ES2286553T3 - Procedimiento y dispositivo de tratamiento biologico de una suspension en un biorreactor con tratamiento hidraulico integrado del fango flotante. - Google Patents

Abstract

Procedimiento de tratamiento biológico de una suspensión en un biorreactor, en el que, para hacer circular la suspensión, se conduce al menos una parte de la suspensión a través de una zona de guía verticalmente orientada, con lo que se genera un flujo vertical de al menos una parte de la suspensión que llega hasta la zona de la altura del nivel de llenado de suspensión, induciéndose el flujo vertical por la inyección de un gas en la zona de guía, caracterizado porque la superficie de la suspensión y/o el fango flotante que flota en dicha superficie de la suspensión son sometidos a un flujo de rotación por introducción de un fluido en la zona de la altura del nivel de llenado de suspensión.

Description

Procedimiento y dispositivo de tratamiento biológico de una suspensión en un biorreactor con tratamiento hidráulico integrado del fango flotante.

La invención concierne a un procedimiento de tratamiento biológico de una suspensión en un biorreactor en el que, para hacer circular la suspensión, se conduce al menos una parte de la suspensión a través de una zona de guía verticalmente orientada, con lo que se genera un flujo vertical de al menos una parte de la suspensión que se extiende hasta la zona de la altura del nivel de llenado de suspensión o que arranca de esta zona, así como a un dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento.

Procedimientos de tratamiento biológico de suspensiones son, por ejemplo, procedimientos aerobios o anaerobios de tratamiento biológico de aguas residuales, fangos de clarificación o residuos, en los que se degradan por medio de microorganismos sustancias biológicamente degradables contenidas en la suspensión.

Por procedimiento de obtención de biogás deberá entenderse en lo que sigue el tratamiento anaerobio de suspensiones que contienen materias biológicamente degradables, especialmente la fermentación de residuos o la putrefacción de fangos durante el tratamiento de fangos de clarificación. En este caso, las materias biológicamente degradables, que se denominan también medio de fermentación, se hacen fermentar en un biorreactor denominado reactor de fermentación con exclusión de contacto del aire con el biogás. Para el mezclado a fondo del medio de fermentación en el reactor de fermentación se utilizan frecuentemente sistemas agitadores mecánicos o sistemas hidráulicos de rebombeo. En diferentes ocasiones, se emplea también una inyección de gas en las proximidades del fondo del reactor de fermentación.

En los llamados reactores de bucle se inyecta un gas en un tubo de guía central dispuesto dentro del reactor de fermentación, con lo que se arrastra el medio de fermentación hacia dentro del tubo de guía. De esta manera, se puede transportar a través del tubo de guía, por ejemplo, medio de fermentación desde las proximidades del fondo del reactor de fermentación hasta la superficie de dicho medio de fermentación situado en dicho reactor de fermentación. Por tanto, se puede hacer circular al menos una gran parte del medio de fermentación en el reactor de fermentación. Un sistema de esta clase se encuentra descrito, por ejemplo, en el documento DE 197 25 823 A1. Aparte de ofrecer la característica esencial de que no están presentes partes movidas en el reactor de fermentación, este sistema ofrece aún otras ventajas: Por ejemplo, se consigue un buen mezclado a fondo, pobre en gradiente, a través del bucle vertical. Además, se ofrece la posibilidad de una integración del transmisor de calor en el reactor de fermentación en forma de un tubo de guía de doble envolvente recorrido por agua de calentamiento. Debido al insuflado de gas en el flujo del bucle y a la formación de oleaje superficial y al entremezclado turbulento ligados al mismo en la corriente superficial dirigida radialmente hacia fuera se combate, además, la formación de un techo flotante. Debido a condiciones de flujo definidas cerca del fondo para el transporte de sedimentos en dirección a la boca de extracción central del fondo se dificulta finalmente también la formación de depósitos de sedimentos.

Sin embargo, se ha visto en la explotación práctica que para calidades especiales de fangos y residuos que se alimentan al reactor de fermentación en una forma específica según la instalación se pueden presentar problemas de capa flotante y de sedimentos que requieren medidas adicionales para su control.

