ES2396638A1

ES2396638A1 - Esferas cerámicas, baldosas filtrantes y tubos cerámicos porosos con aplicación y utilidad en el sistema de depuración biológica por lechos bacterianos o biofiltro.

Info

Publication number: ES2396638A1
Application number: ES201100643A
Authority: ES
Inventors: Luis MATA PALMA
Original assignee: Tecambyot Slu Tecnicas Ambientales Y Byotecnologia; TECAMBYOT S L U TECN AMBIENTALES Y BYOTECNOLOGIA
Current assignee: Tecambyot Slu Tecnicas Ambientales Y Byotecnologia; TECAMBYOT S L U TECN AMBIENTALES Y BYOTECNOLOGIA
Priority date: 2011-06-07
Filing date: 2011-06-07
Publication date: 2013-02-25
Anticipated expiration: 2031-06-07
Also published as: ES2396638B1

Abstract

La pasta cerámica inventada está compuesta por un 20% de coque micronizado a tamaño máximo 20 micras, un 10% de serrín procedente de la industria del procesado de madera, un 10% de hueso molido procedente de la industria aceitera, un 20% de arcilla blanca, un 20% de arcilla negra y un 20% de arcilla roja, con esta pasta hemos fabricado y con las siguientes características: Esferas y áridos que poseen unas características muy ligeras su superficie exterior es rugosa y con capacidad para albergar partículas de hasta 100 micras en su superficie y con unas características a la abrasión moderadas. Elementos planos prismáticos para aprovechar su red de poros en el fondo de un recinto destinado a ser llenado de aguas u otros, de esta manera son un elemento apto para con un pegamento "embaldosar" el fondo de cualquier recinto y utilizar éstas para filtrar el líquido contenido. Elementos tubulares rigidizados interiormente que son un buen medio para transporte y distribución de un flujo, aire en concreto.

Description

ESFERAS CERÁMICAS, BALDOSAS FILTRANTES Y TUBOS CERÁMICOS POROSOS CON APLICACIÓN Y UTILIDAD EN EL SISTEMA DE 5 DEPURACIÓN BIOLÓGICA POR LECHOS BACTERIANOS O BIOFILTRO.

SECTOR DE LA TÉCNICA

La invención se encuadra en el sector técnico de procesos de depuración de aguas residuales urbanas, más concretamente en la parte de una depuradora

10 en la que se usan sistemas biológicos de eliminación de demanda biológica de oxígeno, a continuación DBO, y de la demanda química de oxigeno, en adelante DQO, del agua residual. Estos DBO y DQO no son más que parámetros objetivos y ampliamente normalizados con los que medir la contaminación de un agua.

15 ESTADO DE LA TÉCNICA

Actualmente, dentro del tratamiento de las aguas residuales la eliminación de DBO y DQO ha adquirido una relevancia especial, debido a los exigentes parámetros que se tienen que cumplir a la hora de verter las aguas usadas al medio ambiente.

20 Los lechos bacterianos y biofiltros se encuadran dentro de los tratamientos secundario y terciario en la depuración de aguas, (se entiende por tratamiento primario aquellos en los que por medios físicos se consiguen eliminar gruesos y elementos que pueden sedimentar), en estos tratamientos secundario y terciario se emplean cultivos biológicos para

25 conseguir una descomposición aeróbica y oxidación de la materia orgánica, pasando a compuestos más estables, obteniendo de esta manera mayores rendimientos que en la depuración primaria y por procesos químicos. Tanto los lechos como los biofiltros, utilizan unos medios-soporte de las bacterias para conseguir mayor número de éstas en el mismo volumen de operación;

30 estos organismos se adhieren al medio de fijación y en ellos se recibe el material orgánico a transformar, el éxito de la operación estriba en mantener las condiciones aerobias, necesarias para el ciclo vital de los organismos, y controlar la cantidad de materia orgánica que descompongan. La materia orgánica es el alimento que sustenta a estos organismos y su

35 eficiencia disminuye tanto por una sobrealimentación, como por una alimentación deficiente o no equílibrada.

