ES2831600T3 - Fotobiorreactor anaeróbico y método de cultivo de biomasa - Google Patents

Fotobiorreactor anaeróbico y método de cultivo de biomasa Download PDF

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Abstract

Un fotobiorreactor anaeróbico para el cultivo de biomasa, tratamiento de aguas residuales, recuperación de nutrientes, producción de energía y síntesis de productos de alto valor, caracterizado porque comprende: a. una zanja (101, 201, 301) anaeróbica cerrada horizontal; b. una entrada (205, 307) y una salida (206, 308) de aguas residuales, ambas conectadas al espacio interno del cuerpo de la zanja (101, 201, 301) anaeróbica; c. un sistema (204, 317) de circulación de aguas residuales cubierto dentro de la zanja (101,201,301) anaeróbica; d. una tapa (103) que cubre la zanja (101, 201, 301) anaeróbica para bloquear la luz en longitudes de onda por debajo de 750 nm; e. un tubo (102) de muestreo cilíndrico sumergido en la zanja (101, 201, 301) anaeróbica y pegado a la tapa (103), para realizar análisis de agua y biomasa y controlar la presión del espacio de cabeza; f. una tubería (210, 318) de recirculación de biomasa desde un separador (202, 302) de biomasa a la zanja (101, 201, 301) anaeróbica; y g. una línea (208, 310) de salida de biomasa desde el separador (202, 302) de biomasa.

Description

DESCRIPCIÓN
Fotobiorreactor anaeróbico y método de cultivo de biomasa
Campo de la invención
La presente invención está relacionada con un fotobiorreactor anaeróbico para el tratamiento de aguas residuales, recuperación de recursos y producción de energía.
Antecedentes de la invención
Tradicionalmente, el tratamiento biológico de aguas residuales se basa en la oxidación biológica de la materia orgánica. Los inconvenientes de este proceso son los altos costes operativos asociados al suministro de oxígeno, la liberación de dióxido de carbono y la preocupante emisión de otros gases de efecto invernadero como el NOx.
El desarrollo de nuevos procesos biológicos está provocando un cambio en las estrategias de gestión de aguas residuales para la reutilización del agua, así como la recuperación de energía y recursos contenidos en las aguas residuales. La minimización de la huella de carbono y la optimización de la economía también son desafíos importantes.
Los dispositivos fotobiorreactores anaeróbicos se pueden enriquecer en bacterias fototróficas anaeróbicas violetas (PPB) que asimilan la materia orgánica soluble en biomasa. Por lo tanto, el suministro de aceptor de electrones en forma de oxígeno, nitrato, sulfato u otros no es necesario para eliminar los orgánicos del agua. En consecuencia, la energía química contenida en las aguas residuales como materia orgánica se transforma de manera eficiente en biomasa utilizando energía lumínica. Luego, se puede obtener biocombustible (biogás enriquecido) mediante digestión anaeróbica de la biomasa de PPB producida. La biomasa de PPB se caracteriza por un alto contenido de N y P debido a: (a) alto contenido de proteínas asociado a la presencia de complejos de recolección de polipéptidos ligeros, y (b) su capacidad para acumular P como polifosfato. Por lo tanto, las tecnologías basadas en PPB son una plataforma adecuada para la eliminación y recuperación de nutrientes en corrientes acuosas.
El cultivo de PPB en fotobiorreactores anaeróbicos representa una solución viable para proporcionar un tratamiento de aguas residuales de bajo coste con un balance energético neutro o incluso positivo. La energía se produce acoplando la asimilación de la materia orgánica contenida en las aguas residuales, la producción de biomasa y la digestión anaeróbica de la biomasa resultante. Además de los recursos útiles, también se pueden aprovechar los nutrientes, la acumulación de orgánicos y polímeros en la biomasa fotoactiva. Así, la energía (biogás) y productos de alto valor añadido se obtienen en un proceso de depuración simultáneo. Además, la biomasa se puede someter a un proceso posterior para obtener otros productos útiles como fertilizantes NPK orgánicos.
La implementación de la tecnología de fotobiorreactores para el tratamiento de aguas residuales es una iniciativa limitada de investigación y desarrollo. La aplicación a gran escala de estos dispositivos en entornos reales requiere i) aumentar la eficiencia de la transferencia de luz a los sistemas de biorreactores, ii) desarrollar una estrategia de optimización adecuada para aumentar la productividad del sistema, y iii) reducir la huella de carbono y los costes de operación.
