ES2541078B1 - Reactor para el tratamiento de aguas residuales - Google Patents

Abstract

Reactor para el tratamiento de aguas residuales.#Reactor (1) para el tratamiento de aguas residuales, por ejemplo de efluentes generados en la elaboración del vino y otras bebidas alcohólicas, caracterizado porque se diseña en base a dos componentes separados principales, un cuerpo de reactor principal (2) y un separador de tres fases (3) acoplado aguas arriba del cuerpo de reactor principal (2), incluyendo dicho cuerpo principal en su interior módulos deflectores (4) ajustables en ángulo fijados de forma pivotante sobre las paredes interiores del cuerpo del reactor (2) en dirección transversal a la longitud de dicho cuerpo cilíndrico, para generar un fenómeno cascada, e incluyendo dicho separador de fases (3) dos conos invertidos (6) situados uno por encima del otro y abiertos en su parte inferior.

Description

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DESCRIPCION

REACTOR PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

OBJETO DE LA INVENCION

La presente invencion se refiere a un reactor para el tratamiento de aguas residuales, por ejemplo efluentes generados en la elaboration del vino y otras bebidas alcoholicas, encontrando por tanto su aplicacion en ese caso en el sector industrial de la elaboracion del vino, industrias alcoholeras y bodegas.

Durante el proceso de elaboracion del vino, por ejemplo, se genera un gran volumen de efluentes que, por sus caracteristicas, implican ciertas dificultades en cuanto a su gestion o tratamiento, en particular en referencia al alto contenido en materia organica, con altos valores de concentraciones DQO (Demanda Quimica de Oxigeno), el elevado volumen de solidos en suspension, la alta conductividad y el pH acido de estos efluentes.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

Entre los tratamientos habitualmente aplicados para controlar estos efluentes se encuentran los tratamientos biologicos tanto aerobios como anaerobios para metabolizar la materia organica biodegradable.

En Romero y col. (Romero, L.I., Sales, D. y Martinez de la Ossa, E., Comparison of three practical processes for purifying wine distillery wastewaters. Process Bichem, 25:93-96, 1990) se comparan tres procesos biologicos: aerobio, anaerobio mesofilico y anaerobio termofflico. En todos ellos se obtuvieron disminuciones de materia organica superiores al 90% (Racault Y., Treatment of distillery wastewater using anaerobic downflow stationary fixed-film reactor: performance of a large plant in operation for four years, Water Sci. Technol., 22: 361-372; Balaguer et al., 1992, Anaerobic fluidized bed reactor with sepiolite as support for anaerobic treatment of vinasse, Biotechnol. Letters, 14: 433-438; Borja et al., 1992, Cinetica del proceso de biometanizacion del agua residual de destilerias vmicas en biorreactores con microorganismos inmovilizados. Tecnologia del Agua, 12: 27-37; Moosbrugger et al., 1993, Treatment of wine distillery waste in UASB systems-feasibility, alkalinity requirements and pH control, Water Sci. Technol., 28: 45-54.; Perez et al., 1996, Digestion anaerobia termofflica de vinazas de vino. Tecnologia del Agua, 158; 41-45).

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En alcoholeras se han realizado diversos estudios sobre depuracion de aguas residuales por digestion anaerobia en diferentes tipos de reactores (mezcla perfecta por cargas, lecho fijo, lecho fluizado, etc.). Todos ellos obtienen una reduccion superior al 90% de la carga contaminante (Racault, 1990; Balaguer et al., 1992; Borja et al., 1992; Moosbrugger et al., 1993; Perez et al., 1996, supra).

La digestion anaerobia se caracteriza por su bajo coste de manejo y mantenimiento, bajos niveles de formacion de fangos, escaso requerimiento de nutrientes y obtencion de biogas como fuente de energia (Roux y col., 1998). Asi, mediante el uso de un reactor anaerobio, la materia organica soluble y coloidal se transforma, por metanizacion o fermentacion anaerobia, en acidos volatiles que, a su vez, se transforman en metano y dioxido de carbono, entre otros.

En general, los reactores para el tratamiento anaerobio se pueden clasificar en dos grupos principales: reactores con la biomasa no unida a soporte y reactores con la biomasa unida a un soporte.

