ES2318986B1

ES2318986B1 - Depurador afads (unidad compuesta anaerobica continua a flujo vertical + fitodepurador + aireacion mecanica + destilador solar) para tratamiento de aguas residuales urbanas, industriales o agricolas.

Info

Publication number: ES2318986B1
Application number: ES200602188A
Authority: ES
Inventors: Mario Alejandro Rosato
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-08-09
Filing date: 2006-08-09
Publication date: 2010-02-12
Anticipated expiration: 2026-08-09
Also published as: ES2318986A1

Abstract

Depurador AFADS (unidad compuesta Anaeróbica continua a flujo vertical + Fitodepurador + Aireación mecánica + Destilador Solar) para tratamiento de aguas residuales urbanas, industriales o agrícolas.

Consiste en un invernadero con al menos una cubierta inclinada, que contiene en su interior un digestor anaeróbico de flujo vertical (tipo UASB o similares), una serie de bandejas por las que el efluente baja a cascada, y un estanque poco profundo situado a la base en el que se harán crecer plantas con alto poder de fitodepuración. El perímetro de la cubierta posee una canaleta para recoger el agua condensada.

Caracterizado por englobar cuatro etapas de depuración diferenciadas en una unidad compacta más eficiente que los depuradores tradicionales.

Optimiza rendimiento y producción de biogás del digestor.

Depura el efluente, parte por destilación solar y parte por aireación + fitodepuración.

Minimiza el riesgo ambiental impidiendo fugas de las plantas acuáticas al ambiente.

Produce biomasa útil.

Description

Depurador AFADS (unidad compuesta Anaeróbica continua a flujo vertical + Fitodepurador + Aireación natural por caída + Destilador Solar) para tratamiento de aguas residuales urbanas, industriales o agrícolas.

Sector de la técnica

La invención se encuadra en el sector de la técnica del tratamiento de aguas residuales urbanas, industriales (orgánicas) o agrícolas mediante procedimientos biológicos.

Antecedentes - estado de la técnica

Son empleados desde hace más de 100 años sistemas de decantación, filtración en lecho de arena, percolación aeróbica y digestión anaeróbica de fangos. Dichos sistemas se caracterizan por la necesidad de grandes superficies de instalaciones y elevados tiempos de retención hidráulica. Los primeros estudios sobre digestores a flujo vertical (tipo UASB = Upflow Anaerobic Sludge Blanket, o EGSB = Expanded Granular Sludge Bed, o HSB = Hydrolitic Sludge Bed, o sus derivados) del prof. Lettinga et al. (Universidad de Wagenigen, Holanda) se remontan a los años '70, habiendo experimentado dicha tecnología una fuerte expansión a escala industrial y mejoras constantes desde 1995. Su rendimiento depende de la temperatura. De los mismos trabajos de Lettinga et al. se desprende que con temperaturas ambientes inferiores a 15ºC empieza a ser necesario aportar calor al líquido a tratar para que las bacterias puedan mantener su metabolismo, o bien aumentar los tiempos de retención, con consecuente aumento del volumen del digestor. Dichos sistemas ofrecen elevadas eficiencias de abatimiento de materia orgánica, pero baja eficiencia de abatimiento de nitritos y fosfatos.

Por otro lado, los sistemas de fitodepuración son muy empleados desde los años '60, especialmente en U.S.A. y centro-norte de Europa. Se caracterizan por elevadas eficiencias de abatimiento de nitritos y fosfatos, pero la eficiencia de abatimiento de materia orgánica depende de la insolación que reciban las plantas. Dichos sistemas son muy económicos, pero difícilmente aplicables en España por su clima mayoritariamente templado-cálido y seco, que comportaría elevadas pérdidas por evaporación. Ocupan además grandes superficies de terreno, por utilizar especies autóctonas de crecimiento estacional. Si se opta por la fitodepuración con plantas acuáticas (lenteja de agua -Lemna minor- o camalote -Euphorbia crassipes-) suelen emplearse entonces embalses de poca profundidad y gran extensión, con el riesgo de poner en peligro el ambiente circundante por ser estas plantas muy invasoras (en 2005 hubo una invasión de camalotes en el Guadiana que provocó diversos problemas ambientales, reportados en El País, 30/1212005). Dichas plantas depuran bien en verano, pero frenan mucho su actividad metabólica con los primeros fríos.

En Dinamarca existe una planta fitodepuradora a forma de pirámide acristalada con varios pisos de cultivos, que obvia este problema al estabilizar la temperatura por efecto invernadero. Por otro lado, la tecnología del destilador solar simple (tipo "chileno" o "mexicano") se conoce desde hace un siglo y en prácticamente todos los manuales de energía solar hay esquemas y descripciones de los mismos.

