ES2711413T3 - Un reactor anaerobio para tratamiento de aguas residuales - Google Patents

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Abstract

Un reactor anaerobio (10) para tratar efluente líquido a temperaturas psicrofílicas que oscilan entre 4 y 20 grados Celsius, comprendiendo el reactor un material portador de biopelícula liberador de iones hidroxilo, aluminio, manganeso, sodio, potasio, calcio, hierro y/o magnesio colonizado durante el uso por una bacteria anaerobia capaz de llevar a cabo, durante el uso, la atenuación de fosfato por medios biológicos del efluente a través de la formación de precipitados de poli-fosfato en la biopelícula adherida al material portador de biopelícula; una entrada de fluido (20); comprendiendo el reactor cuatro cámaras que comprenden una cámara de mezclado (12) alimentada por la entrada (20) para proporcionar durante el uso una cámara de lecho fluidizado; una cámara de biopelícula (16) en comunicación fluida con la cámara de mezclado (12) dentro de cuya cámara de biopelícula (16) se ubica el material portador de biopelícula; una cámara de separación (18) ubicada encima de y en comunicación fluida con la cámara de biopelícula (16); una cámara de recirculación (14) dispuesta entre la cámara de mezclado (12) y la cámara de biopelícula (16); y al menos una tubería de recirculación (40) que permite la recirculación de efluente y/o biogás desde la cámara de separación (18) hasta la cámara de recirculación (14).

Description

DESCRIPCION
Un reactor anaerobio para tratamiento de aguas residuales
Campo de la invencion
La invencion se refiere a un reactor anaerobio para el tratamiento de aguas industriales y otras aguas residuales, preferentemente a temperaturas psicrofflicas.
Antecedentes de la invencion
La digestion anaerobia (AD, por su sigla en ingles) conlleva la rotura de moleculas organicas complejas mediante metanogenesis mediada por acetato y H2/CO2 para producir biogas con metano (CH4 ). Las ventajas respecto de los sistemas de tratamiento aerobios convencionales, de mineralizacion de residuos anaerobios, incluyen: una reduccion en la produccion de exceso de fangos y la liberacion de metano (CH4 ), un combustible facilmente utilizable, que se puede aprovechar para usos de energfa externa. No obstante, practicamente todas las instalaciones de AD a gran escala funcionan en condiciones mesofflicas (25-45 °C) (Lettinga et al., 1999), cuyo mantenimiento supone costes financieros considerables, utilizandose una fraccion significativa de la energfa del biogas. Para elevar la temperatura de muchas aguas residuales hasta el intervalo mesofflico optimo se requiere una cantidad muy significativa de energfa parasita puesto que la gran mayorfa de las descargas se liberan para eliminacion y/o tratamiento a temperaturas por debajo de la temperatura ambiente. Si fuera posible eliminar la necesidad del calentamiento, la a D serfa mucho mas atractiva desde el punto de vista economico. Asimismo, cabe destacar que, en la actualidad, la AD no se aplica generalmente para el tratamiento de aguas residuales diluidas, tal como agua de alcantarilla, puesto que la energfa requerida para calentar el digestor a menudo excede la energfa recuperable del biogas. Esto constituye una desventaja fundamental de la AD convencional, lo cual ha dado pie a que las tecnologfas aerobias de alto consumo energetico, tales como los fangos activados, hayan sido las escogidas para el tratamiento de aguas residuales municipales e industriales diluidas durante decadas.
Sin embargo, la AD, o metanogenesis, a baja temperatura, se ha descrito en una variedad de habitats naturales, incluyendo suelos de tundra y permafrost y los sedimentos de ecosistemas de lagos profundos (Nozhevnikova, 2000), lo cual sugirio que la a D a baja temperatura podrfa ser una meta viable para una eco-tecnologfa novedosa. Si se descubriera que la AD a baja temperatura o a temperatura psicrofflica (<20 °C) es realmente viable, ofrecerfa una alternativa sumamente atractiva a las operaciones convencionales, puesto que ofrece una metodologfa de bajo nivel tecnologico y de bajo coste para el tratamiento de muchos efluentes municipales e industriales (Lettinga et al., 2001). La aplicacion de digestion a baja temperatura presenta beneficios economicos evidentes en este contexto y este enfoque sostenible promete cumplir con los criterios socio-economicos para la implementacion de sistemas de saneamiento modernos a nivel verdaderamente global. Asimismo, la posibilidad de mineralizacion anaerobia de aguas residuales farmaceuticas o xenobioticas persistentes en el medio ambiente (Biorremediacion) constituye una nueva y fascinante aplicacion comercial de la a D a baja temperatura.
