ES2878064T3 - Instalación y procedimiento para el tratamiento biológico de residuos y efluentes orgánicos - Google Patents

Abstract

Instalación para el tratamiento de residuos orgánicos, con el fin de producir biogás y recuperar al menos una parte del biogás producido, comprendiendo dicha instalación: - un primer tanque (1) que comprende primeros medios de separación (15) que se extienden sobre una porción de la altura del tanque, para definir un primer compartimento central o tubo (11), un primer compartimento periférico o anillo (12), cerrado en su porción superior, así como un primer compartimento para agitación e intercambios bioquímicos (16) proporcionando exclusivamente la comunicación entre estos dos compartimentos, en la porción inferior del tanque, comprendiendo el primer compartimento para agitación primeros medios de agitación (17), - un segundo tanque (2) que comprende segundos medios de separación (25) que se extienden sobre una porción de la altura del tanque, para definir un segundo compartimento central o tubo (21), un segundo compartimento periférico o anillo (22), cerrado en su porción superior, así como un segundo compartimento para agitación e intercambios bioquímicos (26) proporcionando exclusivamente la comunicación entre estos dos compartimentos, en la porción inferior del tanque, el segundo compartimento para agitación comprende segundos medios de agitación (27), - medios (ALIM) de alimentación de los residuos a tratar, en el primer anillo, - medios (T) de transferencia de los residuos parcialmente tratados, desde el primer tubo (11) hasta el segundo anillo, de tal forma que el primer tubo (11) se comunica en la porción superior exclusivamente con la parte superior del segundo anillo (22), por medio de una tubería, - medios (EVAC) de descarga de los residuos tratados, fuera del segundo tubo, - medios (43, 44) de circulación de los residuos mediante forzamiento neumático, desde el primer anillo (12) hasta el segundo tubo (21), comprendiendo dichos medios de circulación: - - una línea de circulación de gas (43) que desemboca en la porción superior del primer anillo (12) y que permite crear una presión suficiente en la manta de gas del anillo (12) con el fin de provocar una subida en el primer tubo (11) mediante forzamiento neumático de un volumen de sustrato correspondiente al de los materiales entrantes, y - - una línea de circulación de gas (44) que desemboca en la porción superior del segundo anillo (22) que permite igualmente proceder mediante forzamiento neumático a la descarga del segundo tubo (21) de un volumen de digestatos correspondiente al de los materiales entrantes; donde la instalación por lo tanto está dispuesta de tal manera que los residuos a tratar son transferidos sucesivamente desde el primer volumen formado por el primer anillo (12), hasta un segundo volumen formado por el primer tubo (11), luego hasta un tercer volumen formado por el segundo anillo (22), luego hasta un cuarto volumen formado por el segundo tubo (21), antes de ser descargados del segundo tubo (21) por una tubería del segundo tanque (2), gracias a una alimentación semicontinua con forzamiento neumático.

Description

DESCRIPCIÓN

Instalación y procedimiento para el tratamiento biológico de residuos y efluentes orgánicos

Campo técnico de la invención

La presente invención se refiere a una instalación para el tratamiento de residuos y efluentes orgánicos mediante biodigestión, así como a un procedimiento para la implementación de esta instalación. La invención se refiere a la optimización de protocolos de biometanización de sustratos orgánicos, residuos y efluentes en un digestor multifásico con alimentación semicontinua del tipo pistón, aceptando un alto contenido en materiales orgánicos volátiles en condiciones termófilas. La invención se refiere en particular a la geometría de los diferentes elementos que componen esta instalación, así como a la dinámica de los intercambios entre estos elementos constitutivos.

Estado de la técnica

El tratamiento de materiales orgánicos mediante biodigestión está sometido sobre todo a limitaciones biológicas que las técnicas intentan respetar y que tienen como objetivo crear y mantener un ecosistema favorable para los microorganismos particulares de este tipo de biooxidación. De manera simplificada, se puede decir que un biodigestor recibe y mantiene, en un sistema de biorreactores, poblaciones de microbios estrictamente anaerobios que son conducidos a crecer y reproducirse sobre un sustrato orgánico compuesto por desechos o, de manera más general, por materiales líquidos o sólidos colocados en solución. En su mayor parte, estas poblaciones microbianas particulares desarrollan una actividad de biooxidación, pero en ausencia de oxígeno en el aire. La reacción es posible solo cuando las tres comunidades bacterianas típicas de este trofismo forman un ecosistema equilibrado de tal manera que la mayoría de los equivalentes reductores (átomos de carbono e hidrógeno) se producen como desechos durante el anabolismo bacteriano (hidrólisis luego acidofilia y acetogénesis) se encuentran eventualmente en el metano (CH4, metanogénesis). Las especies bacterianas en cuestión son complejas y relativamente variadas, pero sus características bioquímicas y las principales líneas de su ecología son bastante bien conocidas. En general, se clasifican en tres grupos:

• Las bacterias hidrolíticas y fermentativas.

• Las bacterias acetogénicas.

• Las bacterias metanogénicas.

La gestión del ecosistema artificial que forma un biorreactor anaeróbico requiere, por lo tanto, de una intervención dinámica para asegurar determinadas condiciones físico-químicas, como el pH, la temperatura y el potencial de oxidorreducción, así como las necesidades nutricionales.

• El pH: El pH óptimo para la digestión anaeróbica se sitúa alrededor de la neutralidad. Este es el resultado del pH óptimo de cada población bacteriana, el pH de las bacterias formadoras de ácido está entre 5,5 y 6, las bacterias acetogénicas prefieren un pH cercano a la neutralidad mientras que las bacterias metanogénicas tienen una actividad máxima en un intervalo de pH entre 6 y 8. Sin embargo, la metanización puede ocurrir en medios ligeramente ácidos o alcalinos.

• La temperatura: La actividad del consorcio metanogénico está íntimamente ligada a la temperatura. Se pueden definir dos intervalos de temperatura óptimos: la zona mesófila (alrededor de 35 °C) y la zona termófila (entre 55-60 °C) con una disminución en la actividad a ambos lados de estas temperaturas. La mayoría de las especies bacterianas han sido aisladas en ambientes mesófilos, pero todos los grupos tróficos de las etapas de la digestión anaeróbica tienen especies termófilas que utilizan los mismos canales metabólicos que las bacterias mesófilas con desempeño similar o superior. Sin embargo, sigue siendo posible trabajar a temperaturas diferentes de las temperaturas óptimas con niveles de rendimiento más bajos o más altos.

• El potencial de oxidorreducción: este parámetro representa el estado de reducción del sistema, afecta la actividad de las bacterias metanogénicas. En efecto, estas bacterias requieren, además de la ausencia de oxígeno, un potencial de oxidorreducción inferior a 330 mV para iniciar su crecimiento.