En los lechos la oxidación se obtiene de circular a través de un material soporte, poroso, aire (de forma natural o forzada) yagua residual. Existen multitud de elementos para introducir o diluir el oxigeno del aire en el agua, en general se utilizan medios porosos de materiales cerámicos para difundir 5 una corriente de aire en burbujas muy finas fácilmente diluibles, otros medios utilizan láminas plásticas agujereadas que al inflarse ceden abriendo su poro a burbujas también muy finas. Alrededor de este material soporte se desarrolla una película biológica, compuesta por microorganismos que son los que se encargan de degradar la materia orgánica y las sustancias 10 contaminantes. La película se forma al adherirse los microorganismos al árido y a las partículas orgánicas, a medida que estas se van adhiriendo, la película va aumentando su espesor, hasta que llega a un espesor aproximado de 3 mm, a partir del cual el oxigeno no llega a los microorganismos. A partir de ese espesor se produce en la parte profunda

15 anaerobiosis, ausencia de oxigeno, lo que genera unos gases y posterior desprendimiento de la película, siendo esta arrastrada por el agua residual.

Por otro lado es necesaria la existencia de zonas anóxicas en el medio en el que se depura debido a que parámetros necesarios a rebajar como el nitrógeno y el fósforo necesitan de esos ambientes anóxicos, razón por la

20 cual en la depuración de aguas residuales con altos contenidos en Nitrógeno y Fósforo la solución pasa por crear estos ambientes.

Los primeros lechos bacterianos que se inventaron se denominaron lechos de contacto, este sistema mostraba varias limitaciones, por lo que aparecieron los lechos percoladores. Han seguido evolucionando y en la

25 actualidad se encuentran diferentes tipos de lechos con rellenos naturales y sintéticos, de los que podemos encontrar varias marcas patentadas.

Un lecho bacteriano es un depósito en el que se introducen los áridos o material soporte. En este depósito se circula el agua residual y se crean las biopelículas, que son las que eliminan la materia orgánica del agua. Para que 30 esto suceda es necesario que exista oxigeno suficiente para que los microorganismos desarrollen sus ciclos vitales, este oxigeno se puede suministrar de forma natural o inyectando a través de difusores el oxigeno que sea necesario. Existen difusores de aire en el mercado hechos de materiales tales como el plástico y la cerámica con distintas formas y

35 características.

El material que se suele utilizar como cultivo para los microorganismos en los lechos fluidificados está formado por granos de arena, arcilla, carbón, carbón activo, todos ellos materiales macizos con tallas que van desde los 0,1 mm hasta varios milímetros de diámetro.

Los parámetros que se utilizan para caracterizar el material son la talla efectiva, el coeficiente de uniformidad, forma de los granos (angulosos o redondeados), friabilidad, porosidad, actitud para la fluidificación y la naturaleza de los minerales utilizados.

5 Los lechos bacterianos tienen diversos criterios de clasificación: según su recirculación (con o sin recirculación) , la carga (baja, media y alta), el material (de árido, plásticos o de materiales especiales y por el tamaño del árido o su superficie específica), la construcción (según su forma: circulares

o rectangulares y por el aislamiento: abiertos y cubiertos), la ventilación

10 (natural o ventilado), la forma de trabajo (lechos normales y sumergidos o fluidificados) y la movilidad del material soporte (lechos fijos, fluidificados, biodiscos y biocilindros ), la forma y el medio por el que entra y sale el agua, etc....

Los parámetros que se tienen en cuenta a la hora de diseñar unos lechos

15 bacterianos se dividen en biológicos y físicos. Los parámetros biológicos son principalmente la magnitud de DBO y la aireación, natural o forzada, necesaria para mantener las condiciones aeróbicas que necesitan los microorganismos del medio. Los parámetros físicos son los más importantes, ya que influyen en el rendimiento de la depuración, son el

20 tiempo de retención en el medio filtrante, que es función de la carga hidráulica, superficie específica, altura del lecho y otras constantes; temperatura del aire y del agua, naturaleza del material de contacto que depende directamente de la superficie específica, la altura de la película y el índice de huecos de la misma y por ultimo están los parámetros de carga

25 entre los que se encuentran la carga hidráulica, la superficie especifica, la carga volúmica, la recirculación y los rendimientos que se produzcan.