Esto afecta, por un lado, a fangos con mayor contenido de detergentes y partículas de plástico y celulosa en forma de fibras finas, como las que resultan del tratamiento de aguas residuales municipales o de materias residuales orgánicas industriales especiales, así como a fangos de mayor viscosidad que, debido a su origen, presentan mayores proporciones en masa de trozos finos de vidrio y otras partículas inertes de forma irregular.

Para los primeros materiales se puede producir un enmarcado flotante con acumulación en la zona exterior de la superficie del producto fermentable contenido en el reactor, en donde la turbulencia radialmente decreciente ya no es suficiente para un entremezclado. En el caso de sedimentos que no sean semejantes a la arena (granos de cuarzo redondeados), se puede producir un enganche de las partículas por medio de sus cantos de fractura irregulares, lo que significa una resistencia incrementada frente al transporte hidráulico hasta la boca de extracción central del fon-
do.

La invención se basa en el problema de configurar un procedimiento de la clase citada al principio de modo que se eviten fiablemente problemas de fangos flotantes.

Este problema se resuelve según la invención por el lado del procedimiento haciendo que la superficie de la suspensión y/o el fango flotante que flota en dicha superficie de la suspensión sean sometidos a un flujo de rotación por introducción de un gas en la zona de la altura del nivel de llenado de suspensión. Preferiblemente, se introduce entonces el fluido en el biorreactor como un chorro libre de líquido producido por una tobera.

Por tanto, la idea básica de la invención consiste en superponer un sistema de chorro hidráulico al principio del reactor de bucle inducido por gas. Se pueden aprovechar así las ventajas técnicas del procedimiento de un reactor de bucle con tubo de guía e inyección de gas y al mismo tiempo se pueden combatir casos de problemas que se presenten específicamente según los medios, sin que se incremente significativamente el aporte de energía al sistema del biorreactor.

Los cálculos técnicos del procedimiento documentan que un chorro libre de líquido inyectado en el biorreactor en la zona de la altura del nivel de llenado de suspensión provoca una rotación de la masa de líquido próxima a la superficie. Debido a la superposición del flujo dirigido radialmente hacia fuera desde el bucle vertical del reactor en las proximidades de la superficie con el flujo inducido por el chorro libre de líquido se ajusta un flujo de rotación alrededor del centro del reactor.

Según la invención, se efectúa un tratamiento intensivado de fangos flotantes a través de sistemas de toberas que están dispuestos en el perímetro del recipiente cerca de la superficie. El fluido aspirado del biorreactor es introducido en este biorreactor, en parte o en secuencia temporal, a través de al menos una tobera prevista en la zona de la altura del nivel de llenado de suspensión, de tal manera que la superficie de la suspensión y/o el fango flotante que flota en la superficie de la suspensión sean sometidos a un flujo de rotación.

Preferiblemente, el fluido es introducido en el biorreactor a través de toberas dispuestas tangencialmente al perímetro del recipiente. Se emplea en este caso convenientemente como fluido una parte de la suspensión que se aspira del biorreactor. Las toberas son solicitadas con el fluido, preferiblemente con cierto decalaje temporal. Las toberas se hacen funcionar de manera especialmente preferida con una bomba común y son solicitadas sucesivamente por ésta mediante conmutación cíclica.

Las partículas de fango flotante y de espuma que se depositan en las proximidades del perímetro del recipiente tienen tendencia a pegarse y consolidarse a más largo plazo. Por este motivo, tienen que ser continuamente humedecidas y mantenidas en estado deslizante, se han de disgregar abandonando su unión íntima y se han de liberar de burbujitas de gas adhesivamente pegadas para aminorar el empuje ascensional. Eventualmente, tiene que ser posible una descarga en las proximidades de la superficie.

No es posible tecnológicamente un tratamiento completo en todo el perímetro del reactor, ya que especialmente los reactores de fermentación de acero no están comúnmente diseñados para un nivel del líquido en la zona de la pendiente del techo. Por tanto, la superficie libre del líquido corresponde a la superficie de la sección transversal de la parte cilíndrica del reactor.

