ES2215705T3 - Sistema y metodo para tratar lodo en una instalacion de aguas residuales. - Google Patents

Abstract

Método para tratar lodo estabilizado generado en un sistema de tratamiento de aguas residuales, que comprende las etapas de: concentrar el lodo estabilizado para aumentar el porcentaje de contenido de sólidos en al menos 1, 5; seleccionar una presión de homogenización deseada basándose en la energía requerida para fraccionar el lodo; fraccionar al menos una parte de la materia celular en el lodo concentrado a la presión de homogenización deseada en un intervalo de entre 50 bares y 400 bares; digerir el lodo fraccionado para producir gas metano; y convertir el gas metano en una fuente de energía disponible que pueda entrar en el sistema de tratamiento de aguas residuales, siendo la energía de entrada sustancialmente igual o superior a que la necesidad de energía de entrada.

Description

Sistema y método para tratar lodo en una instalación de aguas residuales.

Campo de la invención

Esta invención se refiere generalmente a la técnica y la ciencia del tratamiento de las aguas residuales y, más particularmente, a un procedimiento y a un sistema para optimizar el balance energético asociado con la energía consumida durante el procesamiento aguas abajo del lodo a partir de las aguas residuales, en comparación con el rendimiento energético y la reducción de la masa de sólidos asociada con tal procesamiento.

Antecedentes de la invención

Las entidades industriales y municipales tratan las aguas residuales para evitar la contaminación y la polución de los suministros de agua potable y aguas receptoras locales. Tales instalaciones de tratamiento se diseñan para eliminar contaminantes orgánicos e inorgánicos de las aguas residuales usando diversos procedimientos biológicos aerobios y anaerobios.

En general, las entidades industriales y municipales incurren en costes sustanciales en el funcionamiento de estas instalaciones de tratamiento de aguas residuales. Además de los costes de las empresas de servicios para hacer funcionar la maquinaria y los sistemas mecánicos necesarios, una instalación normalmente también incurre en costes sustanciales para eliminar del lodo residual generado por los diversos procesos de tratamiento. El lodo producido durante el tratamiento de las aguas residuales incluye lodo primario procedente de la fase previa a la purificación y lodo biológicamente activado procedente de la digestión aerobia. El lodo estabilizado puede producirse mediante la aplicación subsiguiente de digestión anaerobia del lodo biológicamente activado con o sin la adición de lodo primario. En algunas instalaciones de tratamiento de aguas residuales, estos lodos se eliminan mediante incineración, vertedero o distribución como fertilizante sobre campos agrícolas. Todos estos métodos de eliminación dan como resultado costes elevados para la instalación. Basándose en estos costes sustanciales de funcionamiento y eliminación, sería deseable optimizar el consumo energético para el procesamiento de las aguas residuales y los lodos para lograr una calidad mejorada del vertido de aguas residuales y/o la reducción en los costes de eliminación del lodo.

La digestión anaerobia es un proceso microbiológico en el que los materiales orgánicos se escinden por la acción de los microorganismos en ausencia de oxígeno. Los microorganismos anaerobios reducen la cantidad de materia orgánica presente en el lodo biológicamente activado generando así biogás que tiene un contenido en gas metano relativamente alto. El lodo estabilizado se elimina normalmente a partir de un tanque de digestión para desecación y eliminación. El gas metano puede quemarse o recuperarse para suministrar energía para calentar los digestores, así como para suministrar energía para su uso en otros lugares de la instalación de tratamiento.

En los procesos de desecación, el agua se separa o se extrae mecánicamente de la corriente de lodo. La mayoría de los avances en este campo de la tecnología han buscado optimizar la energía consumida en el procesamiento del lodo con la reducción del volumen de lodo eliminado. Adicionalmente, las tecnologías de fraccionamiento molecular han buscado optimizar la reducción de la masa del lodo para su eliminación.

Una visión general de los métodos de fraccionamiento convencionales puede encontrarse en una publicación de N. Dichtl, J. Müller, E. Engelmann, F. Günthert y M. Osswald titulado, Desintegration von Klärschlamm - ein aktueller Überblick in: Korrespondenz Abwasser, (44) número 10, págs. 1726 - 1738 (1997). Esta publicación describe tres técnicas de fraccionamiento mecánica: (1) molino de bolas con agitación; (2) homogenizadores de alta presión; y (3) homogenizadores ultrasónicos. Con la ayuda de estos métodos de fraccionamiento, los microorganismos y los sólidos particulados en el lodo se desmenuzan o se cortan. Por ejemplo, las paredes celulares de los microorganismos y las partículas presentes en el lodo pueden destruirse cuando la presión externa sobrepasa la presión celular interna con el uso de un homogenizador. El contenido celular, que está separado del exterior mediante la pared celular, se libera así y se hace disponibles para la subsiguiente digestión.

Una ventaja de estos procesos de fraccionamiento cuando se aplican al lodo es que los microorganismos anaerobios también se fraccionan junto con los microorganismos aerobios, a diferencia de otros métodos en los que los microorganismos sobreviven, al menos parcialmente, al proceso de fraccionamiento. Permanecen en el lodo eliminado como residuo orgánico. Una segunda ventaja del fraccionamiento es que las sustancias orgánicas contenidas dentro del contenido celular del lodo se liberan a los microorganismos durante el proceso de fraccionamiento. De esta forma, sirven como fuentes internas de carbono para soportar la desnitrificación en el proceso de digestión.

Otra publicación concerniente al fraccionamiento del lodo primario que usa homogenizadores ultrasónicos se describe en G. Lehne, J. Müller: "The Influence Of The Energy Consumption On The Sewage Sludge Disruption," Technical University Hamburg -Harburg Reports On Sanitary Engineering, número 25, págs. 205 -215 (1999). La publicación de Lehne et al., describe que el fraccionamiento celular es mayor cuando la cantidad de burbujas de cavitación en las proximidades de una sonda ultrasónica es mayor. La cantidad de burbujas de cavitación es proporcional a la intensidad de la sonda ultrasónica. Fue necesario el estudio adicional de la optimización de las intensidades de la sonda ultrasónica con el fin de optimizar el balance energético. Una comparación del homogenizador ultrasónico con el homogenizador de alta presión y el molino de bolas con agitación proporcionó resultados comparables en este proceso. Sin embargo, se produjeron problemas mecánicos debidos al material grueso en el homogenizador de alta presión y en el molino de bolas con agitación.

