ES2228131T3 - Procedimiento de tratamiento de los lodos provenientes de las instalaciones para la depuracion biologica del agua. - Google Patents

Abstract

Procedimiento de tratamiento de los lodos en exceso que provengan de, al menos, una instalación de depuración biológica de efluentes que dé lugar a la producción de lodos en exceso, asociando dicho procedimiento, al menos, una etapa de digestión con, al menos, una etapa de oxidación en húmedo de dichos lodos, caracterizado porque comprende etapas que consisten en oxidar, en húmedo, los lodos en exceso, a una temperatura comprendida entre 50 y 180ºC y a una presión comprendida entre 2 y 40 bares, en someterlos a una digestión y en recircular dichos lodos digeridos en dirección a dicha etapa de oxidación en húmedo.

Description

Procedimiento de tratamiento de los lodos provenientes de las instalaciones para la depuración biológica del agua.

La invención se refiere al campo del tratamiento biológico de los efluentes tales como, en particular, pero no exclusivamente, las aguas residuales urbanas o industriales, con vistas a su depuración. De modo más preciso, la invención se refiere al tratamiento de los lodos provenientes del tratamiento biológico de estos efluentes.

Tales procedimientos de tratamiento biológico consisten en poner en contacto el efluente a depurar con una biomasa que permita degradar la polución contenida en dicho efluente. La aplicación de tales tratamientos da lugar a un aumento progresivo de la cantidad de biomasa y a la necesidad de evacuar la biomasa en exceso. Esta biomasa en exceso se denomina, en lo que sigue, mediante la expresión "lodos en exceso".

Uno de los problemas importantes suscitados por el tratamiento biológico de los efluentes está constituido por las cantidades de estos lodos en exceso, que aumentan sin cesar.

Se han concebido diversas soluciones técnicas para reducir estas cantidades.

Entre estas técnicas, se puede citar, en particular, la incineración, el secado, la oxidación en húmedo (OH), el tratamiento químico y biológico para obtener productos que tengan utilidad en la agricultura, la digestión, es decir, esencialmente, la metanización (o digestión anaeróbica) o, también, la estabilización aeróbica termófila.

La metanización y la digestión aeróbica termófila permiten reducir el volumen de lodos en exceso, al degradar parte de la materia volátil (MV) que contienen hasta, aproximadamente, un 50% del valor inicial de los lodos. Además de reducir la materia volátil, estos procedimientos llevan a cabo una digestión y un saneamiento de los lodos en exceso.

En el estado de la técnica ya se ha propuesto aumentar la eficacia de la digestión de los lodos sometiéndolos a una etapa de tratamiento preliminar.

Así, a modo de tratamiento preliminar se ha propuesto someter dichos lodos a una trituración mecánica aguas arriba de un digestor anaeróbico o, también, a un tratamiento por ultrasonidos.

Estos tratamientos preliminares permiten reducir el tiempo de permanencia de los lodos en los digestores, manteniendo una reducción considerable de la materia volátil del lodo. Pero tales pre-tratamientos consiguen, como mucho, eliminar un 60% de la materia volátil de los lodos, de ahí la necesidad de eliminar los lodos en exceso residuales después de la digestión. Además, dichos tratamientos requieren la utilización de dispositivos relativamente costosos.

Se ha propuesto, también, otra solución basada en la acción del ozono. Así, el procedimiento descrito en la solicitud de patente europea EP-A-0 645 347, propone tratar con ozono el líquido mezclado recirculado en el depósito biológico a fin de reducir la producción de lodos en exceso. El principal inconveniente de esta técnica consiste en las dificultades inherentes a la utilización del reactivo muy oxidante que es el ozono, así como en su coste de aplicación.

A través del documento FR1435669 se conoce un procedimiento que asocia una digestión con una posterior oxidación en húmedo. Pero en esta técnica los lodos a tratar son, primero, digeridos y, después, oxidados. Existe, pues, el riesgo de introducir compuestos tóxicos en la etapa de digestión. Esta técnica presenta, también, el inconveniente de aportar, en la etapa de digestión, lodos que puedan presentar una digestibilidad reducida durante la etapa de digestión más larga y más difícil.

