ES2213461A1 - Sistema mixto para la depuracion biologica de aguas residuales combinando biopeliculas y membranas de filtracion. - Google Patents
Sistema mixto para la depuracion biologica de aguas residuales combinando biopeliculas y membranas de filtracion.Info
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Abstract
El sistema mixto para la depuración biológica de aguas residuales combinando biopelículas y membranas de filtración consiste de un reactor mixto que utiliza biopelículas y membranas de filtración para la depuración de aguas residuales. El sistema se encuentra constituido por cinco partes principales: medio de soporte, módulo con membranas de filtración, tolva de fangos, regulador de caudal, sistema de aireación. En el reactor se puede realizar la eliminación de la materia orgánica e inorgánica, nitrificación y desnitrificación simultanea, separación de los sólidos por medio de la filtración, desinfección del efluente depurado, así como acumulación y digestión de los sólidos biológicos generados en el proceso, en una sola unidad de tratamiento. Como resultado del proceso, se obtiene un efluente con calidad para ser reutilizado en diferentes actividades, así como digestión del fango producido.
Description
Sistema mixto para la depuración biológica de
aguas residuales combinando biopelículas y membranas de
filtración.
Hace algún tiempo, la descarga de aguas
residuales sin depurar era una práctica común, lo cual originaba
problemas de contaminación en el cuerpo receptor. Por lo que, para
poder utilizar el agua corriente abajo, tenía que ser introducida a
un largo proceso de tratamiento. Este proceso se diseñaba en
función de los contaminantes presentes en el medio hídrico.
Con el paso del tiempo, la entrada en vigor de
normativas que regulan la cantidad y tipo de contaminantes que
pueden ser descargados a los cuerpos receptores, está obligando a
los organismos operadores a implementar sistemas de depuración de
aguas residuales para poder cumplir de esta forma con la
legislación. Con esta actuación, se ha logrado disminuir la
descarga de contaminantes en los cuerpos receptores, facilitando de
esta forma, la utilización directa del agua o aplicando un proceso
sencillo de tratamiento antes de ser utilizada en las diferentes
actividades donde se requiera.
Actualmente, existen en el mercado diversas
tecnologías de depuración de aguas residuales, las cuales
involucran en su proceso operaciones físicas, químicas ó
biológicas, y en algunos casos la combinación de algunas de ellas.
Como ejemplo de estos procesos, se pueden mencionar los
siguientes: fangos activos, filtros biológicos, lechos
bacterianos, contactores biológicos rotatorios (biodiscos),
reactores anaerobios, reactores biológicos de lecho móvil,
reactores "Batch", sistemas de
coagulación-floculación, etc. Todos estos sistemas
tienen sus ventajas y sus inconvenientes, pero todos cumplen en
menor o mayor grado con el objetivo, depurar los contaminantes
presentes en las aguas residuales.
La búsqueda de nuevos procesos, sencillos y
económicos, que puedan ser aplicados en la depuración de aguas
residuales, con el objeto de obtener efluentes que cumplan con la
normativa para ser reutilizados, está obligando a los investigadores
a buscar nuevas alternativas de tratamiento. Es por esta razón,
que los nuevos diseños de depuradoras apuntan hacia una
combinación de procesos, para poder construir sistemas compactos,
modulares y de bajo consumo energético. Como ejemplo de estos
sistemas que cumplen con este objetivo, se pueden mencionar a los
reactores biológicos de membranas (RBM), donde se realiza una
combinación de los procesos biológicos y procesos físicos de micro
y ultrafiltración.
La eficiencia de los procesos biológicos se
encuentra en función de dos factores principales: concentración de
la biomasa en el reactor y relación de transformación específica
de los microorganismos. En los últimos cien años, los mayores
intentos realizados para mejorar los procesos biológicos de
depuración, han tenido como objetivo aumentar la concentración de
los microorganismos dentro del reactor. Esto se ha logrado,
haciendo una separación de los sólidos y el líquido y posteriormente
regresando la biomasa concentrada al sistema o bien, desarrollando
reactores de cultivos fijos en cuales, los microorganismos se
fijan al soporte.
Una gran cantidad de sistemas se han desarrollado
para depurar efluentes contaminados, sin embargo, son pocos los
sistemas que pueden llevar a cabo la depuración biológica de los
materiales orgánicos y separación de los sólidos en una sola etapa
del tratamiento y en un solo reactor. Una de las opciones donde
esto es posible, son los reactores biológicos de membranas (RBM).