El fraccionamiento del contenido orgánico en el lodo de aguas residuales estabilizado también se describe en H. Grüning: "Einfluss des Aufschlusses von Faulschlämmen auf das Restgaspotential.". Este artículo describe que, en el procesamiento del lodo de aguas residuales estabilizado anaerobio, la producción de gas aumenta considerablemente mediante el fraccionamiento previo usando ultrasonidos. Un artículo de J. Müller, N. Dichtl, J. Schwedes, "Klärchlammdesintegration - Forschung und Anwendung", Publication of the Institute for Settlement Water Economy of the Technical University Braunschweig, número 61, Conferencia del 10 y el 11 de marzo de 1998 en Braunschweig, págs. 180 - 191 (marzo de 1998) describe el uso de un homogenizador de alta presión para fraccionar el lodo estabilizado a presiones en el intervalo de 500 a 1000 bares. En consecuencia, está de acuerdo con la creencia convencional que dicta que deben emplearse mayores presiones del homogenizador para aumentar el grado de fraccionamiento de las células microbianas del lodo. Según esta suposición, la cantidad de fraccionamiento celular aumenta en proporción con el grado de entrada de energía. En consecuencia, hasta ahora los intentos han estado dirigidos generalmente a la aplicación del fraccionamiento y/o la digestión anaerobia del lodo biológicamente activado y no concentrado para reducir el volumen que ha de eliminarse.

Una descripción general de los efectos de la concentración del lodo y el fraccionamiento del lodo estabilizado puede encontrarse en T. Onyeche, O. Schläfer, H. Klotzbücher, M. Sievers, A. Vogelpohl: "Verbesserung der Energiebilanz durch Feststoffseparation bei einem kombinierte Verfahren aus Klärschlammdesintegraion und Vergärung," DechemaJahrestgungen 1998, Volumen II, págs. 117 - 118 (1998). Este artículo enseña que el contenido en sólidos del lodo puede concentrarse usando un decantador y después homogeneizarse. Sin embargo, los homogenizadores de alta presión usados en esta referencia bibliográfica se hacen funcionar a presiones de al menos 500 bares. En cualquier caso, este artículo no resuelve adecuadamente el problema de optimizar el balance energético del sistema.

La patente número 6.013.183, que se concedió el 11 de enero de 2000, describe la aplicación de homogenización de alta presión a lodo biológicamente activado. El lodo se homogeniza a una caída de presión en exceso de 5000 psi (350 bares) a través de la boquilla de homogenización, como un medio para mejorar la reducción de los sólidos volátiles totales cuando el lodo licuado biológicamente activado vuelva a reutilizarse en el digestor aerobio. La patente también describe la aplicación de homogenización de alta presión al lodo biológicamente activado antes de la digestión anaerobia, pero no indica que, si lo hay, el tratamiento debe aplicarse al lodo primario o al procesamiento adicional del lodo estabilizado. Además, no se trata el tema de lograr un equilibrio energético positivo, tal como mediante la concentración anterior del lodo.

La patente de los EE.UU. número 4.629.785, que se concedió el 16 de diciembre de 1986, describía la aplicación de homogenización de alta presión, tanto al lodo biológicamente activado como al lodo estabilizado, a presiones de hasta 12.000 psi (825 bares) antes de la recuperación de proteínas del lodo. Esta patente excluye, de manera similar, el tratamiento del lodo primario y no trata la recuperación de la energía a través de la producción de gas metano durante la digestión anaerobia del lodo licuado.

El documento DE 40 30 668 A1 describe un método para minimizar el lodo biológicamente activado. El fraccionamiento descrito del lodo primario y secundario con la adición de lodo estabilizado produce la liberación del contenido celular al agua.

La patente de los EE.UU. número 5.785.852 describe un método para el pretratamiento del lodo primario de las aguas residuales municipales, que se deseca mediante centrifugación convencional y después se mezcla y se satura con vapor procedente de una caldera de vapor a una temperatura elevada y a una presión de aproximadamente hasta 41,25 bares. El lodo saturado y calentado se somete momentáneamente a presión atmosférica, en la que una reducción repentina en la presión transmite fuerzas de descompresión explosivas que fraccionan las células microbianas presentes en el lodo. Tras el pretratamiento, el lodo se bombea a un reactor para la digestión anaerobia posterior.

A pesar de los métodos anteriormente descritos para tratar el lodo, existe la necesidad de optimizar el balance energético del proceso de fraccionamiento para minimizar el coste energético. El posible beneficio de concentrar el lodo antes de la homogenización no se ha descrito anteriormente. Al optimizar el balance energético, sería deseable determinar cuándo la energía requerida para fraccionar y, por lo demás, para pretratar el lodo primario y/o secundario es aproximadamente la misma o considerablemente inferior que la energía obtenida a través del rendimiento adicional de gas metano. A este respecto, también sería deseable optimizar el proceso de fraccionamiento de tal manera que el gas metano producido durante los procesos de digestión del lodo pueda usarse como fuente de energía para el propio sostenimiento del proceso de fraccionamiento, así como para otros procesos de tratamiento. En consecuencia, se necesita un sistema de tratamiento de aguas residuales que equilibre positivamente la energía requerida para fraccionar una corriente de lodo con el rendimiento energético debida a un aumento de la producción del gas metano (que puede convertirse en energía eléctrica).