El principal objetivo de la presente invención es proponer un procedimiento de tratamiento de los lodos en exceso que provengan del tratamiento biológico de los efluentes, y que, eventualmente, permita evitar completamente la producción de lodos en exceso.

Este objetivo se logra merced a la invención, que se refiere a un procedimiento de tratamiento de los lodos en exceso que provengan de, al menos, una instalación de depuración biológica de efluentes que dé lugar a la producción de lodos en exceso, asociando dicho procedimiento, al menos, una etapa de digestión con, al menos, una etapa de oxidación en húmedo de dichos lodos, caracterizado porque comprende etapas que consisten en oxidar en húmedo los lodos en exceso a una temperatura comprendida entre 50 y 180ºC y a una presión comprendida entre 2 y 40 bares, en someterlos a una digestión y en recircular los lodos digeridos a dicha etapa de oxidación en húmedo.

Se ha observado que, de manera sorprendente, un tratamiento de este tipo de los lodos en exceso mediante una oxidación en húmedo en las condiciones de temperatura y de presión anteriormente señaladas junto con una digestión biológica de los mismos, permitía reducir considerablemente el volumen de los lodos residuales y, eventualmente, podía permitir, incluso, la eliminación total de estos lodos. Un resultado de este tipo constituye una ventaja considerable en relación con el estado de la técnica.

Se apreciará que, en el caso de la presente descripción, se entiende que el término "digestión" se refiere a cualquier procedimiento conocido por los expertos en la técnica de degradación de los lodos mediante una biomasa. Este término, en particular, incluye:

- la digestión anaeróbica, también denominada metanización, que degrada las moléculas orgánicas de los lodos a CO_{2}, CH_{4} y NH_{3}, pudiendo dicha digestión anaeróbica ser mesófila, es decir, efectuada a una temperatura entre 30 y 37ºC, o termófila, es decir, efectuada a una temperatura superior;

- la estabilización aeróbica termófila realizada a una temperatura comprendida entre 45 y 70ºC y, preferiblemente, entre 50 y 65ºC, que consiste en una oxidación biológica efectuada por inyección de aire en una cuba agitada.

Se notará, también, que las condiciones de temperatura y de presión recomendadas en la presente invención para la etapa de oxidación en húmedo son, claramente, menos rigurosas que las condiciones habituales de la OH, para la que se emplean, habitualmente, temperaturas comprendidas entre 180 y 300ºC y presiones que pueden llegar a 120 bares. Estas condiciones permiten desactivar la biomasa a fin de oxidarla parcialmente y solubilizarla pero, de manera sorprendente, sin provocar la formación de residuos minerales insolubles (óxidos, carbonatos, sulfatos, etc.) que no podrían ser eliminados durante la etapa de digestión y que afectarían al funcionamiento de esta etapa y, de ese modo, limitarían las posibilidades de reducción de la cantidad de lodos a evacuar.

De acuerdo con una variante, el procedimiento comprende una etapa suplementaria de espesamiento de los lodos durante la recirculación de los lodos en dirección a la etapa de oxidación en húmedo.

La etapa de oxidación en húmedo recomendada en lo que antecede podrá aplicarse durante un tiempo de tratamiento variable, en particular, en función del efluente concreto a tratar. No obstante, de acuerdo con una variante preferida, esta etapa se ejecutará, de modo preferido, en un periodo comprendido entre 10 y 180 minutos.

A fin de reforzar adicionalmente la eficacia de esta etapa podrá preverse, también de modo preferido, un ajuste previo del pH de los lodos que provengan de la instalación de tratamiento biológico, a un valor que puede variar según los casos, entre 2 y 11.

Siempre con objeto de aumentar la eficacia de la etapa de oxidación en húmedo en el marco del procedimiento de acuerdo con la invención, esta etapa se efectuará, ventajosamente, con una relación oxidante/demanda química de oxígeno (DQO), para los lodos en exceso no tratados, comprendida, aproximadamente, entre 0,2 y 1,5.