Estos se definen como sistemas secundarios que combinan los
procesos biológicos con una unidad de filtración que emplea
membranas de ultra o microfiltración para la depuración de
efluentes contaminados.
Los primeros reportes encontrados sobre el uso de
membrana de ultrafiltración como sustituto de los decantadores
secundarios para llevar a cabo la separación de la biomasa
proveniente de los sistemas de fangos activos, pertenecen a (Smith,
C. V., Gregorio, D.O., y Talcott, R.M. 1969. The use of
ultrafiltration membranes for activated sludge separation.
Proceding 24^{rd} Industrial Waste Conference, Purdue University,
Mm Arbor Science, Ann Arbor, USA, 1300-1310) y
(Hardt, F.W., Clesceri, L.S., Nemerow, N.L., y Washington, D.R.
1970. Solid separation by ultrafiltration for concentrated
activated sludge. Joumal Water Pollution Control Federation, 42,
2135-2148). La primera planta a escala industrial
fue construida por la compañía Dorr-Oliver en los
sesenta, sin embargo, no fue hasta el año de 1977, cuando se
instalaron los primeros sistemas en Japón.
En el mismo tiempo, la compañía Thetford Systems,
ahora parte de la compañía Zenon Medioambiente, desarrolló un
biorreactor con membranas externas nombrado proceso
Cycle-Let®, para la depuración aerobia de aguas
residuales. Entre 1980 y 1990, la compañía Zenon Medioambiente,
continuó desarrollando el antiguo sistema de
Dorr-Olive, investigando su aplicación en el
tratamiento de aguas residuales industriales, consiguiendo
patentar con éxito dos aplicaciones de este sistema (Tonelli y
Canning. 1993. Membrane bioreactor system for treating synthetic
metal-working fluids and oil based products.
Pantente US5204001) y (Tonnelli y Behmann. 1996. Aerated membrane
bioreactor process for treating recalcitrant compounds. Patente
US410730).
El sistema comercial de Zenon, ZenoGem®, fue
introducido el 1982. En ese mismo tiempo, la compañía
Don-Olive introdujo en el mercado el sistema
anaerobio de membranas conocido como "MARS" (Membrane
Anaerobic Reactor System), para el tratamiento de efluentes
industriales. En el año 1989, la compañía Kubota Corporation puso
en marcha la primera planta piloto de reactor biológico de membranas
con un sistema sumergido de membranas planas, instalando en 1991 su
primera planta a escala industrial.
Actualmente, existen instaladas en todo el mundo,
alrededor de 500 plantas de depuración con fangos activos a escala
comercial. Están han incorporado este tipo de reactores en sus
procesos para la depuración de efluentes domésticos e industriales.
Aproximadamente, el 98% de estos sistemas, son aerobios equipados
con módulos de membranas como sistema de separación. El otro 2%,
son sistemas anaerobios. Aproximadamente, el 55% son sistemas de
membranas sumergidas. El remanente son sistemas con unidades de
membranas externas.
Existen otras publicaciones en revistas
científicas donde se reportan resultados de investigaciones donde
se utilizan bioreactores con membrana sumergidas para la depuración
del agua residual. La relación que existe entre estas publicaciones
y el invento que se solicita patentar, es que son sistemas
biológicos aerobios, que emplean un módulo de membranas sumergido
para la separación de los sólidos y el efluente depurado
(permeado).
La principal diferencia que existe entre la
presente solicitud, y que constituye una ventaja sobre los
procesos reportados, es el uso de medio de soporte para la fijación
de los microorganismos, así como una tolva para la digestión y
almacenamiento de los fangos. Esto permite eliminar altas
concentraciones de contaminantes, por ejemplo; materia orgánica e
inorgánica, nitrificación y desnitrificación, disminución de la
concentración de sólidos en el licor mezcla, mejor transferencia de
oxígeno, mayor turbulencia, almacenamiento y digestión del fango,
etc.
Algunas de las principales publicaciones que
presentan una relación con este invento son las siguientes:
- Autores: Ishida, H., Yamada, Y.,
M., Tsubo y Matsumura S. Título. "Submerged
membrane activated sludge process — its application into activated
sludge process with high concentration of MLSS". Fuente:
Second International Conference on Advances in Water and
Effluent Treatment. BHR Gruoup series publication number 8,
321-330. Año: 1993.
- Autores: Churchouse, S. J. Título.
"Membrane bioreactors for wastewater
treatment-operating experiences with the Kubota
submerged membrane activated sludge process". Fuente:
Membrane Technology, 83, 5-9. Año:
1997.
