ES2300578T3 - Dispositivo de filtrado con membrana de fibras huecas y su utilizacion para la limpieza de agua residual, asi como bioreactor de membrana. - Google Patents

Abstract

Dispositivo de filtrado (1) para separar partículas desde un líquido mediante membranas de fibras huecas (3), que se reúnen en un haz de fibras (2), por las que puede circular el líquido desde fuera hacia dentro y desde las cuales se extrae líquido filtrado desde al menos uno de sus respectivos extremos (4), y en donde se dispone de un dispositivo de alimentación de gas (5) para lavar el exterior de las membranas de fibras huecas (3) con un gas, caracterizado porque el dispositivo de alimentación de gas (5) comprende un apoyo (6), cuya superficie periférica exterior (7) es impermeable para el gas, al menos parcialmente, desde dentro hacia fuera, porque el apoyo (6) presenta en un extremo frontal una conexión de aire comprimido (8), a través de la cual se alimenta gas hasta el interior del apoyo (6), y porque el haz de fibras (2) está arrollado sobre la superficie periférica exterior (7) del apoyo (6).

Description

Dispositivo de filtrado con membrana de fibras huecas y su utilización para la limpieza de agua residual, así como biorreactor de membrana.

La invención se refiere a un dispositivo de filtrado para separar partículas desde un líquido mediante membranas de fibras huecas, que se reúnen en un haz de fibras. Este dispositivo de filtrado así como un módulo de filtrado, en el que están reunidos varios de los dispositivos de filtrado, son adecuados en especial para separar biomasa desde agua o agua residual. La invención se refiere asimismo a un reactor de membrana y a un procedimiento para el tratamiento de agua (residual).

El uso de filtros de membrana para limpiar agua o agua residual es básicamente conocido. Los materiales porosos usados para el filtrado se componen por ejemplo de cerámica o membranas poliméricas, por ejemplo de polietileno, polipropileno, polietersulfon, etc. Según el campo de aplicación los tamaños de poro de la membrana pueden estar dentro de un margen de entre 0,001 y 1 \mum.

En el caso del filtrado con membrana se diferencia fundamentalmente tres modos de funcionamiento diferentes, que son "Dead end", "Crossflow" y "Submerged".

Con "Dead end" se designan aquellas aplicaciones en las que el líquido a limpiar es presionado por la membrana sin ulterior circulación en un funcionamiento batch. Con ello se sedimentan sobre la membrana las partículas retenidas por la membrana y conducen, en el transcurso del tiempo de funcionamiento, a bloqueos y crecimientos sobre la membrana. En el transcurso del tiempo de funcionamiento es por ello necesario aumentar la presión para un caudal constante o, a la inversa, en el caso de una presión constante se reduce el caudal. Por ello este procedimiento de filtrado no es apropiado para su uso a escala industrial en el campo de instalaciones continuas para el tratamiento de agua potable o agua residual.

En el caso del procedimiento "Crossflow" se guía el líquido a limpiar en el circuito a lo largo de la superficie de membrana y, a causa de la diferencia entre este lado de membrana y el lado opuesto de la membrana se presiona a través de la membrana, en donde se retienen las partículas a separar. Este procedimiento exige diferencias de presión claramente superiores a 500 mbar. Aparte de esto es necesario, para desprender los residuos que se forman sobre la membrana, recircular una gran parte de líquido todavía no limpio. Esto produce unos costes operativos notables.

En el procedimiento "Submerged" se sumerge la membrana en el líquido a limpiar, y en el caso de membranas de fibras, según el principio de baja presión, se extrae permeato desde fuera hasta el interior de las fibras huecas y se desvía al interior de las fibras huecas. La diferencia de presión entre el exterior de la membrana y el interior de la membrana, sin embargo, es aquí claramente menor que en el caso del filtrado "Crossflow".

En el caso de usar el filtrado con membrana para tratar agua o agua residual se usa normalmente el procedimiento "Submerged", en el que la membrana se sumerge en el líquido a limpiar. Un problema a la hora de usar filtros de membrana en el campo de la limpieza de agua residual consiste en que, a causa del llamado "Fouling" o "Biofouling", se forman cubrimientos sobre la membrana o la precipitación de sustancias químicas ("Scaling") conduce a residuos sobre la membrana. Por ello ya se han propuesto diferentes procedimientos y disposiciones para liberar las membranas de estos residuos.

El documento US 6,214,231 B1 por ejemplo describe una instalación de filtrado con la utilización de membranas de fibras huecas. Con ello se reúnen membranas de fibras huecas en un haz de fibras fundamentalmente cilíndrico. Los extremos superiores e inferiores de las membranas de fibras huecas están incrustados en cada caso en un dispositivo de sujeción. De este modo se obtiene un módulo de fibras huecas. Varios módulos de filtrado colocados unos junto a otros producen un cartucho filtrante, que se inserta en el líquido a limpiar. A los cartuchos está unido en cada caso un conductor de aspiración de permeato, que a su vez está unido a los soportes superiores del haz de filtros de membrana y desde el interior de las membranas de fibras huecas aisladas aspira el líquido limpio de las partículas. Para liberar de residuos las membranas de fibras huecas puede invertirse el sentido de flujo. Por lo tanto el líquido se alimenta a alta presión a través del conducto de aspiración hasta el interior de las membranas de fibras huecas y sale hacia fuera desde el interior a través de las mismas, en donde los residuos se desprenden sobre la superficie de membrana. Sin embargo, un procedimiento de este tipo significa una interrupción del funcionamiento de filtrado normal y con ello un menor caudal. Aparte de esto este procedimiento no puede impedir la sedimentación de impurezas sobre la membrana, sino en el mejor de los casos puede eliminar las mismas después de su aparición.