El agente oxidante a utilizar en la etapa de oxidación en húmedo podrá ser aire, oxígeno, aire enriquecido en oxígeno, peróxido de hidrógeno solo o combinado con uno de los tres agentes antedichos.

De acuerdo con una variante del procedimiento, de modo igualmente ventajoso, se utilizará un catalizador en la etapa de oxidación en húmedo a fin de aumentar la eficacia de la reducción de la DQO, de la solubilización de la DQO y de la reducción de la materia en suspensión (MES) de los lodos a tratar. Este catalizador podrá ser homogéneo o heterogéneo.

Preferiblemente, este catalizador será un metal seleccionado del grupo constituido por el manganeso, el hierro, el cobalto, el níquel, el cobre, el cinc y las aleaciones y compuestos de uno o varios de ellos. De modo más preferido, este catalizador homogéneo será un compuesto soluble de cobre y/o de cinc.

Según una variante interesante del procedimiento, el nitrógeno amoniacal podrá eliminarse de forma catalítica durante el tratamiento oxidante del lodo, utilizando, en la unidad de oxidación, un catalizador heterogéneo previsto por encima de la interfaz entre la fase gaseosa (medio oxidante) y la fase líquida (lodos). Podrá mejorarse esta eliminación previendo la recirculación de, al menos, parte de la fase gaseosa presente en la unidad de oxidación en húmedo, después de su paso por dicho catalizador heterogéneo, a fin de asegurar un tiempo de contacto suficiente con los lodos.

Este tratamiento integrado del nitrógeno amoniacal permite, en particular, evitar cualquier tipo de inhibición de la metanización por parte de este compuesto y limitar los retornos, a los depósitos biológicos, de una carga amoniacal no deseable.

Por otro lado, cuando el procedimiento se aplique con una estabilización aeróbica que funcione de modo continuo, el procedimiento según la invención comprenderá, ventajosamente, una etapa que consista en reciclar, al menos, parte de los gases que provengan de la etapa de oxidación en húmedo en dirección a la etapa de digestión aeróbica.

La invención, así como los diferentes ventajas que presenta, se comprenderán con más facilidad por medio de la descripción que sigue de modos no limitativos de realización de dicha invención, con referencia a la figura única, que representa, esquemáticamente, una instalación para la aplicación del procedimiento de acuerdo con la invención.

Ejemplo 1

La instalación representada en la figura 1 se utilizó para tratar lodos en exceso provenientes de una instalación de tratamiento biológico de aguas residuales de acuerdo con el procedimiento denominado de lodos activados.

Esta instalación comprende medios 1 de transporte de los lodos espesados, en exceso, que provienen de un tratamiento de este tipo, en dirección a una unidad 2 de oxidación en húmedo.

Esta unidad 2 de oxidación en húmedo está unida con un digestor 4 por medios 3 de transferencia que permiten transportar a este digestor los lodos oxidados procedentes de la unidad de OH. Este digestor 4 está constituido por un reactor de digestión aeróbica termófila que funciona a una temperatura de, aproximadamente, 55ºC, en el que las bacterias anaerobias están fijadas en soportes poliméricos 15 de tipo Bio-Net, que presentan una superficie específica de 150 m^{2}/m^{3} y una tasa de vacío del 97%.

La instalación comprende, además, medios 5 de transferencia que permiten dirigir los lodos digeridos, que provienen del digestor 4, hacia los medios de espesamiento de los lodos, que incluyen una unidad 6 de separación constituida por un decantador. Este decantador está dotado de medios 7 de evacuación de una fase líquida a los depósitos de tratamiento biológico, y de medios 8 para reciclar la fase sólida en la unidad 2 de OH. Esta unidad comprende, por otro lado, medios 9 para reciclar los gases oxidantes en el digestor 4. En este modo de realización de la invención, los lodos espesados, que contienen 23 g/l de materia seca (MS), de los que, aproximadamente, 16,5 g/l son de materia volátil seca (MVS), son introducidos por los medios 1 de transporte, de modo continuo, en la unidad de OH.