La solicitud US5162051A describe un método para cultivar microorganismos fototróficos utilizando un sistema de múltiples deflectores transparentes ubicado dentro del reactor. Las fuentes de luz se sumergen para distribuir la luz por todo el volumen del reactor de forma homogénea. Su aplicabilidad se limita a sistemas de luz blanca artificial, por lo que se descarta el uso de irradiación solar.
La patente US6509188B1 describe un método para cultivar algas y otros microorganismos fotosintéticos por medio de un reactor de bucle de transporte aéreo/columna de agua iluminada desde la parte lateral y puede utilizar irradiación solar. La biomasa crece en las paredes del reactor, lo que dificulta la penetración de la luz. Esto requiere un régimen altamente turbulento por recirculación de agua e inyección de aire con un alto consumo energético. Este sistema puede equiparse con cambiadores de longitud de onda (ubicados en las paredes del reactor, entre la fuente de luz y el reactor, o como partículas libres dentro del recipiente de reacción) para aumentar la utilización de luz por parte de la biomasa fototrófica. Los altos costes de instalación, operación y mantenimiento dificultan la aplicación industrial de este dispositivo. Estos reactores verticales no pueden aprovechar la radiación solar total, especialmente durante el mediodía, donde la intensidad del sol es máxima. Sin embargo, el cultivo de microorganismos fototróficos anaeróbicos, como las bacterias fototróficas violetas, no es viable en condiciones aeróbicas.
La patente US8658420B2 describe un fotobiorreactor de flujo continuo termoplástico de paredes múltiples para el cultivo de microalgas para producir biocombustible. Las principales ventajas de la invención son: no evaporación de agua y emisión de GHG, evitar colonización con microorganismos externos, filtración UV, control de temperatura. No se necesita bombeo ni agitación, lo que reduce los costes de operación. Sin embargo, esta invención no es factible para el tratamiento de aguas residuales sin tratar (el pretratamiento es necesario), ni las aguas residuales de alta resistencia pueden tratarse satisfactoriamente. El documento WO2014022689A1 describe un sistema diseñado específicamente para el cultivo de bacterias fototróficas anaeróbicas, que utiliza iluminación interna mediante lámparas LED con longitudes de onda de emisión entre 700 y 950 nm. La biomasa está inmovilizada en una matriz sólida, lo que permite el desacoplamiento del tiempo de retención hidráulica (HRT) y del tiempo de retención de lodos (SRT). La replicación en el mercado de este sistema no ha ocurrido ya que necesita iluminación artificial, limpieza periódica de las paredes para eliminar la biopelícula y un sistema biológico adicional para eliminar los nutrientes. El documento WO2014022736A1 describe una invención similar a la patente WO2014022689A1 pero centrada en la eliminación y acumulación de fósforo como polifosfato. Esto se caracteriza por las mismas limitaciones de la patente WO2014022689A1.
El documento EP2875724A1 describe el uso de un estanque de algas de alta tasa (canalización abierta) para tratar aguas residuales con recuperación de energía concomitante en un sistema industrial de bajo coste. El sistema está compuesto por una canalización abierta para el cultivo de algas o cultivos mixtos de bacterias aeróbicas y algas, donde las aguas residuales circulan con un sistema de propulsión sumergido. La presente invención no favorece el cultivo de bacterias fototróficas anaeróbicas ya que opera en condiciones aeróbicas y recibe irradiación solar (intervalo espectral completo). En cambio, esto promueve el dominio de las algas y otros organismos fotosintéticos como cianobacterias. Hülsen et al. describió (Water Research, 100 (2006) páginas 486-495) un fotobiorreactor de membrana anaeróbica vertical para tratar aguas residuales, que comprende medios de iluminación IR.
En resumen, los fotobiorreactores existentes están optimizados para el cultivo de algas y biomasa aeróbica, y hasta ahora muy pocos se dedican a cultivar microorganismos fototróficos en condiciones anaeróbicas. Específicamente, no hay invenciones en las que las aguas residuales puedan tratarse con PPB anaeróbico suspendido a costes relativamente bajos. Ninguna de estas invenciones selecciona el intervalo espectral específico requerido para el cultivo de biomasa de PPB.