• Las necesidades nutricionales y metabólicas: Como ocurre con cualquier microorganismo, cada bacteria que comprende la flora metanogénica requiere un aporte suficiente de macroelementos (C, N, P, S) y de oligoelementos para su crecimiento. Las necesidades en macroelementos se pueden evaluar aproximadamente a partir de la fórmula en bruto que describe la composición de una célula (C5H9O3N). Para las bacterias metanogénicas, el medio de cultivo debe tener contenidos en carbono (expresados como Demanda Química de Oxígeno o COD), en nitrógeno y en fósforo al menos en las proporciones COD/N/P igual a 400/7/1.

El amoniaco es su principal fuente de nitrógeno. Algunas especies fijan el nitrógeno molecular mientras que otras necesitan aminoácidos. Las necesidades en nitrógeno representan el 11% de la masa seca volátil de la biomasa y las necesidades en fósforo 1/5 de las de nitrógeno.

Las bacterias metanogénicas tienen un alto contenido en la proteína Fe-S, que desempeña el papel principal en el sistema transportador de electrones y en la síntesis de coenzimas. Además, la concentración óptima de azufre varía de 1 a 2 mM (mmol/l) en la célula. Esta flora generalmente utiliza formas reducidas como el sulfuro de hidrógeno. Las bacterias metanogénicas asimilan el fósforo en forma mineral.

Se requieren ciertos oligoelementos para el crecimiento de las bacterias metanogénicas. Se trata más particularmente de níquel, hierro y cobalto. De hecho, estos son constituyentes de coenzimas y de proteínas involucradas en su metabolismo. El magnesio es fundamental ya que interviene en la reacción de síntesis terminal del metano, así como el sodio que aparece en el proceso químico-osmótico en la síntesis de Trifosfato de Adenosina (ATP).

Existen factores de crecimiento que estimulan la actividad de determinadas bacterias metanogénicas: ácidos grasos, vitaminas, así como mezclas complejas como el extracto de levadura o la tripticasa peptona. En conclusión, aunque el "macromodelo" que simula un proceso de biodigestión está correctamente controlado al día de hoy, al punto que es posible predecir de manera sumaria la extensión y la forma de las producciones de metano y la composición de un digestato o metacompost, sin embargo, aún permanece el hecho de que los procedimientos son difíciles de implementar. En efecto, si se desea tratar un efluente orgánico dado, la fracción fermentable de los residuos domésticos y similares o algún residuo orgánico industrial o proveniente de sectores agrícolas, o una mezcla de entradas (co-digestión), el proceso para alcanzar la mejor productividad debe dedicarse cada vez. De hecho, a cada sustrato corresponde un ecosistema microbiológico óptimo y las ranuras para la producción bioquímica son estrechas. En otros términos, el desafío consiste en diseñar e implementar un digestor de metano con baja inversión y bajos costos operativos pero que sea perfectamente versátil, con el fin de proporcionar una alta productividad de metano independientemente de la variación de las restricciones de las entradas.

Sin embargo, el reciente enfoque empírico y analítico del que se beneficia la biodigestión, más que la versatilidad, ha permitido generar un cierto número de leyes funcionales que se aplican a las tecnologías de biodigestión que son variadas, pero no variables, teniendo cada una de ellas una adaptación privilegiada al tratamiento de un determinado tipo de residuo, en cantidades variables con distintas calidades de metacompost y biogás.

Los diferentes procedimientos

Un biorreactor en condiciones anaeróbicas es un artefacto que intenta optimizar las condiciones de vida de una determinada colonia de microorganismos en un momento dado y/o en un lugar dado para concentrarse en un mínimo de tiempo de retención biológica, por lo tanto, en un volumen mínimo del biorreactor, la producción máxima de metano que resulta de la digestión de los sustratos colocados en una solución acuosa o más generalmente en ausencia de oxígeno gaseoso. A modo de simplificación, podemos decir que un biodigestor está formado por cuatro componentes principales:

• Un recinto sellado y, a menudo, aislado térmicamente.

• Un dispositivo de agitación o mezcla.

• Un dispositivo para calentar digestatos.

• Dispositivos de entrada y salida para el sustrato, el digestato y el biogás.

De acuerdo con los procedimientos implementados se pueden distinguir dos tipos principales de ecosistemas: • Biomasa fija

• Biomasa libre

En un digestor de biomasa fija, el recinto se utiliza no solo para contener el sustrato y aislarlo del aire, sino también para fijar colonias de bacterias anaerobias en soportes adaptados. Algunas técnicas de fase líquida utilizan células de unión autónomas que están inmersas en el flujo. Generalmente, la ventaja de este procedimiento reside en mantener la disponibilidad de las cepas bacterianas a pesar de la transferencia permanente o secuencial del flujo de sustratos tratados, en donde el objetivo buscado es no tener que reiniciar una siembra bacteriana o evitar tener que especializar la flora con aditivos químicos. Se encuentran disponibles varios tipos de procedimientos de unión, algunos, por ejemplo, granulan el sustrato o una porción del sustrato de entrada antes de sembrar y hacer que circule en el recinto del biodigestor.

Como regla general, las operaciones de biooxidación de los residuos o materiales orgánicos deben cumplir con varios criterios de eficacia y de bioseguridad que se llevan a cabo realizando configuraciones y ajustes críticos. De este modo, en un digestor de biomasa libre o fija, se utilizan procedimientos que refuerzan la biomasa activa resultante del calentamiento y de la circulación de los licores y, opcionalmente, adiciones de oligoelementos y correctores de pH. El procedimiento puede adaptarse y acepta el desafío de la capacidad espontánea de la flora bacteriana para especializarse de acuerdo con las limitaciones del medio, en particular en lo que respecta a la presencia de nutrientes en una cantidad sustancial. La adaptabilidad de la biomasa, dejada libre para salir del recinto con el flujo secuencial o continuo de los flujos, y para cambiar en función de las presiones del ecosistema, se ve reforzada por acciones "externas", térmicas (manteniéndose en condiciones mesófilas a 36 °C o termófilas a 55 °C), químicas (neutralización del pH ácido o alcalino) y mecánicas (trasferencias, fluidificación y agitación). Por lo tanto, como regla general, un biodigestor requiere ya sea un buen seguimiento de las indicaciones proporcionadas por los sensores, para permitir una respuesta humana para el ajuste en un tiempo diferido, o el análisis y tratamiento automático de las señales transmitidas por los sensores que infieren en tiempo real la actuación de efectores.

Más allá de la diferenciación entre biomasa fija y población libre, ajustes manuales o automáticos, también se distinguen dos tipos de dinámica de flujo:

• Carga secuencial.

• Suministro continuo.