En esta unidad 2 se introdujo, de modo continuo, oxígeno puro a una presión de 4 bares (a temperatura ambiente), a fin de obtener una relación O_{2}/DQO igual a 0,45. La temperatura de oxidación se fijó en 150ºC y el tiempo de permanencia en 30 minutos.

Se procedió a agitar el contenido del reactor 2. Los lodos oxidados fueron analizados a la salida del reactor 2. Su pH se redujo, del 7,5 inicial, a 5,5 una vez oxidados. Los resultados presentados en la tabla 1 muestran que la reducción de la DQO es insignificante, y que sólo queda, aproximadamente, un 26% del contenido inicial de MS. Por otro lado, se constató un aumento considerable de la DQO soluble, lo que asegura una solubilización de, aproximadamente, un 45% de la DQO total de los lodos en la unidad 2.

TABLA 1

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Estos lodos oxidados son conducidos, de modo continuo, hacia el digestor 4, donde se someten a una digestión aeróbica termófila convencional. El gas oxidante en exceso es extraído del reactor 2 de OH e introducido, mediante el conducto 9, en el digestor 4, a fin de subvenir a las necesidades del metabolismo bacteriano aeróbico y contribuir al calentamiento del digestor. El aporte del lodo oxidado caliente, a través de la canalización 3, minimiza e incluso, también, elimina totalmente la necesidad de calentar el digestor 4 mediante un costoso aporte externo de calorías.

Los lodos digeridos residuales que provienen de este digestor son, a continuación, evacuados por los medios 5 de transferencia en dirección al separador 6 líquido-sólido (por ejemplo, un flotador o una mesa de escurrido).

El balance MS/MV entre los lodos introducidos en el reactor 2 de OH y los que salen del digestor 4 muestra que la MV se elimina en, aproximadamente, un 65% y la MS en, aproximadamente, un 58%. Después de la decantación, la fase sólida se envió a la unidad de 2 de OH.

En un periodo prolongado, solamente se hicieron algunas extracciones de lodos del digestor 4, con los medios 11 de extracción. El procedimiento según la invención ha permitido reducir de manera significativa, aproximadamente un 80%, tales extracciones en relación con la técnica anterior.

Ejemplo 2

La instalación representada en la figura 1 se utilizó para tratar lodos en exceso provenientes de otra instalación de tratamiento biológico de aguas residuales según el procedimiento denominado de lodos activados.

En el marco de este modo de realización de la invención, los lodos espesados, que contienen una media de 24 g/l de MS, de los que, aproximadamente, 21 g/l son de MVS, son introducidos, de modo continuo, por los medios 1 de transporte en la unidad de OH.

En esta unidad 2 se introdujo, de modo continuo, oxígeno puro a una presión de 4 bares (a temperatura ambiente) a fin de obtener una relación O_{2}/DQO igual a 0,45. La temperatura de oxidación se fijó en 150ºC y, el tiempo de permanencia, en 30 minutos.

Se procedió a agitar el contenido del reactor 2. Estos lodos oxidados se analizaron a la salida del reactor 2. Su pH se redujo, del 7,5 inicial, a 5,5 una vez oxidados. Los resultados presentados en la tabla 2 muestran que la reducción de la DQO se sitúa en torno al 8% y que no queda más que, aproximadamente, un 28% del contenido inicial de materia seca (MS). Por otro lado, se ha constatado un aumento considerable de la DQO soluble, lo que asegura una solubilización de, aproximadamente, un 48% de la DQO total de los lodos en la unidad 2.

TABLA 2

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Por otro lado, los lodos oxidados contienen 830 mg/l de ácido acético, 126 mg/l de ácido propiónico y 39 mg/l de ácido butírico (ácidos grasos volátiles-AGV), así como 4,9 g/l de carbohidratos (azúcares) que provienen de la degradación oxidante de los lodos activados durante el tratamiento de OH. Estos compuestos son asimilados fácilmente durante la digestión anaeróbica.