Finalmente en cualquier proceso biológico de depuración de aguas se hace necesario filtrar o separar el agua limpia de esa contaminación que recibe el nombre de fango y no es más que las partes orgánicas digeridas en exceso

30 así como otros residuos químicos de la oxidación de esta. Pues bien este fango ha de ser retirado periódicamente del reactor, entre otros se utilizan piezas cerámicas porosas con las que "embaldosar" el fondo del recipiente donde se opera o reactor biológico, sus poros permiten pasar el agua limpia pero no el fango.

35 Una vez obtenidos los parámetros de diseño se procede al cálculo de los lechos bacterianos. Para realizar este cálculo hay una gran cantidad de modelos con toda la formulación desarrollada para los diferentes tipos de lechos entre los que destacan el modelo de Velz, N.R.C, o el de V. Madera, normalmente se hace necesario estudiar, dada la diversidad de condiciones del proceso a depurar, a estudiar y diseñar ad-hoc el proceso, junto con una planta piloto.

EXPliCACIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La presente invención aporta nuevos materiales a la técnica de depuración 5 de aguas residuales por medio de lechos bacterianos.

La presente invención no pretende proteger el sistema de depuración por lechos bacterianos ni Biofiltros, tampoco pretende proteger las operaciones necesarias a realizar para su operativa, tan solo se refiere al descubrimiento de una pasta cerámica con tres utilidades ya conocidas pero cuya novación

10 en la pasta ceramica utilizada y en la forma dada para su utilidad nos han ofrecido utilizar este medio de protección legal.

La presente invención define tres elementos esenciales en la operativa de un aparato de depuración biológica conocido como sistema de lechos bacterianos o biofiltros, pero desarrollado, en base

15 a estos tres elementos esenciales que se han obtenido por proceso industrial tras investigación y formulación de la siguiente pasta cerámica :Hemos descubierto una pasta cerámica a la que hemos dado tres formas distintas, cada material con su forma aporta una función en los procesos llevados a cabo en la depuración biológica.

20 Utilizando como materia prima las arcillas rojas, blanca, negra y rubia de los alrededores de la localidad de Bailén, y en nuestra fábrica de cerámica, hemos formulado una pasta cerámica compuesta por un 15% de coque micronizado a tamaño máximo 20 micras, un 10% de serrín procedente de la industria del procesado de madera para fabricación de palets,

25 principalmente álamo y pino español, un 10% de hueso molido procedente de la industria aceitera, un 20% de arcilla rubia, un 20% de arcilla negra, y un 20% de arcilla blanca y un 5% de arcilla roja estas cuatro últimas molidas con molino pendular y tamizadas a 500 micras como tamaño máximo; Lo anterior mezclado con un 25% de agua y horneado hasta 9000 ( grados

30 centígrados, según proceso industrial que posteriormente explicaremos, con las siguientes formas y propiedades que en las reivindicaciones expresaremos:

-: Partículas esferoidales porosas capaces, al ser introducidas con una cierta proporción de distintos tamaños o curva granulométrica, y de hacer 35 pasar el agua a su través de crear un medio adecuado y eficaz para ser medio ambiente vital a bacterias y otros seres vivos con capacidad de degradar la materia orgánica en presencia de oxígeno. Asimismo capaces de albergar en su interior a seres vivos degradadores de componentes químicos como el Nitrógeno y el Fósforo en ausencia de oxigeno. La fabricación

industrial de este árido artificial aporta a la técnica del diseño de lechos bacterianos partículas cerámicas ligeras pero muy permeables y porosas, a diferencia de las existentes en el mercado que conocemos, en las que la capacidad de absorción de agua es inferior al 30% y los huecos de su matriz

5 son cerrados.