Sumario de la invención

En consecuencia, es un objeto general de la invención superar las deficiencias en la técnica del tratamiento de las aguas residuales, especialmente para optimizar el balance energético asociado con la energía consumida para el procesamiento del lodo producido durante el tratamiento de las aguas residuales y el rendimiento energético obtenido del aumento de la producción de gas metano durante la digestión anaerobia del lodo.

Estos y otros objetos y ventajas adicionales se logran en una única combinación única de métodos para tratar el lodo generado en una instalación de tratamiento de aguas residuales según la presente invención. El método comprende aumentar la concentración de sólidos en el lodo primario, biológicamente activado y estabilizado, o cualquier mezcla de los mismos que se someta a digestión anaerobia. En una realización preferida, un homogenizador, que funciona dentro de un intervalo de presión baja económicamente viable, fracciona entonces las paredes celulares de los diversos microorganismos en el lodo concentrado, liberando así los nutrientes del interior de las células. El fraccionamiento puede producirse continua o discontinuamente. El lodo fraccionado se suministra posteriormente a un tanque de digestión, proporcionando nutrientes adicionales para intensificar la producción de gas metano. De esta forma, la invención optimiza la demanda de energía al concentrar y homogeneizar el lodo, en comparación con el rendimiento energético a partir del aumento de la producción de gas metano generado durante el proceso de digestión.

De acuerdo con un aspecto de la invención, se logra un balance energético positivo con el uso de un lodo concentrado que tiene una alta concentración de sólidos que se procesa a una presión de homogenizador reducida. El lodo se concentra en un factor de 1,5 o más antes de procesarse con un homogenizador. Además, el homogenizador se hace funcionar a un intervalo de presión baja de menos de 400 bares. En este intervalo, la etapa de fraccionamiento funciona de manera autosuficiente, e incluso proporciona un exceso de energía. La invención establece que el homogenizador de alta presión debe funcionar a una presión de 50 a 400 bares, en el que lo óptimo es un intervalo inferior de 100 a 200 bares. Tal como se explica más adelante, pueden lograrse presiones incluso más bajas con el uso de un equipo particular, tal como la gama Micro-Gap o Super Micro-Gap de APV de válvulas de homogenizador.

Según una característica preferida de la invención, el lodo se somete a un proceso de clasificación antes del fraccionamiento. De esta forma, las partículas de material sólido se eliminan del lodo sedimentario antes de alcanzar el homogenizador. La eficacia de la homogenización se mejora de esta manera. Por ejemplo, la clasificación del lodo puede producirse con el uso de un tamiz o dispositivo de tamiz en húmedo.

Ventajosamente, el fraccionamiento se produce entre cualquiera o todos los tanques de digestión anaerobia, preferiblemente el lodo se fracciona tras cada etapa de digestión anaerobia.

En un método preferido, los fraccionamientos de los lodos primario y biológicamente activado se producen antes de mezclar ambos. Los lodos primario y biológicamente activado se procesan entonces y se convierten en lodo estabilizado.

Además, en un método preferido se producen múltiples fraccionamientos a bajas presiones entre los digestores anaerobios para aumentar el efecto del fraccionamiento.

La etapa de concentración se lleva a cabo preferiblemente mediante sedimentación que requiere ventajosamente una cantidad baja de energía.

Además, los metales pesados y/o las sustancias húmicas se eliminan preferiblemente antes de la digestión, o bien antes o después del fraccionamiento, lo que da como resultado un aumento adicional del balance energético positivo.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es una representación de diagrama de bloques simplificada de un sistema de tratamiento de aguas residuales según una realización de la presente invención;

la figura 2 es una representación de diagrama de bloques de un sistema de tratamiento de aguas residuales según una segunda realización de la presente invención;

la figura 3 es un diagrama de flujo que muestra el flujo de energía asociado con las realizaciones mostradas en las figuras 1 y 2;

la figura 4 es un gráfico que muestra el balance energético para el lodo no concentrado y para el lodo concentrado que se ha fraccionado usando un homogenizador que se ha hecho funcionar a diversas presiones de funcionamiento;

la figura 5 es un gráfico que muestra la producción de gas durante un periodo de tiempo para el lodo no fraccionado y el lodo fraccionado en diversas concentraciones a una primera presión de funcionamiento;

la figura 6 es un gráfico que muestra la producción de gas durante un periodo de tiempo para el lodo fraccionado y no fraccionado a diversas concentraciones a una segunda presión de funcionamiento; y

la figura 7 es un gráfico que muestra la producción de gas durante un periodo de tiempo para el lodo fraccionado y no fraccionado a diversas concentraciones a una tercera presión de funcionamiento.

Descripción detallada de la realización preferida

En general, la presente invención prevé un método y un sistema para optimizar el balance energético asociado con la energía consumida para el tratamiento del lodo de las aguas residuales antes de la digestión anaerobia y de la energía producida a partir de tal tratamiento en forma de producción de gas metano. Según la invención, el lodo activado se desintegra o se fracciona mecánicamente para liberar nutrientes que intensifican el proceso de digestión. De esta manera, se mejora la digestión anaerobia del lodo fraccionado, dando como resultado una disminución en el tiempo de digestión, una disminución en la concentración de sólidos y un aumento en la producción de gas metano. El gas metano resultante puede convertirse preferiblemente en energía para el propio sostenimiento del funcionamiento del sistema de fraccionamiento, así como para suministrar energía a otros aspectos y subsistemas en la instalación de tratamiento de aguas residuales.

A modo de antecedentes, un sistema de tratamiento de aguas residuales limpia las aguas residuales antes de que se descarguen en una corriente receptora. La figura 1 es un diagrama de bloques esquemático de uno de tales sistemas 10 de tratamiento de aguas residuales que puede usarse por un municipio o similar. Normalmente, las aguas residuales industriales o municipales pasan inicialmente a lo largo de una trayectoria de flujo a través de una criba 12 de barras y otro aparato 14 de eliminación de gravilla para eliminar materiales tales como gravilla que en caso contrario podrían dañar el equipo empleado en el tratamiento posterior de las aguas residuales. A continuación, las aguas residuales filtradas se vacían en un tanque 18 de sedimentación primaria para hacer sedimentar los sedimentos pesados que normalmente son inorgánicos. Los expertos en la técnica denominan a veces a este material residual lodo primario. En muchas puestas en práctica, el lodo primario se hace pasar a un digestor 50 para su descomposición tal como se indica por una trayectoria 20 de flujo.

