ES2227509T3 - Metodo de tratamiento biologico del liquido. - Google Patents

Metodo de tratamiento biologico del liquido.

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ES2227509T3 ES91910941T ES91910941T ES2227509T3 ES 2227509 T3 ES2227509 T3 ES 2227509T3 ES 91910941 T ES91910941 T ES 91910941T ES 91910941 T ES91910941 T ES 91910941T ES 2227509 T3 ES2227509 T3 ES 2227509T3
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John Whitaker
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Abstract

UN APARATO DE FILTRACION QUE CONSTA DE UNA COLUMNA (1) QUE TIENE UNA ENTRADA PARA EL LIQUIDO INFERIOR (7), UNA SALIDA PARA EL LIQUIDO SUPERIOR (2) Y UNA PANTALLA INTERNA INTERMEDIA (4) ADAPTADA PARA CONFINAR UN LECHO (5) DE PARTICULAS FLOTANTES POR DEBAJO DE ELLA; ELEMENTOS (8) ADAPTADOS PARA HACER QUE EL LIQUIDO FLUYA HACIA ARRIBA DE LA COLUMNA; Y ELEMENTOS (9, 10) ADAPTADOS PARA EXPANDIR EL LECHO. TAL APARATO SE PUEDE UTILIZAR PARA SEPARAR LAS IMPUREZAS BIODEGRADABLES DE UN LIQUIDO, A BASE DE HACER QUE EL LIQUIDO FLUYA HACIA ARRIBA DE LA COLUMNA, INCLUYENDO LA COLUMNA, POR DEBAJO DE LA PANTALLA O DE CADA PANTALLA, PARTICULAS FLOTANTES EN LAS QUE SE RECOGERA LA BIOMASA; Y UNOS ELEMENTOS DE EXPANSION QUE FUNCIONAN INTERMITENTEMENTE. POR EJEMPLO, SE PUEDE ACCIONAR UNA BOMBA DE AIREACION DE TAL MODO QUE, BAJO CONDICIONES NORMALES DE FLUJO, EL LECHO QUEDE SUSTANCIALMENTE IMPERTURBADO E INTERMITENTEMENTE DE TAL MODO QUE LAS PARTICULAS SEAN MENOS FLOTANTES Y LA BIOMASA DE LAS PARTICULAS SEA RETIRADA MEDIANTE FROTACION A MEDIDA QUE ESTAS CIRCULAN.

Description

Método de tratamiento biológico del líquido.
La presente invención se refiere a filtración ascendente utilizando un medio flotante, y es adecuada para su utilización en la purificación del agua, especialmente para el tratamiento de las aguas residuales o para el tratamiento de las aguas de desperdicio industriales.
En "Filtration & Separation", Noviembre/Diciembre 1987, páginas 399-406, un artículo de Hunter titulado "Recent Developments in Buoyant Media Liquid Filtration" replica sistemas publicados de medios de filtros flotantes. El artículo da a conocer también resultados obtenidos en la filtración de varios sistemas acuosos, incluyendo las aguas fecales no tratadas, utilizando las "macroesferas" flotantes descritas en la patente U.S.A. No. USA-A-4111713. Las partículas flotantes se han retenido bajo una pantalla. Se han obtenido resultados satisfactorios, consiguiendo que la pantalla se limpiara periódicamente mediante un lavado a contracorriente.
La patente Europea No. EP-A-0347296 da a conocer un método en el que el aire y el agua, que se deben filtrar biológicamente, se bombean hacia arriba de una columna, incluyendo una pantalla perforada, a través de un lecho inferior fluidizado de partículas que son más ligeras que el agua y luego a través de un lecho fijo superior de partículas más pequeñas y más ligeras. Para ello, se realiza un lavado a contracorriente.