Entre los primeros se pueden citar:

• Reactor de mezcla completa (CSTR), es el digestor anaerobio mas simple, asimilable a un cultivo microbiano continuo, con una entrada continua de medio y una salida continua de residuos (agua tratada) y exceso de biomasa;

• Reactor de contacto (ACP), se trata de un reactor de mezcla completa y un posterior decantador para separar solidos de liquidos, lo que permite el reciclado de parte de la biomasa;

• Reactor anaerobio de flujo ascendente con lecho/manto de lodos (Upflow Anaerobic Sludge Blanket, UASB), incluye un dispositivo situado en la parte superior del reactor (separador de tres fases-GSS) que permite separar internamente la biomasa, el efluente tratado y el biogas. Con ello se consigue acumular grandes cantidades de biomasa - muy activa - que adopta la estructura de granulos compactos con una elevada capacidad de sedimentacion. Es el mas extendido a escala industrial. Las ventajas de este tipo de reactor son su independencia de medios de mezcla mecanicos, ya que la recirculacion de los efluentes permite una mezcla suficiente, asi como su capacidad para solventar problemas tales como altas velocidades de carga o fluctuaciones termicas. Una velocidad de carga organica tipica en este caso

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(OLR, Organic Loading Rate) es de 5-15 kg COD/m3-dia; velocidad de ascenso deseada < 4 m/h.

• Reactor anaerobio por lotes en serie (ASBR), donde tanto la alimentacion como la decantacion tienen lugar por lotes en series discontinuas en un unico reactor. La secuencia dclica incluye cuatro etapas: alimentacion, reaccion, sedimentacion y vaciado.

• Reactor anaerobio con deflectores (ABR), conceptualmente se podria considerar como una serie de reactores UASB conectados en serie. Esta formado por un unico tanque con una serie de deflectores o paneles internos verticales que fuerzan el paso del agua entre ellos.

Entre los segundos, esto es reactores con la biomasa unida a un soporte, se encuentran:

• Filtros anaerobios (AF), donde la biomasa se encuentra unida a un medio inerte o atrapada en el. El afluente atraviesa el reactor con flujo vertical, bien ascendente o descendente. El tamano de dichas particulas es relativamente grande y su tasa de colonizacion por parte de las bacterias depende de la rugosidad, porosidad, tamano de poro, etc.

• Biodiscos (ARBC). En los RBC los microorganismos estan unidos a un soporte ligero formando una pelicula. El soporte, constituido por una serie de discos paralelos, se encuentra casi totalmente sumergido y gira lentamente sobre un eje horizontal dentro del tanque cerrado por el que fluye el medio a tratar.

• Reactores de contacto con soporte (CASBER), estos reactores son, en esencia, identicos a los sistemas de contacto pero con la incorporacion de un medio inerte en el reactor. La cantidad de material soporte es pequena, sus dimensiones tambien lo son y tienen baja velocidad de sedimentacion.

• Reactores de lecho fluido y lecho expandido (FB/EB). Tecnicamente, un reactor FEB es una estructura cilmdrica, empaquetada hasta un 10% del volumen del reactor con un soporte inerte de pequeno tamano lo que permite la acumulacion de elevadas concentraciones de biomasa que forman peliculas alrededor de dichas particulas. La expansion del lecho tiene lugar gracias al flujo vertical generado por un elevado grado de recirculacion. La velocidad ascensional es tal que el lecho se expande hasta un punto en el que la fuerza gravitacional de descenso es igual a la de friccion por arrastre.

Por ejemplo, de la EP 0 526 590, "Process and apparatus for biological treatment of effluent”

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se conoce un proceso de tratamiento de un efluente en el que se introduce el efluente dentro de una camara de biorreactor para sumergir una matriz fija que esta posicionada dentro de la camara de biorreactor y define superficies para su colonization por las bacterias aerobias y se hace ascender burbujas de aire a traves del efluente, donde se hace pasar a burbujas de aire muy finas entre practicamente todas las superficies de la matriz usando el paso de las burbujas de aire muy finas para mezclar todo el efluente, y exponiendo continuamente todas las bacterias aerobias al efluente mezclado que contiene las burbujas de aire muy finas.

La EP2649017, "An anaerobic reactor for wastewater treatment”, describe un reactor anaerobico para el tratamiento de efluentes Kquidos a temperaturas psicrofHicas o mesofilicas, comprendiendo el reactor una entrada de liquido, una camara de mezcla alimentada por la entrada, una camara de biopelicula en comunicacion fluida con la camara de mezcla, un medio soporte de biopelicula situado dentro de la camara de biopelicula y una camara de separation en comunicacion fluida con esta.

DESCRIPCION DE LA INVENCION

Un objetivo de la presente invention es proporcionar un reactor de diseno mixto cuya configuration viene determinado por una mejora y adaptation de los reactores ya conocidos que permita mejorar el rendimiento de la digestion anaerobica de estos efluentes, desarrollando un nuevo sistema anaerobico capaz de superar las desventajas derivadas de las cargas organicas altamente fluctuantes tipicas de los sistemas de efluentes de tamano medio convencionales.