El efluente primario fluye desde del tanque 18 de sedimentación primaria hasta un depósito 24 o tanque de aireación a lo largo de una trayectoria 19 de flujo donde las aguas residuales de partida se tratan con microorganismos en presencia de oxígeno disuelto. En general, los microorganismos aerobios consumen sólidos partículas orgánicas suspendidas en las aguas residuales. De esta forma, los microorganismos de tratamiento reducen los contaminantes presentes en las aguas residuales, así como la demanda de oxígeno biológico.

Para sedimentar el lodo sólido que contiene los microorganismos, el licor mixto fluye desde el tanque 24 de aireación al clarificador 28 final. En esta fase del proceso, la floculación y la sedimentación por gravedad separan el agua de las partículas y sólidos suspendidos, conocido como lodo biológicamente activado (o secundario).

El lodo sedimentado se elimina del clarificador 28 final y normalmente fluye por varias trayectorias de flujo. Por ejemplo, parte del lodo puede bombearse de nuevo al tanque 24 de aireación a lo largo de una trayectoria 34 de flujo para el sembrado del sistema de crecimiento. El lodo activado que se hace recircular al tanque 24 de aireación se denomina a veces lodo biológicamente activado recirculado. Al menos una cierta cantidad del lodo en exceso que sale del clarificador 28 final también puede pasar a un digestor 50 anaerobio para su digestión a lo largo de una trayectoria 32 de flujo.

Según un aspecto de la presente invención, se aplica una etapa de procesamiento al lodo que entra en el aparato de digestión anaerobia para prever una mayor concentración de sólidos en el lodo antes del fraccionamiento y la digestión del mismo. Tal como se muestra en la figura 1, antes de que el lodo se fraccione y se vacíe en el digestor 50 para su digestión, al menos una corriente parcial se somete al tratamiento en un decantador 38 y un clasificador 42. El decantador 38 normalmente es una centrífuga u otro dispositivo de movimiento circular que separa rápidamente la fase líquida de la fase sólida de la corriente de lodo suministrada al mismo. En una realización preferida, el decantador 38 concentra los sólidos en el lodo en un factor de al menos 1,5. El agua decantada que se separa del lodo activado residual puede volver a la cabecera o entrada de la corriente de tratamiento de aguas residuales para su procesamiento adicional.

Tras la etapa de decantación, el lodo concentrado se hace pasar a un clasificador 42 a lo largo de una trayectoria 40 de flujo. El clasificador 42 elimina los materiales problemáticos (por ejemplo, gravilla) que podrían dañar el homogenizador 46 de alta presión a continuación y/o afectar a la diseminación agrícola. Por tanto, se mejora la fiabilidad del funcionamiento del homogenizador 46 de alta presión y se aumenta la eficacia del fraccionamiento del lodo. Un ejemplo de un clasificador 42 es un dispositivo de vórtice de gravilla, que utiliza el movimiento giratorio y sedimentación por gravedad para separar los sólidos pesados de los materiales más ligeros en la corriente de lodo. El orden de las etapas de decantación y clasificación en el proceso puede invertirse.

Para la escisión de los microorganismos en el lodo concentrado con un esfuerzo cortante aplicado deseado, el lodo concentrado (y preferiblemente clasificado) se suministra preferiblemente a un homogenizador 46 de alta presión a lo largo de una trayectoria 44 de flujo. El homogenizador 46 de alta presión consiste en una bomba de alta presión y una válvula de homogenización tal como se entenderá por los expertos en la técnica. En general, tales homogenizadores emplean bombas de alta presión que fuerzan el fluido, en este caso el lodo concentrado, a través de una válvula o boquilla que tiene un área de flujo restringida. A medida que el fluido fluye a través de la restricción, la velocidad aumenta y la presión disminuye cuando la energía potencial a alta presión se convierte en energía cinética. En una realización preferida, la válvula del homogenizador se pone en práctica como una válvula de homogenización de APV, comercializada con el nombre comercial de Micro-Gap o Super Micro-Gap. La válvula de homogenización Super Micro-Gap se describe generalmente en la patente de los EE.UU. número 5.749.650, concedida el 12 de mayo de 1998 y en la patente de los EE.UU. número 5.899.564, concedida el 4 de mayo de 1999. Con esta puesta en práctica, la invención puede lograr una eficacia de funcionamiento incluso mayor. Es decir, la válvula de homogenización Super Micro-Gap puede proporcionar funcionamiento a una reducción en la presión de aproximadamente un 20 por ciento (y con una entrada de energía concomitante inferior) en comparación con otras válvulas de homogenización y todavía logra la misma cantidad de fraccionamiento.

La bomba de alta presión en el homogenizador 46 presuriza y comprime la corriente de lodo recibida. La presión en la corriente de lodo se reduce posteriormente por la presión ambiental a través de un hueco en el cuerpo ajustable de la válvula de la válvula de homogenización (no mostrada). A medida que se reduce la presión, la velocidad del líquido de la corriente de lodo aumenta considerablemente. En una realización preferida, la presión se reduce hasta el punto en el que se alcanza la presión de vapor del líquido que permanece en la corriente del lodo, formándose burbujas de vapor o burbujas de cavitación. Las burbujas de vapor aumentan adicionalmente la velocidad de flujo de la corriente de lodo en el punto de flujo supersónico, lo que conduce a los empujes de cavitación. A la larga, las burbujas de cavitación se colapsan y se forman campos de velocidad de fricción ricos en energía, lo que hace que se fraccione el contenido celular de los microorganismos en el lodo. Con la existencia de la válvula homogenizadora, la corriente de lodo pasa a través de un anillo de impacto para reducir la velocidad de flujo de la suspensión.