El artículo publicado por Hunter se refiere también, entre otras cosas, a la patente británica No. GB-A-2080696 que da a conocer un aparato que comprende un recipiente que tiene entradas inferiores de inyección del líquido y del gas y una salida superior del líquido, y un lecho de un medio de filtro flotante en el recipiente. El inyector dispersa periódicamente burbujas finas de aire a través del agua que fluye de modo ascendente a través del lecho cuya flotabilidad es de tal modo que, por lo menos, algunas partículas descenderán en la mezcla del agua/aire, y liberarán las impurezas atrapadas durante la expansión del lecho resultante. El aparato está destinado a la filtración del agua y, de modo intencionado, evita la utilización de cualquier pantalla interna, en el recipiente, del tipo que se ha utilizado para retener el material flotante.
La patente francesa No. FR-A-2538800, que se considera la técnica más cercana a la invención de la reivindicación 1, da a conocer un tratamiento biológico de líquido, por ejemplo, el agua residual urbana, utilizando un lecho retenido de partículas flotantes que se limpia mediante un lavado a contracorriente. Se da a conocer una inyección continua o intermitente de gas. La patente británica No. GB-A-1601380 y la patente U.S.A No. USA-A-4246118 dan a conocer la expansión de un lecho de partículas flotantes mediante la inyección de gas, en los procesos de filtra-
ción.
Un objetivo de la presente invención es mejorar el proceso de la eliminación intermitente de la biomasa a partir de un filtro biológico, incluyendo las partículas en las que la biomasa crece, lo cual no es fácil, dado que la biomasa tiende a crecer donde sea posible en las partículas y alrededor de las mismas.
De acuerdo con la presente invención, se da a conocer un método de tratamiento biológico de un líquido y, por consiguiente, la eliminación de las impurezas biodegradables de dicho líquido, que comprende hacer fluir el líquido ascendentemente en una columna que tiene una entrada inferior del líquido, y una salida superior del líquido y una pantalla interna intermedia debajo de la cual se confina un lecho de partículas flotantes, en las que la biomasa crece, y hacer funcionar medios de expansión, de modo intermitente, para dilatar el lecho de las partículas flotantes, y eliminar el líquido que contiene la biomasa, caracterizado porque, normalmente, se introduce el gas en dicho líquido a una primera velocidad para fluir ascendentemente a través de dicho líquido del modo que dicho lecho permanece sustancialmente no perturbado, y, de modo intermitente, se introduce el gas en dicho líquido a una segunda velocidad más alta que dicha primera velocidad para fluir ascendentemente a través de dicho líquido para dilatar dicho lecho y, con el lecho en su condición de expansión, para proporcionar el lavado de las partículas para eliminar una proporción de la biomasa de las partículas, porque la expansión del lecho está causada solamente mediante dicho gas introducido en dicho líquido a dicha segunda velocidad, y porque dicha eliminación comprende evacuar dicho líquido que contiene la biomasa, a partir de dicha columna.
Gracias a la invención, se mejora el proceso de la eliminación de la biomasa del alrededor de las partículas, dado que la expansión del lecho está causada solamente por el gas introducido en el líquido a la segunda velocidad.
En una realización preferente, se elimina la biomasa del líquido utilizando una columna que tiene una entrada inferior de líquido, una salida superior de líquido y una pantalla interna intermedia debajo de la cual se confina un lecho de partículas flotantes en las que la biomasa crecerá, mediante un proceso que comprende:
bombear un gas que contiene oxígeno y el líquido de modo que fluyen ascendentemente en la columna, sin perturbar sustancialmente el lecho, para conseguir un líquido tratado situado encima de la pantalla y debajo de la sali-
da;
incrementar el flujo del gas, de modo intermitente, de modo que las partículas son menos flotantes, y la biomasa en las partículas se elimina por fricción a medida que circulan las partículas; y
evacuar el líquido que contiene la biomasa así obtenida, y lavar el lecho con el líquido tratado, al mismo tiempo que se detiene la bomba del líquido.