Los procedimientos de carga secuencial tienen como característica principal que buscan establecer, en un mismo recinto para una sola dosis de sustrato, la sucesión de las principales fases de la digestión del metano. En otras palabras, se puede considerar que, en este contexto, las poblaciones bacterianas se desarrollan sobre un sustrato idéntico desde el inicio hasta el final del ciclo y, por lo tanto, no necesitan gastar energía para adaptarse a cambios inesperados en su ecosistema, ellos son los que la transforman, no al revés. Tan pronto como se completa la carga del tanque, y esto se puede hacer en un día como en tres o cuatro días, se brindan las condiciones óptimas para iniciar la fase de hidrólisis (temperatura, pH, nutrientes, siembra). Entonces es la fase transitoria de la acidogénesis la que se ajusta para permitir el desencadenamiento de la acetogénesis y finalmente la metanogénesis. En teoría, este procedimiento tiene el interés de tener un Tiempo de Retención Hidráulica (HRT) más corto que el de los protocolos de flujo continuo y de ser más fácil de controlar. Generalmente deben estar disponibles varios tanques operando en paralelo que se activan uno tras otro a medida que se llenan. En caso de mal funcionamiento de una célula, el tratamiento puede continuar con las demás. Este es también un procedimiento en el que los tanques son más pequeños y que generalmente aceptan sustratos más densos en materia seca. Sin embargo, la carga secuencial requiere multiplicar los recintos y los dispositivos relacionados, como tolvas de carga, válvulas y otras bombas.

El suministro continuo es una carga secuencial estrictamente opuesta en varios puntos. En primer lugar, porque el ecosistema y, en particular, la flora bacteriana se vuelven versátiles, o más bien para coexistir en el mismo recinto y, al mismo tiempo, pero no necesariamente, en la misma capa o etapa del volumen de biorreacción, las bacterias y sus coenzimas para las cuatro fases del ciclo. Posteriormente, para obtener un HRT suficiente, el tanque debe dimensionarse en volúmenes muy importantes. Esto se traduce en un gasto energético proporcional para mantener una temperatura adecuada (muy raramente termófila excepto en unidades pequeñas) y especialmente para agitar la mezcla de forma continua, con el fin de evitar la formación de una costra en la superficie y sedimentos excesivamente densos en el fondo del tanque. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que este procedimiento, que es muy antiguo ya que los biodigestores domésticos o agrícolas chinos se suministran en su mayoría de forma continua, se adapta bien a los microdepósitos de sustratos orgánicos homogéneos con muy baja variabilidad. En efecto, con dimensiones muy reducidas (unas pocas decenas de m3), residuos de calidad y cantidad estable, son fáciles de mantener en la medida en que no se busca descargar los sedimentos en tiempo real sino los flujos en fase líquida o turbia (llamados eluatos) que luego se pueden reciclar para su dispersión. Sin embargo, después de varios ciclos operativos, estas pequeñas unidades deben detenerse y vaciarse de sus sedimentos que, debido a la acumulación, reducen el volumen útil de la instalación y son perjudiciales para el desarrollo de la flora bacteriana. Solo determinados procedimientos industriales consiguen producir, además de biogás, flujos muy cargados de los que se extraen por decantación y/o escurrido de los metacomposts (digestatos) que pueden reciclarse como abono biológico sólido. La ventaja de este procedimiento, a nivel industrial o doméstico, reside, por lo tanto, sustancialmente en su capacidad de aceptar un flujo continuo de residuos o de efluentes con baja carga orgánica con producciones medianas de biogás, pero un posible reciclamiento de los efluentes extraídos y de forma más difícil del metacompost.

Con base en lo que se acaba de describir, dos tipos principales de procedimientos continúan compitiendo:

• Fase única.

• Fases diferenciadas.

En el primer caso, ya sea que el biodigestor sea de tipo secuencial o continuo, con biomasa fija o libre, todas las fases se desarrollan en el mismo recinto. Este subsistema es por gravedad (sedimentación) o por contraflujo y tiene la gran mayoría. Las variaciones tecnológicas fundamentales se refieren a las modalidades de mezcla secuencial o lineal de los sustratos (agitados, en oposición a pulsados e infinitamente mezclados), las modalidades de introducción de sustratos y extracción de digestatos y eluatos.

En el segundo caso y en teoría, cada una de las cuatro fases se puede confinar en un tanque separado y el paso del sustrato modificado al final de cada fase hacia la siguiente se proporciona un sistema mecánico o hidráulico. En realidad, el estado de la técnica favorece claramente los sistemas bifásicos en los que la hidrólisis y la acidogénesis están confinadas en un primer recinto mientras que la acetogénesis y la metanogénesis se proporcionan conjuntamente en el segundo recinto. El propósito que persiguen estos procedimientos multifásicos es gestionar mejor las fases individualmente variando las microcondiciones que optimizan estos diferentes ecosistemas. Sin embargo, procedimientos más complejos y costosos con fases diferenciadas tienen un mejor rendimiento en términos de biodegradabilidad, en particular para sustratos que requieren una alta especiación enzimática y/o un entorno químico o térmico particular. Sin embargo, para un flujo de residuos homogéneo en el tiempo y con una composición que no presenta ningún riesgo particular (especialmente en la etapa de acetogénesis), generalmente se considera que este procedimiento no aporta ningún valor agregado que sea suficiente para legitimar la complejidad y la inversión requerida.

Por último, se realiza una distinción entre tres tipos de biodigestores en función de la concentración de Sólidos Totales Suspendidos (TSS) en los flujos, es decir, la proporción de materia seca (DM) suspendida en el digestor:

• Baja concentración en DM con menos del 10% en TSS.

• Concentración media en DM que contiene entre 15% y 20%, en TSS.

• Alta concentración en DM que contiene entre 22% y 40% de TSS.

Las aplicaciones del principio de biodigestión de flujos con bajo contenido en TSS tienen como principales entradas los efluentes industriales o domésticos, como es el caso por ejemplo de las plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas. Los biodigestores que se aplican para tratar estos flujos tienen una configuración particular, el principio consiste en utilizar el biodigestor como tanque de sedimentación en el que los TSS son retenidos y tratados anaeróbicamente mientras se escapa un flujo de agua depurada. Dicho de manera más clara, el Tiempo de Retención Biológica (BRT) del TSS es más largo que el del flujo de entrada en términos del Tiempo de Retención Hidráulica (HRT) ya que el biodigestor integra un sistema de decantación pasiva o activa y un sistema de retención/degradación anaeróbica para DM digestible.

Como tal, estos biodigestores son inadecuados para el tratamiento de residuos orgánicos sólidos excepto que estos últimos se trituran y se disuelven con efluentes que siempre constituirán la mayor parte de la entrada. Bajo estos protocolos, la producción de biogás y de metacompost (aquí en forma de lodos) es relativamente baja pero su capacidad de depuración primaria de un efluente es muy buena y su balance energético está equilibrado con la cogeneración del biogás. Opcionalmente, la productividad de estos subsistemas se mejora con la reventa de los licores de digestato (eluatos) como fertilizantes orgánicos líquidos. Las cargas volumétricas máximas que se pueden aplicar son aproximadamente de 2 a 5 kg de COD/m3/d.