Para la descomposición de la misma, la corriente de lodo fraccionado se suministra entonces a lo largo de una trayectoria 48 de flujo hasta un digestor 50. Particularmente con digestión anaerobia, uno de los subproductos del proceso de digestión es el gas metano. El gas metano puede recuperarse (tal como a lo largo de la trayectoria 52 de flujo) y convertirse en energía, particularmente energía eléctrica. De esta forma, la energía convertida puede usarse para hacer funcionar los diversos subsistemas y dispositivos eléctricos utilizados en el sistema de tratamiento de aguas residuales. El lodo estabilizado y digerido normalmente se somete a un tratamiento adicional de desecación y después es eliminado. Tal como se muestra en la figura 1, el lodo estabilizado y digerido puede hacerse volver opcionalmente desde el digestor 50 anaerobio hasta el decantador a lo largo de la trayectoria 54 de flujo. En última instancia, el lodo se fracciona por el homogenizador 46 de alta presión.

Aunque pueden utilizarse diversas presiones de funcionamiento, el homogenizador 46 de alta presión se hace funcionar preferiblemente a presiones de aproximadamente 50 a 400 bares. Con la presente invención, se produce el fraccionamiento celular en un intervalo de presión menor en comparación con puestas en práctica conocidas, es decir, en el intervalo de presión de aproximadamente 100 a 200 bares. En algunas realizaciones, el intervalo de presión del homogenizador se hace funcionar en un intervalo incluso menor, siempre que los esfuerzos cortantes aplicados a los microorganismos sean suficientemente grandes como para fraccionar las paredes celulares de los mismos.

Puede obtenerse un balance energético positivo de esta invención mediante la concentración de la influencia sobre la alta concentración del lodo con el decantador 38 y mediante la clasificación usando el dispositivo 42 de clasificación. De esta forma, el posible rendimiento energético a partir del gas metano generado proporciona una energía mayor de la que puede usarse por la etapa de fraccionamiento en el proceso.

El balance energético positivo puede obtenerse mediante la concentración del lodo residual en un factor de al menos 1,5 y mediante el uso de un homogenizador 46 de alta presión a un intervalo de presión relativamente inferior para el fraccionamiento celular, en comparación con las presiones de fraccionamiento conocidas. El método puede optimizarse adicionalmente si el lodo biológicamente activado se mezcla con lodo primario antes de las etapas de concentración y fraccionamiento. De ese modo, la digestión del lodo y, por tanto, el rendimiento del gas resultante, aumentan.

La figura 2 muestra una realización alternativa de una instalación 110 de tratamiento de aguas residuales según la presente invención, aunque en parte similar al proceso y al sistema mostrados en la figura 1. En esta realización, las aguas residuales de partida se hacen pasar inicialmente a través de una criba 112 de barras y un dispositivo de recogida de arena o clasificador 114 de gravilla antes de vaciarse en un tanque 118 de sedimentación primaria o prepurificación. El tanque 118 de prepurificación utiliza sedimentación por gravedad para separar los sedimentos (lodo primario) de las aguas residuales. Por tanto, para una planta de tratamiento con un caudal de entrada medio de aguas residuales de partida de aproximadamente 8.138,68 millones de litros por día (mld) (2,15 millones de galones por día (mgd)), puede generarse lodo primario a una velocidad de aproximadamente 1.360,78 kg por día (kg/d) (3.000 libras por día (lbs/d)) de sólidos.

Según una puesta en práctica particular de la invención, el lodo puede pretatarse adicionalmente antes del fraccionamiento o la digestión con la intensificación de la eliminación de los metales pesados del lodo. En la figura 2, el clasificador 114 puede llevar a cabo tal eliminación intensificada de los metales pesados mediante métodos tales como la adición de aceite vegetal u otra sustancia adecuada. Tal eliminación mejora la producción de gas metano, puesto que los metales pesados son generalmente tóxicos para los microorganismos en el lodo. Sin embargo, la metodología usada para la eliminación de los metales pesados preferiblemente no afecta materialmente por sí misma a los microorganismos en el lodo. Esta característica permite ventajosamente desecar el lodo que sale del sistema que va a utilizarse como fertilizante o en otras aplicaciones agrícolas sin producir daños ecológicos.

El agua descargada del tanque 118, denominada efluente primario, se hace pasar a lo largo de una trayectoria 122 de flujo hasta una sección 124 de digestión aerobia. En esta realización, la sección 124 aerobia consiste en una cubeta 124A de desnitrificación y una cubeta 124B estimulada (o aerobia). La cubeta 124A de desnitrificación se hace funcionar en condiciones anóxicas o con oxígeno reducido, lo que intensifica la eliminación de los nitratos de las aguas residuales por parte de las bacterias desnitrificantes. En caso contrario, la liberación de nitratos al entorno conduce a la eutrofización de lagos y corrientes, así como a la contaminación de los suministros de agua potable. Tras la desnitrificación, las aguas residuales entran en la zona 124B aerobia en la que se suministra oxígeno para intensificar la eliminación del material orgánico en las aguas residuales por parte de los microorganismos aerobios. La mezcla de aguas residuales con una siembra de microorganismos aerobios se denomina licor mixto.

Tras el tratamiento en el tanque 124 de aireación, el licor mixto se vacía a través de una trayectoria 126 de flujo en un(os) tanque(s) 128 de sedimentación para su clarificación. La clarificación utiliza la floculación y la sedimentación por gravedad para separar la fase acuosa de las partículas y sólidos suspendidos. Esta fase acuosa puede dirigirse hacia un proceso de desinfección a lo largo de una trayectoria 130 de flujo antes de su liberación, tal como se entenderá por los expertos en la técnica.