Ademas de eliminar el carbono, el tratamiento de aguas residuales requiere cada vez mas la eliminacion y la recuperacion del fosfato. A nivel global, el fosfato es un recurso escaso, vital para la produccion de fertilizantes agrfcolas, y cada vez hay mas propulsores comerciales y legislativos que requieren su recuperacion a partir de aguas residuales Se conocen varios mecanismos para la atenuacion de fosfato en la tecnica, incluyendo la atenuacion de fosfato mediante materiales absorbentes. En condiciones alcalinas, por ejemplo, los iones fosfato solubles reaccionan con lcio ara formar una secue a d ases acidas, los aniones fosfato (H2 PO4", HPO42 ca
) pued 1 p
en reaccionar con Fe 3n+ci
, Al 3+e f
y Mn 3+ de Ca-P. En condiciones
para formar precipitados de hidroxi-fosfato insolubles o se pueden fijar mediante oxidos insolubles de Fe, Mn y AI. El intercambio de aniones, que es un mecanismo dependiente del pH, tambien puede producirse donde los aniones hidroxilo se liberan y se reemplazan por iones fosfato. Con una acidez en aumento, la carga superficial tiende a una carga positiva mayor mientras que el pH en aumento produce una superficie con carga negativa. El proceso conlleva fuerzas electroestaticas no especfficas que convierten a los aniones fosfato en aniones facilmente intercambiables. El ion fosfato tambien puede reemplazar un hidroxilo estructural para formar un complejo de esfera interior con la superficie de oxido con intercambio de ligandos. Esta reaccion tambien se beneficia con los valores de pH reducidos. Esta reaccion tambien adhiere el fosfato de tal forma que no es posible permitir su rapido reemplazo por otros aniones. Las fuerzas de adhesion implicadas son union covalente, union ionica o una combinacion de las dos haciendo que la recuperabilidad del fosfato sea muy baja, lo cual constituye una desventaja para el uso de estos materiales.
El documento US4613434 describe un dispositivo para el tratamiento de aguas residuales mediante una fermentacion anaerobia, que comprende un tanque cerrado y dentro de el elementos para alimentar aguas residuales a ser tratadas dentro del tanque, elementos para eliminar agua tratada, gas y fangos del tanque, elementos para mezclar los contenidos del tanque y elementos para separar el gas en la parte superior del tanque. Por lo tanto, un objeto de la presente invencion es proporcionar digestion anaerobia a baja temperatura o a temperatura psicrofflica comercialmente viable para la produccion de metano y la eliminacion de fosfato de las aguas residuales u otros efluentes.
Resumen de la invencion
De acuerdo con un primer aspecto de la presente invencion, se proporciona un reactor anaerobio para tratar efluente liquido a temperaturas psicrofilicas de acuerdo con la reivindicacion 1.
Preferentemente, el material portador comprende un material con base de pumita.
Preferentemente, el reactor comprende una valvula unidireccional dispuesta entre la camara de mezclado y la camara de biopelfcula y colocada para permitir el flujo de fluido desde la camara de mezclado directa o indirectamente hacia el interior de la camara de biopelfcula.
Preferentemente, el reactor comprende una valvula unidireccional dispuesta entre la camara de biopelfcula y la camara de separacion y colocada para permitir el flujo de fluido desde la camara de biopelfcula hacia el interior de la camara de separacion.
Preferentemente, el material portador de biopelfcula tiene forma granular y tamano graduado, estando los elementos mas grandes ubicados mas cerca de la camara de biopelfcula y los elementos mas pequenos cerca de la camara de separacion.
Preferentemente, el reactor comprende medios de mezclado dispuestos dentro de la camara de mezclado para complementar, durante el uso, el mezclado producido por el biogas generado dentro de la camara de mezclado. Preferentemente, el medio de mezclado comprende un conjunto de deflectores ubicados dentro de la camara de mezclado.
Preferentemente, la camara de mezclado funciona, durante el uso, como un lecho de fangos granulares fluidizado. Preferentemente, el reactor comprende un separador en dos fases en la camara de separacion y que funciona para separar biogas de efluente tratado.
Preferentemente, el reactor comprende un desgasificador por vacfo pasivo aguas abajo de la camara de separacion y que funciona para separar biogas residual disuelto de efluente tratado.
Preferentemente, el material portador tiene una gravedad especffica inferior a la del efluente que va a tratarse en el reactor.
Preferentemente, el reactor comprende un retenedor poroso para retener el material portador a la vez que permite que el efluente fluya alrededor del material portador.
Preferentemente, el retenedor comprende un receptaculo formado y dimensionado para alojarse dentro de la camara de biopelfcula y que funciona para retener el material portador de biopelfcula dentro y tiene una base porosa y tapa para permitir el flujo de fluido a traves del receptaculo.
De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invencion, se proporciona un procedimiento de tratamiento anaerobio de un efluente liquido a temperaturas psicrofilicas de acuerdo con la reivindicacion 14.