Según una forma de realización especialmente preferida de la invención, el problema se resuelve de modo que el techo flotante concentrado exteriormente en forma de anillo por el flujo superficial radial de la zona de guía al borde del recipiente sea solicitado hidráulicamente con chorros libres de líquido por medio de preferiblemente al menos dos toberas dispuestas tangencialmente al perímetro del recipiente y sea puesto en rotación por medio del impulso transmitido. El anillo de fango flotante atraviesa entonces las zonas de los chorros y es humedecido y disgregado de la manera deseada.

Una boca de extracción de fango flotante fijada radialmente en la pared interior del recipiente y dotada de una tubería de caída libre bloqueable a la altura de la superficie del líquido hace posible convenientemente la extracción necesaria del material flotante que ya no pueda ser introducido por agitación en la suspensión. Variando el nivel de llenado en el biorreactor se pueden ajustar las condiciones de modo que el techo flotante gire por encima de la boca de extracción o bien se introduzca material por tandas en el cajón de extracción.

A este fin, está dispuesta preferiblemente una tobera delante de la boca de extracción de fango flotante a una distancia tal que acarree el material hacia el cajón de extracción con un impulso todavía suficiente. Frente a esta tobera está dispuesta preferiblemente una segunda tobera que proporciona movimiento y humedecimiento. El funcionamiento de ambas toberas se desarrolla convenientemente también en forma cíclica.

Preferiblemente, se introduce el fluido en el biorreactor con una velocidad de flujo de 10 a 15 m/s y un caudal volumétrico de 300 a 600 m^{3}/h.

Además del procedimiento de obtención de biogás, la invención concierne también a un dispositivo de tratamiento biológico de una suspensión con un biorreactor para recoger la suspensión, en el que, para hacer circular la suspensión, está dispuesto en el espacio interior de biorreactor un mecanismo de guía con orientación vertical que llega hasta la zona de la altura del nivel de llenado de suspensión.

El problema planteado se resuelve según la invención por el lado del dispositivo haciendo que en la zona de la altura del nivel de llenado de suspensión esté dispuesta al menos una tobera para introducir un fluido en el biorreactor.

La tobera puede ser solicitada con la suspensión convenientemente a través de un conducto de alimentación unido con el espacio interior del biorreactor y a través de una bomba. Preferiblemente, varias toberas están dispuestas en forma distribuida por el perímetro del biorreactor en las proximidades de la superficie, convenientemente con orientación tangencial. Las toberas están unidas aquí preferiblemente con una bomba común. La tobera presenta convenientemente un diámetro de 50 a 120 mm.

En lo que sigue, se explicará la invención con más detalle haciendo referencia a un ejemplo de realización representado esquemáticamente en la figura.

En la figura se ha representado a título de ejemplo una instalación de fermentación de basura húmeda. La basura húmeda es preparada en pasos de tratamiento previo no mostrados en la figura de modo que se obtenga una pulpa o un hidrolizado. La pulpa o el hidrolizado se alimenta como suspensión denominada medio de fermentación, a través de un conducto 1, al biorreactor designado como reactor de fermentación 2. En el reactor de fermentación 2 se realiza la metanización de la pulpa o del hidrolizado. A este fin, se mantiene el reactor de fermentación 2 en condiciones anaerobias y se hace circular el contenido de dicho reactor. La biomasa anaerobia contenida en la pulpa o en el hidrolizado en fase de fermentación convierte parcialmente las sustancias orgánicas en dióxido de carbono y metano. El biogás producido es extraído del reactor de fermentación 2 por un conducto 3.