En la realización mostrada en la figura 2, una parte de la corriente de lodo activado que sale del(de los) tanque(s) 128 de sedimentación se hace volver a la sección 124 de digestión aerobia a lo largo de la trayectoria 132 de flujo de retorno para volver a sembrar el sistema. La corriente de lodo restante se dirige a lo largo de una trayectoria 134 de flujo hasta un concentrador o espesador 136 de lodo. En una realización, para las aguas residuales de partida suministradas a un caudal de entrada medio de 8.138,68 mld (2,15 mgd) que requieren una demanda bioquímica de oxígeno de aproximadamente 214 miligramos por litro (mg/l), el tratamiento consume lodo biológicamente activado a una tasa de aproximadamente 453,6 kg/d (1.000 lbs/d) de sólidos. El espesador o tamiz 136 de lodo normalmente entremezcla el lodo activado con un polímero para intensificar la coagulación del lodo y para ayudar en la eliminación del agua en exceso. En una realización, el tamiz 136 aumenta la concentración de sólidos del lodo activado en un factor de entre aproximadamente 8 hasta 15. Tal como se muestra en la figura 2, el agua recuperada puede devolverse a la cabecera de la instalación a lo largo de la trayectoria 137.

Tras la concentración del lodo, el lodo activado y concentrado se dirige a lo largo de una trayectoria 140 de flujo hasta un intercambiador 143 de calor y un par de tanques 144 y 145 de digestión. Por tanto, el digestor 150 puesto en práctica en la realización mostrada en la figura 2 utiliza un proceso de digestión de dos fases, en la forma de tanques de digestión primarios y secundarios, para optimizar la digestión anaerobia y la recogida de gas metano. Sin embargo, los expertos en la técnica apreciarán que esta realización prevé beneficios similares a los de la digestión anaerobia de única fase. El lodo activado y concentrado se precalienta mediante el intercambiador 143 de calor hasta una temperatura elevada que mantendrá la descomposición anaerobia en el digestor 144.

Cuando se ha completado el proceso de digestión, el lodo digerido se transfiere a un tanque 152 de almacenamiento a lo largo de una trayectoria 154 de flujo. El lodo digerido y almacenado, se somete preferiblemente a un proceso de circulación de decantación, fraccionamiento y/o digestión a medida que sale del tanque 152 de almacenamiento de lodo. El proceso de circulación optimiza la generación de biogás a partir del lodo. El proceso de circulación puede ser continuo o discontinuo. En una realización preferida, el lodo digerido y almacenado se transfiere inicialmente desde el tanque 152 de almacenamiento a lo largo de la trayectoria 156 de flujo hasta un decantador 138. Después, el decantador 138 concentra adicionalmente el lodo hasta una concentración adecuada de sólidos, como con la realización descrita anteriormente. Este lodo concentrado se hace recircular de nuevo al tanque de almacenamiento a lo largo de una trayectoria 159 de flujo. De esta forma, puede lograrse el nivel de concentración deseado del lodo en el tanque de almacenamiento. Alternativamente, la corriente de sólidos que sale del decantador puede dirigirse directamente hacia el clasificador 142.

El agua decantada obtenida en el decantador 138 se hacer volver a la entrada del sistema de tratamiento de aguas residuales. Una vez que el lodo digerido se ha concentrado adecuadamente, al menos una corriente parcial del lodo concentrado y digerido se extrae del tanque 152 de almacenamiento a lo largo de la trayectoria 157 de flujo para el fraccionamiento de los microorganismos. Por ejemplo, el lodo concentrado y digerido puede extraerse del tanque 152 de almacenamiento del lodo para su fraccionamiento a una velocidad de flujo de aproximadamente el 0,2 por ciento de la velocidad de flujo combinado de lodo primario y lodo biológicamente activado suministrado al(a los) digestor(es) 150. Tal como se muestra en la figura 2, el lodo concentrado y digerido se hace pasar a través de un clasificador 142 y a un homogenizador 146 de alta presión de la misma manera que la descrita en relación con la figura 1.

El lodo fraccionado que sale del homogenizador 146 se desplaza a través de la trayectoria 158 de flujo, en la que el lodo se vuelve a calentar por el intercambiador 143 de calor. El lodo fraccionado puede mezclarse con lodo primario procedente del tanque 118 de prepurificación y/o con el lodo biológicamente activado proporcionado a partir del tamiz 136. Aunque no se muestra en la figura 2, esta mezcla de lodos también puede producirse antes de la homogenización usando el homogenizador 146 de alta presión. El lodo se hace volver después al sistema 150 de digestión anaerobia.

Periódicamente, el lodo se elimina del tanque 152 de almacenamiento a lo largo de la trayectoria 160 de flujo para eliminación. Normalmente, el lodo se deseca adicionalmente por una combinación de acondicionador 162 de lodo y filtro 164 antes de que esté preparado para su eliminación por incineración o por deposición en campos agrícolas y vertederos. En una realización preferida, la combinación de acondicionador 162 de lodo y de filtro 164 aumenta la concentración de sólidos en el lodo en un factor de al menos 3.

La figura 2 también muestra una unidad 166 de conversión de energía dispuesta para recuperar gas metano proporcionado por los tanques 150 de digestión a lo largo de las trayectorias 168 y 170 de flujo. Para una planta de tratamiento que suministra un lodo primario y secundario combinado, y un flujo de lodo fraccionado de 53 metros cúbicos por día (m^{3}/d) con un porcentaje de sólidos de 3,4 a los digestores 150 anaerobios, puede esperarse que los digestores 150 anaerobios recuperen biogás en el intervalo de 800 metros cúbicos por día con un 64 por ciento de volumen de metano. Naturalmente, la generación de metano variará dependiendo del porcentaje de sólidos orgánicos volátiles en el lodo digerido, tal como entenderán los expertos en la técnica. Mediante el proceso de conversión realizado por la unidad 166 de conversión de energía, una fuente de energía adicional está disponible para su uso por el sistema de fraccionamiento, así como por otras partes de la instalación de tratamiento de aguas residuales.