Preferentemente, el procedimiento comprende, en la etapa de introducir los iones, provocar la liberacion de dichos iones de un material portador de biopelfcula con base de pumita colonizada.
Preferentemente, el procedimiento comprende la etapa de separar el efluente tratado de cualquier biogas generado durante el tratamiento del efluente.
Preferentemente, el procedimiento comprende la etapa de inmovilizar el material portador dentro de un retenedor poroso dentro del reactor.
Preferentemente, el procedimiento comprende la etapa de llevar a cabo el mezclado del efluente dentro de la seccion de lecho fluidizado dirigiendo el efluente a traves de un conjunto de deflectores dentro de la seccion de lecho fluidizado.
Como se utiliza en el presente documento, la expresion «material con base de pumita» pretende referirse tanto a pumita de origen natural como a materiales de ingenierfa de tipo pumita, en particular materiales que liberan iones hidroxilo, aluminio, manganeso, sodio, potasio, calcio, hierro y/o magnesio como resultado de una activacion biologica cuando el material con base de pumita se utiliza como un material portador de biopelfcula para uso en el tratamiento anaerobio de aguas residuales o aguas similares.
Como se utiliza en el presente documento, el termino «temperatura psicrof[lica» pretende referirse a una temperature que oscila entre 4 °C y 20 °C.
Breve descripcion de los dibujos
La Figura 1 ilustra una representacion esquematica de un reactor anaerobio psicrofflico de acuerdo con una realizacion de la presente invencion;
la Figura 2 ilustra la eficiencia de la eliminacion de DQO en el tratamiento aerobio a gran velocidad de agua de alcantarilla cruda a 12 °C para un reactor de acuerdo con la invencion, durante los perfodos operativos I-IV, descritos en la Tabla 1. Influente (a) y efluente ( □ );
la Figura 3 muestra la eficiencia de la eliminacion de DQO de reactores de control (■) y modificados con fenol (O) de la invencion, y la concentracion de fenol efluente (a). Velocidad de carga de fenol aplicada: (A) 0,4 kg de fenol m-3 d-1; (B) 0,8 kg fenol m-3 d-1; (C) 1,2 kg de fenol m-3 d-1. (D) Temperature operativa reducida a 15 °C;
la Figura 4 ilustra la eficiencia de la eliminacion de fosfato de pumita no colonizada para tratar aguas residuales esteriles (A); pumita colonizada con biopelfcula anaerobia para tratar las mismas aguas residuales (L); y una pumita no colonizada inoculada con un consorcio metanogenico desde el cual se puede observar que cuando se ha llevado a cabo la colonizacion biologica de la pumita, la eliminacion de fosfato se potencia en gran medida y es mas eficaz durante un ensayo a largo plazo (O);
la Figura 5 ilustra micrograffas de electrones que muestran la colonizacion microbiana temporal del material portador en condiciones psicrofflicas en el reactor de la presente invencion; y
la Figura 6 es una fotograffa que ilustra la formacion de precipitados de poli-fosfato en la biopelfcula adherida a material de pumita en el reactor anaerobio de acuerdo con la presente invencion.
Descripcion detallada de los dibujos
Con referencia ahora a los dibujos que acompanan la presente invencion, se ilustra un reactor anaerobio, generalmente indicado con el numero 10, para uso en el tratamiento de aguas residuales a temperaturas psicrofflicas y en la produccion de biogas a partir de dichas aguas residuales.
El reactor 10 comprende cuatro camaras, una camara de mezclado en forma de una camara de lecho fluidizado 12 ubicada en y formando una base del reactor 10, una camara de recirculacion 14 ubicada directamente encima de la camara de lecho fluidizado 12 y en comunicacion fluida con esta, una camara de biopelfcula 16 ubicada encima de y en comunicacion fluida con la camara de circulacion 14, y una camara de separacion 18 ubicada encima de y en comunicacion fluida con la camara de biopelfcula 16. El reactor 10 ademas comprende una entrada 20 desde la cual, durante el uso, se suministran aguas residuales influentes a la camara de lecho fluidizado 12 desde un dispositivo de distribucion de influente 22.
Dentro de la camara de lecho fluidizado 12, durante el uso, hay fangos granulares anaerobios que se han inoculado con consorcios microbianos anaerobios capaces de llevar a cabo digestion anaerobia en condiciones psicrofflicas (4 °C - 20 °C). No obstante, el volumen de biogas producido como resultado del tratamiento anaerobio de las aguas residuales, en condiciones psicrofflicas, por lo general, es inferior respecto del producido en condiciones mesofflicas o termofflicas. Por lo tanto, el mezclado mecanico adicional de las aguas residuales con los fangos granulares dentro de la camara de lecho fluidizado 12 es beneficioso. En consecuencia, el reactor 10 se proporciona con medios de mezclado no mecanizados en forma de un conjunto de deflectores 24 dentro de la camara de lecho fluidizado 12, que contribuyen con el mezclado de los fangos anaerobios y las aguas residuales sin consumir energfa para mantener la eficiencia del reactor 10. Sin embargo, se apreciara que se pueden emplear medios de mezclado no mecanizados alternativos, por ejemplo, recircular una porcion del efluente desde aguas arriba de la camara de lecho fluidizado 12 para llevar a cabo el mezclado dentro de la camara 12.