Se puede utilizar el presente método para la separación de las impurezas de cualquier sistema líquido biológicamente degradable, por ejemplo, las aguas residuales domésticas, mediante el bombeo del líquido de modo ascendente a través de la columna, incluyendo la columna, debajo de la pantalla, el lecho de partículas flotantes en las que la biomasa crecerá o se atrapará. Por consiguiente, las partículas que contienen la biomasa eliminan tanto el material particulado como el material biodegradable disuelto y el material filtrable a partir del flujo. El método comprende también la expansión intermitente del lecho, para así eliminar los materiales sólidos acumulados.
En una realización principal de la invención existen una entrada inferior de gas y también medios adaptados para provocar un flujo ascendente del gas en, por lo menos, cada una de las dos velocidades del flujo. Se puede utilizar esta bomba de gas para causar la expansión del lecho, funcionando de tal modo que las partículas no sean tan flotantes; esto conduce a una interrupción del lecho, y la biomasa presente en las partículas se elimina por fricción a medida que circulan las partículas.
Las partículas utilizadas en esta realización principal deben ser flotantes con respecto al líquido y al gas en ciertas proporciones (por ejemplo, en estado de equilibrio, cuando el flujo de gas se encuentra a cero velocidades o a una primera velocidad) pero menos flotantes cuando aumenta el suministro de gas, cuando la distribución del gas aumenta a una segunda velocidad. Después de esta operación de lavado, se elimina una proporción de la biomasa del medio flotante y permanece en suspensión. A continuación, se puede evacuar el líquido, con el propósito de que el aparato puede comprender una salida inferior del líquido; dicha salida incluirá usualmente una pantalla que impide que las partículas se escapen de la columna.
Si el gas contiene oxígeno, por ejemplo es aire, una característica de la presente invención es que el líquido se puede airear constantemente, y que la biomasa puede experimentar continuamente la aireación. La entrada del gas se encuentra adecuadamente en forma de un difusor de burbujas. Las condiciones del flujo deben ser de modo que las burbujas finas, por ejemplo, de 1 a 3 mm de tamaño, se generan solamente durante las condiciones del "estado de equilibrio", es decir, durante el flujo del líquido, cuando las partículas son flotantes; por consiguiente, el lecho permanece sustancialmente sin ser perturbado cuando las burbujas entran en el medio. Esto está en contraste con el requerimiento del flujo intermitente de lavado.
Se ha descubierto que el flujo del gas, que causa un efecto ascendente del aire, reduce los problemas que se pueden asociar con un cambio en la velocidad del flujo. Se hace patente que la caída de la presión varía linealmente con el flujo, más que con el cuadrado del flujo. Una velocidad preferente del flujo es de 1 a 20, por ejemplo, de 3 a 10, m/hora (velocidad superficial) del aire libre para la aireación y de 5 a 50, por ejemplo, de 15 a 25 m/hora para el lava-
do.
Se puede conseguir también la filtración en un mismo depósito, mediante una compartimentación para proporcionar una zona adicional de filtración situada encima de una primera pantalla que retiene las partículas flotantes.
En general, se pueden utilizar el aparato y el proceso de la invención para un tratamiento terciario, para producir la nitrificación. Se coge el líquido de entrada del tratamiento secundario con la concentración reducida del efluente. Los intervalos entre los lavados a contracorriente deben ser suficientes para permitir el crecimiento de la bacteria de nitrificación. El aparato para este propósito debe ser compacto en tamaño, y que permita realizar fácilmente el aislamiento y, por lo tanto, reducir el efecto estacional (es decir, "sloughing" o derrumbe).
A menudo será conveniente tener que suministrar bombas para causar el flujo ascendente del líquido y el flujo del gas, respectivamente. También es posible utilizar una bomba de vacío, para crear la presión reducida en la parte superior de la columna, para provocar el flujo del líquido y/o del gas, o para utilizar un cabezal hidrostático de pre-
sión.
Cada entrada y cada salida pueden comprender una válvula. La entrada inferior de líquido y la salida inferior de líquido se controlarán de modo que no estén abiertas al mismo tiempo; la bomba del líquido estará usualmente cerrada mientras se evacúa el líquido. Se puede conectar la salida inferior de líquido a un filtro convencional, de modo que se pueden eliminar los sólidos concentrados, o pasar a una salida de residuos sin pérdidas del medio.