Estos lodos oxidados son conducidos, de modo continuo, hacia el digestor 4 donde se someten a una digestión anaeróbica termófila clásica. El aporte del lodo oxidado caliente a través de la canalización 3 minimiza e incluso, también, elimina totalmente el requisito de calentar el digestor 4 mediante un costoso aporte externo de calorías, necesario por las exigencias del metabolismo bacteriano anaeróbico termófilo. A continuación, los lodos digeridos residuales que provienen de este digestor son evacuados, por los medios 5 de transferencia, al decantador 6. El balance MS/MV entre los lodos introducidos en el reactor 2 de OH y los que salen del digestor 4 muestra que la MV se elimina en, aproximadamente, un 70%, y la MS en, aproximadamente, un 62%. Después de la decantación, la fase sólida se envió a la unidad 2 de OH.

No se realizó extracción alguna de lodos del digestor 4 en un periodo de, aproximadamente, 6 meses. En consecuencia, el procedimiento según la invención ha permitido suprimir totalmente, en este periodo, las extracciones de lodos en exceso con respecto a la técnica anterior.

Ejemplo comparativo

(No conforme a la invención)

La instalación representada en la figura 1 ha sido utilizada para tratar los lodos en exceso procedentes de la instalación de tratamiento biológico de aguas residuales de acuerdo con el procedimiento de lodos activados mencionado en el ejemplo 2 (en la unidad de OH se introducen, de modo continuo, con los medios 1 de transporte, 24 g/l de MS, de los que, aproximadamente, 21 g/l son de MVS).

En esta unidad 2 se introdujo, de modo continuo, oxígeno puro a una presión superior a la recomendada por la presente invención, a saber, 50 bares (a temperatura ambiente) a fin de obtener una relación O_{2}/DQO igual a 0,90. La temperatura de oxidación se fijó a un nivel superior al recomendado por la presente invención, a saber, 235ºC. El tiempo de permanencia de los lodos en la unidad de OH se fijó en 60 minutos.

Se procedió a agitar el contenido del reactor 2. Los lodos oxidados se analizaron a la salida del reactor 2. Su pH se redujo, del 7,5 inicial, a 6,8 una vez oxidados. Los resultados presentados en la tabla 3 muestran que la reducción de la DQO se sitúa en torno al 85% y que sólo queda, aproximadamente, un 25% del contenido inicial de materia seca (MS), pero esta materia seca es, esencialmente, mineral.

TABLA 3

3

Por otro lado, los lodos oxidados contienen 2.920 mg/l de ácido acético, 110 mg/l de ácido propiónico y 21 mg/l de ácido butírico (AGV), así como 1,8 g/l de carbohidratos (azúcares), que provienen de la degradación oxidante de los lodos activados durante el tratamiento de OH.

Estos lodos oxidados son conducidos, de modo continuo, al digestor 4, donde son sometidos a una digestión anaeróbica termófila clásica. A continuación, los lodos digeridos residuales que provienen de este digestor son evacuados por los medios 5 de transferencia al decantador 6. El balance MS/MV entre los lodos introducidos en el reactor 2 de OH y los que salen del digestor 4 muestra que la MV se elimina en, aproximadamente, un 75%, y la MS en, aproximadamente, un 52%. Después de la decantación, la fase sólida se envió a la unidad 2 de OH.

En un periodo de, aproximadamente, 6 meses se realizaron tres extracciones de lodos del digestor 4, a fin de mantener la concentración media de los lodos que circulaban en el digestor 4 en 17 g/l. Por tanto, esta aplicación del procedimiento de modo no conforme a la invención no permitió eliminar totalmente, en este periodo, las extracciones de lodos en exceso, debido a la excesiva mineralización de los lodos oxidados, que da lugar a una acumulación progresiva de residuos minerales en el digestor.