En el documento US 6,156,200 A se describen igualmente módulos de filtrado con haces de fibras de membrana huecas, que en su estructura se corresponden fundamentalmente a la del documento US 6,214,231 B1. También aquí se inserta el haz de fibras verticalmente en el líquido a limpiar. El soporte, en el que están incrustados los extremos inferiores de las membranas de fibras huecas, presenta aberturas de salida de gas, a través de las cuales ascienden hacia arriba burbujas de gas a lo largo del exterior de las membranas de fibras huecas y con ello, por un lado, reducen la formación de residuos sobre las superficies exteriores de las membranas y, por otro lado, eliminan residuos ya formados.

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Una disposición similar se describe también en el documento WO 97/06880 A2. Aquí se cita además que puede conseguirse una limpieza especialmente buena, por medio de que las fibras son entre un cinco y un diez por ciento más largas que la distancia entre los soportes en los que están incrustados los extremos de fibra.

En el documento JP 2001-087630 A se describe un cartucho filtrante, que presenta una zona nuclear porosa en la que se introduce el líquido a filtrar. El líquido que sale hacia fuera a través del núcleo se filtra mediante membranas de fibras huecas, que están arrolladas en forma de cruz alrededor del núcleo poroso. El líquido limpio se extrae del interior de las membranas de fibras huecas. No se produce una alimentación de gas.

Los dispositivos descritos para limpiar fibras de membrana con aire a presión presentan el inconveniente de que se necesitan cantidades muy grandes de aire comprimido, para garantizar una limpieza eficaz de las fibras de membrana. La mayor alimentación de aire comprimido en el líquido a limpiar puede influir sin embargo negativamente en otros parámetros del proceso, por ejemplo dificultar considerablemente la conservación de valores nominales de oxígeno dados.

Asimismo supone un inconveniente el hecho de que la presión aplicable esté limitada como máximo al valor de presión hidrostática en la región de las fibras introducidas. Aparte de esto la velocidad de ascenso de las burbujas de aire no se prefijan mediante la cantidad de aire introducida, sino mediante el tamaño de las burbujas que se producen. Por ello no es fundamentalmente posible una regulación específica de la acción limpiadora de los dispositivos.

Igual de poco se consigue una distribución uniforme de la acción del aire a lo largo de las membranas de fibras huecas. Por ello no es posible una limpieza uniforme en toda la longitud de las fibras, que es casi siempre de entre uno y dos metros, con los sistemas descritos.

Las publicaciones citadas anteriormente describen además solamente de forma general la utilización de membranas de fibras huecas para separar biomasas en biorreactores de membrana. La atención se centra con ello exclusivamente en la separación de la biomasa disponible, que se ha creado como biocinosis a partir de las sustancias nutritivas disponibles en las respectivas condiciones ambientales. Los mecanismos que favorecen los residuos sobre las superficies de membrana, sin embargo, no se tienen en cuenta a este respecto.

En el marco de las investigaciones en las que se basa esta invención ha quedado demostrado, sin embargo, que determinadas condiciones ambientales ejercen una influencia considerable en el rendimiento separador de membranas. En especial se ha determinado que determinadas condiciones ambientales impulsan con intensidad el crecimiento biológico sobre la superficie de membrana ("Bio-Fouling") y la adherencia se material en suspensión. Un aspecto de la invención consiste por ello también en ocuparse de aquellas condiciones en el medio de filtrado, que reduzcan el "Bio-Fouling" y los residuos sobre la superficie de membrana.

La misión de la invención consiste de forma correspondiente en indicar un dispositivo de filtrado, que esté estructurado de forma sencilla y con ahorro de espacio y mantenga un caudal elevado durante un periodo de tiempo prolongado. En especial debería ser posible limpiar con ello uniformemente las membranas de fibras huecas disponibles en el dispositivo de filtrado, en toda su longitud, con una cantidad de gas lo más reducida posible, y finalmente deberían crearse en un dispositivo de limpieza de agua residual las condiciones para reducir desde un principio la formación de residuos sobre la superficie de membrana.

La solución de la invención se consigue con el dispositivo de filtrado conforme a la reivindicación 1, que forma parte del módulo de filtrado conforme a la reivindicación 8. La invención se refiere asimismo a la utilización del dispositivo de filtrado o del módulo de filtrado conforme a 11, así como un procedimiento para tratar agua y agua residual conforme a la reivindicación 12 así como a un biorreactor de membrana conforme a la reivindicación 23. De las respectivas reivindicaciones subordinadas pueden deducirse formas de ejecución y variantes de procedimiento preferidas.

En un primer aspecto la invención se refiere también a un dispositivo de filtrado para separar partículas desde un líquido mediante membranas de fibras huecas reunidas en un haz de fibras. Por las membranas de fibras huecas puede circular el líquido desde fuera hacia dentro, y el líquido filtrado se extrae desde al menos uno de sus extremos. El dispositivo de filtrado presenta además un dispositivo de alimentación de gas, para lavar con un gas el exterior de las membranas de fibras huecas. Conforme a la invención forma parte del dispositivo de alimentación de gas un apoyo, cuya superficie periférica exterior es impermeable para el gas, al menos parcialmente, desde dentro hacia fuera. Sobre esta superficie periférica exterior del apoyo está enrollado el haz de fibras. En su extremo frontal el apoyo presenta una conexión de aire comprimido, a través de la cual se alimenta gas hasta el interior del apoyo.

Esta estructura del dispositivo de filtrado conforme a la invención permite por un lado una disposición con ahorro de espacio y, por otro lado, una alimentación de gas uniforme a lo largo de las membranas de fibras huecas. Mediante la utilización del apoyo permeable al gas y el arrollamiento del haz de fibras sobre la superficie periférica exterior del mismo, los puntos de salida para el gas se encuentran siempre muy cerca de las superficies exteriores de las membranas de fibras huecas. De este modo se garantiza una acción uniforme y directa del gas sobre las superficies de membrana. La cantidad de gas alimentado es reducida, de tal modo que no se observa prácticamente ninguna influencia negativa a causa de un mayor contenido de oxígeno o de otras perturbaciones causadas por el gas.