La solución propuesta por la presente invención es un fotobiorreactor de bajo coste y muy versátil que optimiza el crecimiento de microorganismos fototróficos anaeróbicos para tratar eficientemente aguas residuales tanto de alta como de baja resistencia. La presente invención permite reutilizar compuestos orgánicos, nitrógeno, fósforo, azufre y otros micronutrientes presentes en el pienso para obtener compuestos de alto valor y energía (biogás). Esto disminuye considerablemente los costes de operación y se presenta como una tecnología de cuarta generación para el tratamiento de aguas residuales.
Resumen de la invención
La presente invención se refiere a un fotobiorreactor anaeróbico para el tratamiento de aguas residuales que contienen compuestos orgánicos e inorgánicos. En un primer aspecto de la invención, el fotobiorreactor anaeróbico es una zanja (101,201,301) anaeróbica cerrada horizontal donde el agua residual se alimenta al reactor y se hace circular utilizando un sistema (204, 317) de circulación como ruedas de paletas u otro sistema de propulsión sumergido.
La integración del fotobiorreactor anaeróbico en una planta de tratamiento de aguas residuales comprende tres compartimentos principales:
i) una zanja (101, 201, 301) anaeróbica cerrada horizontal, ii) un separador (202, 302) de biomasa, y iii) un digestor (203, 305) anaeróbico, en el que se coloca una película foto-selectiva de radiación infrarroja en la parte superior del fotobiorreactor anaeróbico sobre unas tapas (103) herméticas, se coloca un sistema (204, 317) de circulación en el fotobiorreactor anaeróbico para mantener la biomasa en suspensión, y se coloca un tubo (102) vertical abierto a través de los cables herméticos.
Además, la zanja (101, 201, 301) anaeróbica cerrada horizontal contiene dos respiraderos (104, 105) de gas para hacer inerte el sistema si es necesario, que también se utilizan como punto de muestreo de gas. También contiene un tubo (102) de muestra completamente hermético que se sumerge en el líquido y se usa para (i) muestrear el líquido y (ii) equilibrar la presión del espacio de cabeza para evitar la sobrepresión del sistema.
El fotobiorreactor de la presente invención ofrece una unidad central para tratar aguas residuales y recuperar recursos y energía contenidos en la alimentación.
El primer aspecto de la invención aumenta la producción de biomasa de PPB en un nuevo fotobiorreactor anaeróbico, Cultivar y seleccionar fotobacterias mediante exposición a luz infrarroja (> 750 nm) con un selector de película instalado en la parte superior del fotobiorreactor en lugar de utilizar procesos biológicos aeróbicos o sistemas de algas. Al hacer esto, la biomasa de PPB disponible para el paso de digestión anaeróbica aumenta significativamente, y el fotobiorreactor supera los problemas y las limitaciones de larga data de este tipo de métodos (baja producción de biomasa, baja producción de metano biológico, HRT prolongada y gran huella), impulsando la replicación en el mercado de los procesos biológicos basados en la luz.
El reactor se ilumina desde la parte superior, adecuado para utilizar irradiación solar. La fuente de irradiación artificial también es posible en algunas aplicaciones. Las novedades notables del sistema en comparación con las canalizaciones existentes para el cultivo de algas son:
a) las condiciones anaeróbicas del sistema, que se imponen mediante el uso de tapas (103) de cobertura ubicadas en la parte superior del fotobiorreactor y el sistema de circulación está herméticamente cubierto;
(b) la existencia de un espacio libre de gas entre la línea de flotación y las tapas de cobertura evita el crecimiento de biopelículas en la superficie, lo que limita significativamente la disipación de la luz; y
(c) el uso de un filtro de radiación específico alcanzado en las tapas del reactor que refleja y/o absorbe toda la luz visible y ultravioleta (longitudes de onda inferiores a 750 nm), por lo que el sistema solo se irradia con luz infrarroja.
La luz puede ser proporcionada por irradiación solar directa, donde el espectro solar se filtra con un sistema de filtro selectivo y solo los fotones infrarrojos ingresan al sistema. La luz también puede ser proporcionada por un sistema de emisión de luz específico de longitud de onda de baja energía en longitudes de onda entre 800 y 1050 nm. Una estrategia combinada de luz natural y artificial también puede ser interesante, especialmente durante los períodos de oscuridad.
Otra realización del primer aspecto de la invención, en el que dicha longitud de onda de radiación solar se selecciona instalando una película (750-1200 nm) monocromática selectiva. Alternativamente, se puede utilizar una fuente de radiación IR artificial alcanzando un rendimiento similar. El sistema de luz artificial se instala encima de las tapas (103) de las zanjas anaeróbicas, de modo que la luz se distribuye homogéneamente a lo largo de la superficie del fotobiorreactor.