Además, la explotación del digestor resultó particularmente difícil a causa de la inestabilidad de funcionamiento relacionada con la toxicidad de los lodos oxidados, que contienen sustancias inhibidoras de la biomasa, y a una cantidad excesiva de AGV, ya que se oxidan a, aproximadamente, temperaturas superiores a 170ºC, de acuerdo con ensayos complementarios realizados.

Los modos de realización así descritos no tienen por objeto reducir el alcance de la invención. En consecuencia, podrán aportarse numerosas modificaciones sin salirse de su ámbito.

Claims (16)

1. Procedimiento de tratamiento de los lodos en exceso que provengan de, al menos, una instalación de depuración biológica de efluentes que dé lugar a la producción de lodos en exceso, asociando dicho procedimiento, al menos, una etapa de digestión con, al menos, una etapa de oxidación en húmedo de dichos lodos, caracterizado porque comprende etapas que consisten en oxidar, en húmedo, los lodos en exceso, a una temperatura comprendida entre 50 y 180ºC y a una presión comprendida entre 2 y 40 bares, en someterlos a una digestión y en recircular dichos lodos digeridos en dirección a dicha etapa de oxidación en húmedo.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende una etapa suplementaria de espesamiento de los lodos, prevista antes de dicha etapa de oxidación en húmedo.

3. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque comprende una etapa suplementaria de espesamiento durante la recirculación de dichos lodos en dirección a la etapa de oxidación en húmedo.

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque dicha etapa preliminar de oxidación en húmedo se efectúa durante un periodo comprendido entre 10 y 180 minutos.

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque comprende una etapa que consiste en ajustar el pH de los lodos, antes de someterlos a dicha oxidación en húmedo, a un valor comprendido entre 2 y 11.

6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque dicha etapa de oxidación en húmedo se efectúa con una relación oxidante/demanda química de oxígeno (DQO), para los lodos no tratados, comprendida, aproximadamente, entre 0,2 y 1,5.

7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque dicha etapa de oxidación en húmedo se efectúa en presencia de, al menos, un agente oxidante seleccionado entre el aire, el oxígeno, el aire enriquecido en oxígeno y el peróxido de hidrógeno solo o combinado con uno de los agentes precedentes.

8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque dicha etapa de oxidación en húmedo se efectúa en presencia de, al menos, un catalizador homogéneo.

9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque dicha etapa de oxidación en húmedo se efectúa en presencia de, al menos, un catalizador heterogéneo.

10. Procedimiento según las reivindicaciones 8 ó 9, caracterizado porque dicho catalizador es un metal seleccionado del grupo constituido por el manganeso, el hierro, el cobalto, el níquel, el cobre, el cinc y las aleaciones y los compuestos de uno o varios de ellos.

11. Procedimiento según las reivindicaciones 8 y 10, caracterizado porque dicho catalizador es un compuesto soluble de cobre y/o de cinc.

12. Procedimiento según las reivindicaciones 9 ó 10, caracterizado porque dicho catalizador está previsto, dentro de una unidad de oxidación en húmedo, por encima de la interfaz entre la fase gaseosa, constituida por el medio oxidante, y la fase líquida, constituida por los lodos.

13. Procedimiento según la reivindicación 12, caracterizado porque comprende una etapa que consiste en recircular, al menos, parte de la fase gaseosa presente en la unidad de oxidación en húmedo después de su paso por dicho catalizador heterogéneo, a fin de asegurar un tiempo de contacto suficiente con los lodos.

14. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque dicha etapa de digestión es una etapa de estabilización aeróbica termófila y porque comprende una etapa de recirculación de, al menos, parte de los gases que provienen de dicha etapa de oxidación en húmedo en dirección a dicha etapa de digestión.

15. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque dicha etapa de digestión es una etapa de digestión anaeróbica mesófila o una etapa de digestión anaeróbica termófila.

16. Procedimiento según una de las reivindicaciones 14 ó 15, caracterizado porque en dicha etapa de digestión interviene una biomasa fijada en soportes.