ES2396638B1 - Esferas cerámicas, baldosas filtrantes y tubos cerámicos porosos con aplicación y utilidad en el sistema de depuración biológica por lechos bacterianos o biofiltro. - Google Patents

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, BArnOSAS FILTRANTES y TIJBOS CERÁMICOS POROSOS CON APUCACIÓN y UTIUDAD EN EL SISTEMA DE DEPURACIÓN BIOLÓGICA POR LECHOS BACTERIANOS O BIOFlLTRO.

SECTOR DE LA TÉCNICA

La invención se encuadra en el sector técnjco de procesos de depuración de aguas residuales urbanas, más concretamente en la parte de una depuradora en la que se usan sistemas biológicos de eliminación de demanda biológica de oxigeno, a continuación 080. y de la demanda química de oxigeno, en adelante DQO, del agua residual. Estos DRO y DQO no son más que parámetros objetivos y ampliamente normalizados con los que medir la contaminación de un agua.

ESTADO DE LA TÉCNICA

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

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 tratamjentos secundario y terciario se emplean cuJtivos biológicos para conseguir una descomposición aeróbica y oxidación de la materia orgánica, pasando a compuestos más estables, obteniendo de esta manera mayores rendimientos que en la depuraciún primaria y por procesos quimkos. Tanto los lechos como los biofiltros, utiJj zan unos medios-soporte de las bacterias para conseguir mayor número de éstas en el mismo volwnen de operación; estos organismos se adhieren al medio de fijación y en ellos se recibe el material orgánko a transformar, e l éxito de la operación estriba en mantener las condiciones aerobias, necesarias para el ciclo vital de los organjsmos, y controlar la cantidad de materia orgánka que descompongan. La materia orgánka es el alimento que sustenta a estos organismos y su eficiencia disminuye tanto por una sobrealimentación, como por una alimentación deficiente o no equiHbrada.

En los lechos la oxidación se obtiene de circular a través de un material

soporte, poroso, aire (de forma nanual o forzada) yagua residual. Existen

multitud de elementos para introducir o diluir el oxígeno del aire en el agua,

en general se utilizan medios porosos de materiales cerámicos para difundir

S

una corriente de aire en burbujas muy finas fácilmente diJuiblcs, 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

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contaminantes. La peLícuJa se forma al adherirse los microorganjsmos al

árido ya las partícuJas orgánicas, a medida que estas se van adhiriendo, la

pelicula 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

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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

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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

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actualidad se encuentran diferentes tipos de lechos con relJenos 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 circuJa el agua residual y se crean las

biopelículas, que son las que eliminan la materia orgánica del agua. Para que

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esto suceda es necesario que exista oxigeno suficiente para que los

microorganismos desarrolJen 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

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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 rrun 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), ffiabiLidad, porosidad, actitud para la fluidificación y la naturaleza de los minerajes utilizados.

Los lechos bacterianos tienen diversos criterios de clasificación: según su rccirculación (con o sin rccirculación), 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: circuJares () rcctanguJarcs y por c1 aislarnjcnto: abiertos y cubiertos), la vcntilacibn (natural o ventiJado), la forma de trabajo (lechos normales y sumergidos o fluidificados) y la movWdad del material soporte (lechos fijos, fluidificados, biodiscos y biociHndros ), la forma y el medio por el que entra y sale el agua, cte....

Los parámetros que se tienen en cuenta a la hora de diseñar unos lechos bacterianos se dividen en biológicos y físicos. Los parámetros biológicos son principaLmente la magnHud de ORO y la aireación, natural o forzada, necesaria para mantener las condiciones aeróbicas que necesitan los mjcroorganismos del medio. Los parámetros físicos son los más importantes, ya que influyen en el rendimiento de la depuración, son el tiempo de retención en el medio filtrante, que es función de la carga hidráuHca, 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 mjsma y por ultimo están los parámetros de carga entre los que se encuentran la carga hjdráulica, 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 Hmpia de esa contaminación que recibe el nombre de fango y no es más que las partes orgánicas digeridas en exceso así como otros residuos químicos de la oxidación de esta. Pues bien este fango ha de ser retirado periódicamente del reactor, entre otros se utiJjzan 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.

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 formuJación desarrollada para los diferentes tipos de lechos entre los que destacan el modelo de Velz, N.R.e., 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.