El tamaño de las burbujas de gas que salen puede ajustarse de forma sencilla mediante la configuración de la superficie periférica exterior del apoyo. La superficie periférica exterior puede presentar por ejemplo aberturas de paso en número y tamaño adecuados. Orificios o rendijas en la superficie periférica exterior son igualmente adecuados, así como una configuración de tipo rejilla o esqueleto de la superficie periférica exterior. Según la distribución deseada de la salida de gas pueden estar disponibles las aberturas de paso en la región de toda la superficie periférica exterior o sólo en regiones parciales. Para una distribución especialmente fina de las burbujas de gas la superficie periférica exterior puede estar compuesta también, total o parcialmente, de material poroso. La elección del material para el apoyo y su superficie periférica exterior no está especialmente limitada. Fundamentalmente son apropiados todos los materiales que son estables en el medio a filtrar y en las condiciones de filtrado, por ejemplo todos los tipos de materiales sintéticos adecuados. También pueden usarse básicamente cerámicas u otros materiales metálicos.

Tampoco la forma del apoyo y la conformación de la superficie periférica exterior están determinadas para formas especiales. Para arrollarse con las membranas de fibras huecas son especialmente apropiadas superficies periféricas exteriores en forma de una envuelta cilíndrica.

El tamaño del apoyo y su superficie periférica exterior se adapta de forma correspondiente a las condiciones de aplicación. Para la utilización del dispositivo de filtrado conforme a la invención han demostrado ser apropiadas superficies periféricas exteriores del apoyo con una longitud de entre 1 y 100 cm, con preferencia de entre 5 y 70 cm, y un diámetro de entre 1 y 40 cm, con preferencia de entre 5 a 20 cm.

Para aplicar el gas el apoyo presenta en sus extremos frontales de una conexión de aire comprimido. De forma preferida se utiliza como gas aire comprimido. Para aplicaciones especiales, por ejemplo el filtrado en condiciones anaeróbicas, pueden usarse también gases como nitrógeno.

Para reunir en un haz de fibras las membranas de fibras huecas utilizadas en el dispositivo de filtrado conforme a la invención, se fijan los extremos de las membranas de fibras huecas convenientemente en al menos una cabeza de conexión. Esta presenta convenientemente una conexión de aspiración, que puede unirse a una bomba, para extraer líquido limpio del interior de las membranas de fibras huecas. La configuración de la cabeza de conexión y la incrustación de los extremos de las membranas de fibras huecas pueden producirse fundamentalmente como se conocen del estado de la técnica. En los documentos descritos al principio se citan ejemplos.

Conforme a la invención es posible fijar los dos extremos de una membrana de fibras huecas en la misma cabeza de conexión. Alternativamente es igualmente posible incrustar los dos extremos de una membrana de fibras huecas en cabezas de conexión separadas. En ambos casos de la fijación se realiza convenientemente el arrollamiento del haz de fibras sobre la superficie periférica exterior del apoyo, de tal modo que todos los extremos de las membranas de fibras huecas están orientados hacia la conexión de aspiración. La conexión de aspiración se encuentra con ello convenientemente en la región del extremo frontal, que está situada enfrente de aquella en la que se encuentra la conexión de gas.

La longitud, el número y el diámetro de las membranas de fibras huecas se basan en la aplicación deseada. Para limpiar el agua residual en biorreactores de membrana han demostrado su valor aquellos dispositivos de filtrado en los que la superficie total de las membranas de fibras huecas presenta una superficie de filtrado de entre 0,1 y 10 m^{2}, en especial de entre 0,5 y 5 m^{2}. Como membranas de fibras huecas pueden utilizarse fundamentalmente todas aquellas que ya se han usado en el estado de la técnica con fines de filtrado. Para limpiar agua residual son apropiados por ejemplo aquellos materiales que se citan en el documento WO 97/06880 A2 y en los documentos allí citados. Conforme a la invención se prefieren membranas de fibras huecas como cerámica, en especial cerámica de óxido de aluminio, y membranas poliméricas de polietileno, polipropileno, polietersulfon o mezclas de las mismas. Los tamaños de poro adecuados se encuentran por ejemplo dentro de un margen de entre 0,001 y 1 \mum. Las condiciones de presión pueden corresponder igualmente a las descritas en el documento WO '880.

Pueden combinarse varios dispositivos de filtrado conforme a la invención para formar un módulo de filtrado, que es igualmente objeto de la invención. La combinación de los dispositivos de filtrado para formar un módulo puede realizarse fundamentalmente de forma correspondiente al modo y a la manera descritos en el estado de la técnica para dispositivos similares. El módulo de filtrado puede presentar por ejemplo soportes apropiados, en los que pueden fijarse entre sí los dispositivos de filtrado en una orientación determinada. Los dispositivos de filtrado se colocan con preferencia verticalmente unos junto a otros, en donde el lado por el que se alimenta el gas se encuentra convenientemente abajo. Con preferencia se dispone un número tal de dispositivos de filtrado en el módulo de filtrado que se obtiene una superficie de filtrado de entre 50 y 700 m^{2}/m^{3} de espacio ocupado, y en especial de entre 100 y
400 m^{2}/m^{3}.

Como ya se ha citado, el dispositivo de filtrado y el módulo de filtrado conforme a la invención son especialmente adecuados para el tratamiento de agua o agua residual, en especial para separar lodos biológicos en los llamados biorreactores de membrana.

El objeto de la invención es asimismo un procedimiento para el tratamiento de agua o agua residual conforme a la reivindicación 12. Los residuos formados durante el proceso de filtrado sobre las superficies exteriores de las membranas de fibras huecas se eliminan por medio de que se descarga por soplado gas a través de las superficies periféricas exteriores del apoyo. Mediante la distancia reducida entre aberturas de salida de gas y membranas de fibras huecas, así como la alimentación de gas uniforme a lo largo de las membranas de fibras huecas se obtiene una acción de limpieza excelente con un volumen de gas muy reducido.

