un sistema de introducción de gas oxigenado, de acuerdo con la
reivindicación 1, se caracteriza porque permite la actuación
de microorganismos aerobios en las regiones oxigenada y anaerobios
en la región no oxigenada.
3. Reactor biológico integrado de lecho fijo
ordenado, que dotado de un sistema de introducción de gas
oxigenado, de acuerdo con la reivindicación 1, se
caracteriza porque permite variar la relación volumen
oxigenado / volumen no oxigenado.
4. Reactor biológico integrado de lecho fijo
ordenado, que utilizando un sistema de introducción de gas
oxigenado, de acuerdo con la reivindicación 1, se
caracteriza porque la introducción de gas oxigenado en una
parte de su sección horizontal genera corrientes de recirculación
interna que permiten la secuencia de etapas de
nitrificación-desnitrificación que conducen a la
transformación de nitrógeno disuelto en nitrógeno gas.
5. Reactor biológico integrado de lecho fijo
ordenado, que utilizando un material de relleno de flujo vertical,
se caracteriza porque evita su obturación por acumulación de
sólidos y permite la recogida de un biogás con elevado contenido en
metano que, por no mezclarse con el gas empleado para la
oxigenación, puede ser valorizado energéticamente.
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