Dado que la pulpa o el hidrolizado contienen también compuestos de azufre, se formaría igualmente, sin más medidas, H_{2}S que volvería a encontrarse finalmente en el biogás. Para minimizar las proporciones no deseadas de H_{2}S en el biogás se transporta de manera definida el contenido total del reactor de fermentación a través de la zona 5 que contiene oxígeno con un tiempo de contacto suficiente entre el gas que contiene oxígeno y el medio de fermentación. A este fin, el reactor de fermentación 2 está configurado como un reactor de bucle con bucle interior en forma de un tubo de guía central verticalmente dispuesto 5 que funciona como zona que contiene oxígeno. El biogás bombeado hacia la parte inferior del espacio interior del tubo de guía y que se deriva del conducto de biogás 2 a través de un conducto de derivación de biogás 6 sirve entonces de gas propulsor. A consecuencia de la disminución de la densidad de la mezcla en el tubo de guía 5 y de la fuerza de empuje ascensional del gas, el medio de fermentación es transportado de abajo arriba por el tubo de guía 5. Se ajustan entonces las condiciones hidráulicas mediante la elección de la geometría del tubo de guía y la corriente de biogás inyectada de tal manera que todo el contenido del reactor de fermentación sea bombeado al menos dos veces por hora a través del tubo de guía 5. En la corriente ascendente interior del tubo de guía 5 se dosifica aire por medio de un conducto 7 de alimentación de aire en proporciones cuantitativas tales que el medio de fermentación tenga durante su paso por el tubo de guía 5 un contacto suficiente con oxígeno para limitar de la manera deseada la formación de H_{2}S en sus procesos de metabolismo. Al mismo tiempo, se degrada bioquímicamente el oxígeno hasta el punto de que en el biogás ya no estén presentes proporciones de oxígeno que perjudiquen el proceso. La demanda de aire puede ser entonces tan minimizada que el nitrógeno contenido en el biogás no conduzca a una merma significativa de la calidad del gas para el aprovechamiento calórico ulterior. El tubo de guía 5 está construido en forma calentable para mantener la temperatura de funcionamiento óptima para el tratamiento biológico del medio de fermentación. A este fin, el tubo de guía 5 está provisto de una envolvente de doble pared que presenta una entrada 8 y una salida 9 para agua de calentamiento. Además, se puede atemperar el contenido del reactor de fermentación por medio de un intercambiador de calor exterior 19 que sea recorrido por agua de
calentamiento.

Para hacer frente a casos de problemas que se presenten específicamente según los medios, especialmente problemas de sedimentos que se produzcan con calidades especiales de fangos y residuos, se superpone un sistema de chorro hidráulico al principio del reactor de bucle inducido por gas. De esta manera, se pueden aprovechar las ventajas técnicas del procedimiento del reactor de bucle con tubo de guía 5 e inyección de gas 7 y se pueden resolver al mismo tiempo problemas que se presenten específicamente según los medios, sin aumentar significativamente el aporte de energía al sistema de fermentación. A este fin, se extrae medio de fermentación del reactor de fermentación 2 a través del conducto 15 y la bomba 16 y se alimenta este medio a una tobera 11 a través de un conducto 12.

A través de la tobera 11 se introduce el medio de fermentación en el reactor de fermentación 2, en la zona de éste próxima al fondo, como un chorro libre de líquido con una velocidad en la tobera de 10 a 15 m/s y un caudal volumétrico de 300 a 600 m^{3}/h. En reactores de fermentación de hasta un volumen de reacción de 8000 m^{3} y diámetros de hasta 24 m se genera de esta manera la corriente de impulsos necesaria para hacer que la masa de líquido próxima al fondo gire cerca de la pared del recipiente con una velocidad de aproximadamente 0,5 m/s. Dependiendo del tamaño del recipiente y de los parámetros del proceso, la tobera 11, que presenta un diámetro de 50 a 120 mm, está abatida aquí en 40 a 60º con respecto al chorro radial para inducir el par de giro. Un ángulo de inclinación de la tobera 11 con respecto a la horizontal comprendido entre 0 y 10º compensa las fuerzas de empuje ascensional condicionadas por los medios en el campo del chorro. En la práctica, están dispuestas en todo el perímetro del recipiente del reactor de fermentación, según el tamaño del reactor, entre dos y cinco toberas colocadas a distancias correspondientes en dicho perímetro. En aras de una mayor claridad, en la figura se ha representado solamente una tobera 11. Todas las toberas instaladas están unidas con una única bomba, concretamente la bomba 16, y son solicitadas sucesivamente por ésta mediante conmutación cíclica. Esto hace posible un funcionamiento eficiente y escaso en mantenimiento.