La descarga por soplado del gas se realiza con preferencia de forma discontinua o agrupada. Esta alimentación de gas pulsatoria produce que, en el caso de un apoyo situado verticalmente, la columna de líquido situada en el interior del apoyo se enfrente a la corriente gaseosa aplicada con su peso y su resistencia a la circulación. Esto conduce a que en la región límite inmediata con relación a las membranas se generen una elevada velocidad de circulación y una elevada diferencia de presiones. Como consecuencia de ello se cizallan especialmente bien los residuos y cubrimientos que se forman.

Como ya se ha citado, la invención se basa igualmente en el reconocimiento de que en la aparición de residuos sobre la superficie de membrana influyen mucho las condiciones en las que se lleva a cabo el filtrado. En el marco de las investigaciones que han antecedido a esta invención se ha determinado que en biorreactores de membrana no sólo la sedimentación de biomasas conduce a la reducción de la potencia de separación de las membranas de fibras huecas. Precisamente con condiciones ambientales desventajosas puede empeorarse claramente la acción de separación de las membranas. Por un lado se producen en caso de descomponerse la biomasa en el lodo activado polímeros extracelulares (EZP), cuya cantidad aumenta claramente en determinadas condiciones físicas de esfuerzo elástico. Los polímeros extracelulares impulsan el crecimiento sobre la superficie de membrana ("Bio-Fouling"). Si el contenido de EZPs supera o desciende por debajo de la magnitud deseada, se reduce claramente la capacidad de filtrado de la biomasa. Aparte de esto, en estas condiciones, las partículas suspendidas en el lodo activado se adhieren claramente de forma más sencilla sobre la superficie de membrana. Por otro lado se ha comprobado que determinados organismos en forma de hilo (por ejemplo bacterias del tipo microthrix parcivella, noccardia, tipo 021N, etc.) tienen efectos negativos sobre el rendimiento de paso de las membranas de fibras huecas similares a los polímeros extracelulares.

Otro aspecto de la invención se refiere por ello a medidas con las que pueden evitarse las condiciones ambientales desfavorables, que reducen los rendimientos de paso de las membranas de fibras huecas en biorreactores de membrana. Un procedimiento correspondiente así como un biorreactor de membrana especial son igualmente objeto de la invención.

La solución del problema reivindicado se obtiene por medio de que a la pila de filtrado, que contiene los dispositivos de filtrado conforme a la invención, se conecta al menos una pila a la que se alimenta agua residual muy cargada (llamada a partir de ahora "agua residual en bruto"). Esta pila preconectada se designa a continuación como contactor. A este contactor se realimenta al menos una parte del material biológicamente activo desde la pila de filtrado.

Por medio de esto se exponen los microorganismos formados en el lodo activado a un cambio de las condiciones ambientales. Este cambio de carga conduce a la descomposición en especial de los organismos en forma de hilo. Son especialmente buenos los efectos si se repite varias veces el cambio de carga. Por este motivo se hace circular el agua residual a limpiar varias veces entre contactor y pila de filtrado. Es preferible que la cantidad de realimentación desde la pila de filtrado sea de entre el 5% y el 300% del volumen, en especial de entre el 10% y el 100% de la cantidad de alimentación diaria en agua residual en bruto. El tiempo de retención del reflujo desde la pila de filtrado al contactor es convenientemente de entre 2 y 120 minutos, en especial de entre 20 y 90 minutos.

Además de esto ha demostrado ser conveniente ocuparse en la pila preconectada a la pila de filtrado de que exista una determinada relación entre biomasa y carga orgánica. Con preferencia se procura con esta finalidad que exista una determinada relación entre necesidad de oxígeno bioquímica (CSB) del agua residual en bruto y lodo biológico (TS)realimentado desde la pila de filtrado, y precisamente de tal modo que en la región del contactor en el que se realimenta material biológicamente activo desde la pila de filtrado se ajuste, en el agua residual en bruto, la relación a entre 1 y 100 kg de CSB/kg de TS por día y con preferencia entre 5 y 70 kg de CSB/kg de TS por día. El ajuste de la relación se realiza convenientemente mediante dimensionado correspondiente del contactor y/o de la capacidad de sus conductos de alimentación y evacuación.

La relación entre necesidad de oxígeno bioquímica (CSB) y lodo biológico (TS) en el contactor se deja reducir convenientemente hasta un valor tal que, después de reconducir el agua residual desde el contactor en la pila de filtrado hasta la pila de filtrado, se ajusta una relación entre necesidad de oxígeno bioquímica (CSB) y lodo biológico (TS) de entre 0,01 y 1 kg de CSB/kg de TS por día, con preferencia de entre 0,02 y 0,6 kg de CSB/kg de TS por día. Si la relación CSB/TS está dentro del margen indicado, se ajustan en la pila de filtrado las condiciones óptimas para el filtrado de membrana. La formación de residuos sobre las superficies de membrana se reduce claramente.

El contactor puede componerse solamente de una pila de contactor. Sin embargo, el contactor se divide con preferencia en al menos dos pilas de contactor conectadas consecutivamente, en donde la dirección de flujo discurre desde una primera pila de contactor a una última pila de contactor, preconectada directamente a la pila de filtrado, y la introducción de agua residual en bruto así como la realimentación de material biológicamente activo desde la pila de filtrado se producen en cada caso en la primera pila de contactor y el agua residual se conduce desde la última pila de contactor de vuelta a la pila de filtrado.

La máxima relación CBS/TS indicada anteriormente se presenta por lo tanto en la primera pila de contactor y se reduce hacia la última pila, desde donde después se realimenta el agua residual con concentraciones especialmente apropiadas de EZBs y una proporción claramente menor de microorganismos hasta la pila de filtrado. De este modo se reduce claramente la magnitud de la aparición de residuos sobre las membranas.

El número de pilas de contactor es con preferencia de entre 2 y 20, en especial de entre 3 y 12. La reducción de la relación CBS/TS en esta pila se produce con preferencia en etapas fundamentalmente uniformes.