El tipo de biodigestor con concentración media en TSS es el más común, bajo esta configuración se coloca un sustrato sólido digestible en solución en 2 a 3 veces su peso en agua. Esta modalidad de densidad en materia orgánica colocada en solución corresponde a la búsqueda de un equilibrio entre la cantidad de material digestible, su viscosidad y su coalescencia en el recinto del digestor y la capacidad del medio anaeróbico para albergar y mantener poblaciones bacterianas degradantes sin arriesgarse a inhibirlas a través de la saturación bioquímica. En efecto, para que la actividad bacteriana se desarrolle en las mejores condiciones, es necesario que el digestato no se vuelva compacto mientras pueda movilizarse a medida que se producen las diferentes fases de la biodigestión. Este procedimiento, por lo tanto, se adapta al tratamiento de la fracción digestible de los residuos orgánicos sólidos sometidos a una clasificación eficaz aguas arriba con el fin de descargar los triturados indeseables y relativamente finos que autorizan la transferencia hidráulica de la masa digestible y la proliferación de una alta diversidad bacteriana. Más adecuado para procedimientos con cargas continuas en lugar de secuenciales, el principio de concentración media en DM beneficia particularmente a los sistemas de biomasa fija porque el flujo de sustrato tiene un caudal que es lo suficientemente sustancial como para agotar la flora residente. Generalmente, las cargas volumétricas a aplicar pueden alcanzar de 15 a 20 kg COD/m3/d. Los tiempos de residencia hidráulica varían entre 4 y 5 semanas. Bajo esta configuración, la producción de biogás es buena y la producción de metacompost en forma de material fibroso sedimentado es correcta, pero requiere por lo menos una decantación, si no es que una centrifugación.

Ciertos depósitos de desechos orgánicos se forman a partir de una fracción sólida sustancial con baja digestibilidad. Claramente, la masa de DM es sustancial, pero la proporción de Material Orgánico Volátil (VOM) sobre la DM no es sustancial. Dado que no es posible concentrar válidamente el VOM de este residuo es conveniente contar con una tecnología que permita su tratamiento anaeróbico y ciertos biodigestores están diseñados para este tipo de aplicación. Se les conoce como alta concentración en DM.

La especificidad de estas aplicaciones reside en el procedimiento de progresión y agitación del sustrato y en que se trata casi exclusivamente de biorreactores con carga secuencial y con biomasa libre, pero con siembra. Generalmente, es necesario tener en cuenta que más allá de un cierto umbral en el contenido de VOM, existe el riesgo de sobrecarga que puede resultar en una inhibición de la metanogénesis; esto es especialmente válido para los residuos ricos en proteínas animales (esqueletos y grasas). Además, las cargas volumétricas a aplicar pueden alcanzar los 40 kg COD/m3/d. Los tiempos de residencia hidráulica varían entre 2 y 3 semanas.

Como tal, hay que tener en cuenta que más allá de los 3 g/l, el amoniaco (NH/) es un inhibidor de la metanogénesis. También se sabe que este límite de 3 g/l de N H / no debe superarse para los residuos cuya relación C/N sea menor o igual que 20 con un contenido de VOM de aproximadamente el 60% de la OM.

La técnica más comúnmente practicada para mantener los sustratos orgánicos por debajo de este umbral consiste en mezclar los desechos excesivamente ricos en proteínas (vísceras, pescado, productos lácteos, esqueletos y otros desechos cárnicos) con sustratos de carbono. La alternativa al enfoque a través de la regulación de la mezcla consiste en rebajar el contenido de VOM de los residuos (especialmente la proporción de amoniaco) sometiéndolos a una fase previa de fermentación aeróbica termófila intensa, pero esta última requiere en todo caso que el desperdicio de carne se mezcle con sustratos de carbono.

A través del documento de patente WO-A-2011/017420 se conoce un biorreactor formado por dos módulos colocados en serie, de los cuales cada uno comprende compartimentos colocados uno al lado del otro. La materia orgánica a tratar es admitida, a través de un tubo de entrada, en la porción inferior del primer módulo. Luego circula a lo largo de los compartimentos de este módulo, bajo el presunto efecto de una corriente gaseosa inyectada en la porción inferior de cada uno de estos compartimentos y que se supone crea una convección ascendente.

Durante este recorrido en el primer módulo, se forma acetato. A continuación, el sustrato es admitido en el segundo módulo, en donde sigue un recorrido similar a lo largo de sus compartimentos constitutivos. Aguas abajo de este segundo módulo, se crea metano.

Sin embargo, esta solución bifásica conocida tiene ciertas desventajas. De hecho, la instalación descrita en el documento de patente WO-A-2011/017420 no es satisfactoria para el tratamiento de sustratos con un alto contenido de sólidos, sino más bien adecuada para sustratos muy diluidos. En efecto, el procedimiento de agitación obtenido por el paso de una célula a otra no puede ser adecuado para materiales muy turbios cuya sedimentación aumentaría, debido a las turbulencias creadas en el fondo del sistema y en los bordes del flujo. en la porción superior. Esta instalación es sensible a los fenómenos de obstrucción, tan pronto como la turbidez alcanza un umbral crítico. Solo una fracción líquida que lleva consigo finos ligeros con una elevación suficiente para ser movidos por la corriente gaseosa puede atravesar completamente la instalación, mientras que la parte más pesada tiende a asentarse en la porción inferior, lo que crea zonas de bloqueo que rápidamente se oponen al buen flujo de la corriente gaseosa. Esta instalación requiere el establecimiento de una corriente gaseosa potente y rápida, que tiende a generar altas turbulencias y, en consecuencia, es perjudicial para el establecimiento de reacciones bioquímicas adecuadas. Además, una corriente de este tipo con una alta velocidad no permite un tiempo de retención biológica suficiente (BRT).

Además, se conoce por la Patente de EE.UU. N.° 4,780,415 un procedimiento y una instalación para llevar a cabo la degradación de material orgánico en un entorno anaeróbico. Esta instalación comprende un reactor que se divide en dos zonas de reacción mediante una pared vertical. La zona de reacción aguas arriba es alimentada por una región tubular, en la que los sustratos alimentados fluyen de arriba hacia abajo. La circulación de los sustratos entre las zonas de reacción sigue una forma de cúpula. Por último, los sustratos se descargan en una región tubular aguas abajo, que fluye de abajo hacia arriba. Esta circulación a lo largo del reactor es asegurada neumáticamente. Sin embargo, se observará que este documento de patente enseña el uso de un solo reactor y que, además, las zonas de reacción están dispuestas una al lado de la otra.

Objetos de la invención

En vista de lo anterior, la invención tiene como objetivo superar las desventajas de la técnica anterior mencionadas anteriormente. En particular, se pretende proponer una instalación cuya compacidad se mejore, que sea más robusta en particular por estar compuesta por un número reducido de elementos constitutivos, y cuyo rendimiento se mejore. La invención también pretende proponer una instalación de este tipo, que favorece radicalmente la versatilidad y modularidad de los medios técnicos planteados para ofrecer una relación de inversión/productividad mucho más favorable que la oferta promedio del mercado.