La profundidad del lecho es, por ejemplo, de 1 a 3 m en un sistema aireado, o de 0,5 a 2 m para el tratamiento terciario. Las partículas son, por ejemplo, de 1 a 10 mm, preferentemente de 2 a 5 mm, en máxima dimensión. Las partículas son preferentemente de polietileno o polipropileno. Se pueden utilizar también otros materiales con una flotabilidad adecuada conseguida por inclusiones de bolsas de aire; ejemplos de dichos materiales son polietileno expandido o espumas fabricadas a partir de cauchos sintéticos o naturales tales como los cauchos de poliisobu-
tilo.
A menudo es preferente que las partículas deban tener una forma que permite a la biomasa ser atrapada o atada: las partículas cilíndricas pueden tener esencialmente canales helicoidales o lineales de superficie extendida, es decir, similares a una forma de estrella o denticulado en sección transversal, o similares a una forma de tubo; se pueden producir cada una de estas formas, u otras formas, preferentemente con ángulos incluidos de los cuales la biomasa no puede eliminarse fácilmente, mediante extrusión o moldeo de un material adecuado, y tallado. La superficie de la partícula, alternativa o adicionalmente, puede ser rugosa por abrasión, molido o por tratamiento químico, por ejemplo, con polvos, polímeros, o emulsiones de disolvente, o por inclusión de un material sólido tal como la tiza, alúmina, carbón, o talco; la tiza u otros materiales solubles en agua son particularmente adecuados dado que se disuelven para crear una superficie ahuecada que impulsa la adherencia de la biomasa. Se conocen también y se pueden utilizar las formas sinterizadas y las similares a esponjas de polímeros adecuados.
La pantalla tiene huecos que deben ser suficientemente pequeños para retener las partículas que están por debajo de la misma, pero no tan pequeños que provoquen una resistencia hidráulica sustancial. Por ejemplo, para las partículas cuyo tamaño está por debajo de 3 mm, las aperturas de la pantalla serán habitualmente de 2,3 a menos de 3 mm.
Para minimizar la interrupción del sistema de filtración, se pueden hacer funcionar dos o más unidades de acuerdo con la invención; una se puede lavar a contracorriente mientras que la otra proporciona la filtración. Adicionalmente, se puede hacer funcionar una unidad mientras la otra está "en reposo": es deseable tener un periodo de reposo (es decir, sin flujo neto), para permitir la re-unión de la biomasa a las partículas. Otra opción deseable es reciclar los materiales después del lavado a contracorriente, dado que, por lo contrario, la calidad del efluente puede bajar después del lavado a contracorriente.
A continuación se describirá la invención mediante un ejemplo con referencia solamente a los dibujos adjuntos, en los que cada una de las figuras 1 y 2 es una representación esquemática de una realización diferente de la invención y la figura 3 es una representación esquemática de una planta piloto operacional.
La figura 1 muestra un reactor de columna (1) que tiene una salida superior (2) que define el nivel del agua (3) en la columna. Debajo de la salida (2), una pantalla (4) retiene un lecho (5) de partículas de un medio flotante. La pantalla (4) define también una zona de un líquido claro debajo de la pantalla.
El lecho (5) tiene una altura h (por ejemplo, 2 m). A través de la altura del lecho existen los puntos de la muestra (6).
Debajo del lecho, se suministra la entrada de líquido (7) mediante una bomba (8). También debajo del lecho existe un difusor de aire (9) a través del cual se suministra el aire a través de una entrada (10) mediante el funcionamiento de una segunda bomba (que no está mostrada). La segunda bomba funciona de modo continuo, para airear y también, bajo demanda, mediante un cronometrador, para producir un flujo superior que proporciona una acción de lavado. A medida que el flujo del aire es normal, el lecho filtrante es flotante. El flujo del lavado deja el material del lecho menos flotante, de modo que el lavado se produce a medida que las partículas circulan en el líquido: un incremento del flujo sobre las superficies de las partículas cizalla el exceso de la biomasa en la suspensión.