La reducción de la relación CSB/TS se consigue mediante bioabsorción e incorporación del material orgánico. De este modo se extrae una gran parte de los polímeros extracelulares libres, ya que estos se enlazan entre sí de forma creciente en forma de formación de copos en el caso de utilizarse un contactor. Con ello se enlazan ya directamente a copos de lodo activado también grandes cantidades de macromoléculas orgánicas, que de otro modo son difíciles de filtrar, en donde los polímeros extracelulares impulsan intensamente este proceso. De este modo se obtienen suspensiones que pueden filtrarse considerablemente mejor.

Para esta floculación es preferible que en el contactor no se produzca ningún mezclado. Por ello se prescinde con preferencia de agitación mecánica y de mezclado. En lugar de ello se dispone en el contactor con preferencia de paredes de inversión, en especial de chicanas horizontales o verticales, que sirven para ajustar una determinada velocidad de flujo. Esta está convenientemente dentro de un margen de entre 1 y 60 m/hora, con preferencia de entre 10 y 40 m/hora. El contactor o determinadas parte de pila del contactor están configurados de forma especialmente preferida como reactor de circulación de tapones o de tubos.

Aparte de esto el biorreactor de membrana conforme a la invención puede contener componentes adicionales, como son habituales en el estado de la técnica. Por ejemplo puede estar previsto un mecanismo de ventilación para el contactor para, dependiendo del sustrato a tratar, poder ajustar condiciones aeróbicas, anaeróbicas o anóxicas apropiadas.

A continuación se explican con más detalle la invención con base en dibujos. Aquí muestran esquemáticamente:

la figura 1 un dispositivo de filtrado conforme a la invención en una vista en planta;

la figura 2 un haz de membranas de fibras huecas para utilizarse en el dispositivo de filtrado conforme a la invención según la figura 1;

la figura 3 un módulo de filtrado conforme a la invención y

la figura 4 un biorreactor de membrana conforme a la invención en un corte transversal.

La figura 1 muestra un dispositivo de filtrado 1 conforme a la invención en una vista en planta. El dispositivo de filtrado 1 comprende un dispositivo de alimentación de gas 5 con un apoyo 6 fundamentalmente cilíndrico. La superficie periférica exterior 7 del apoyo 6 presenta aberturas de paso distribuidas uniformemente por toda su superficie, que para una mejor visibilidad no se han representado aquí. En la región frontal inferior del apoyo 6 se dispone de una conexión de aire comprimido 8, a través de la cual se alimenta aire comprimido al interior del apoyo 6. Este aire comprimido sale hacia fuera a través de las aberturas sobre la superficie periférica exterior 7 del apoyo 6. Sobre la superficie periférica exterior 7 está arrollado un haz de fibras 2. Este haz de fibras sólo se ha representado aquí esquemáticamente y limitado a una región parcial de la superficie periférica exterior 7. Sin embargo, en realidad está arrollado uniformemente por toda la superficie periférica exterior 7.

El haz de fibras 2 se ha representado más claramente en la figura 2. Se compone de varias membranas de fibras huecas 3 estrechas, que presentan por ejemplo una longitud de hasta 3 m. Se han reunido por ejemplo tantas membranas de fibras huecas 3 en el haz de fibras 2, que se obtiene una superficie de filtrado de 4 m^{2}. Los respectivos extremos 4 y 4' de las membranas de fibras huecas 3 están fijados a cabezas de conexión 9 y 9'. Para esto están previstas en las cabezas de conexión 9 y 9' aberturas de paso para los extremos de fibra 4 y 4', en las que se incrustan estos últimos. Las membranas de fibras huecas 3 quedan abiertas mediante la incrustación en las cabezas de conexión 9 y 9' en los dos extremos 4 y 4'. La incrustación puede producirse de una forma conocida en sí misma, como se describe por ejemplo en los documentos citados al principio.

Para arrollarse sobre el apoyo 6 se enchufa una de las dos cabezas de conexión 9 ó 9' sobre un extremo de la conexión de aspiración 10 en forma de T, que se encuentra en un extremo frontal del apoyo 6. A continuación se arrolla el haz de fibras 2 alrededor de la superficie periférica exterior 7 del apoyo 6 en dirección a la conexión de presión 8 y, a continuación, de nuevo de vuelta sobre la conexión de aspiración 10. Después se enchufa la segunda cabeza de conexión sobre el segundo extremo de la conexión en forma de T.

Varios de los dispositivos de filtrado 1 conforme a la invención pueden combinarse para formar un módulo de filtrado 11, que se ha representado esquemáticamente en la figura 3. Los dispositivos de filtrado 1 se insertan con la conexión de aire comprimido 8 hacia abajo en un soporte apropiado, que no se ha reproducido aquí con más detalle. Del mismo modo todas las conexiones de aspiración 10 en la región superior del dispositivo de filtrado 1 están unidas a un conducto de evacuación común 13 para el permeato extraído de las membranas de fibras huecas 3. El conducto de evacuación 13 puede estar unido a una bomba apropiada.

En el procedimiento conforme a la invención para limpiar agua o agua residual se inserta el módulo de filtrado 11 representado en la figura 3 en una pila de filtrado, en la que se encuentra el líquido a filtrar. El procedimiento conforme a la invención se pretende explicar con el ejemplo de la figura 4, junto con el biorreactor de membrana conforme a la invención.