Una vez que el efluente se ha filtrado hacia arriba a traves de la camara de lecho fluidizado 12 alcanza una interfaz entre la camara de lecho fluidizado 12 y la camara de recirculacion 14, que esta definida por una valvula unidireccional 26 permitiendo el flujo de tanto el efluente como el biogas desde la camara de lecho fluidizado 12 hacia el interior de la camara de recirculacion 14. Por lo tanto, la valvula 26 permite que el efluente tratado y el biogas pasen dentro de la camara de recirculacion 14, pero impiden el flujo de efluente/gas en la direccion contraria. La camara de recirculacion 14, como se describira con mayor detalle mas adelante, permite que una porcion del efluente tratado y/o biogas producido dentro del reactor 10 sea recirculada para permitir un control de proceso mas preciso y la limpieza por burbujeo de la camara de biopelfcula 16. Recirculando efluente y/o biogas hacia el interior de la camara de recirculacion 16, y no de la camara de lecho fluidizado, es posible impedir que se apliquen esfuerzos cortantes excesivos a los fangos granulares dentro de la camara de lecho fluidizado 12, como se describira con mayor detalle mas adelante.
Desde la camara de recirculacion 14, el efluente y biogas suben hacia el interior de la camara de biopelfcula 16. La camara de biopelfcula 16 contiene, durante el uso, un retenedor en forma de un receptaculo 28 que es poroso para permitir el flujo de tanto el efluente como el biogas a traves de el. El receptaculo 28 contiene y confina un material portador de biopelfcula (no mostrado), por ejemplo piedra pomez u otros compuestos de pumita o materiales con base de pumita, que durante el uso se coloniza mediante una biopelfcula. El material con base de pumita y biopelfcula asociada promueven la eliminacion sumamente significativa de fosfato de aguas residuales tales como agua de alcantarilla. Esto se puede utilizar para reducir la necesidad de procesos de eliminacion de fosfato qufmico o biologico. El material con base de pumita se puede modificar, por ejemplo, anadiendo grupos funcionales tales como acetonitrilos para introducir una capacidad de eliminacion de metales potenciada. Preferentemente, el material portador dentro del receptaculo 28 es graduado, estando los elementos mas grandes hacia el fondo del receptaculo 28 y disminuyendo en tamano hacia la parte superior del receptaculo 28. El efluente y el biogas, una vez que pasan a traves del receptaculo 28 y son tratados por la biopelfcula inmovilizada dentro de el, pasan a traves de una valvula unidireccional 30 hacia el interior de la camara de separacion 18.
La presente invencion ha demostrado que es posible conseguir una activacion biologica del material con base de pumita durante digestion anaerobia a baja temperatura y que dicha activacion se puede aprovechar para conseguir una eliminacion de fosfato significativamente mejorada y es, en realidad, responsable de la mayor parte de la eliminacion de fosfato durante el tratamiento anaerobio de diversas aguas residuales (p. ej., Figura 4) La activacion biologica del material con base de pumita da como resultado la liberacion de iones magnesio, calcio y/o potasio que luego son responsables de la atenuacion del fosfato.
El reactor 10 comprende un separador 32 en dos fases ubicado dentro de la camara de separacion 18 y que funciona para separar el efluente tratado del biogas producido dentro del reactor 10. El biogas separado se extrae de la camara de separacion 18 por una salida de gas 34 y se envfa para limpieza/utilizacion/almacenamiento. De manera similar, el efluente se extrae de la camara de separacion 18 mediante una salida de efluente 36. La salida de efluente 36 preferentemente alimenta el efluente tratado a traves de un desgasificador por vacfo pasivo 38 o separador basado en membranas (no mostrado) que funciona para eliminar cualquier metano de biogas residual disuelto de efluente antes de la descarga. A continuacion, el biogas desgasificado se alimenta nuevamente a la corriente de biogas que se extrae de la camara de separacion 18 mediante la salida de gas 34.