Se puede proporcionar luz artificial a una intensidad de 30 a 100 W/m2, dependiendo de la concentración de biomasa de PPB dentro del fotobiorreactor. La concentración de biomasa y la profundidad de la columna de agua en el fotobiorreactor se pueden ajustar para optimizar la penetración de la luz. Como valor de referencia, una irradiación media de luz de 70 W/m2 es suficiente para asegurar un rendimiento estable del sistema trabajando con una profundidad de columna de agua de 40 cm y una concentración de biomasa de 2 g/L.
Las tapas (103) de cobertura se utilizan para aislar el espacio de cabeza del biorreactor y operar en condiciones anaeróbicas. Esto también es útil como soporte para el selector de película de luz infrarroja. Las tapas (103) tienen dos pequeños respiraderos (104, 105) herméticamente cerrados que pueden utilizarse para (i) burbujear nitrógeno durante la puesta en marcha del proceso o (ii) trabajos de mantenimiento. Una vez que el reactor está funcionando en condiciones de estado estable, el burbujeo de gas ya no es necesario. Las tapas (103) de cubierta están hechas de poli (metacrilato de metilo) que absorbe la luz ultravioleta y es 95% transparente a la luz infrarroja cercana.
Otra realización del primer aspecto de la invención, en la que dichas tapas (103) de cobertura se pueden fabricar con diferentes polímeros sintéticos, incluyendo (pero no exclusivamente) PPMA con compuestos de cambio de longitud de onda como ciano fluoróforos aromáticos, colorantes de cianina como 1,1,2-trimetilbenzindoleninio 1,3-disulfonato, 5-carboxi-1-(4-sulfobutil) -2,3,3-trimetil-3H-indolenina 2 y 1-(4-sulfonatobutil) -2,3,3-trimetilindoleninio-5-sulfonato, o 5,7-disulfonato de N-etil-2,3,3-trimetilbenzindoleninio.
Las principales variables para controlar el funcionamiento del reactor anaeróbico son HRT, profundidad de la columna de agua (DWC), SRT y tasa de circulación de agua (WCR). Además, en el caso de la iluminación artificial, es necesario controlar la irradiancia y la longitud de onda.
El sistema se puede optimizar para tratar aguas residuales domésticas (DWW), por lo que e1HRT dependerá de la concentración de entrada y la concentración de biomasa dentro del sistema. Para DWW típico, se recomienda HRT entre 3 y 24 h, mientras que la concentración de biomasa se mantiene entre 0.3 y 3.0 g/L. Esto esencialmente significa que los valores de SRT deben estar alrededor de 2-8 d dependiendo de la disponibilidad de luz. El WCR también estará vinculado a la disponibilidad de luz. Este sistema permite una distribución homogénea de la biomasa a lo largo del DWC, lo que maximiza la irradiancia incidente y minimiza la biomasa sombreada, de manera que se optimizará el uso de luz por parte de los microorganismos fototróficos.
El sistema es capaz de tratar aguas residuales con concentraciones orgánicas de hasta 20 g COD/L. El pH generalmente permanece alrededor de 5.5-8.5, aunque se observan valores extremos, es decir, 4.0-9.0, bajo alta irradiación y alcalinidad.
El funcionamiento del fotobiorreactor se puede optimizar para producir polihidroxialcanoatos (PHA). La acumulación de estos bioplásticos se promueve a alta concentración de sustrato y baja SRT (alrededor de 2 d). Los alimentos con alta concentración de materia orgánica y baja concentración de nutrientes promueven la producción de biohidrógeno, que puede extraerse de la vasija del reactor a través de los respiraderos (104, 105) de gas. El fotobiorreactor también se puede utilizar para recuperar azufre promoviendo el crecimiento de microorganismos fotoautótrofos. Para estos fines, puede ser necesaria la adición de CO2 mediante el uso de estos respiraderos de gas, y puede ser necesario un sistema de difusión de gas adicional.
El fotobiorreactor también se puede utilizar para acumular fósforo como polifosfato. Se pueden usar períodos de luz oscura o fotobiorreactores más claros-oscuros para promover la acumulación de fosfato. La biomasa enriquecida con fósforo resultante se puede utilizar como fertilizante orgánico. El fotobiorreactor también se puede operar para transformar la materia orgánica y el nitrógeno en biomasa unicelular rica en proteínas que se puede utilizar como un subproducto valioso. Otros productos que se pueden extraer de los organismos fototróficos son pigmentos como carotenoides y bacterioclorofilas.