El biorreactor de membrana 16 sirve aquí para clarificar agua residual comunal mediante el procedimiento de lodo activado. Comprende una pila de filtrado 14, que está llena de agua residual preclarificada 22. En la pila de filtrado 14 se encuentran varios módulos de filtrado 11 conectados en paralelo, que comprenden en cada caso varios dispositivos de filtrado 1. Los módulos de filtrado 11 están unidos en cada caso a un conducto de evacuación 13 para el permeato filtrado y a un conducto de alimentación de aire comprimido 12 para insuflar aire comprimido. A través de este conducto de aire comprimido 12 se alimenta aire comprimido a los diferentes módulos de filtrado 11 y a los dispositivos de filtrado 1 reunidos en los mismos. Esto se produce con preferencia del modo y de la manera descritos discontinuos y agrupados. El aire comprimido llega a través del conducto de alimentación 12 hasta las conexiones de aire comprimido 8 de los diferentes dispositivos de filtrado 1 y desde aquí al interior del apoyo 6. A través de las aberturas de paso en las superficies periféricas exteriores 7 de los dispositivos de filtrado sale el aire comprimido uniformemente y ocupando una gran superficie. Produce un cizallamiento uniforme y muy efectivo de residuos, que se han formado sobre las superficies de membrana de las membranas de fibras huecas 3.

El permeato que ha entrado en el interior de las membranas de fibras huecas 3 se extrae, a través de las conexiones de aspiración 10 de los diferentes dispositivos de filtrado 1 y del conducto de evacuación 13 para el permeato, hacia fuera del biorreactor de membrana 16. El conducto de evacuación 13 también puede hacer funcionar en funcionamiento inverso. Esto se realiza cuando se quiere llevar a cabo una limpieza de líquido de las membranas de fibras huecas, en especial con la adición de sustancias químicas limpiadoras. Este proceso de lavado por contracorriente es básicamente conocido y se describe por ejemplo en el documento ya citado US 6,214,231 B1. El líquido se bombea a presión aumentada a través del conducto 13 y de las diferentes conexiones de aspiración 10 hasta el interior de las membranas de fibras huecas 3 y sale hacia fuera a través de las superficies de membrana. Esto conduce al desprendimiento de los residuos adheridos sobre la superficie de membrana. A causa de la muy efectiva limpieza de aire comprimido, sin embargo, estos procesos de lavado por contracorriente no son necesarios con mucha frecuencia en el caso del dispositivo conforme a la invención.

En un aspecto adicional de la invención la limpieza de agua residual también puede llevarse a cabo de un modo y una manera tales que se reducen desde un principio los residuos, a causa de las condiciones controladas específicamente en el biorreactor de membrana 16 conforme a la invención. Con este fin se ha preconectado un contactor 15 a la pila de filtrado 14 del biorreactor 16 conforme a la invención. El contactor 15 está dividido aquí por una pared de separación 17 vertical sobre el fondo del reactor en dos segmentos de pila 18 y 19. El contactor puede comprender también solamente una única pila. En la práctica se dispondrá normalmente de más de dos pilas. Para una mayor claridad, sin embargo, se han representado aquí sólo dos pilas. Una primera pila 18 y una segunda pila 19 están unidas entre sí a través de una transición no representada. Igualmente se dispone de una transición entre las dos pilas 19 y la pila de filtrado 14. A la primera pila 18 del contactor 15 conducen dos conductos de alimentación, precisamente un conducto de alimentación 20 para agua residual en bruto y un conducto de alimentación 21, con el que puede recircularse material desde la pila de filtrado 14 hasta el contactor, más exactamente a la primera pila 18. La cantidad de alimentación desde los dos conductos de alimentación 20 y 21 con relación a la cantidad de llenado de la primera pila de contactor 18 se ajusta a través del dimensionamiento correspondiente de la pila de contactor y la potencia de bombeo de las bombas asociadas a los conductos de alimentación 20 y 21 (no representadas). Conforme a la invención la regulación se produce con ello de tal modo, que en la primera pila 18 se ajusta una relación de entre 1 y 100 kg de necesidad de oxígeno bioquímica del agua residual en bruto desde el conducto de alimentación 20 por cada kg de lodo biológico realimentado desde el conducto de alimentación 21. La regulación de los conductos de alimentación 20 y 21 se produce de tal modo que se obtiene un resultado de entre 5 y 70 kg de CSB/kg de lodo realimentado por día.

La cantidad de realimentación de biomasa desde la pila de filtrado 14 a través del conducto 21 se ajusta convenientemente de tal modo, que es de entre el 5% y el 300% del volumen, en especial del 10% al 100% del volumen de la cantidad de alimentación diaria en agua residual en bruto. El tiempo de retención del reflujo en el contactor 15 es convenientemente de entre 2 y 120 minutos, con preferencia de entre 20 y 90 minutos. La velocidad de flujo dentro del contactor 15 se ajusta convenientemente a entre 1 y 60 m/hora, en especial a entre 10 y 40 m/hora. Para ajustar la velocidad de flujo y para un mejor mezclado dentro del contactor 15 pueden estar instaladas por ejemplo chicanas horizontales o verticales. Estas no se han representado aquí para una mejor visibilidad, pero son conocidas básicamente por sí mismas. El contactor está configurado con preferencia con su primera pila 18 y la segunda pila 19 como reactor de circulación de tapones o de tubos.

En el transcurso del tiempo de retención de la biomasa en el contactor 15 desciende la proporción de polímeros extracelulares y de macromoléculas orgánicas difícilmente filtrables mediante floculación. La presencia de los polímeros extracelulares impulsa con ello la aglutinación de las macromoléculas orgánicas sobre copos de lodo activado. Al mismo tiempo se reduce también la concentración de microorganismos, ya que se descomponen en las partes de pila muy cargadas a las que se han realimentado desde la pila de filtrado 14. De forma correspondiente desciende conforme aumenta el tiempo de retención en el contactor 15 también la relación CSB/TS. Por ello es más reducida en el segundo reactor 19 que en el primer reactor 18. El agua residual se deja con preferencia en el segundo reactor 19 hasta que, en el caso de la realimentación del agua residual 22 desde la última pila de contactor 19 hasta la pila de filtrado 14, en esta última se ajusta una relación CSB/TS en un margen de entre 0,01 y 1 kg de CSB/kg de TS por día y con preferencia de entre 0,02 y 0,6 kg de CSB/kg de TS por día. En el caso de mantenerse estos valores en la pila de filtrado 14 se obtienen condiciones que dificultan la formación de residuos sobre las membranas de fibras huecas 3. Se observa una capacidad de filtrado del agua residual 22 claramente mejorada con relación al funcionamiento habitual de biorreactores de membrana. Por ello el caudal puede aumentarse claramente con relación a reactores usuales. Por el contrario, los trabajos de mantenimiento y limpieza son por el contrario necesarios con menos frecuencia.