La novedad de la invención consiste en combinar varias etapas y métodos de depuración optimizando el espacio en una única unidad compacta, llamada AFADS, con un eventual postratamiento de fitodepuración con plantas fijas en un campo externo o bien en una porción del mismo depurador AFADS.

Se ha previsto la posibilidad de tratar también alpechín sometiendo éste a adsorción previa del fenol mediante un filtro de carbón activado, según se desprende de estudios realizados por Bertin et al., facultad de Ingeniería de la Universidad de Bologna, Italia. El alpechín crudo no se puede tratar con ningún digestor, pues la elevada toxicidad del fenol mata las bacterias. Por lo tanto, para depurar alpechín el depurador AFADS deberá contar con una serie de filtros de carbón activado dispuestos a la entrada, que adsorberán el fenol dejando un alpechín cargado solo con materia orgánica digerible. Dichos filtros deberán ser reemplazados o reactivados periódicamente para evitar su saturación. La diferencia conceptual con las investigaciones de Bertin et al. reside en que en el presente digestor AFADS, la adsorción del fenol es previa a su entrada en el digestor y el carbón activo se cambia o regenera periódicamente, mientras que el primero preconiza el uso de un digestor de volumen doble del necesario, relleno a mitad de carbón activo, que se va evacuando juntamente con los fangos.

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Descripción y principio de funcionamiento

El problema técnico que pretende resolver la presente invención es la depuración de aguas residuales con el mínimo consumo de energía e impacto ambiental de la planta. La invención consiste en un sistema que engloba un digestor anaeróbico continuo a flujo vertical de alta carga, un sistema de fitodepuración y aireación formado por una serie de bandejas con plantas acuáticas en las que el agua cae a modo de cascada, oxigenándose, y un destilador solar, todo en una única unidad compacta llamada depurador AFADS. De este modo se obtienen una serie de ventajas respecto a los tradicionales sistemas de tratamiento de aguas residuales urbanas o industriales, purines, gallinaza y alpechín:

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a): Tiempos de retención hidráulica bajos y elevado abatimiento de materia orgánica, típicos de los digestores a flujo vertical de alta carga.

b): Obtención de biogás sin necesidad de mezclado mecánico de fangos (ahorro de energía eléctrica de los mezcladores).

c): Estabilización de la temperatura del digestor por efecto invernadero e inercia térmica.

d): Fitodepuración del efluente del digestor en un ambiente cerrado, evitando así escapes de las plantas a ambientes fluviales o lacustres, con consecuentes problemas ecológicos. Si se opta por una segunda etapa de fitodepuración externa a la unidad AFADS, ésta debería ser una plantación de vegetales fijos (cañizos, bambú, juncos...) para evitar escapes al ecosistema circundante. La fitodepuración se caracteriza por su elevado abatimiento de nutrientes (nitritos, nitratos, fosfitos y fosfatos).

e): Aireación del efluente al caer de una bandeja a la sucesiva.

f): Destilación solar de una parte del efluente, con recuperación parcial del calor de evaporación al condensar el agua en las paredes del digestor. Esto aumenta la eficiencia del digestor pues ayuda a mantener su temperatura constante y al mismo tiempo aumenta la producción diaria de agua destilada pues disipa menos energía hacia el exterior.

g): Elevada producción de biomasa para uso como combustible, forraje, fabricación de papel, etc.

h): Unidades más compactas, mejor aprovechamiento del suelo y ausencia de olores.

i): Bajos costos de bombeo y mantenimiento.

El depurador AFADS consiste en una estructura con cubierta transparente de forma piramidal con base de N lados, o bien cónica, o bien prismática con al menos una cara inclinada, que funciona como un invernadero. Contiene en su interior un digestor anaeróbico de flujo vertical (tipo UASB = Upflow Anaerobic Sludge Blanket - manto de fangos de flujo vertical-, o EGSB = Expanded Granular Sludge Bed -lecho expandido de fango granular-, o HSB = Hydrolitic Sludge Bed -lecho de fango hidrolítico-, o sus variantes y derivados) que se caracteriza por su elevado abatimiento de la carga orgánica, elevada producción de biogás, tiempos de digestión cortos y estabilidad de funcionamiento. El rendimiento del mismo es función directa de la temperatura de trabajo, de ahí la evidente ventaja de colocarlo en un invernadero en vez que al aire libre o enterrado como suele hacerse en la práctica actual. La base de la estructura forma un estanque poco profundo (aprox. 50 cm), de volumen mayor o igual al del reactor, en el que se harán crecer plantas con alto poder de fitodepuración (por ejemplo, lentejas de agua -Lemna minor o glabra- camalotes -Eichomia crassipes- o similares). Entre la cúspide del digestor y la base se dispondrán varios planos de bandejas de material transparente y poca profundidad (aprox. 30 cm), también sembradas con plantas acuáticas. El agua al caer de una bandeja a la siguiente se va oxigenando. Las plantas elegidas, el camalote en especial, se caracterizan por su elevada velocidad de proliferación (300 t/ha de biomasa seca al año), elevada capacidad de absorber contaminantes (nitritos NO_{2}^{-}, nitratos NO_{3}^{-}, metales pesados, e incluso fenol). Siendo plantas de origen tropical y subtropical, el invernadero garantiza la constancia de su productividad durante el invierno, además de servir como barrera para evitar que puedan escapar a ríos y lagos, proliferando en ellos y dañando el equilibrio del ecosistema.