La biomasa dentro del sistema está compuesta principalmente por bacterias fototróficas anaeróbicas, especialmente bacterias púrpuras sin azufre, bacterias púrpuras del azufre y bacterias verdes del azufre. La biomasa se puede enriquecer directamente utilizando las aguas residuales como fuente de inóculo, por lo que no es necesario inóculo para la puesta en marcha del proceso. Alternativamente, se puede agregar un inóculo especializado en el fotobiorreactor para acelerar el período de puesta en marcha. Las fuentes de inóculo pueden ser lodos de desechos domésticos, lodos de lagos, lodos de ríos o enriquecimientos artificiales.
Además, la conversión eficiente de materia orgánica en biomasa donde un rendimiento de biomasa cercano al 99,9% de la conversión máxima teórica de materia orgánica se alcanza desde las primeras horas de operación. Primero, las bacterias fotoactivas se cultivan en el fotobiorreactor anaeróbico en modo continuo o discontinuo, hasta que se desarrolla un consorcio de fotobacterias maduras. Luego, el sistema opera como un reactor biológico autónomo sin ningún suministro externo de energía alcanzando alrededor del 95, 98 y 99% de eficiencia de remoción de materia orgánica, nitrógeno y fósforo, respectivamente.
El cultivo de biomasa fototrófica comúnmente contenía un cultivo mixto de bacterias fototróficas, incluidas varias especies de bacterias púrpuras sin azufre como Rhodobacter sphaeroides, Rhodopseudomonas palustris (estos dos en posición dominante en la mayoría de los casos), Rhodobacter capsulatus, Rhodococcus sp., Rhodospirillum rubrum, Rhodospirillum tenue, Rhodocyclus sp., Rhodomicrobium sp., Rhodopila sp. y Rhodoferax sp. Algunas especies de bacterias de azufre púrpura como Allochromatium sp., Thyocistis sp., Thiocapsa sp. y Thiococcus sp. puede coexistir. Las bacterias verdes de azufre rara vez se encuentran, especialmente en aquellas corrientes acuosas que contienen altas concentraciones de sulfuro o tiosulfato. Además, el consorcio bacteriano puede estar formado por otras bacterias anaeróbicas o anóxicas no fototróficas que pueden competir con el PPB por la materia orgánica en condiciones anaeróbicas/anóxicas operando a alta HRT y/o en aguas residuales que contienen alta concentración de nitrito/nitrato y/o sulfato. El PPB absorbe fotones dentro del intervalo (800-1050 nm) del infrarrojo cercano y transforma la energía de estos fotones en energía química en un sistema de captación de luz, que se compone principalmente de un tipo especial de clorofila llamada bacterioclorofila (BChl). Hay varios tipos de BChl, aunque los p Pb contienen solo los tipos a y b, que pueden absorber fotones en el intervalo de 805 y 830-890, y 835-850 y 1020-1040 nm, respectivamente. Los fotones son conducidos al centro de reacción del sistema de captación de luz guiados por moléculas de BChl. Además, los fotones de menor longitud de onda pueden interactuar con este sistema después de la disipación de energía por otros pigmentos llamados carotenoides. En cualquier caso, una vez que los fotones entran en el centro de reacción, la energía luminosa se transforma en energía química y potencial redox. La energía y el potencial redox se utilizan dentro de la célula para todos los fines metabólicos. Estos incluyen la fijación de nitrógeno con la producción concomitante de hidrógeno, o la producción de hidrógeno solo, y la acumulación de polifosfato, PHA, glucógeno y otros compuestos orgánicos.
La presente invención ofrece una solución energética autosuficiente para el tratamiento de aguas residuales mediante el acoplamiento del fotobiorreactor y la digestión anaeróbicos de la biomasa de PPB resultante. Se ha afirmado que la relación COD: N: P es un factor clave para el funcionamiento a largo plazo y la acumulación eficiente de nutrientes de este sistema. Con el método del primer aspecto de la invención, esta relación se puede mantener haciendo circular el sobrenadante resultante de la digestión anaeróbica de la biomasa, lo que conduce a un rendimiento estable a largo plazo.
Otra realización del primer aspecto de la invención, en la que dicha biomasa cultivada, transportada en la línea (208, 310) de salida de biomasa se digiere en un digestor (203, 305) anaeróbico.