El biorreactor de membrana 16 conforme a la invención puede contener otros componentes o dispositivos habituales en el estado de la técnica. Por ejemplo es posible prever para el contactor 15 un mecanismo de ventilación para, según el lodo de clarificación a limpiar, ocuparse de condiciones ambientales aeróbicas, anóxicas o anaeróbicas. También pueden utilizarse dispositivos agitadores para la circulación del agua residual en las diferentes pilas, aunque también se prefiere actualmente no prever ningún mecanismo agitador en el contactor 15.

Claims (30)

1. Dispositivo de filtrado (1) para separar partículas desde un líquido mediante membranas de fibras huecas (3), que se reúnen en un haz de fibras (2), por las que puede circular el líquido desde fuera hacia dentro y desde las cuales se extrae líquido filtrado desde al menos uno de sus respectivos extremos (4), y en donde se dispone de un dispositivo de alimentación de gas (5) para lavar el exterior de las membranas de fibras huecas (3) con un gas, caracterizado porque el dispositivo de alimentación de gas (5) comprende un apoyo (6), cuya superficie periférica exterior (7) es impermeable para el gas, al menos parcialmente, desde dentro hacia fuera, porque el apoyo (6) presenta en un extremo frontal una conexión de aire comprimido (8), a través de la cual se alimenta gas hasta el interior del apoyo (6), y porque el haz de fibras (2) está arrollado sobre la superficie periférica exterior (7) del apoyo (6).

2. Dispositivo de filtrado conforme a la reivindicación 1, caracterizado porque la superficie periférica exterior (7) presenta aberturas de paso en forma de orificios o rendijas, o se compone de material poroso y presenta con preferencia la forma de una envuelta cilíndrica.

3. Dispositivo de filtrado conforme a la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la superficie periférica exterior (7) del apoyo (6) presenta una longitud de entre 1 y 100 cm, con preferencia de entre 5 y 70 cm, y un diámetro de entre 1 y 40 cm, con preferencia de entre 5 y 20 cm.

4. Dispositivo de filtrado conforme a una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque los extremos (4) de las membranas de fibras huecas (3) están fijados en al menos una cabeza de conexión (9), la cual está unida a una conexión de aspiración (10) para extraer permeato de las membranas de fibras huecas (3).

5. Dispositivo de filtrado conforme a la reivindicación 4, caracterizado porque los primeros extremos (4) de cada membrana de fibras huecas (3) están unidos a una primera cabeza de conexión (9) y los otros extremos (4') en cada caso de las membranas de fibras huecas (3) están unidos a una segunda cabeza de conexión (9').

6. Dispositivo de filtrado conforme a la reivindicación 4 ó 5, caracterizado porque la cabeza de conexión (9, 9') y la conexión de aire comprimido (8) están dispuestas en extremos frontales opuestos del apoyo (6).

7. Dispositivo de filtrado conforme a una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque se han reunido varias membranas de fibras huecas (3) de tal modo para formar un haz de fibras (2), que este último presenta una superficie de filtrado de entre 0,1 y 10 m^{2}, en especial de entre 0,5 y 5 m^{2}.

8. Módulo de filtrado (11), caracterizado porque comprende varios dispositivos de filtrado (1) conforme a una de las reivindicaciones 1 a 7, en especial varios dispositivos de filtrado (1) dispuestos verticalmente unos junto a otros con el lado de alimentación de gas hacia abajo.

9. Módulo de filtrado conforme a la reivindicación 8, caracterizado porque los dispositivos de filtrado (1) están dispuestos de tal modo que se obtiene una superficie de filtrado de entre 50 y 700 m^{2}/m^{3}, en especial de entre 100 y 400 m^{2}/m^{3}.

10. Módulo de filtrado conforme a la reivindicación 8 ó 9, caracterizado porque los dispositivos de filtrado (1) presentan un conducto de alimentación común (12) para gas, con preferencia aire comprimido, y/o un conducto de evacuación común (13) para permeato.

11. Utilización del dispositivo de filtrado (1) conforme a una de las reivindicaciones 1 a 7 o del módulo de filtrado (11) conforme a una de las reivindicaciones 8 a 10 para tratar agua o agua residual.

12. Procedimiento para tratar agua o agua residual, que comprende los pasos:

introducción de agua (22) ensuciada con material biológicamente activo en una pila de filtrado (14), en la que está dispuesto al menos un dispositivo de filtrado (1) en el que se separa del agua el material biológicamente activo mediante membranas de fibras huecas (3) reunidas en un haz de fibras (2), por las que circula el líquido desde fuera hacia dentro, y

extracción del agua limpia de material biológicamente activo desde al menos uno de los respectivos extremos (4) de las membranas de fibras huecas (3),

en donde al menos un dispositivo de filtrado (1) comprende un dispositivo de alimentación de gas (5) con un apoyo (6), cuya superficie periférica exterior (7) es permeable parcialmente desde dentro hacia fuera para el gas,

el haz de fibras (2) está arrollado sobre la superficie periférica exterior (7) del apoyo (6),

el apoyo (6) presenta en un extremo frontal una conexión (8) para gas, a través de la cual se alimenta gas al interior del apoyo (6), y

los residuos formados sobre las superficies exteriores de las membranas de fibras huecas (3) se eliminan de las membranas de fibras huecas (3) mediante descarga por soplado de gas a través de la superficie periférica exterior (7) del apoyo (6).

13. Dispositivo de filtrado conforme a la reivindicación 12, caracterizado porque el gas se alimenta de forma discontinua.