- Autores: Yamamoto, K., Hiasa, M.,
Mahood, T., y Matsuo, T., Título. "Direct
solid-liquid separation using hollow fiber membrane
in a activated sludge aereation tank". Fuente: Water Science
and Technology, Vol. 21, 4-5,
43-54. Año: 1989.
- Autores: Cóte, P. Buisson, H.,
Pound, C. y Arakaki, G. Título. "Immersed membrane
activated sludge process applied to the treatment of municipal
wastewater". Fuente: Water Science and Technology, Vol.
38, 4-5, 437-442. Año:
1997.
- Autores: Ueda, T. y Horan, N. J.
Título. "Domestic wastewater treatment by a submerged membrane
bioreactor with gravitation filtration". Fuente: Water
Research.33, 2888-2892. Año: 1999.
El invento consiste de un reactor (figura 1)
formado por cinco partes principales: medio de soporte, módulo de
membranas, tolva de fangos, regulador del caudal (electronivel,
electroválvula y bomba de succión), sistema de aireación.
El empaque o medio de soporte, sirve para la
fijación de las biopelículas generadas en el sistema. El medio de
soporte puede ser fijo ó móvil.
Módulo sumergido de membrana para la separación
de los sólidos y desinfección del efluente perneado. Las membranas
pueden ser membranas de fibra hueca, tubulares o planas, de ultra
o microfiltración.
El sedimentador estático en la parte inferior
para el almacenamiento y digestión de los sólidos.
Regulador de caudal perneado. Formado por
electronivel, electroválvula y bomba de succión. Con los dos
primeros, es factible controlar la presión hidrostática. De esta
forma se mantiene constante la diferencia de alturas entre la
columna de agua y la salida, manteniendo con ello un caudal
permeado durante la operación en continuo. Bomba de succión de
permeado, permite retirar el permeado en menos tiempo para cuando
el sistema trabaje de manera discontinua.
Difusor de membrana de burbuja fina. Este
aditamento sirve para llevar a cabo la aireación y mezcla del
reactor, así como para mantener controlado en crecimiento de las
biopelículas dentro del sistema.
De esta manera, es posible llevar a cabo en el
mismo reactor la eliminación biológica de la materia orgánica e
inorgánica, nitrificación y desnitrificación simultanea, separación
de los sólidos filtración y desinfección del efluente depurado,
acumulación y digestión de los sólidos biológicos generados en el
proceso, en una sola unidad de tratamiento. Como resultado del
proceso, se obtiene un efluente con calidad para ser reutilizado en
diferentes actividades, así como la digestión del fango
producido.
Las principales ventajas que presenta la
invención, con respecto a las patentes y publicaciones
relacionadas con el sistema descrito, se encuentran principalmente
relacionadas con la utilización de un medio de soporte para la
retención de la biomasa y con el sistema de almacenamiento y
digestión de fangos. Dentro de estas ventajas se citan las
siguientes:
- 1.
- Eliminación de materia orgánica e inorgánica,
- 2.
- Nitrificación y desnitrificación
- 3.
- Duración de altas cargas orgánicas
- 4.
- No necesita pretramiento del afluente (sedimentación primaria)
- 5.
- Arranque del sistema en un periodo muy corto de tiempo
- 6.
- Poca superficie de construcción (sistema muy compacto)
- 7.
- Alta capacidad de amortiguamiento a la variación de materia orgánica.
- 8.
- Mayor transferencia de oxígeno (disminución de la viscosidad de fluido)
- 9.
- Baja producción de fangos (almacenamiento y digestión)
- 10.
- Desinfección del efluente
- 11.
- Filtración del permeado por presión hidrostática
- 12.
- Bajo consumo energético
- 13.
- Alta calidad del efluente
- 14.
- Mejor control del tiempo de retención de los fangos
- 15.
- Operación continua y discontinua
- 1.
- Entrada del agua
- 2.
- Electronivel
- 3.
- Medio de soporte de biopelícula
- 4.
- Módulo de membranas
- 5.
- Compresor de aire
- 6.
- Difusor de membrana
- 7.
- Sedimentador estático
- 8.
- Salida de permeado (efluente)
- 9.
- Purga de fango digerido
- 10.
- Entrada de aire para retrolavado de las membranas
- 11.