Lógica consecuencia de la gran cantidad de agua contenida en la estructura será la abundante condensación sobre la cubierta transparente, por lo cual el perímetro interno de la misma estará circundado por una canaleta para recoger el agua que condensa y resbala hacia abajo (de ahí la necesidad de que la estructura tenga forma piramidal o cónica, o de prisma con al menos una cara inclinada). La base del digestor también estará circundada por una canaleta de recolección del agua condensada. Es importante el hecho de hacer condensar todo el vapor posible sobre las paredes del digestor, para mantener su temperatura y recuperar el calor latente que de otro modo se disiparía al exterior. El agua condensada se recuperará para su utilización.

El agua residual entra al digestor por su parte inferior y las particulares condiciones del flujo (velocidad ascensional < 1 m/h) producen una decantación de los sólidos junto con las bacterias, que tienden a formar colonias en forma de gránulos que permanecen establemente en el digestor y ofrecen la máxima superficie de contacto con el líquido a tratar. De este modo el mismo es digerido en forma anaeróbica en muy poco tiempo, obteniéndose biogás y fangos estabilizados. El efluente clarificado, pero aún rico en nutrientes, sale por la parte superior y va cayendo por las bandejas dispuestas en planos sucesivos, donde las plantas acuáticas lo van depurando. La caída de un plano de bandejas a otro favorece la oxigenación del efluente. Al llegar al estanque que constituye la base, el agua habrá sido despojada de gran parte de sus nutrientes, y otra parte de ella habrá evaporado. La parte que evapora condensará sobre la cubierta y sobre las paredes del digestor. Resbalando por las mismas será recogida en sendas canaletas que la llevarán a un depósito para su uso posterior.

Periódicamente se procederá a retirar parte del fango estabilizado que se vaya acumulando en el fondo del reactor, y también se cosechará parte de las plantas para favorecer su renovación. La cosecha se podrá utilizar como combustible, como materia prima para fabricar papel, como forraje, etc. El sistema de cosecha puede ser manual, neumático, mecánico, etc.

El biogás extraído en la cúpula del reactor se podrá depurar, enriquecer y utilizar en cualquier proceso.

El agua recolectada en el estanque que forma la base de la estructura se puede utilizar para riego de olivos o frutales o enviar a una planta potabilizadora convencional, o bien hacerla pasar por una segunda etapa de fitodepuración que podría consistir en canales de unos 50 cm de profundidad, impermeabilizados y rellenos con grava y compost, en los cuales se plantarían juncos, cañizos o bambú. Dichas plantas absorberán los nutrientes remanentes y producirán grandes cantidades de biomasa (40 a 300 T/ha en el caso del bambú). El agua efluente tendrá entonces una calidad apta para ser vertida en ríos o lagos o ser usada para riego de hortalizas de consumo humano.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 representa esquemáticamente el alzado lateral de una unidad AFADS. El líquido a tratar (1) entra en el digestor D. Por el otro extremo del mismo sale biogás (8) que se utiliza en algún proceso (no mostrado en la figura) y agua parcialmente depurada (2). Ésta va cayendo de una bandeja B a otra en forma de cascadas (3), lo cual permite su oxigenación y parcial digestión aeróbica. Las bandejas B contienen plantas que absorben parte de los nutrientes, hasta que al llegar a la última bandeja, el agua depurada sale para su ulterior utilización (4). Durante el día, el sol S calienta por efecto invernadero el interior de la estructura P, lo cual mantiene el digestor a temperatura óptima de trabajo, y provoca la evaporación (5) de parte del agua contenida en las bandejas B. El vapor de agua (5) se condensa y el agua (6) resbala por la cubierta transparente hasta ser recogida en las canaletas C, de donde se la envía a su ulterior utilización (7). Los sólidos fijos que se van acumulando en el digestor como fangos estabilizados se eliminan mediante una toma colocada en un punto situado a 50% - 75% de su altura útil, con una eventual derivación para su reciclado parcial (9).