El control de proceso adicional y la limpieza del material portador contenido en el receptaculo 28 se proporciona mediante la prestacion adicional de recirculacion de efluente mediante un circuito de recirculacion 40 que puede alimentar el efluente al interior de o bien la camara de recirculacion 14 o la camara de lecho fluidizado 12 en calidad de medio de mezclado, segun la concentracion y el contenido de solidos de las aguas residuales. De manera similar el biogas extrafdo en la salida de gas 32 se puede hacer pasar, mediante un circuito de recirculacion de gas 42, a la camara de recirculacion 14 que puede limpiar por burbujeo de manera eficaz la camara de biopelfcula 16, cuando sea necesario, de este modo teniendo la ventaja de evitar que se apliquen esfuerzos cortantes excesivos al lecho de fangos granulares dentro de la camara de lecho fluidizado 12, que por ende permanece aislado en la camara de lecho fluidizado 12. La recirculacion de tanto el efluente tratado como el biogas se puede controlar mediante ordenador, utilizando sensores distribuidos dentro del reactor 10 y en la salida de gas 32 y la salida de efluente 34, para permitir el funcionamiento automatizado del reactor 10, en particular el aspecto de recirculacion del funcionamiento del reactor.
Por consiguiente, la presente invencion proporciona un procedimiento y aparato para tratamiento biologico anaerobio a gran velocidad y a baja temperatura de una variedad de aguas residuales. El procedimiento y aparato funcionan preferentemente con tiempos de retencion hidraulica de 1-12 horas, una velocidad de carga organica de 0,5-35 kg m3 dfa"1, eficiencia de eliminacion de DQO de hasta 99 %, en condiciones psicrofflicas (4-25 °C). El procedimiento y aparato son eficaces como sistema para tratamiento de aguas residuales de baja concentracion (DQO a partir de 100 mg/l) y para eliminacion de fosfato (hasta 90 %) de aguas residuales a un nivel que previamente no se consegufa en condiciones anaerobias.
La invencion representa una alternativa a la tecnologfa anaerobia a gran velocidad para tratamiento de aguas residuales existente en la actualidad, que emplea biorreactores que deben calentarse a temperaturas mesofflicas (alrededor de 37 °C) o termofflicas (>45 °C). La invencion tambien proporciona una alternativa a los procesos aerobios existentes para el tratamiento de aguas residuales municipales e industriales, tales como sistemas de fangos activados y tambien sistemas que proporcionan eliminacion de fosforo biologico, tales como reactores de alimentacion discontinua aerobios/anaerobios El procedimiento de la invencion se puede emplear como un enfoque de tratamiento unico, o en combinacion con otras tecnologfas tales como filtracion por membranas o juncales (humedales construidos) segun los requerimientos de las licencias de descargas, y es adecuado para aplicar a una gran variedad escalas desde 20PE y superiores.
Se presentan dos ejemplos en detalle para ilustrar las caracterfsticas de funcionamiento del reactor anaerobio de baja temperatura 10, 1) Agua de alcantarilla y 2) corrientes fenolicas.
Un objetivo fundamental de los estudios experimentales del reactor 10 fue demostrar el uso de la invencion para el tratamiento de agua de alcantarilla. Se llevaron a cabo ensayos iniciales a largo plazo de agua de alcantarilla que se obtuvo de la planta de tratamiento de agua de alcantarilla del ayuntamiento de la ciudad de Galway en la isla de Mutton y se trato en los reactores 10 en un ensayo de 120 dfas (Estudio 2; Figura 3). El tratamiento exitoso tanto de agua de alcantarilla de sedimentacion primaria como de agua de alcantarilla cruda, para conseguir niveles de descarga, se consiguio mediante los reactores 10 despues de un perfodo inicial de 60 dfas.
Estudio 1: Tratamiento de agua de alcantarilla
El agua de alcantarilla primaria decantada y cruda se sometio a digestion en los reactores 10 a 15 °C y 12 °C, en comparacion con un control a 37 °C (Figura 2). La VCO aplicada oscilo entre 1,5-6 kg DQO m-3 d-1 (Tabla 1; Figura 2).
Tabla 1 - Caracterfsticas operativas y de funcionamiento del biorreactor R1 que trata agua de alcantarilla cruda y el biorreactor R2 que trata agua de alcantarilla de sedimentacion primaria.
Figure imgf000006_0001
Todos los valores son la media de la fase ± desviacion estandar de la fase;
a Tiempo de retencion hidraulica (h); b Velocidad volumetrica de carga (por su sigla en ingles) (m3Aguas residuales m-3Reactor d-1); c Velocidad de carga de fangos (por su sigla en ingles) (m3Aguas residuales kg [SVS]-1 d-1);____________
El funcionamiento del reactor 10 fue eficaz y estable durante el ensayo y dio como resultado una eficiencia de eliminacion de DQO que cumplfa con los estandares de descarga nacionales (de Irlanda).
Estudio 2: Aguas residuales fenolicas
El fenol se digirio satisfactoriamente en el reactor 10 tanto a 18 °C como a 15 °C (Figura 2), ampliando de este modo el intervalo de descargas que se puede reconocer como adecuado para tratamiento biologico anaerobio a baja temperatura. La VCO aplicada fue 5 kg DQO m"3 d-1 a la vez que se consiguio una velocidad de carga de fenol de 1,2 kg de fenol m-3 d-1, con hasta 97,5 % de eliminacion de fenol (Figura 3).