Asi, el reactor objeto de la presente invencion combina las ventajas de los conceptos en que se basan los reactores con la biomasa no unida a soporte y otros sistemas para el tratamiento de fluidos heterogeneos derivados del concepto cascada.

Al respecto de este ultimo, el concepto cascada se deriva de los principios de ascension de los gases. Este concepto incluye un metodo para mejorar la transferencia masa/energia, donde el material fluido pasa a traves de diversas camaras interconectadas en serie, permitiendo el paso de fluidos, con una abertura, formando una torre. De acuerdo con este diseno, las reacciones bioqmmicas tienen lugar en un sistema heterogeneo gas-solido- liquido. La heterogeneidad (efecto mezcla) en las camaras se debe a un movimiento circulante turbulento que se produce en cada camara.

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El reactor de la invention se disena en base a dos componentes separados principales, un cuerpo de reactor principal y un separador de tres fases acoplado al cuerpo de reactor principal, incluyendo dicho cuerpo principal en su interior modulos deflectores configurados para generar un fenomeno cascada. Tales modulos deflectores se disenan para ser ajustados a diversas inclinaciones con respecto a la superficie de apoyo del reactor. La inclusion de los modulos deflectores en el cuerpo principal de reactor permite conformar en su interior tantas camaras como modulos deflectores se dispongan mas una, pudiendo variarse en numero de modulos deflectores, y con ello de las camaras conformadas, adaptandose por tanto a las aplicaciones particulares o a las condiciones de proceso.

Para separar eficazmente el contenido solido, el gas producido y el efluente liquido, se incorpora el separador de tres fases a modo de barrera fisica. Este separador de fases consiste esencialmente en dos conos situados uno por encima del otro y abiertos en su parte inferior, contra los que las particulas impactan, viendose obligas a pasar a traves de una abertura y redistribuyendose en el reactor. Al mismo tiempo, los flujos liquidos fluyen hacia arriba, hacia el cono superior. El biogas atrapado que se acumula en los laterales es dirigido hacia el exterior del reactor.

EXPLICACION DE LAS FIGURAS

A continuacion se describe el reactor de la invencion en base a una forma de realizacion del

mismo y con referencia a las figuras adjuntas, en las cuales:

Fig. 1: vista en section vertical del reactor para el tratamiento de efluentes de la

invencion segun un ejemplo de realization.

Fig. 2: vista en planta superior del reactor de la Fig. 1.

Fig. 3: vista en seccion vertical segun la lmea N-N de la Fig. 2 mostrando el

separador de tres fases y ejemplos de posiciones de los modulos deflectores.

Fig. 4: vista en seccion segun la lmea O-O de la Fig. 1.

Fig. 5: vista en planta del componente separador de tres fases.

Fig. 6: vista tridimensional del componente separador de tres fases.

Fig. 7: seccion vertical del componente separador de fases mostrando el nivel donde

tiene lugar la separation de fases.

Fig. 8: detalle segun AX de la Fig. 7 (izquierda) y detalle AW de la fig. 7 (derecha).

Fig. 9: muestra esquematicamente el mecanismo implicado en el separador de tres

fases.

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REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION

Tal como se observa en la Fig. 1, el reactor de la invencion (1) incluye dos componentes separados principales, un cuerpo de reactor principal (2) alojado en una cubierta (10) y un separador de tres fases (3) acoplado al cuerpo de reactor principal (1).

En una forma de realizacion, el cuerpo de reactor principal (2) tiene la forma de un vaso cilmdrico, aunque en otras realizaciones puede tener cualquier otra simetria, oscilando la proportion entre la altura y la anchura (H:A) en un rango de entre 3 y 10. En el interior del cuerpo de reactor (2) se disponen modulos deflectores (4). El numero de modulos deflectores dependera de las dimensiones del cuerpo de reactor principal (2) y de las caracteristicas del agua residual. En la realizacion mostrada, en particular este numero es de cinco modulos deflectores (4). Estos modulos deflectores (4) se fijan sobre las paredes interiores del cuerpo cilmdrico (2) en una direction transversal a la longitud de dicho cuerpo cilmdrico. Tal como se observa la figura, los modulos deflectores (4) se disponen de forma alternada en una pared interior del cuerpo (2) y en la opuesta de forma equidistante. En esta realizacion particular, los cinco modulos deflectores (4) definen en el volumen interior del cuerpo (2) seis camaras (5) en total. La altura (h) de cada camara (5) asi definida oscila entre 1 y 2 veces la anchura (A) del cuerpo de reactor (2). La abertura de paso (f) definida entre los bordes de los modulos deflectores (4) y las paredes interiores del cuerpo principal (2) es variable en un intervalo de entre 1/6 y 1/3 de la anchura (A) del reactor. Tambien es posible hacer una pequena abertura en la parte posterior del modulo deflector para mejorar la fluidodinamica del reactor.