La figura 3 muestra un diagrama de flujo del balance energético que puede obtenerse según la presente invención. Tal como se explica más adelante, puede lograrse una mayor cantidad de energía por sólido procesado del lodo, en comparación con los métodos de tratamiento de lodos del estado de la técnica.

En la figura 3, las flechas se usan para indicar el flujo de energía en las diversas partes de un sistema 210 de tratamiento según la presente invención, tal como se midió en kilowatios-hora por kilogramo de sólidos totales (kWh/kg ST). El contenido de energía del gas biológico, o gas metano, producido por las torres 50, 150 de digestión en las realizaciones mostradas en las figuras 1 y 2 se suministra a una central 266 eléctrica combinada de conversión, tal como se indica mediante la flecha 212. En una realización preferida, esta energía está en el intervalo de 2,5 kWh/kg ST, en comparación con 2 kWh/kg ST en los sistemas conocidos en la técnica anterior.

La central 266 eléctrica funciona para convertir el biogás suministrado a partir de las torres de digestión en una forma utilizable de energía. En este proceso de conversión se espera que se pierda una cierta cantidad de energía, tal como se representa por la flecha 214. En una realización preferida, esta pérdida de energía está en el intervalo de 0,3 kWh/kg ST. El resto de la energía convertida puede utilizarse para el propio sostenimiento del funcionamiento del sistema de tratamiento.

Hay varias necesidades energéticas para el funcionamiento del aparato de digestión. Por ejemplo, la energía requerida para mantener una temperatura apropiada de un intercambiador 243 de calor para calentar el lodo digerido como parte del proceso de digestión se indica en la figura 3 con la flecha 216 que, en una realización preferida, está en un intervalo de energía esperado de aproximadamente 1,2 kWh/kg ST. Esto permite que la sección 250 de digestión funcione a una temperatura en el intervalo de 208,4 a 215,6ºC (de 98 a 102ºF), como es deseable cuando se optimiza la digestión anaerobia del lodo. Naturalmente, el calor se transferirá desde el intercambiador de calor hasta la sección de digestión. Esta transferencia de energía, que se indica en la figura 3 con la flecha 218, es de aproximadamente 0,8 kWh/kg ST. De manera similar, se producirán pérdidas de energía en la sección de digestión, como la de a través de la transmisión. Estas pérdidas se indican mediante la flecha 220 y son del orden de aproximadamente 0,2 kWh/kg ST. La pérdida de calor basada en la descarga de lodo del intercambiador de calor se indica mediante la flecha 222 y es el orden de aproximadamente 0,6 kWh/kg ST. Finalmente, las pérdidas de calor en exceso en el sistema se indican mediante la flecha 224 y son del orden de aproximadamente 0,1 kWh/kg ST.

Tal como se explicó anteriormente, la central eléctrica combinada de conversión genera energía eléctrica, tal como se indica mediante la flecha 226. En una realización preferida, la cantidad de energía eléctrica generada es de aproximadamente 0,8 kWh/kg ST.

Par someter el lodo a fraccionamiento, se requiere una parte de dicha energía eléctrica generada, es decir, para hacer funcionar la bomba 246 del homogenizador. En una realización, esta necesidad de energía se indica mediante la flecha 228 (por ejemplo, 0,2 kWh/kg ST a 100 bares). Es decir, el sistema requiere esta energía con el fin de hacer funcionar el homogenizador 246 de alta presión mostrado en la figura 3. Naturalmente, puede utilizarse cualquier energía generada en exceso en otros aspectos del sistema de tratamiento.

Según la invención, puede lograrse un aumento del 25 por ciento en el valor del contenido de energía, en comparación con los métodos del estado de la técnica. Es decir, el contenido de energía del biogás generado según la presente invención es de 2,5 kWh/kg ST, en comparación con 2 kWh/kg ST que usan los métodos de fraccionamiento del estado de la técnica. Como resultado, la invención permite que haya suficiente energía para el propio sostenimiento del proceso de fraccionamiento del lodo, así como para proporcionar energía en exceso para su uso en otra parte, en comparación con los métodos de tratamiento de lodos del estado de la técnica.

La figura 4 muestra un diagrama en el que se representa el balance energético con el fraccionamiento usando un homogenizador de alta presión, que se hace funcionar a presiones de 0 a 500 bares. Este diagrama muestra la energía aplicada y la energía generada para lodos que tienen diferentes concentraciones. Tal como puede observarse, cuando el homogenizador según la invención se hace funcionar a una presión de aproximadamente 200 bares, la energía aplicada es inferior a la energía generada. Por tanto, en este intervalo, el balance energético es positivo. Las curvas marcadas con un triángulo blanco o con un punto blanco se aplican a lodo altamente concentrado que se ha concentrado en un factor de 2. El diagrama muestra que la energía aplicada para el lodo concentrado también es inferior a la energía aplicada para el lodo no concentrado. Por otra parte, la cantidad generada de energía, es decir, la cantidad de gas metano generado, hasta una presión del homogenizador de 200 bares, es mayor para el lodo concentrado, en comparación con la energía generada a partir del lodo no concentrado. El balance energético para el lodo concentrado es positivo en el intervalo de presión del homogenizador de 0 a 400 bares. El mayor excedente de energía resulta a una presión del homogenizador de 100 bares.

La figura 5 muestra un diagrama en el que se representa la producción específica de gas a partir de muestras de lodo no tratado, lodo sin fraccionar a concentración normal y lodo concentrado (en factores de 2 y 3) durante un periodo de tiempo. En este caso, el periodo de observación es de 23 días. Tal como se muestra, el lodo no tratado proporciona una cantidad considerablemente menor de gas metano que el lodo fraccionado. La representación de la curva de la producción de gas es exponencial. El lodo concentrado el doble produce algo más de gas que el lodo no concentrado. Las curvas de gas transcurren casi paralelas. Es evidente que el lodo concentrado el triple produce menos gas en los cuatro primeros días que el lodo menos concentrado. Sin embargo, el lodo concentrado el triple alcanza posteriormente su estabilidad microbiológica y produce más gas que en la descomposición del lodo menos concentrado. El proceso de fraccionamiento utilizado en estos análisis de rendimiento se llevó a cabo utilizando un homogenizador de alta presión que funcionaba a 100 bares.