A tal efecto, la invención tiene por objeto una instalación para el tratamiento de residuos orgánicos, de acuerdo con la reivindicación 1 a continuación.

Las características ventajosas de esta instalación son objeto de las reivindicaciones dependientes 2 a 7 a continuación.

La invención también tiene por objeto un procedimiento para la implementación de una instalación para el tratamiento de residuos orgánicos tal como se definió anteriormente en la presente memoria, de acuerdo con la reivindicación 8 a continuación.

Una característica ventajosa de estos procedimientos constituye el objeto de la reivindicación 9 a continuación.

La presente invención se refiere a una instalación y a un procedimiento de digestión anaeróbica multifásica con alimentación continua del tipo pistón, con alto contenido de sólidos orgánicos volátiles, con biomasa fija o libre y preferentemente termófila. Por un lado, la instalación de acuerdo con la invención resulta de un diseño arquitectónico específico y, por otro lado, el procedimiento de acuerdo con la invención enfatiza un modo particular de transferir sustratos y fluidos dentro del biorreactor.

La aplicación de un diseño arquitectónico particular ha hecho posible la diferenciación de cuatro células dentro de un solo biorreactor, siendo cada célula un volumen en el que tiene lugar principalmente una de las cuatro fases principales de la biodigestión anaeróbica. Las cuatro células están en primer lugar en interacción de dos en dos debido a que la primera alberga a la segunda que es concéntrica, de la misma manera que la tercera alberga a la cuarta que es igualmente concéntrica. Además, cada par de células concéntricas comprende, en su punto inferior, un volumen común de transición y bioturbación horizontal en la etapa de sedimento.

El circuito de calentamiento radiante se ajusta ventajosamente, de acuerdo con la configuración, para transportar un fluido de transferencia de calor traído y mantenido de acuerdo con las configuraciones termófilas o mesófilas. Por último, el segundo par de células comprende ventajosamente una zona de bioturbación desde el punto superior hasta el punto inferior con dinámica de sedimentos. Las zonas de bioturbación son particularmente ricas en intercambios bioquímicos y bacterianos.

De acuerdo con una característica ventajosa de la invención, el sistema neumático de agitación, microburbujeante y de circulación del sustrato no desestructura los biomas microbiológicos que se forman específicamente dentro de cada volumen de fase, sino que los retiene en una configuración de granulación espontánea. Esto proporciona al procedimiento una eficacia notable de acuerdo con la invención.

La instalación y el procedimiento de tratamiento, de acuerdo con la invención, se destacan claramente de la enseñanza del documento de patente WO 2011/017420. El sistema descrito en este documento es un sistema bifásico, mientras que la instalación y el procedimiento de la presente invención tiene cuatro, físicamente separadas y unidas secuencialmente en un sistema de pistón. Aquí hay un primer anillo que se comunica en el fondo del tanque con un primer tubo, que se comunica a través de un tubo superior exclusivamente con la parte superior del segundo anillo, que se comunica exclusivamente en el fondo del tanque con el segundo tubo 2, que se comunica exclusivamente en la parte superior del tanque a través de una tubería con el dispositivo para escurrir los digestatos.

En el procedimiento del documento WO 2011/017420, debido a una agitación constante y una arquitectura interior que comprende tubos abiertos, realmente no es posible determinar si el primer tanque es más adecuado para favorecer la hidrólisis o la acidogénesis, estando los compartimentos interiores abiertos en la parte superior y en la parte inferior, el volumen de este biotanque no es exclusivo en una u otra de estas fases. Lo mismo ocurre en el segundo tanque en el que la descomposición del acetato y la metanogénesis son indisociables. En este procedimiento, la separación de fases es manifiestamente físico-química más que bioquímica, ya que la agitación por burbujeo y la arquitectura interior de los tanques parece estar hecha para separar los materiales flotantes de los sedimentados, en lugar de reservar un tiempo de residencia biológico secuencial y separado para los sustratos en los volúmenes separados durante las cuatro fases bioquímicas del protocolo de digestión anaeróbica.

En resumen, el procedimiento de acuerdo con WO 2011/017420 A2 se organiza alrededor de una arquitectura tubular que estructura dos biotanques separados, dentro de cada uno se instalan tres tubos abiertos en sus dos extremos, por lo tanto, sin separación de los sustratos dentro de cada biotanque. La invención estructura cada uno de sus 2 biotanques en dos volúmenes, el anillo y el tubo, que se comunican únicamente en el fondo del biotanque en una zona de bioturbación que prevé la transición de fase. Por lo tanto, la invención organiza estrictamente cuatro volúmenes, cada uno de los cuales tiene una capacidad de recepción diferente y, por lo tanto, diferentes tiempos de retención biológica. En el procedimiento de la invención, la transferencia de los sustratos desde el primer volumen 1 en sucesión al segundo, tercer y cuarto volúmenes, luego desde el cuarto volumen a la salida del digestor, es posible solo gracias al forzamiento neumático realizado de acuerdo con la invención.

El procedimiento del documento de patente WO 2011/017420 A2 realiza una agitación gaseosa constante que asimila su operación a la implementada en los digestores con contenido infinitamente mezclado. Como tal, cada uno de los dos biotanques del documento WO 2011/017420 A2 está sometido a un movimiento convectivo permanente de los sustratos, con transferencia mediante sobreflujo de un tubo al otro dentro del mismo tanque. En este procedimiento es la adición de una dosis de sustrato en la entrada del primer tanque lo que determina el flujo por gravedad mediante sifón desde el primer tanque hasta el segundo.

De una manera completamente diferente, el procedimiento de la invención utiliza los gases de agitación para crear una presión suficiente en la manta de gas del anillo cerrado en su porción superior, con el fin de provocar una elevación por medio de reacción en el tubo abierto en su porción superior de una cantidad dada de sustrato que corresponde al volumen de la dosis del sustrato primario que ingresa al sistema. Esta sobrepresión se obtiene cuando el circuito de gas que circula en los biotanques está cerrado y cuando la tubería que conecta la parte superior del primer tubo con la superficie (superior) del segundo anillo está abierta. De manera idéntica, cuando se trata de proceder a la descarga de digestatos, la presión acumulada sobre la manta de gas del segundo anillo ejerce un empuje sobre el volumen de sustrato contenido en este anillo que, por reacción, se eleva en el segundo tubo del que se ha abierto en su porción superior que llega al dispositivo para escurrir los digestatos. A diferencia del procedimiento WO 2011/017420 A2, de acuerdo con la invención, el volumen correspondiente al de los materiales entrantes debe descargarse del segundo tubo, antes de introducir los sustratos entrantes en el primer anillo. En resumen, el procedimiento del documento WO 2011/017420 A2 es un digestor infinitamente mixto con dos fases con separación de materiales flotantes y una alimentación por gravedad continua, mientras que el procedimiento de la presente invención es un digestor de pistón con cuatro fases con alimentaciones semicontinuas con forzamiento.