Como se observa en la Fig. 1 y 3, los modulos deflectores (4) pueden ajustarse formando diversos angulos (a) entre -40° y +40°, con respecto a la superficie de apoyo del reactor (medidos con respecto a la superficie de apoyo del reactor, tomando esta como referencia 0°).

En referencia a la Fig. 2, aguas arriba del cuerpo de reactor (2) y en conexion con el mismo, se dispone acoplado el separador de tres fases (3). Este separador de tres fases (3) esta constituido por un alojamiento (7) en continuidad con el cuerpo principal (2) donde se disponen dos conos invertidos (6) abiertos por su parte inferior estrecha. Ambos conos (6) se disponen uno por encima del otro solapandose parcialmente por su zona estrechada. El

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diametro de estos conos (6) en su parte mas ancha es mayor que el del cuerpo de reactor (2) con el fin de reducir la velocidad de flujo ascendente y evitar turbulencias en esta zona. En las Fig. 6, 7 y 8 se muestran detalles de los conos (6). En particular, tal como se observa en dichas figuras, el cono inferior presenta en su parte estrecha dos salientes verticales que se prolongan hacia el cuerpo de reactor (2) y a los que se acopla una caperuza conica (8) cuyo vertice se dirige hacia la parte estrecha de dicho cono inferior, con el fin de distribuir los materiales solidos de forma mas eficiente a su entrada en el cuerpo de reactor. En la parte superior de las paredes laterales que definen el alojamiento (7) se dispone sendas salidas (9, 9’) para la expulsion desde el cuerpo de reactor (2) de gases y liquidos.

En referencia ahora a la Fig. 9, en ella se muestra esquematicamente el funcionamiento del separador de tres fases (3). La fase heterogenea pasa a traves de la zona superior del cuerpo reactor (2) donde se esta liberando gas. Los solidos son conducidos de vuelta al reactor por la zona interior del cono (6) inferior. Los liquidos ascienden por el interior del cono (6) superior y son recogidos en las salidas de liquido (9) del alojamiento (7). Esencialmente, los solidos son empujados hacia arriba por la velocidad del flujo y siguen los bordes exteriores de los conos (6) para distribuirse homogeneamente en el cuerpo de reactor (2) debido a la caperuza conica (8). El gas se desplaza hacia arriba debido a fuerzas de flotabilidad y, tras llegar al extremo superior del alojamiento (7) se libera por las salidas de gas (9’), pudiendo ser recogidos en un elemento colector. Por su parte, los liquidos, tras llenar el cono (6) inferior, fluyen hacia el cono (6) superior, desde donde se extraen como efluentes tratados por las salidas (9), por ejemplo compuertas circulares (9). Estos efluentes tratados pueden ser descargados o bien recirculados al interior del reactor para aumentar la velocidad de flujo ascendente.

Opcionalmente, el reactor de la invencion dispone en la parte inferior del cuerpo de reactor (2) de entradas de gas para promover la mezcla y la transferencia de masa y para mejorar la circulation dentro de los compartimentos, minimizando asi el volumen no util del interior del reactor.

El reactor para el tratamiento de efluentes de la invencion permite aunar las ventajas de los reactores UASB citados evitando la necesidad de medios mecanicos de mezcla, esencialmente debido a la configuration de su cuerpo de reactor (2), asi como proporcionar altas velocidades de flujo ascendente debido a una relation H:A comparativamente mayor, lo que implica una mejor mezcla y mayor contacto entre los microorganismos y el sustrato. Esto permite superar las desventajas derivadas de las cargas organicas altamente

fluctuantes tipicas de los sistemas de efluentes de tamano medio convencionales. Debido a la distribution interna del cuerpo de reactor incluyendo los modulos deflectores, se facilitan una mayor eficiencia a los procesos de hidrolisis/fermentacion, acidogenesis, acetogenesis y metanogenesis. Las camaras definidas por los modulos deflectores potencian el desarrollo 5 de poblaciones microbianas espedficas en cada camara, lo que promueve las interacciones sintroficas entre bacterias y metanogenos, favoreciendo la liberation de hidrogeno gas en detrimento de la liberacion de gas metano. Por su parte, el separador de tres fases permite la separation efectiva de los efluentes liquidos, de los solidos y los gases de forma sencilla y eficiente.