La figura 6 muestra los resultados de la prueba llevada a cabo a una presión del homogenizador de 200 bares. Tal como se muestra, la producción de gas del lodo no concentrado y no fraccionado es casi idéntica a la del lodo no concentrado y fraccionado. Una comparación con la producción de gas mostrada en la figura 5 muestra que cuando se usa un homogenizador de alta presión a 200 bares, el rendimiento de gas no es mucho mayor que en un homogenizador a la presión de 100 bares.

La figura 7 es un diagrama comparable con las figuras 5 y 6, pero que funciona con el homogenizador de alta presión a una presión de 400 bares. Puede observarse que cuando se produce el fraccionamiento a una presión de 400 bares, el rendimiento de gas sólo aumenta al concentrar en un factor de al menos 3, en comparación con una presión del homogenizador de 100 bares. Una comparación con los resultados de la prueba a 200 bares, que se muestra en la figura 4, muestra que el rendimiento del gas no puede mejorarse adicionalmente con el aumento de la presión del homogenizador.

Varias ventajas se desprenden de la invención. Dado que las instalaciones de tratamiento de residuos siempre han estado condicionadas para obtener mayores ahorros en el coste, la metodología y el sistema según la presente invención proporciona un modelo comercial que cumple con tales expectativas. Es decir, la instalación de tratamiento de residuos proporciona un balance energético que se logra mediante la optimización cuidadosa de la energía aplicada, en comparación con la energía generada a partir de la misma.

Las realizaciones ilustrativas de la presente invención y ciertas variaciones de las mismas se han proporcionado en las figuras y en la descripción escrita adjunta. Sin embargo, los expertos en la técnica apreciarán fácilmente a partir de la descripción anterior que son posibles muchas variaciones de la metodología y el sistema descritos sin desviarse de la amplitud de la invención descrita. Las variaciones incluyen, sin limitación, el fraccionamiento parcial o sustancialmente completo de los microorganismos en el lodo con el uso de medios de mezclado, medios de homogenización ultrasónica o aparatos similares apropiados para lograr un grado similar (o el mismo) de fraccionamiento de las paredes de los microorganismos, en comparación con una válvula del homogenizador. Asimismo, aunque se ha resumido una serie de etapas para llevar a cabo un método de optimización según la invención, pueden añadirse, eliminarse o modificarse etapas sin apartarse del alcance de la invención. Por tanto, la invención no está destinada a estar limitada por las realizaciones descritas. Por el contrario, la presente invención está destinada a cubrir las realizaciones descritas, así como otras que caen dentro del alcance de la invención en el grado más completo permitido por la ley en vista de esta descripción y las invenciones definidas por las siguientes reivindicaciones en el presente documento.

Claims (15)

1. Método para tratar lodo estabilizado generado en un sistema de tratamiento de aguas residuales, que comprende las etapas de:

concentrar el lodo estabilizado para aumentar el porcentaje de contenido de sólidos en al menos 1,5;

seleccionar una presión de homogenización deseada basándose en la energía requerida para fraccionar el lodo;

fraccionar al menos una parte de la materia celular en el lodo concentrado a la presión de homogenización deseada en un intervalo de entre 50 bares y 400 bares;

digerir el lodo fraccionado para producir gas metano; y

convertir el gas metano en una fuente de energía disponible que pueda entrar en el sistema de tratamiento de aguas residuales, siendo la energía de entrada sustancialmente igual o superior a que la necesidad de energía de entrada.

2. Método según la reivindicación 1, que comprende además la etapa de clasificar el lodo para eliminar impurezas del mismo, realizándose la etapa de clasificación antes de la etapa de fraccionamiento.

3. Método según la reivindicación 2, en el que la etapa de clasificación se realiza con el uso de un dispositivo de vórtice de gravilla.

4. Método según la reivindicación 1 a 3, en el que la etapa de digestión comprende hacer pasar el lodo fraccionado a un primer tanque de digestión anaerobia para digerir al menos parcialmente el lodo fraccionado y después hacer pasar al menos una parte del lodo parcialmente digerido a un segundo tanque de digestión anaerobia.

5. Método según la reivindicación 4, en el que el lodo se digiere en una serie de tanques de digestión anaerobia.

6. Método según la reivindicación 5, en el que se produce el fraccionamiento entre cualquiera o todos los tanques de digestión anaerobia.

7. Método según la reivindicación 6, en el que los fraccionamientos de los lodos primarios y biológicamente activados se produce antes de mezclar ambos.

8. Método según la reivindicación 6, en el que se producen múltiples fraccionamientos a bajas presiones entre los digestores anaerobios.

9. Método según una de las reivindicaciones precedentes, en el que la etapa de fraccionamiento del lodo se realiza como una etapa continua.

10. Método según una de las reivindicaciones precedentes, en el que la etapa de fraccionamiento del lodo se realiza de manera discontinua.

11. Método según una de las reivindicaciones precedentes, en el que el lodo es una mezcla de lodo estabilizado, biológicamente activado y primario.

12. Método según una de las reivindicaciones precedentes, en el que la etapa de concentración y la etapa de fraccionamiento se llevan a cavo en una parte de la corriente de lodo.

13. Método según una de las reivindicaciones precedentes, en el que la etapa de concentración se lleva a cabo con el uso de un decantador u otro dispositivo de separación centrífuga.

14. Método según una de las reivindicaciones precedentes, en el que la etapa de concentración se lleva a cabo mediante sedimentación.

15. Método según una de las reivindicaciones precedentes, que comprende además la etapa de eliminar metales pesados y/o sustancias húmicas del lodo antes o después del fraccionamiento antes de la digestión.