EXPUCACIÓN DETALlADA DE LA INVENCIÓN

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

La presente invenci6n no pretende proteger el sistema de depuraci6n 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 en la pasta ccramica 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 a estos tres elementos esenciales que se han obtenido por proceso industrial tras investigación y rormulación 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.

Utilizando como materia prima las arcillas rojas, blanca, negra y rubia de los alrededores de la localidad de BaiJén, y en nuestra fábrica de cerámica, hemos formulado una pasta cerárn.1ca 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, principaLmente álamo y pino españo], un 10% de hueso molido procedente de la industria aceitera, un 20% de arcilla rubia, un 20% de arcilla negra, y un 20% de arciJla blanca y un 5% de arciJJa roja estas cuatro úLtimas molidas con molino pendular y tamizadas a 500 micras como tamaño máximo; l o anterior mezclado con un 25% de agua y horneado hasta 9000 ( grados 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 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 oxígeno. La fabricación

S

industrial de este árido artificial aporta a la técnica del diseño de lechos bacterianos partículas cerámicas Jjgeras 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 son cerrados.

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

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-Elementos tubulares porosos capaces de ser medio de flujo de una 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 difusi6n de aire necesaria para el mantenimiento de los mecanjsmos biológicos necesarios para el funcionamiento del lecho bacteriano.

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DESRIPCIÓN DETAllADA DE LOS DffiUJOS

Figura 1.-Esquema general de lechos bacterianos

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

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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 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

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Presentamos señalada con 4 la vista 3D de una partícula tipo y señalada con S la vista anterior pero extrayendo un casquete de aproximadamente ~ para ver su interior.

Figura 3.-Elemento prismático filtran1e

Presentamos sección trasversal dimensiones o,4x0,4xO,Ol m.

y proyección horizontal del prisma, de

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Figura 4.-Elemento tubular poroso

S

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 rigidizactores que presenta, también cerámicos y con un espesor de 6 mm.

EXPOSICIÓN DETAllADA DE UN MODO DE REAliZACIÓN

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

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A continuación el material seleccionado para partículas esferoidales se lleva por cinta a secauero inuustrial uonu~ p~rman~c~ 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 ] 8 horas y temperaturas varias de las cuales como mínimo serán 4 horas a 9500 ( grados.

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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 mecanjsmos por los que están piezas circulan por la fábrica debido a su distinta formas y fragiHdad.

APliCACIÓN INDUSTRIAL

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Como se había indicado anteriormente y se puede observar tras la descripción del proceso, la fabricación de esta invención se puede adaptar sin necesidad de acometer grandes inversiones a cualquier industria de fabricación de cerámica tradicional.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES

   1Una 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 fabricaciún de palcts, principalmente álamo y pino español, un 10% de hueso moUdo procedente de la industria aceitera, un 20% de arcilla rubia, un 20% de arcilla negra, un 1096 de arcilla blanca y un 10% de arcilla roja, estas cuatro últimas molidas con molino pendular y tamizadas a sao mjcras como tamaño máximo.

   2-Proceso de fabricación y manufactura de unas partículas 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 ] 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 necesario para que se formen partícuJas esferoidales con el tamaño máximo requerido. Hecho esto se tamizan para extraer las partículas esferoidales. El resto del material que no crnnple la granulometría se separa por otro lado.A continuación el material seleccionado para partículas esferoidales se lJeva 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.

   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 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 compoSIClon definjda en la reivindicación 1 y obtenidas según e l proceso definido en la reivindicación 2 caracterizadas por tener superficie exterior asjmiJada 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 utilizadas produce la temperatura.

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   Elementos prismatlcos con la composición definjda 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 10cmxlOcm, 20cmx20cm, 30cmx30cm y 40cmx40cm en la proyección horizontal de su cara mayor y entre 0,5 y 2cm de espesor.

   54 UtiJización de las formas prismáticas definidas según la reivindicación 4 para forrar o pegar al sucio 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 utjJjzando un medio fÜadof como mortero de cemento procurando no utiJizar 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-Tu bos cerámicos huecos con la composición definida en la reivindicación 1 y obtenidos por el proceso de fabricación de la reivindicación 2 caracterizados por poseer unos rigidizadores también cerámicos 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 l,5m, que permiten la conexión entre ellos con 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-UtiLizaci6n 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.