Otra realización del primer aspecto de la invención, en la que dicha biomasa fototrófica cultivada es pretratada por métodos (303) de hidrólisis antes de entrar en la postdigestión anaeróbica.
Otra realización del primer aspecto de la invención, en la que dicha biomasa fototrófica hidrolizada se utiliza como fuente de nutrientes que se puede utilizar como fertilizante o materia prima para formulación de fertilizantes, fuente de proteínas y preparación de polímeros, aumentando la sostenibilidad del sistema.
Otro aspecto de la invención proporciona un método para cultivo de biomasa, tratamiento de aguas residuales, recuperación de nutrientes, producción de energía y síntesis de productos de alto valor añadido utilizando el fotobiorreactor anaeróbico descrito anteriormente. El método comprende los siguientes pasos:
(a) alimentar la corriente (205, 307) de aguas residuales a la zanja (101, 201, 301) anaeróbica cerrada horizontal,
(b) exponer la biomasa fototrófica anaeróbica a la luz en condiciones anaeróbicas para asimilar la materia orgánica y los nutrientes inorgánicos, mientras se cultiva la biomasa de PPB. Por lo tanto, la contaminación orgánica contenida en las aguas residuales se divide completamente en la biomasa,
(c) hacer circular el agua residual a través de la zanja (101,201, 301) anaeróbica por medio de un sistema (204, 317) de circulación cubierto para
(i) mejorar el mezclado minimizando los costes de bombeo
(ii) provocar una selección natural de biomasa fácilmente sedimentable por presión de selección hidráulica, reteniendo una alta concentración de biomasa dentro del reactor. Esto permite un tratamiento eficaz, incluso con cargas orgánicas elevadas.
(d) separar la biomasa fototrófica de la fase líquida (agua tratada) mediante un separador (202, 302) de biomasa donde las bacterias de vida libre se eliminan del sistema (207, 309) por lavado.
(e) recirculación de biomasa sedimentable a través de una tubería (210, 318) de recirculación para controlar el tiempo de retención de lodos dentro del fotobiorreactor
(f) tratar la biomasa cultivada por digestión (203, 305) anaeróbica para obtener biogás (211, 319) como fuente de energía (biocombustible, calor, electricidad).
Las principales ventajas de la presente invención son:
a. Proceso biológico rentable y eficaz para el tratamiento de aguas residuales
b. Procedimiento de puesta en marcha fácil y rápido, así como rendimiento estable a largo plazo
c. Sistema de balance energético autosuficiente e incluso positivo
d. Sistema sostenible caracterizado por una huella de carbono baja y descargas inocuas
e. T ratamiento simultáneo de aguas residuales, recuperación de materiales de alto valor y producción de energía Breve descripción de los dibujos
Las siguientes figuras se describen a continuación. Estos ilustran las realizaciones ejemplares y no limitan su alcance. La figura 1 muestra una vista superior del fotobiorreactor y las tapas de cubierta.
La figura 2 muestra un sistema fotobiorreactor anaeróbico según una realización de la presente invención.
La figura 3 muestra un sistema fotobiorreactor anaeróbico según otra realización de la presente invención.
La figura 4 muestra la separación y purificación de bioproductos valiosos aguas abajo (401), que consiste en una etapa (402) de extracción, seguida de un proceso (403) de separación, donde el residuo de este proceso puede ser digerido (405) anaeróbicamente, y una etapa final de purificación (404) para obtener productos (406) de alta pureza/calidad. La figura 5 muestra ejemplos de experimentos de asimilación de nutrientes y orgánicos de PPB. Evolución temporal de la COD soluble (a), el nitrógeno (b) y el fósforo (c) en ensayos por lotes para aguas residuales tipo 1. Experimento id 1 (cuadrados), 2 (círculos) y 3 (triángulos).
La figura 6 muestra ejemplos de experimentos de asimilación de nutrientes y orgánicos de PPB. Evolución temporal de la COD soluble (a), el nitrógeno (b) y el fósforo (c) en las pruebas por lotes para aguas residuales de tipo 2. Experimento id 4 (cuadrados), 5 (círculos) y 6 (triángulos).
Descripción de realizaciones
Se puede obtener una descripción más detallada de las realizaciones divulgadas en este documento haciendo referencia a los dibujos adjuntos. Algunas figuras descriptivas son simplemente representaciones esquemáticas de las tecnologías y aparatos y, por lo tanto, no pretenden describir el tamaño relativo o las dimensiones de los componentes o conjuntos de estos.