Para hacer frente a problemas de fango flotante, un conducto de derivación 14 lleva de la bomba 16 a una tobera 13 dispuesta cerca de la superficie en el perímetro del recipiente del reactor de fermentación. La unión hidráulica de esta tobera 13 se efectúa a través de la bomba 16 cuando se pueden estimar como pequeños los ciclos de conexión y se pueden imputar uno o dos ciclos de conexión adicionales al sistema del fondo. En el caso de un funcionamiento frecuente de la tobera 13 condicionado por los medios, es preferible una bomba separada. Al igual que en el caso de las toberas 11 dispuestos en las proximidades del fondo, es recomendable también respecto de la tobera 13 prevista cerca de la superficie que se dispongan varias toberas. No obstante, en aras de una mayor claridad, en la figura se representa nuevamente tan sólo una tobera 13.

Claims (18)

1. Procedimiento de tratamiento biológico de una suspensión en un biorreactor, en el que, para hacer circular la suspensión, se conduce al menos una parte de la suspensión a través de una zona de guía verticalmente orientada, con lo que se genera un flujo vertical de al menos una parte de la suspensión que llega hasta la zona de la altura del nivel de llenado de suspensión, induciéndose el flujo vertical por la inyección de un gas en la zona de guía, caracterizado porque la superficie de la suspensión y/o el fango flotante que flota en dicha superficie de la suspensión son sometidos a un flujo de rotación por introducción de un fluido en la zona de la altura del nivel de llenado de suspensión.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque se introduce el fluido en el biorreactor a través de toberas montadas tangencialmente al perímetro del recipiente.

3. Procedimiento según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque se emplea como fluido la suspensión que se aspira del biorreactor.

4. Procedimiento según las reivindicaciones 2 y 3, caracterizado porque se solicitan las toberas con el fluido bajo cierto decalaje temporal.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque se hacen funcionar las toberas con una bomba común y se las solicita sucesivamente por parte de ésta mediante una conmutación cíclica.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque al menos una parte del fango flotante que, en el flujo de rotación, flota en la superficie de la suspensión es extraída en la zona de la altura del nivel de llenado de suspensión a través de al menos una boca de extracción de fango flotante prevista en la pared interior del biorreactor.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque el fango flotante es acarreado hacia la boca de extracción de fango flotante por medio de un fluido introducido en las proximidades de dicha boca de extracción de fango flotante.

8. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque se introduce frente a la boca de extracción de fango flotante un fluido que mantiene el fango flotante en movimiento y que lo humedece.

9. Procedimiento según la reivindicación 8, caracterizado porque se introduce el fluido a través de una tobera prevista en las proximidades de la boca de extracción de fango flotante con un impulso tal que el fango flotante sea transportado hacia la boca de extracción de dicho fango flotante.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque se introduce el fluido con una velocidad de flujo de 10 a 15 m/s.

11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque se introduce el fluido con un caudal volumétrico de 300 a 600 m^{3}/h.

12. Dispositivo de tratamiento biológico de una suspensión con un biorreactor para recoger la suspensión, en el que están dispuestos en el espacio interior del biorreactor un mecanismo de guía con orientación vertical que llega hasta la zona de la altura del nivel de llenado de suspensión y un mecanismo para inyectar un gas destinado a hacer circular la suspensión, caracterizado porque en la zona del nivel de la altura de llenado de suspensión está dispuesta al menos una tobera para introducir un fluido en el biorreac-
tor.

13. Dispositivo según la reivindicación 12, caracterizado porque la tobera puede ser solicitada con la suspensión a través de un conducto de alimentación unido con el espacio interior del biorreactor y a través de una bomba.

14. Dispositivo según las reivindicaciones 12 y 13, caracterizado porque varias toberas están dispuestas de manera que quedan distribuidas por el perímetro del biorreactor en la zona de la altura del nivel de llenado de suspensión.

15. Dispositivo según las reivindicaciones 12 a 14, caracterizado porque en la zona de la altura del nivel de llenado de suspensión está dispuesta una boca de extracción de fango flotante fijada radialmente a la pared interior del biorreactor.

16. Dispositivo según la reivindicación 15, caracterizado porque en las proximidades de la boca de extracción de fango flotante está dispuesta una tobera para introducir un fluido.

17. Dispositivo según las reivindicaciones 15 y 16, caracterizado porque en un lado del biorreactor que queda enfrente de la boca de extracción de fango flotante está dispuesta una tobera para introducir un fluido.

18. Dispositivo según una de las reivindicaciones 12 a 17, caracterizado porque la tobera presenta un diámetro de 50 a 120 mm.