El procedimiento del documento WO 2011/017420 A2 utiliza un separador de espuma asociado a bombas de gas del tipo tesla que movilizan los gases burbujeantes, se supone que dicho dispositivo también produce una descarga parcial de los materiales que flotan en los tanques. El procedimiento de la presente invención introduce, por el contrario, gas anaeróbico por separado en la porción inferior del anillo o del tubo de cada biotanque de manera que se cree un microburbujeo a baja presión. Este último generará las condiciones de bioturbación buscadas en esta zona de fondo con el fin de instalar y mantener los parámetros de mezcla local con microperturbación que permitan la transición de fase bioquímica. En el procedimiento de acuerdo con la invención, el burbujeo de los efectos del mezclador se lleva a cabo a lo largo de la columna ascendente. También es posible realizar una agitación por pulsos o espasmos mediante la creación de condiciones de presión en las mantas de gas de los anillos que no alcanzan el punto de transferencia completo que llevaría al sustrato a desbordarse del tubo, y liberando esta presión rápidamente en con el fin de crear un efecto de reflujo vertical que favorezca muy significativamente la agitación y la mezcla de los elementos flotantes mediante una aspiración brusca en la columna descendente.

Debido a su configuración, el procedimiento del documento WO 2011/017420 A2 está especialmente diseñado para sustratos líquidos o diluidos mientras que el procedimiento de la presente invención se presta igualmente perfectamente y particularmente a sustratos con un contenido medio y alto en sólidos totales e incluso de alta viscosidad. La gestión de las temperaturas anunciadas para este procedimiento anterior es por lo tanto de 75 °C en el tanque 1 y 55 °C en el tanque 2. El procedimiento de la presente invención favorece, por el contrario, ventajosamente una población bacteriana particular (pseudomonas) en el anillo 1 que se mantiene típicamente a 40 °C mientras que el tubo 1 que es concéntrico se mantiene típicamente a 35 °C, igualmente el anillo 2 se mantiene típicamente entre 50 °C y 52 °C cuando el tubo 2 se lleva típicamente a 55 °C. Esta regulación de temperatura está automatizada en el procedimiento de la presente invención y es posible mediante transferencias de calor en el fondo del tanque realizadas con tubos sumergidos radiantes separados. Además, particularmente en los tubos, el fino manejo de la temperatura y de los flujos de gases en agitación permite la discriminación térmica buscada.

Descripción de las figuras

Las Figuras 1 a 4 muestran realizaciones de la invención, pero no limitan el alcance de la invención.

La Figura 1 es una vista esquemática que muestra una instalación para el tratamiento de residuos de acuerdo con la invención;

La Figura 2 es una vista frontal, que muestra a mayor escala dos tanques de tratamiento pertenecientes a la instalación de la Figura 1;

La Figura 3 es una vista superior que muestra estos dos tanques de tratamiento.

La Figura 4 es una vista en sección transversal de estos dos tanques.

Las siguientes referencias numéricas son utilizadas en la presente descripción:

Descripción detallada

La instalación para el tratamiento de residuos, de acuerdo con la invención, se muestra en su generalidad en la Figura 1. Primero comprende dos tanques de tratamiento 1 y 2, que se describirán con más detalle con referencia a la Figura 2.

Los tanques 1 y 2, que son globalmente idénticos, tienen en el ejemplo mostrado una sección rectangular. Como alternativa, se puede prever que tengan otras formas, en particular paralelepípedos de sección diferente, o cilindros de sección circular o pseudocilindro de sección elíptica. Las dimensiones de los tanques se adecuan dependiendo de la naturaleza y la cantidad de flujo de sustratos a tratar.

Cada tanque 1 o 2 define una célula (o compartimento) central 11 o 21, también llamado tubo. Este último está rodeado por una célula (o compartimento) periférico anular 12 o 22, también llamado anillo. Cada tubo y cada anillo son mutuamente concéntricos, en el ejemplo mostrado.

Cada tanque 1 o 2 comprende un fondo 13 o 23, una tapa 14, 14' o 24, 24', así como una camisa exterior 19 o 29 que conecta este fondo y esta tapa. Esta camisa, que forma la pared periférica de un anillo respectivo, está compuesta por cuatro elementos mecánicos a saber, desde el exterior hacia el interior:

• una piel exterior vertical asociada al fondo mencionado anteriormente, para proporcionar la función de exoesqueleto;

• una capa aislante que se puede colocar en la cara exterior o interior de esta piel;

• un circuito de precalentamiento que está dispuesto en las caras internas de esta piel y en el fondo de la célula;

• una carcasa sellada que puede estar formada por la cara interior de la propia piel exterior si su material se presta a ello, o por una pintura o un revestimiento sellado o por una película o un conjunto soldado de placas de plástico;

• un borde de ensamblaje por brida macho, que se extiende sobre el perímetro superior del revestimiento exterior para cooperar con un borde de ensamblaje de una brida hembra, que se extiende sobre el perímetro inferior de la tapa;

• una junta de compresión que se inserta entre la brida de la piel exterior y la de la tapa.

Cada tapa cubre el volumen completo del tanque, pero se diferencia estrictamente del volumen de cada anillo con respecto al del tubo. Para ello, una pared de separación 15 o 25 se extiende desde esta tapa, en la dirección del fondo. Obsérvese que cada pared 15 o 25 no se extiende por toda la altura del tanque, de manera que delimite una denominada zona común 16 o 26, en las proximidades del fondo. En el ejemplo mostrado, cada pared 15 o 25 está tallada con muescas 15' o 25', con el fin de proporcionar esta comunicación entre un anillo y un tubo respectivos. Es importante señalar que la configuración de las zonas de muescas se varía fácilmente para dimensionar la dinámica de las comunicaciones entre un anillo y un tubo.

Las dos tapas 14, 14' o 24, 24' son idénticas en que cada una de ellas se compone de dos porciones concéntricas, de las cuales la primera 14 o 24 cubre un anillo respectivo 12 o 22, y de las cuales la segunda 14' o 24' cubre un respectivo tubo 11 o 21. En cualquier caso, esta tapa sella herméticamente el volumen interior de un respectivo tanque. Por otro lado, estas dos tapas son funcionalmente diferentes, como se muestra en particular en las Figuras 2 y 3.

De hecho, la porción periférica 14 de la primera tapa tiene una entrada E1 (Figura 2) de sustratos en bruto, a través de una línea de suministro ALIM (Figura 3). Además, la porción central 14' de esta primera tapa tiene una salida S1 (Figura 2) para asegurar la transferencia del primer tubo al segundo anillo, a través de una línea de transferencia T (Figura 3). Sin embargo, la porción periférica 24 de la segunda tapa tiene una entrada E2 de los sustratos parcialmente biodigeridos, a través de la línea T antes mencionada. Nótese que la salida S1 se eleva con respecto a la entrada E2, para favorecer una transferencia por gravedad de los sustratos entre los dos tanques 1 y 2.