Ejemplo 1: Asimilación simultánea de materia orgánica, recuperación de nutrientes y producción de energía en aguas residuales de baja concentración.
Las aguas residuales con diferente composición y fuentes se alimentaron al sistema como se resume en la Tabla 1. Las alimentaciones se basan en dos aguas residuales domésticas diferentes que contienen baja (experimentos id 1, 2, 3) y alta (experimentos id 4, 5, 6) concentración de amonio. El cultivo fototrófico se enriqueció con PPB para el tratamiento de aguas residuales domésticas. En los experimentos id 2 y 5, los nutrientes se eliminaron por precipitación de fosfato con FeCb seguido de separación de amonio a pH 9. Los experimentos id 3 y 6 se llevaron a cabo con un alimento caracterizado por una relación COD/N/P de 100/7.5/1.5, que se informa como óptima para el crecimiento de PPB. Los resultados se muestran en las figuras 5 y 6. Estos demuestran que la biomasa de PPB es altamente efectiva para el tratamiento de aguas residuales domésticas sin procesar y asimila los orgánicos solubles, nitrógeno y fósforo simultáneamente. Los resultados indican que la asimilación completa de orgánicos y nutrientes se puede lograr en una sola etapa biológica, donde la recirculación de orgánicos resultantes del paso de hidrólisis de biomasa de PPB es una opción. Bajo una relación COD/N/P adecuada, el sistema se describe como en la figura 1. Si se necesita reciclado orgánico para hacer frente a las relaciones COD/N/P óptimas para el crecimiento de PPB, el sistema puede actualizarse (ver figura 3).
En el presente ejemplo, se hace referencia a los elementos de la figura 3.
Etapa 1: El fotobiorreactor anaeróbico es una zanja (301) anaeróbica cerrada horizontal alimentada por aguas residuales (307).
El flujo continuo se evalúa mediante los flujos de entrada y salida (307, 308).
Etapa 2: La biomasa fototrófica se cosecha del fotobiorreactor anaeróbico mediante sistemas (302) de separación. El agua purificada sale del sistema (309). La biomasa se recicla a través de una tubería (318) de recirculación de biomasa, manteniendo así una alta concentración de biomasa dentro del sistema (317) de aguas residuales cubierto en la zanja (301) anaeróbica. Idealmente, es adecuado hasta alrededor de 10 gVSS/L.
Etapa 3: La biomasa recolectada en una línea de salida (208, 310) se cosecha y se trata (303) previamente para (i) aumentar la degradabilidad y la deshidratación, (ii) solubilizar parcialmente la materia orgánica y/o (iii) extraer productos de alto valor.
Etapa 4: Separación sólido/líquido (304) de biomasa (311) pretratada, donde el sólido/extraído sigue aguas abajo (312) y el líquido se devuelve a la línea (314) principal
Etapa 5: Producción de biocombustible (319) de la biomasa fototrófica recolectada a través del digestor (305) anaeróbico. Después de la digestión anaeróbica, los nutrientes se recuperan como fertilizante (313) NPK orgánico.
Etapa 6: Recuperación de nutrientes (N, P) en la línea (314) de retorno por cristalización de estruvita (para recuperar completamente P y recuperación parcial de N) y electrodiálisis (306) (para recolectar el N restante como NH4+). Los productos sólidos se separan (316).
La fase líquida orgánica se recicla a la línea (315) principal para mantener las relaciones COD/N/P.
Tabla 1. Características de las aguas residuales tratadas en los fotobiorreactores anaeróbicos.
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Ejemplo 2: Transformación de materia orgánica en productos de alto valor en aguas residuales de alta resistencia.