Se observo un periodo inicial promedio de 60 dfas para el reactor 10 que trataba aguas residuales tanto reales como sinteticas (los perfodos iniciales previos indicados para biorreactores anaerobios psicrofflicos eran 120 dfas), lo cual sugiere que el reactor 10 e inoculos representan un avance significativo en el estado de la tecnica del tratamiento anaerobio.
La reproducibilidad de la digestion anaerobia a baja temperatura de la presente invencion se ilustro con el funcionamiento en paralelo de reactores replicados. Durante un ensayo con cinco reactores replicados, los parametros de funcionamiento, tales como tiempos de retencion hidraulica (TRH; 1,5 - 48 h), velocidades de carga organica (VCO; 1,5-25 kg DQO m-3 d-1) y velocidades volumetricas de carga (0,2-5 m3 m-3 d-1) fueron variados con un funcionamiento sumamente reproducible y eficaz. El funcionamiento del reactor 10 indico la eliminacion satisfactoria de DQO de aguas residuales tanto de baja como de media concentracion en la industria del procesamiento de alimentos, de agua de alcantarilla y de corrientes recalcitrantes. Asimismo, se consiguieron eficiencias satisfactorias de eliminacion de DQO para la digestion de aguas residuales diluidas con base de suero de leche con alta concentracion. En general, la acumulacion de AGV no fue problematica, pero los niveles aumentados de propionato y acetato en efluentes de digestor se consideraron indicativos de esfuerzos en los reactores iniciados por perturbaciones aplicadas a los experimentos (los datos no se muestran).
En el reactor 10 se observo formacion de biopelfcula microbiana inmovilizada en condiciones psicrofflicas mientras que se registraron de manera constante eficiencias de eliminacion de DQO mas elevadas para los reactores 10 que para EGSB y controles con FA totalmente empaquetados. La camara de biopelfcula superior 16 del reactor 10 ofrecfa una etapa de «pulido» para la degradacion de aguas residuales acidificadas desde las fases de flujo ascendente iniciales de la camara de lecho fluidizado 12. Esto fue mas obvio en el tratamiento de aguas residuales recalcitrantes, cuando los fenoles residuales clorados, producidos por degradacion de triclorofenol en la camara de lecho fluidizado 12 del fueron degradados con exito otra vez por biopelfcula formada en la camara de biopelfcula superior 16 empaquetada con pumita. Asimismo, la biopelfcula y el material con base de pumita proporcionan un medio de atenuacion de fosfato excelente de aguas residuales oscilando la eliminacion de fosfato entre 60 y 80 % durante el ensayo al que se refiere la Tabla 1. Esto constituye una ventaja considerable de la presente invencion y es unica para los biorreactores anaerobios.
Asimismo, la biopelfcula y el material con base de pumita proporcionan un medio de atenuacion de fosfato excelente de aguas residuales oscilando la eliminacion de fosfato entre 60 y 80 % durante el ensayo al que se refiere la Tabla 1. El mecanismo de accion se refiere al uso de biopelfculas anaerobias para mediar y potenciar significativamente la capacidad de eliminacion de fosfato de materiales absorbentes porosos, tales como piedra pomez mediante:
(i) La interaccion entre las celulas de la biopelfcula anaerobia y la superficie lo cual produce la activacion de la superficie, especfficamente la liberacion de aniones hidroxilo y cationes aluminio, manganeso, sodio, potasio, calcio, hierro, magnesio y/u otros (Figura 4);
(ii) Eliminacion de acidos grasos volatiles en las aguas residuales mediante biopelfculas anaerobias vivas, lo cual aumenta el pH dentro de la biopelfcula y hace que se formen fosfato de calcio y otros precipitados de cationfosfato dentro de la biopelfcula;
(iii) El suministro de material de matriz de polisacaridos de regeneracion continua por parte de las biopelfculas en crecimiento, lo cual aumenta el area superficial efectiva para la atenuacion del fosfato.
La Figura 4 ilustra el resultado de un experimento, que demuestra el efecto de la eliminacion de fosforo por medios biologicos en comparacion con los procesos de adsorcion normal y de intercambio de iones que se producen en pumita no activada por medios biologicos. La Figura 5 ilustra la biopelfcula formada en el reactor del presente documento, mientras que la Figura 6 es una fotograffa de precipitados de poli-fosfato, que se han formado en la matriz de una biopelfcula adherida a una partfcula de pumita en el reactor anaerobio 10.