Descripción de una realización preferida

La figura 2 muestra un sistema de depuración AFADS de aguas residuales orgánicas, capaz de depurar entre 50 y 100 m^{3} día dependiendo del clima de la zona y del tipo de afluente (de su carga orgánica o DQO). Se trata de una estructura metálica piramidal a 60º, de base cuadrada (22 m x 22 m), de 20 m de altura. La estructura sostiene una cubierta de material transparente que hace de invernadero y a la vez de superficie de condensación. En su interior va colocado un digestor anaeróbico continuo de flujo vertical (de tipo UASB, EGBS o sus variantes) de unos 12 m de altura y entre 2 y 4,5 m de diámetro. El fondo de la estructura es un estanque de unos 50 cm de profundidad, preferiblemente impermeabilizado con material de color negro para aumentar la captación solar. El afluente se bombea al digestor por la parte inferior, y sale depurado al 80% por unos conductos colocados en la base de su cúpula. En la cúpula del digestor se acumula el biogás, que se extrae para su ulterior depuración y uso y en parte se reinyecta a presión en el fondo del digestor para mantener el estado granular de las colonias de bacterias y asegurar el máximo contacto entre éstas y el purín. El efluente cae por gravedad a unas bandejas de material transparente, de unos 30 cm de profundidad donde se sembrarán macrofitas flotantes (L. minor o E. crassipes) o algas. Las plantas absorberán parte de los nutrientes contenidos en el efluente y producirán oxígeno. El efluente irá cayendo de una bandeja a la sucesiva, oxigenándose y evaporándose en parte. Parte del agua evaporada se condensará en el intercambiador de calor dispuesto a tal efecto, en el que se forzará aire mediante un ventilador eléctrico, recuperando así el calor latente para precalentar el purín a su entrada al digestor. Otra parte del vapor condensará en la cubierta y resbalará hacia abajo, donde la recogerán unas canaletas dispuestas a lo largo del perímetro de la base de la pirámide. El agua condensada se bombeará fuera de la estructura para su posterior reutilización. El efluente de las bandejas se recogerá finalmente en el estanque que conforma su base, que debido a su gran superficie sembrada de plantas acuáticas, proveerá la etapa final de fitodepuración, con posterior bombeo o escurrimiento fuera de la estructura. Tanto las bandejas como el estanque contarán con pasarelas y escaleras de acceso para que un operario coseche diariamente las plantas acuáticas, que se podrán utilizar como forraje para animales. La cosecha se podrá realizar manualmente mediante simples redecillas o bien con un sistema de aspiración neumática. También sería factible criar peces o crustáceos de agua dulce que se alimenten de las plantas.

Claims

1. Sistema de depuración para tratamiento de aguas residuales urbanas, industriales o agrícolas. Caracterizado por englobar en una unidad cuatro etapas de depuración: anaeróbica, aeróbica con macrofitas flotantes como Eichomia crassipes, o Elodea canadensis (Egeria densa), (fitodepuración), aireación mecánica (por oxigenación natural al caer el agua en forma de pequeñas cascadas de una bandeja a la sucesiva), y destilación solar con parcial recuperación del calor de condensación sobre las paredes del digestor, lo que ayuda a mantener constante su temperatura y estabilizar su rendimiento.

2. Sistema de depuración como en la reivindicación 1), pero que además se caracteriza por contar con una segunda etapa de fitodepuración (interna o externa a la unidad) constituida por cultivo de macrofitas fijas como Cyperáceas (papiro, Cyperus papyrus), Gramíneas (bambú, Bambusa sp.) o Tifáceas (espadaña, Typha sp.).

3. Sistema de depuración las reivindicaciones 1) y 2) caracterizado porque en una etapa previa se hace pasar el alpechín por un filtro de carbón activado con el objeto de adsorber el fenol que de otro modo mataría las colonias de bacterias metanogénicas y anularía la eficacia del digestor anaeróbico. Una vez adsorbido el fenol, se puede depurar el alpechín directamente en un sistema como los descritos en las reivindicaciones 1) y 2).

4. Sistema depurador como en la reivindicación 1) o 2) o 3), pero caracterizado por poseer un intercambiador de calor con convección forzada entre el aire húmedo en el interior del depurador y el fluido a depurar, colocado a la entrada del mismo a la etapa anaeróbica. De este modo se aumenta la cantidad de agua condensada y la recuperación del calor latente para precalentar el fluido a depurar y facilitar así el metabolismo de las bacterias metanogénicas.