Alternativamente, como se indica en la descripción de la etapa 3 en el ejemplo 1, el proceso puede llevarse a la separación y purificación de bioproductos valiosos aguas abajo (en lugar, o además, a la digestión anaeróbica) (figura 4), como PHA, proteínas unicelulares, carotenoides o fertilizantes orgánicos. La concentración de biomasa en el fotobiorreactor en este caso puede ser de hasta 10 g/L, por lo que se recomienda encarecidamente la iluminación artificial durante los períodos de oscuridad o durante la poca irradiación solar. Además, en este caso, se modifica la etapa 5 del ejemplo 1. La línea (401) de lodos se somete a extracción (402) del bioproducto. El bioproducto y la biomasa remanente se separan mediante sedimentación o centrifugación (403). La corriente (405) concentrada puede someterse a digestión anaerobia (como en el proceso 305), mientras que la corriente que contiene bioproductos se alimenta a un paso (404) de purificación posterior, donde se obtiene (406) un producto comercializable purificado.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Un fotobiorreactor anaeróbico para el cultivo de biomasa, tratamiento de aguas residuales, recuperación de nutrientes, producción de energía y síntesis de productos de alto valor, caracterizado porque comprende:
a. una zanja (101, 201, 301) anaeróbica cerrada horizontal;
b. una entrada (205, 307) y una salida (206, 308) de aguas residuales, ambas conectadas al espacio interno del cuerpo de la zanja (101,201, 301) anaeróbica;
c. un sistema (204, 317) de circulación de aguas residuales cubierto dentro de la zanja (101,201,301) anaeróbica; d. una tapa (103) que cubre la zanja (101,201, 301) anaeróbica para bloquear la luz en longitudes de onda por debajo de 750 nm;
e. un tubo (102) de muestreo cilíndrico sumergido en la zanja (101, 201, 301) anaeróbica y pegado a la tapa (103), para realizar análisis de agua y biomasa y controlar la presión del espacio de cabeza;
f. una tubería (210, 318) de recirculación de biomasa desde un separador (202, 302) de biomasa a la zanja (101,201, 301) anaeróbica; y
g. una línea (208, 310) de salida de biomasa desde el separador (202, 302) de biomasa.
2. Fotobiorreactor anaeróbico según la reivindicación 1, en la que dicho sistema está iluminado con una fuente de luz caracterizada por una longitud de onda entre 750 y 1200 nm.
3. Fotobiorreactor anaeróbico según la reivindicación 2, en el que dicha luz es una irradiación solar.
4. El fotobiorreactor anaeróbico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que las tapas (103) de cobertura están hechas de vidrio o PPMA, y las películas monocromáticas selectivas pueden fabricarse mediante compuestos de cambio de longitud de onda como ciano fluoróforos aromáticos, colorantes de cianina como 1,3-disulfonato de 1,1,2-trimetilbenzindoleninio, 5-carboxi-1-(4-sulfobutil)-2,3,3-trimetil-3H-indolenina 2 y 1-(4-sulfonatobutil) - 2,3,3-trimetilindoleninio-5-sulfonato, o N-etil-2,3,3-trimetilbenzindoleninio-5,7-disulfonato.
5. Fotobiorreactor anaeróbico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que un espacio de cabeza del reactor está conectado a una salida (104) de gas, en el que se recoge el biohidrógeno producido por fotofermentación.
6. Fotobiorreactor anaeróbico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que dicho espacio de cabeza está conectado a una fuente de N2 para burbujear el reactor (104/105).
7. Fotobiorreactor anaeróbico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, que comprende un postratamiento anaeróbico en un digestor (203, 305) anaeróbico de la biomasa cultivada, transportada en la línea (208, 310) de salida de biomasa.
8. Fotobiorreactor anaeróbico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que dicha línea de salida de biomasa (208, 310) está conectada a un pretratamiento (303) de hidrólisis.
9. Fotobiorreactor anaeróbico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que una salida de línea de lodos (311,401) del pretratamiento (303) de hidrólisis está conectada a un proceso (402, 403, 404) aguas abajo para producir biopolímeros, proteínas o fertilizantes (406) orgánicos.
10. Método de cultivo de biomasa, tratamiento de aguas residuales, recuperación de nutrientes, producción de energía y síntesis de productos de alto valor mediante el uso del fotobiorreactor anaeróbico descrito en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el método comprende:
(a) alimentar la corriente (205, 307) de aguas residuales a la zanja (101, 201, 301) anaeróbica cerrada horizontal; (b) exponer la biomasa fototrófica anaeróbica a la luz en condiciones anaeróbicas para asimilar la materia orgánica y los nutrientes inorgánicos, mientras se cultiva la biomasa de PPB;
(c) hacer circular las aguas residuales a través de la zanja (101,201, 301) anaeróbica mediante un sistema (204, 317) de circulación cubierto;
(d) separar la biomasa fototrófica de la fase líquida (agua tratada) mediante un separador (202, 302) de biomasa donde las bacterias de vida libre se eliminan del sistema (207, 309) por lavado;
(e) recirculación de biomasa sedimentable a través de una tubería (210, 318) de recirculación para controlar el tiempo de retención de lodos dentro del fotobiorreactor;
(f) tratar la biomasa cultivada por digestión (203, 305) anaeróbica para obtener biogás (211, 319) como fuente de energía.
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