-: Elementos prismáticos (planos rectangulares) porosos en forma de baldosa, para fijar al suelo o fondo del continente del lecho bacteriano, capaz de filtrar el agua tras pasar a través del lecho.

-: Elementos tubulares porosos capaces de ser medio de flujo de una

10 corriente de aire ya la vez ser medio difusor. Se diseña y coloca una red en el fondo del lecho bacteriano fijado con elementos existentes en el mercado, proporcionando la red de difusión de aire necesaria para el mantenimiento de los mecanismos biológicos necesarios para el funcionamiento del lecho bacteriano.

DESRIPCIÓN DETALLADA DE LOS DIBUJOS

Figura 1.-Esquema general de lechos bacterianos

Con dimensiones de 10 metros de ancho y 4 de altura, presentamos la sección transversal a escala de un modelo de lecho bacteriano para mostrar

20 las tres partes esenciales de que operativamente se compone, hemos obviado la forma y dimensiones del continente por no ser esencial si bien suele ser de hormigón armado de unos 0,30 m de espesor de muro.

Señalado con 1 la situación y forma de los medios por los que se inyecta el aire, con el número 2 señalamos una pieza tipo con la que se forra el fondo

25 del depósito y que a su vez ha de tener capacidad filtrante, con el número 3 se señala una partícula de fijación de la película bacteriana sobre las que se rocía o vierte o se hace pasar el líquido a depurar.

Figura 2.-Partícula esferoidal

Presentamos señalada con 4 la vista 3D de una partícula tipo y señalada con

30 5 la vista anterior pero extrayendo un casquete de aproximadamente %. para ver su interior.

Figura 3.-Elemento prismático filtrante

Presentamos sección trasversal y proyección horizontal del prisma, de dimensiones o,4xO,4xO,Ol m.

35 Figura 4.-Elemento tubular poroso Presentamos sección transversal y proyección horizontal del tubo, con acotación de los diámetros interior y exterior comprendidos el exterior entre 0,03 y 0,20 m y el espesor de la pared entre 0,006 y 0,02 m. en el mismo podemos observar los rigidizadores que presenta, también cerámicos y con

5 un espesor de 6 mm.

EXPOSICIÓN DETALLADA DE UN MODO DE REALIZACIÓN

Utilizando como base los procesos de fabricación cerámicos, se seleccionan las materias primas a utilizar, se muelen y tamizan hasta los

10 tamaños requeridos se mezclan en mezcladora rotacional industrial donde se les añade el agua necesaria y durante el tiempo necesario para que se formen partículas esferoidales con el tamaño máximo requerido. Hecho esto se tamizan para extraer las partículas esferoidales. El resto del material que no cumple la granulometría se separa por otro lado.

15 A continuación el material seleccionado para partículas esferoidales se lleva por cinta a secadero industrial donde permanece 24 horas hasta que pierda la humedad que se le añadió para el conformado, para posteriormente pasar a un horno donde se cocerá durante un minimo de 18 horas y temperaturas varias de las cuales como mínimo serán 4 horas a

20 950°C grados.

La parte rechazada para partículas esferoidales pasa a una extrusora

o conformadora donde con presiones de hasta 25 bares se conforman piezas en forma prismática o tubular, el resto de las fases, secado y cocción son similares a las partículas esferoidales, salvo los mecanismos por los que

25 están piezas circulan por la fábrica debido a su distinta formas y fragilidad.

APLICACIÓN INDUSTRIAL

Como se había indicado anteriormente y se puede observar tras la descripción del proceso, la fabricación de esta invención se puede adaptar

30 sin necesidad de acometer grandes inversiones a cualquier industria de fabricación de cerámica tradicional.

Claims

REIVINDICACIONES

1-Una pasta cerámica compuesta por un 20% de coque micronizado a tamaño máximo 20 micras, un 10% de serrín procedente de la industria del procesado de madera para fabricación de palets, principalmente álamo y

5 pino español, un 10% de hueso molido procedente de la industria aceitera, un 20% de arcilla rubia, un 20% de arcilla negra, un 10% de arcilla blanca y un 10% de arcilla roja, estas cuatro últimas molidas con molino pendular y tamizadas a 500 micras como tamaño máximo.