Para limpiar el filtro, se puede detener la bomba (8) y el filtro se lava a contracorriente utilizando el líquido en la parte superior, la zona clara, que se toma a través de un punto de evacuación (no está mostrado).
Se han obtenido resultados satisfactorios para el tratamiento de las aguas fecales domésticas, utilizando una bomba Jabsco de velocidad variable para conseguir un flujo ascendente de las aguas fecales a una velocidad de 48 l/h, un flujo de aire normal de 0,4-1,2 m^{3}/h, y operando el flujo del lavado (2-4 m^{3}/h) cada 3-4 días. Se han utilizado las partículas de polipropileno, que tienen huecos en la superficie, y una dimensión máxima de 4 mm. La fricción no eliminó rápidamente la biomasa presente en los huecos, impulsando así la retención y el crecimiento adicional de la biomasa después del lavado, bajo las condiciones renovables del estado de equilibrio.
El aparato y el proceso son también adecuados para un tratamiento primario/secundario. Para permitir la oxidación carbónica y las zonas de filtración, la compartimentación es preferente, tal como se muestra en la figura 2, mediante la utilización de dos pantallas (4a), (4b) (y en las que los componentes paralelos a los mostrados en la figura 1 tienen la misma referencia numérica). La pantalla superior (4a) retiene un lecho (5a) que actúa como una zona de filtración. La pantalla inferior (4b) retiene un lecho (5b) que actúa como una zona de nitrificación. Se disponen los difusores de aire (9a) y (9b), con las entradas (10a) y (10b) asociadas. Una capucha (11) minimiza el efecto de cualquier turbulencia en el lecho superior (5a), y conduce a una salida (12) de aire y de lavado a contracorriente del agua.
La figura 2 describe una realización que es alternativa a una forma diferente de la compartimentación, es decir diferentes zonas en diferentes columnas, que puede ser frecuentemente preferente. La compartimentación puede ser también apropiada para el tratamiento terciario, tal como se ha descrito anteriormente, para conseguir zonas de nitrificación y de filtración.
La figura 3 muestra una planta piloto operacional que comprende recipientes de reactor similares (1c), (1d), cada uno de ellos con una zona de entrada del líquido suministrada mediante una entrada (7c), (7d) controlada por una válvula (13c), (13d). Se alimenta el reactor (1c) con el líquido a partir de un depósito que tiene un sensor de nivel (14) mediante una bomba (15). Una línea de aire presurizado (16) (indicada por una línea discontinua) suministra aireadores de burbujas (9c), (9d) en cada reactor, cada uno mediante una válvula de aeración (17c), (17d) y una válvula del flujo del lavado (18c), (18d). Cada reactor incluye un lecho (5c), (5d) del material particulado retenido debajo de una pantalla (4c), (4d). Del recipiente (1c), una salida superior del líquido (2c) (en un depósito intermedio) conduce, mediante la válvula (13d), a la entrada inferior del líquido (7d) en el reactor (1d).
Se puede "romper" cada lecho (5c), (5d) mediante el funcionamiento de un motor (19c), (19d) conectado por un eje (20c), (20d) a un remo (21c), (21d) en el lecho. Una salida (22c), (22d) para el líquido evacuado de cada reactor conduce a una salida común de lodo (26), mediante un filtro (23c), (23d) que se puede suministrar con el aire a partir de la línea (16) mediante una válvula asociada (24c), (24d), a través de las válvulas del lodo (25c), (25d). Una salida superior del líquido (2d) en el reactor (1d) conduce, a través de un depósito (27), a descargar o a una etapa adicional de purificación, utilizando, si es necesario, una bomba (no está mostrada).
Se puede hacer funcionar el sistema descrito en la figura 3 de la manera descrita anteriormente, para proporcionar un tratamiento aeróbico eficiente y un lodo resultante. Se abre cada válvula del lavado para aumentar el flujo de aire a través de los respectivos lechos, para dilatarlos. Se puede apagar la bomba que suministra el líquido al reactor (1c) mientras que los sólidos se evacúan a través del filtro.