- Bomba para succión de permeado
Un reactor piloto fue construido y operado de
forma continua alimentado agua residual doméstica con las
siguientes características, DQO_{Total}= 340 mg/L, SST = 144
mg/L, Nitrógeno_{Total}= 32 mg/L. La unidad experimental estuvo
constituida por cinco partes principales: medio de soporte, módulo
de membranas, sistema de aireación, electronivel, tolva de fangos.
El reactor se construyó de metacrilato. Las válvulas y tuberías de
conducción del agua fueron de PVC. Las dimensiones del reactor
fueron de 0,22 m de ancho por 2 m de alto, con una altura útil de
1,80 m. El volumen neto del reactor fue de 70 L. El material de
soporte o medio de relleno utilizado para empacar el rector, fue
medio de soporte BLASF® con área superficial total de 2,8 m^{2}
(119,2 m^{2}/m^{3}). Las membranas (hidrofilicas y de
microfiltración) del módulo fueron de fibra hueca construidas de
polisulfona modelo MicroPes®. La aireación se llevó a cabo a
través de un difusor de membrana (burbuja fina y 0,15 m de diámetro)
conectado a un compresor de aire, de baja presión. La tolva de
almacenamiento y digestión de fangos se diseñó con forma de
pirámide truncada invertida, con ángulos de 60°.
El sistema se operó durante un periodo de 100
días. Aplicando una CO (carga orgánica) media de 0,45
kg/m^{3}\cdotd y un tiempo de retención hidráulico de 17 h. El
caudal medio alimentado al reactor fue de 4,18 L/h. El caudal de
oxígeno suministrado fue de 6 L/min. El área superficial de
membrana fue de 0,54 m^{2}. La presión hidrostática de trabajo
fue constante (0,10 bar), regulada por un electronivel y una
electroválvula.
Los resultados principales obtenidos durante el
tiempo experimental, fueron los siguientes: La DQO_{Total} y
DBO_{5} fueron eliminadas en 94% y 96% respectivamente. Los
sólidos suspendidos totales (SST) fueron eliminados en un 98%. La
reducción de la turbidez fue del 97%, encontrando en el efluente
permeado una turbidez media de 6 UTN. La eliminación de nitrógeno
total en el sistema fue de un 68%, mientras que, la eliminación de
amonio fue de un 92%. La concentración media de
N-NO_{3} en el permeado fue de 7 mg/L
(nitrificación). La desinfección del efluente fue satisfactoria,
logrando una eliminación casi del 99% de los Coliformes totales y
Streptococos fecales. Existió muy baja producción de fangos.
Claims (7)
1. Sistema mixto para la depuración biológica de
aguas residuales, combinando biopelículas y membranas de filtración
compuesto por un medio de soporte, un módulo de membranas, un
sistema de aireación, un regulador de caudal, una tolva de
sedimentación y almacenamiento de fangos.
2. Sistema mixto para la depuración biológica de
aguas residuales, combinando biopelículas y membranas de filtración
de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por
utilizar un regulador de caudal, que permite trabajar de manera
continua y discontinua.
3. Sistema mixto para la depuración biológica de
aguas residuales, combinando biopelículas y membranas de filtración
de acuerdo con las reivindicaciones anteriores,
caracterizado por utilizar un medio de soporte fijo o móvil
para el crecimiento y soporte de la biopelícula.
4. Sistema mixto para la depuración biológica de
aguas residuales, combinando biopelículas y membranas de filtración
de acuerdo con las reivindicaciones anteriores,
caracterizado por utilizar un módulo de membranas tubulares,
fibra hueca de ultra o microfiltración, para la filtración del
efluente.
5. Sistema mixto para la depuración biológica de
aguas residuales, combinando biopelículas y membranas de filtración
de acuerdo con las reivindicaciones anteriores,
caracterizado por utilizar un sistema de aireación automático
que permite trabajar de forma aerobia, anóxica o anaerobia.
6. Sistema mixto para la depuración biológica de
aguas residuales, combinando biopelículas y membranas de
filtración, de acuerdo con las reivindicaciones anteriores,
caracterizado por tener una zona de sedimentación para el
almacenamiento y digestión del fango.
7. Sistema mixto para la depuración biológica de
aguas residuales, combinando biopelículas y membranas de filtración
de acuerdo con la reivindicaciones anteriores,
caracterizado por funcionar a nivel constante y utilizar como
fuerza impulsora de la gravedad o el vacío generado por una bomba
de aspiración.
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2002
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| CN113248046B (zh) * | 2021-05-18 | 2023-02-03 | 安徽清荷环保有限公司 | 一种防爆防堵塞的大型污水处理站的污水处理装置 |
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