La combinacion novedosa de lecho fluidizado con mezclado potenciado mediante medios no mecanicos, un inoculo metanogenico apropiado, la capacidad de reciclar efluente a traves de la seccion de lecho fluidizado antes de que el lfquido sea proporcionado por la camara de recirculacion y la accion del material con base de pumita en la camara de biopelfcula es lo que permite el funcionamiento eficiente del reactor 10 para digestion anaerobia psicrofflica, incluyendo para el tratamiento de aguas residuales de baja concentracion y la eliminacion de fosfato. La actividad metanogenica especffica (AME) cotejada a 15 °C para los fangos del reactor fue mas elevada que la registrada a 37 °C para los fangos de siembra, indicando un desarrollo satisfactorio de la actividad metanogenica y acetogenica de las comunidades microbianas mediante cultivo en reactor a baja temperatura. Se obtuvo evidencia de comunidades catabolizantes por hidrogeno, butirato y propionato en ensayos de AME en biomasa a partir de los ensayos mas largos.
Cabe destacar que el 50 por ciento de las concentraciones inhibitorias (valores de CI50) para una variedad de toxicantes potenciales fueron comparables, o de hecho superiores, para el reactor 10 que para los informados previamente para fangos mesofflicos. Esto constituye un indicador adicional de que el reactor 10 es eficaz y adecuado para el tratamiento de una amplia variedad de aguas residuales, incluyendo las que contienen compuestos toxicos o recalcitrantes.
Por lo tanto, el reactor 10 de la presente invencion ofrece las siguientes ventajas:
El procedimiento y reactor 10 de la presente invencion emplean consorcios microbianos anaerobios para eliminar contaminantes de las aguas residuales. El reactor 10 no requiere aireacion y, en realidad, el proceso es un productor de energfa neta puesto que aproximadamente 80-90 % de la energfa contenida en las sustancias organicas de las aguas residuales se conserva en el biogas rico en metano.
La digestion anaerobia convencional da como resultado la produccion de fangos residuales netos de <<0,1 kg de biomasa seca/kg de DBO eliminada. El reactor 10 de la presente invencion, puesto que funciona a temperatures mas bajas que las de la AD y que, por ende, el crecimiento microbiano es mas lento, normalmente produce fangos netos de <<0,02 kg de biomasa seca/kg de DBO eliminada. Asimismo, los fangos anaerobios son, a diferencia de los fangos aerobios, un producto valioso como fuente de inoculo de siembra.
El reactor 10 funciona a temperaturas ambiente, no requiere calentamiento y funciona con gran eficiencia a temperaturas de aguas residuales de hasta 3 °C. La temperatura del agua residual del ano entero en Irlanda es 12 ± 1 °C. La mayor parte de las descargas industriales oscilan entre 15 °C y 18 °C. Por lo tanto, se produce un equilibrio energetico neto positivo al utilizar la presente invencion para tratar muchas aguas residuales de baja concentracion, inadecuadas para AD convencional. El calentamiento supone mas del 80 % de los gastos de funcionamiento de la AD convencional a gran velocidad y, en consecuencia, la presente invencion constituye un enfoque extremadamente eficaz en terminos energeticos y economicos.
El procedimiento de la invencion representa un proceso de tratamiento de una unica fase, y el reactor 10 utilizado para llevar a cabo dicho procedimiento tiene una proporcion altura:diametro considerable. Esto significa que la huella espacial del reactor 10 es mas pequena, y la monitorizacion del proceso mucho mas sencilla que en los enfoques aerobios de gran velocidad.
La configuracion de 4 camaras del reactor 10 y la presencia del material portador dan como resultado una calidad del efluente que excede las conocidas para sistemas de AD convencionales. En particular, el uso de un material portador con base de pumita promueve la eliminacion de fosfato significativa de agua de alcantarilla o aguas similares. La presente invencion como proceso de tratamiento de etapa unica cumple con los estandares de descarga para agua de alcantarilla domestica, por ejemplo, en entornos marinos, y simplemente requiere una etapa de pulido pasivo, tal como un humedal construido, para completar el proceso de tratamiento para la descarga en entornos mas sensibles.