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En un ejemplo de realization del reactor de la invention, sus dimensiones son las mostradas en la siguiente Tabla 1:

Tabla 1

Componente del reactor

Dimensiones

Cuerpo de reactor (2)

Anchura = 250 mm

Separador de tres fases (3)

Anchura = 420 mm

Abertura de paso (f)

f = 70,0 mm para a = 15°

Numero de camaras (5)

6

Altura de las camaras (h)

225 mm

Relation H:A

5,4

Volumen total

130 l

15 Los materiales para la fabrication del reactor se seleccionan esencialmente de acuerdo con las necesidades de escala del mismo, de forma que asegure su fiabilidad y perfecto equilibrio estatico.

En un ejemplo de realizacion, el principal material empleado para la fabricacion del reactor 20 es el acero inoxidable 304.

Claims (11)

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REIVINDICACIONES

Reactor (1) para el tratamiento de aguas residuales, por ejemplo de efluentes generados en la elaboracion del vino y otras bebidas alcoholicas, caracterizado porque se disena en base a dos componentes separados principales, un cuerpo de reactor principal (2) y un separador de tres fases (3) acoplado aguas arriba del cuerpo de reactor principal (2), incluyendo dicho cuerpo principal en su interior modulos deflectores (4) ajustables en angulo fijados sobre las paredes interiores del cuerpo (2) en direction transversal a la longitud de dicho cuerpo, para generar un fenomeno cascada, e incluyendo dicho separador de fases (3) dos conos invertidos (6) situados uno por encima del otro y abiertos en su parte inferior.

Reactor (1) segun la reivindicacion 1, caracterizado porque el cuerpo de reactor (2) presenta una proportion altura:anchura en un rango entre 3 y 10.

Reactor (1) segun la reivindicacion 1, caracterizado porque los modulos deflectores

(4) se disponen de forma alternada en una pared interior del cuerpo (2) y en la opuesta, definiendo camaras (5) en el volumen interior del cuerpo (2) y correspondientes aberturas de paso entre los bordes de los modulos deflectores (4) y las paredes interiores del cuerpo de reactor (2).

Reactor (1) segun la reivindicacion 3, caracterizado porque la altura de cada camara

(5) asi definida oscila entre una y dos veces la anchura del cuerpo de reactor (2).

Reactor (1) segun la reivindicacion 3, caracterizado porque las citadas aberturas de paso tienen una anchura variable en un rango entre una sexta y una tercera parte de la anchura del cuerpo de reactor (2).

Reactor (1) segun la reivindicacion 1, caracterizado porque los modulos deflectores (4) se ajustan formando diversos angulos entre -40° y +40°.

Reactor (1) segun la reivindicacion 1, caracterizado porque el separador de tres fases (3) esta constituido por un alojamiento (7) en continuidad con el cuerpo principal (2) donde se disponen dos conos invertidos (6) abiertos por su parte inferior estrecha y dispuestos uno por encima del otro solapandose parcialmente por su zona estrechada, siendo el diametro de estos conos (6) en su parte mas ancha mayor que

el del cuerpo de reactor (2) con el fin de reducir la velocidad de flujo ascendente y evitar turbulencias en esta zona.

8. Reactor (1) segun la reivindicacion 7, caracterizado porque el diametro de los conos

5 (6) en su parte mas ancha es mayor que el del cuerpo de reactor (2)

9. Reactor (1) segun la reivindicacion 7, caracterizado porque el cono (6) inferior presenta en su parte estrecha dos salientes verticales que se prolongan hacia el cuerpo de reactor (2) y a los que se acopla una caperuza conica (8) cuyo vertice se

10 dirige hacia la parte estrecha de dicho cono inferior (6),

10. Reactor (1) segun la reivindicacion 7, caracterizado porque en la parte superior de las paredes laterales que definen el alojamiento (7) se disponen sendas salidas (9, 9’) para la expulsion y/o recogida desde el cuerpo de reactor (2) de gases y liquidos.

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11. Reactor (1) segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dispone en la parte inferior del cuerpo de reactor (2) de entradas de gas para promover la mezcla y la transferencia de masa y para mejorar la circulacion dentro de los compartimentos, minimizando asi el volumen no util del interior del reactor.

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12. Reactor (1) segun cualquiera des reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque ademas incluye una cubierta (10) alojando el cuerpo de reactor principal (2).