14. Procedimiento conforme a una de las reivindicaciones 12 ó 13, caracterizado porque a la pila de filtrado (14) está preconectado un contactor (15) y al contactor (15) se realimenta al menos una parte del material biológicamente activo separado en la pila de filtrado (14).

15. Procedimiento conforme a la reivindicación 14, caracterizado porque la cantidad de realimentación desde la pila de filtrado (14) es de entre el 5% y el 300% del volumen, en especial de entre el 10% y el 100% de la cantidad de alimentación diaria en agua residual en bruto.

16. Procedimiento conforme a la reivindicación 14 ó 15, caracterizado porque el tiempo de retención en el contactor (15) es de entre 2 y 120 minutos, en especial de entre 20 y 90 minutos.

17. Procedimiento conforme a una de las reivindicaciones 14 a 16, caracterizado porque en la pila del contactor (15), a la que se realimenta material biológicamente activo desde la pila de filtrado (14), se ajusta la relación entre necesidad de oxígeno bioquímica del agua residual en bruto (CSB) y lodo biológico (TS) realimentado desde la pila de filtrado (14) a entre 1 y 100 kg de CSB/kg de TS por día, con preferencia entre 5 y 70 kg de CSB/kg de TS por día.

18. Procedimiento conforme a la reivindicación 17, caracterizado porque la relación entre necesidad de oxígeno bioquímica (CSB) y lodo biológico (TS) en el contactor (15) se deja reducir hasta un valor tal que, después de reconducir el agua residual desde el contactor (15) hasta la pila de filtrado (14), en la pila de filtrado (14) se ajusta una relación entre necesidad de oxígeno bioquímica (CSB) y lodo biológico (TS) de entre 0,01 y 1 kg de CSB/kg de TS por día, con preferencia de entre 0,02 y 0,6 kg de CSB/kg de TS por día.

19. Procedimiento conforme a una de las reivindicaciones 14 a 18, caracterizado porque el contactor (15) se divide en al menos dos pilas de contactor (18, 19) conectadas consecutivamente, con una dirección de flujo desde una primera pila de contactor (18) a una última pila de contactor (19), preconectada directamente a la pila de filtrado (14), la introducción de agua residual en bruto así como la realimentación de material biológicamente activo desde la pila de filtrado (14) se producen en cada caso en la primera pila de contactor (18) y el agua residual se conduce desde la última pila de contactor (19) de vuelta a la pila de filtrado (14).

20. Procedimiento conforme a una de las reivindicaciones 14 a 19, caracterizado porque la velocidad de flujo se ajusta dentro del contactor (15) a entre 1 y 60 m por hora, en especial a entre 10 y 40 m por hora.

21. Procedimiento conforme a una de las reivindicaciones 14 a 20, caracterizado porque en el contactor (15) se dispone de paredes de inversión para controlar la corriente de líquido.

22. Procedimiento conforme a la reivindicación 21, caracterizado porque el contactor (15) está configurado como reactor de circulación de tapones o de tubos.

23. Biorreactor de membrana (16) con una pila de filtrado (14), en la que se encuentra una unidad de filtrado de membrana, caracterizado porque la unidad de filtrado de membrana se compone al menos de un módulo de filtrado (11) conforme a una de las reivindicaciones 8 a 10, y porque a la pila de filtrado (14) está preconectado un contactor (15) con al menos una pila de contactor, en la que desembocan un conducto de alimentación (20) para agua residual en bruto y un conducto de alimentación (21) para realimentar material biológicamente activo desde la pila de filtrado (14).

24. Biorreactor de membrana conforme a la reivindicación 23, caracterizado porque el contactor (15) se divide en al menos dos pilas de contactor (18, 19) conectadas consecutivamente, con una dirección de flujo desde una primera pila de contactor (18) a una última pila de contactor (19), preconectada directamente a la pila de filtrado (14), y el conducto de alimentación (20) para introducir agua residual en bruto así como el conducto de alimentación (21) para realimentar material biológicamente activo desde la pila de filtrado (14) desembocan en cada caso en la primera pila de contactor (18).

25. Biorreactor de membrana conforme a la reivindicación 23 ó 24, caracterizado porque el contactor (15) está dimensionado de tal modo que, en la región en la que se realimenta material biológicamente activo desde la pila de filtrado (14) se ajusta una relación entre necesidad de oxígeno bioquímica del agua residual en bruto (CSB) y lodo biológico (TS) realimentado desde la pila de filtrado (14) a entre 1 y 100 kg de CSB/kg de TS por día, con preferencia entre 5 y 70 kg de CSB/kg de TS por día.

26. Biorreactor de membrana conforme a la reivindicación 24 ó 25, caracterizado porque la relación entre necesidad de oxígeno bioquímica y lodo biológico se reduce entre la primera pila de contactor (18) y la última pila de contactor (19).

27. Biorreactor de membrana conforme a una de las reivindicaciones 23 a 26, caracterizado porque el contactor (15) se divide en de 2 a 20 pilas de contactor, en especial en de 3 a 12.

28. Biorreactor de membrana conforme a una de las reivindicaciones 23 a 27, caracterizado porque la relación entre necesidad de oxígeno bioquímica (CSB) y lodo biológico (TS) en el retorno desde el contactor (15) a la pila de filtrado (14) presenta un valor tal, que en la pila de filtrado (14) se ajusta una relación entre necesidad de oxígeno bioquímica (CSB) y lodo biológico (TS) de entre 0,01 y 1 kg de CSB/kg de TS por día, con preferencia de entre 0,02 y 0,6 kg de CSB/kg de TS por día.

29. Biorreactor de membrana conforme a una de las reivindicaciones 23 a 28, caracterizado porque en el contactor (15) se dispone de paredes de inversión para controlar la corriente de líquido.

30. Biorreactor de membrana conforme a una de las reivindicaciones 23 a 29, caracterizado porque para el contactor (15) está previsto un dispositivo de ventilación.