En un ejemplo particular, evaluado a escala de planta piloto, se han operado 2 columnas, cada una de ellas con 0,3 m de diámetro interno y contienen un lecho con 1,6 m de altura de 3-4 mm de partículas de polipropileno. Se ha alimentado un desagüe establecido que tiene una fuerza entre 80 y 700 mg BOD/l y una carga entre 0,78 y 6,27 kg BOD/m^{3}.día en la primera columna por bombeo a una velocidad de 0,73-1,33 l/min. Se han obtenido efluentes en el rango de 5 y 51 mg BOD/l. A continuación, se ha alimentado este efluente a la segunda columna para la eliminación del amoníaco. Se ha eliminado sustancialmente el amoníaco a velocidades de carga de 0,04 a 0,71 kgN/m^{3}.día. Se ha aireado cada columna utilizando un difusor cerámico alimentado con 6 l/m de aire. Los resultados típicos se muestran en las siguientes tablas.
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(Tabla pasa a página siguiente)
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Tratamiento carbónico
1 
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Columna de nitrificación
2

Claims (12)

1. Método de tratamiento biológico del líquido y, por consiguiente, la eliminación de las impurezas biodegradables de dicho líquido, que comprende hacer fluir el líquido ascendentemente en una columna (1) que tiene una entrada inferior del líquido (7), y una salida superior del líquido (2) y una pantalla interna intermedia (4) debajo de la cual se confina un lecho de partículas flotantes (5), en las que la biomasa crece, y hacer funcionar medios de expansión de modo intermitente para dilatar el lecho (5) de partículas flotantes, y eliminar el líquido que contiene la biomasa, caracterizado porque, normalmente, se introduce el gas en dicho líquido a una primera velocidad para fluir de modo ascendente a través de dicho líquido de modo que dicho lecho permanece sustancialmente no perturbado, y, de modo intermitente, se introduce el gas en dicho líquido a una segunda velocidad más alta que dicha primera velocidad para fluir de modo ascendente a través de dicho líquido para dilatar dicho lecho y, con el lecho en su condición de expansión, para proporcionar el lavado de las partículas (5) para eliminar una proporción de la biomasa de las partículas (5), porque la expansión del lecho está causada mediante dicho gas introducido en dicho líquido a dicha segunda velocidad solamente, y porque dicha eliminación comprende drenar dicho líquido que contiene la biomasa a partir de dicha columna (1).
2. Método, según la reivindicación 1, en el que el gas introducido a la primera velocidad contiene oxígeno.
3. Método, según la reivindicación 1 ó 2, en el que el líquido que fluye de modo ascendente a través de la columna (1) pasa a través de una segunda pantalla interna intermedia (4b) y un segundo lecho de partículas flotantes (5b) confinadas debajo de la segunda pantalla (4b).
4. Método, según la reivindicación 3, en el que el líquido que fluye ascendentemente a través de la columna (1) pasa a través de medios de reducción de turbulencia (11) situados encima de la parte inferior de las pantallas (4b).
5. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichas partículas son materiales impermeables.
6. Método, según la reivindicación 5, en el que las partículas (5) son de polietileno o polipropileno.
7. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las partículas (5) se han hecho rugosas mediante abrasión, molido o tratamiento químico, o mediante la inclusión de un material sólido.
8. Método, según la reivindicación 7, en el que el material sólido es soluble en agua.
9. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la forma de las partículas (5) tiene ángulos incluidos a partir de los cuales la biomasa no se puede eliminar fácilmente.
10. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el líquido es agua residual doméstica.
11. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la velocidad del flujo del gas, sin perturbar sustancialmente el lecho, es de 1 a 20 m/h, y la velocidad del flujo del gas intermitente es de 5 a 50 m/h.
12. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las partículas (5) son de 1 a 10 mm de dimensión máxima.
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