El sistema y procedimiento de la presente invencion:
Consiguen un tratamiento de aguas residuales anaerobio sumamente eficiente y a gran velocidad (tiempos de retencion hidraulica de 1-12 horas; velocidad de carga organica de 0,5-35 kg m3 dfa'1; eficiencia de eliminacion de DQO de hasta 99 %), en condiciones psicrofflicas (4-25 °C);
Son eficaces como sistema para tratamiento de aguas residuales de baja concentracion (DQO a partir de 100 mg/l); y consigue una eliminacion de fosfato (hasta 90 %) de aguas residuales a un nivel que previamente no era posible en condiciones anaerobias.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un reactor anaerobio (10) para tratar efluente liquido a temperatures psicrofflicas que oscilan entre 4 y 20 grados Celsius, comprendiendo el reactor un material portador de biopelfcula liberador de iones hidroxilo, aluminio, manganeso, sodio, potasio, calcio, hierro y/o magnesio colonizado durante el uso por una bacteria anaerobia capaz de llevar a cabo, durante el uso, la atenuacion de fosfato por medios biologicos del efluente a traves de la formacion de precipitados de poli-fosfato en la biopelfcula adherida al material portador de biopelfcula; una entrada de fluido (20); comprendiendo el reactor cuatro camaras que comprenden una camara de mezclado (12) alimentada por la entrada (20) para proporcionar durante el uso una camara de lecho fluidizado; una camara de biopelfcula (16) en comunicacion fluida con la camara de mezclado (12) dentro de cuya camara de biopelfcula (16) se ubica el material portador de biopelfcula; una camara de separacion (18) ubicada encima de y en comunicacion fluida con la camara de biopelfcula (16); una camara de recirculacion (14) dispuesta entre la camara de mezclado (12) y la camara de biopelfcula (16); y al menos una tuberfa de recirculacion (40) que permite la recirculacion de efluente y/o biogas desde la camara de separacion (18) hasta la camara de recirculacion (14).
2. Un reactor anaerobio de acuerdo con la reivindicacion 1 en el cual el material portador comprende un material con base de pumita.
3. Un reactor anaerobio de acuerdo con la reivindicacion 1 o 2 que comprende una valvula unidireccional (26) dispuesta entre la camara de mezclado y la camara de biopelfcula y colocada para permitir el flujo de fluido desde la camara de mezclado directa o indirectamente hacia el interior de la camara de biopelfcula.
4. Un reactor anaerobio de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende una valvula unidireccional (30) dispuesta entre la camara de biopelfcula y la camara de separacion y colocada para permitir el flujo de fluido desde la camara de biopelfcula hacia el interior de la camara de separacion.
5. Un reactor anaerobio de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el cual el material portador de biopelfcula tiene forma granular y tamano graduado, estando los elementos mas grandes ubicados mas cerca de la camara de recirculacion y los elementos mas pequenos cerca de la camara de separacion.
6. Un reactor anaerobio de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende medios de mezclado (24) dispuestos dentro de la camara de mezclado para complementar, durante el uso, el mezclado producido por el biogas generado dentro de la camara de mezclado.
7. Un reactor anaerobio de acuerdo con la reivindicacion 5 en el cual el medio de mezclado comprende un conjunto de deflectores (24) ubicados dentro de la camara de mezclado.
8. Un reactor anaerobio de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el cual la camara de mezclado funciona, durante el uso, como un lecho de fangos granulares fluidizado.
9. Un reactor anaerobio de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende un separador en dos fases (32) en la camara de separacion y que funciona para separar biogas de efluente tratado.
10. Un reactor anaerobio de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende un desgasificador por vacfo pasivo (38) aguas abajo de la camara de separacion y que funciona para separar biogas residual disuelto de efluente tratado.
11. Un reactor anaerobio de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el cual el material portador tiene una gravedad especffica inferior a la del efluente que va a tratarse en el reactor.
12. Un reactor anaerobio de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende un retenedor poroso para retener el material portador a la vez que permite que el efluente fluya alrededor del material portador.
13. Un reactor anaerobio de acuerdo con la reivindicacion 12 en el cual el retenedor comprende un receptaculo (28) formado y dimensionado para alojarse dentro de la camara de biopelfcula y que funciona para retener el material portador de biopelfcula dentro y que tiene una base porosa y tapa para permitir el flujo de fluido a traves del receptaculo.
14. Un procedimiento para tratamiento anaerobio de un efluente liquido a temperaturas psicrofflicas que oscilan entre 4 y 20 grados Celsius en un reactor (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, comprendiendo el procedimiento las etapas secuenciales de hacer pasar el efluente a traves de una camara de mezclado de lecho fluidizado (12) del reactor que se ha inoculado con consorcios microbianos anaerobios para llevar a cabo la metanogenesis del efluente antes de tratar el efluente con la biopelfcula; hacer pasar el efluente a traves de la camara de biopelfcula (16), introduciendo de este modo iones hidroxilo, aluminio, manganeso, sodio, potasio, calcio, hierro y/o magnesio del material portador colonizado de biopelfcula en el efluente para llevar a cabo la atenuacion de fosfato por medios biologicos del efluente a traves de la formacion de precipitados de poli-fosfato en la biopelfcula adherida al material portador de biopelfcula; separar el efluente tratado de cualquier biogas generado durante el tratamiento del efluente en la camara de separacion (18); recircular una cantidad del efluente tratado y/o biogas hacia el interior de la camara de recirculacion (14) del reactor, estando dicha camara de recirculacion (14) dispuesta entre la camara de mezclado (12) y la camara de biopelfcula (16).
15. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 14 que comprende, en la etapa de introducir los iones, provocar la liberacion de dichos iones de un material portador de biopelfcula con base de pumita colonizada.
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