2- Proceso de fabricación y manufactura de unas partículas

10 esferoidales y unas piezas tubulares y prismáticas a partir de la materia prima definida según la reivindicación uno caracterizado porque se seleccionan las materias primas indicadas en 1 a utilizar, se muelen y tamizan hasta los tamaños indicados, se mezclan en mezcladora rotacional industrial donde se les añade el agua necesaria y durante el tiempo

15 necesario para que se formen partículas esferoidales con el tamaño máximo requerido. Hecho esto se tamizan para extraer las partículas esferoidales. El resto del material que no cumple la granulometría se separa por otro lado.A continuación el material seleccionado para partículas esferoidales se lleva por cinta a secadero industrial donde permanece 24 horas hasta que pierda

20 la humedad que se le añadió para el conformado, para posteriormente pasar a un horno donde se cocerá durante un mínimo de 18 horas.

La parte rechazada para partículas esferoidales pasan a una extrusora

o conformadora donde con presiones de hasta 25 bares se conforman piezas en forma prismática o tubular, el resto de las fases, secado y cocción

25 son similares a las partículas esferoidales, salvo los mecanismos por los que están piezas circulan por la fábrica debido a su distinta formas y fragilidad.

3-Partículas esferoidales con la composición definida en la reivindicación 1 y obtenidas según el proceso definido en la reivindicación 30 2 caracterizadas por tener superficie exterior asimilada a la de una esfera con diámetro igual a la media de las dimensiones mayor y menor de la partícula. Con diámetros exteriores comprendidos entre 1 y 40 mm, con superficie exterior rugosa y color indiferente, e interiormente formado por una matriz porosa consecuencia del cambio que en las materias primas

35 utilizadas produce la temperatura.

4-Elementos prismáticos con la composición definida en la reivindicación 1 y obtenidos por el proceso de fabricación de la reivindicación 2 caracterizados por tener forma prismática, dibujados en planta y sección en la figura 3 , rectos de dimensiones 10cmx10cm, 20cmx20cm, 30cmx30cm y 40cmx40cm en la proyección horizontal de su cara mayor y entre 0,5 y 2cm de espesor.

5 5-Utilización de las formas prismáticas definidas según la reivindicación 4 para forrar o pegar al suelo del soporte de un lecho bacteriano, normalmente un recipiente en forma de depósito de hormigón armado, se colocan como cualquier baldosa cerámica una junto a otra utilizando un medio fijador como mortero de cemento procurando no

10 utilizar toda su superficie inferior para soporte del mortero, la capacidad de percolación del agua condiciona el cálculo de la superficie necesaria del depósito, el tapiz filtrante formado actúa como medio de filtración del agua que drena el lecho

6-Tubos cerámicos huecos con la composición definida en la

15 reivindicación 1 y obtenidos por el proceso de fabricación de la reivindicación 2 caracterizados por poseer unos rigidizadores también de entre 4 y 10 mm de espesor, los diámetros exteriores de estos tubos entre 3cm y 20cm y las paredes interiores entre 0,6 y 2cm y longitud de los cilindros de hasta 1,5m, que permiten la conexión entre ellos con

20 accesorios existentes en el mercado. Estos elementos tubulares son aptos para introducir por los mismos aires hasta presiones de 1 kp/cm2 y este ser difundido a través de su matriz formando una red de burbujas en el medio acuoso en el que se introduce. Son aptos pues para crear un entramado de tubos en un medio acuoso al que queramos aportar aire.

7-Utilización de las partículas esferoidales definidas en la reivindicación 3 para ser medio adecuado para el desarrollo de actividades anóxicas (preferentemente en su interior) en los sistemas de depuración biológica por lechos bacterianos o biofiltros.

Figura 1

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Figura 2

Figura 3

Figura 4