Finalmente, la porción central 24' de esta segunda tapa tiene una salida S2 (Figura 2) para permitir la descarga de los sustratos fuera del segundo tubo, a través de una línea EVAC, a la zona de tratamiento posterior de la instalación, en particular, el escurrimiento de los digestatos. Esta salida S2 también se eleva para favorecer una descarga por gravedad de los sustratos.

Dos conductos 31 y 31' permiten además la descarga, fuera de los tanques, del biogás y del gas microburbujeante que se describirá a continuación. Además, la porción periférica de cada tapa se suministra, a través de las líneas 43 y 44, con gas de circulación capaz de hacer circular los desechos dentro de los tanques. Esta porción periférica también tiene salidas de gas de agitación que comunican, a través de las líneas 47 y 48, con un dispositivo de filtración o recirculación del biogás que también se describirá a continuación.

Cada uno de los dos tanques 1 o 2 está provisto, hacia su fondo, de un doble fondo sellado, ligeramente cóncavo. Este doble fondo encierra un dispositivo de agitación 17 o 27, compuesto por una serie de boquillas, así como un dispositivo microburbujeante 17' o 27', compuesto por discos cerámicos microperforados. Estas boquillas y estos discos son de un tipo conocido per se de tal manera que, en la Figura 2, se muestran esquemáticamente.

La instalación de acuerdo con la invención además comprende diferentes elementos mecánicos, del tipo convencional, de los cuales algunos se muestran en la Figura 1.

En primer lugar, existe un sistema de escurrimiento de sustratos en la salida del segundo tubo, realizado en el ejemplo mostrado en forma de un tornillo escurridor 3. Como alternativa, se puede proporcionar una centrífuga o un recinto de decantación simple. Este tornillo 3 está unido al segundo tubo a través de la línea de descarga EVAC antes mencionada, capaz de transportar los sustratos que salen del tanque 2. Este tornillo tiene dos salidas, a saber, una salida 32 para los digestatos y una salida 33 para los eluatos. En el caso de una aplicación del procedimiento con entradas con muy bajo contenido de sólidos, en una configuración de biomasa fija, es común que este sistema de escurrimiento se evite o se sustituya por un sistema tangencial o mediante filtración. Se trata además de un depósito, o tanque de presión 4, que está conectado a los tubos por los conductos 31 y 31' anteriores, capaz de transportar el biogás que sale del tanque 2. Este tanque 4 tiene dos salidas, de las cuales una 41 se comunica con un dispositivo de filtración 5, que se describirá con más detalle a continuación. Además, varias líneas de reciclamiento del biogás se extienden desde la otra salida 42 del tanque 4. Hay:

• la línea 43 antes mencionada que sale en la porción superior del anillo 12,

• la línea 44 antes mencionada que sale en la porción superior del anillo 22,

• una línea 45 que sale por el fondo del tubo 21 y alimenta el dispositivo microburbujeante 27,

• así como una línea 46 que alimenta las boquillas de agitación previstas en la pared lateral exterior del tanque 2.

El dispositivo de filtración 5 del biogás tiene como función separar el CO2 del metano CH4. Puede adoptar la forma de una célula de solubilización de agua o cualquier otro dispositivo equivalente. Este dispositivo 5 se alimenta típicamente con vacío a través de una bomba hidráulica de clase ATE^x . Tiene una línea de salida 51 para el metano filtrado, así como dos líneas de reciclamiento:

• una línea 52 que sale por el fondo del tubo 11 y alimenta el dispositivo microburbujeante 17,

• así como una línea 53 que suministra boquillas de agitación no mostradas, previstas en la pared lateral exterior del tanque 1.

La implementación de la instalación descrita anteriormente, se explicará ahora a continuación. Tenga en cuenta que la instalación comprende, además de los miembros mecánicos mostrados en las figuras, miembros adicionales que no se muestran. Éstos son de tipo convencional y no forman parte de la invención, de tal manera que se describen sucintamente en el marco de la implementación antes mencionada.

Antes de ser introducidos en los tanques de tratamiento, los residuos se someten a una trituración de tipo convencional, con el fin de reducir su tamaño relativo en una granulometría que no supere los 25 mm. Esta trituración se puede realizar en un dispositivo del tipo triturador lento con cuchilla de doble eje, alimentado por una tolva de carga. Este último suele estar provisto de una tapa que brinda protección al operador y de un interruptor hidráulico que permite levantar y vaciar los cubos de basura (ISO) de 120 litros o 240 litros.

Aguas abajo de la trituradora antes mencionada, el residuo (también llamado "sustrato") es admitido y contenido en un sistema de precalentamiento y mezcla, constituido por ejemplo por un tanque cargado por gravedad con este residuo triturado. Este tanque puede recibir un líquido de dilución que normalmente se lleva a 55 °C, compuesto por una mezcla de eluatos, formada aguas abajo del procedimiento, y de agua. Este tanque está provisto típicamente de una red tubular en la que circula un medio de calentamiento que proporciona el calentamiento definitivo del sustrato diluido precalentado de manera que el conjunto alcanza la temperatura objetivo de 55 °C.

Como soporte de precalentamiento de los sustratos introducidos y del aislamiento de los tanques, el circuito de calentamiento se lleva a una temperatura unos grados superior a la del objetivo, o 58 °C o 38 °C, hasta que se alcancen las temperaturas objetivo medidas por los sensores en las células, lo que provoca la detención de la circulación del fluido. Además, tan pronto como los sensores devuelven una indicación de una caída de temperatura, el fluido de transferencia de calor se calienta inmediatamente y se recircula para contrarrestar la inercia del sistema.

También se puede proporcionar una bomba de elevación que acepte ventajosamente flujos muy turbios con una granulometría máxima de 35 mm. Esta bomba está destinada a suministrar el sustrato al biorreactor, en la porción superior del primer anillo.

Generalmente, los sustratos son admitidos por la línea ALIM, avanzan hacia abajo a lo largo del primer anillo bajo el efecto del biogás admitido por la línea 43. En este recinto se prestan a una primera etapa de digestión a través de biooxidación anaeróbica, a saber, una hidrólisis. Esta primera transformación es posible gracias a la presencia particularmente densa de bacterias anaerobias hidrolíticas en el primer anillo. Durante su paso en este anillo, el gas soplado desde la línea 53, gracias a las boquillas 17, genera un efecto turbulento de abajo hacia arriba sin desestructurar los biomas bacterianos granulares que están instalados en el mismo y que como tales proporcionan una función de agitación y evitan la formación de una costra en la superficie durante el paso del gas en el volumen no sumergido del anillo.

Luego, los sustratos sustancial y totalmente hidrolizados avanzan hacia arriba a lo largo del primer tubo 11, bajo el efecto combinado del biogás admitido por la línea 43, y del gas soplado por la línea 52. La red de discos cerámicos microperforados 17, alimentados por esta línea 52, produce un flujo de microburbujas con un efecto de agitación, pero especialmente una flotación de los sedimentos. Estos suministros separados permiten gestionar por separado la descompactación y la agitación en los anillos y la flotación en los tubos fuera o simultáneamente con las fases de llenado y transferencia de los sustratos.

El dispositivo de agitación y flotación opera en circuito cerrado para evitar por un lado la descarga de gas y evitar los riesgos de sobrepresión en la parte superior del tanque. Nótese que este circuito cerrado tiende incluso a crear un vacío del tubo, en particular en la parte superior de este último, lo que favorece la elevación del sustrato dentro de este tubo. Durante su residencia en este tubo, los sustratos experimentan una segunda etapa de digestión, a saber, una acidogénesis, debido a la presencia masiva de bacterias anaerobias acidófilas en este recinto.

Las bacterias parcialmente digeridas se transfieren, a través de la línea T, al segundo tanque 2. Avanzan hacia abajo a lo largo del segundo anillo bajo el efecto del biogás admitido por la línea 44. Luego se someten a una tercera etapa de digestión, a saber, una acetogénesis. debido a la presencia masiva de bacterias anaerobias acetotróficas en este recinto. Durante su paso en este anillo, el gas soplado desde la línea 46, gracias a las boquillas antes mencionadas, genera un efecto turbulento y proporciona una función de agitación idéntica a la que sucedió en el anillo 1.

Luego, los sustratos avanzan hacia arriba a lo largo del segundo tubo 21, bajo el efecto conjunto del biogás o del CO2 admitido por un lado por la línea 44 y, por otra parte, por la línea 45. Como se describió anteriormente en el caso del primer tanque, se produce un efecto de agitación, pero sobre todo un efecto de flotación de los sedimentos. Durante su residencia en este tubo, los sustratos se someten a la etapa final de la digestión anaeróbica, la metanogénesis que está íntimamente ligada a la fase acetotrófica precedente y que se optimiza debido a la presencia masiva de bacterias anaerobias metanogénicas en este recinto.

De acuerdo con la invención, más allá de la separación de las fases, se proporciona una transición bioquímica continua dentro de la zona de bioturbación formada en el fondo de cada tanque, debido a la permanencia de un volumen de la mezcla de los sustratos en el punto inferior de los anillos hasta la altura de las muescas del tubo que está instalado en las mismas. A esta zona de bioturbación se le asigna la referencia BIO en la Figura 2. Nótese también la existencia de una zona de bioturbación con dinámica de sedimentos, es decir, en otros términos, gravedad, realizada desde el punto superior del segundo anillo hasta la zona inferior del segundo tanque.

La inyección de gas fluye a intervalos regulares, pero a breves a nivel de los anillos o de los tubos, fuera de las fases de llenado y transferencia y durante las fases de transferencia produce una agitación y una descompactación no destructiva de los biomas microbiológicos induciendo una granulación de los sólidos sedimentados. La inyección de flujos de gas en los tubos, durante las fases de llenado y transferencia y fuera de las fases de transferencia tanto como sea necesario, provoca la elevación por flotación de los sedimentos y favorece el transporte de los mismos hacia arriba en la dinámica de transferencia.

En general, el gas, a saber, biogás y/o CO2, que se inyecta/recicla en los tanques, proporciona tres funciones hidráulicas y aeráulicas principales: circulación, agitación, microburbujeo y una función bioquímica suministrando ya sea hidrógeno asociable (H2S) o carbono (CO2). Los expertos en la técnica ajustarán en particular las condiciones operativas y el despliegue de cada una de estas tres etapas, de acuerdo con los parámetros del sustrato y de la especiación bacteriana de acuerdo con las cuatro fases diferentes en los cuatro recintos del biodigestor. Las condiciones operativas son en particular la elección de inyectar biogás crudo o más o menos purificado en CO2 o H2S o solo CO2. Los expertos en la técnica también adaptarán los respectivos caudales de gas y los diámetros de las respectivas burbujas para llevar a cabo cada función. El desarrollo de las etapas comprende en particular su duración, su frecuencia, la posible concomitancia entre estas etapas. Los parámetros del sustrato comprenden en particular su naturaleza, su turbidez, su coalescencia, así como su caudal.

Los sustratos digeridos de manera sustancialmente completa se descargan luego, a través de la línea EVAC, al tornillo 3. Luego se separan, de una manera conocida per se, en una fracción sólida sustancial o digestatos, se extraen a través de la línea 33, y una fracción sustancialmente líquida o eluatos, a través de la línea 32.

Además, el biogás es descargado en la dirección del tanque 4, a través de la línea 31. Una primera parte de este biogás se recicla en la dirección de los tanques 1 y 2, a través de las líneas 43 a 46. La otra parte de este biogás se dirige, a través de la línea 41, hasta el dispositivo de filtración 5, donde se separa en una fracción rica en metano descargada por la línea 51, así como en una fracción rica en CO2 reciclada por las líneas 52 y 53.

Nótese que, en el ejemplo mostrado, el biogás y el CO2 se reciclan en la dirección de los tanques. Como alternativa, solo se puede reciclar el biogás o solo el CO2. Como alternativa adicional, tanto el biogás como el CO2 se pueden reciclar, pero en ubicaciones de los tanques diferentes a las mostradas en las figuras.

Más precisamente, se asume que estamos en la fase inicial de implementación, que corresponde a la primera introducción de sustratos en el primer tanque 1. La fracción de residuos introducidos como tal reside primero en el anillo de este primer tanque y luego, bajo el efecto de la circulación de gas, se transfiere al tubo del primer tanque. Una vez llenado, el tubo 1 realiza una transferencia al anillo 2 del tanque 2 por un volumen equivalente al de los sustratos crudos introducidos en el anillo 1. El llenado del anillo 2 y del tubo 2 continúa a razón de la introducción del sustrato crudo aguas arriba en el sistema. Tan pronto como se llena el tubo 2, ahora se asume que estamos en el régimen de implementación "normal". Se puede apreciar fácilmente que, en este régimen normal, el procedimiento de acuerdo con la invención es del tipo continuo discretizado, es decir, se opone a un tratamiento del tipo "lote", pero generalmente no es rigurosamente continuo como podría ser en el caso de producción de sustratos provenientes, por ejemplo, de un procedimiento de tipo agroindustrial que a su vez es continuo.

En esta configuración "normal", el trabajo se realiza en dos etapas:

• El segundo anillo recibe en la porción superior una inyección de biogás enriquecido con biogás o CO2 a presión. Al estar sellado, actúa como una cámara de presión desde la que se produce una transferencia de fluidos no comprimibles, es decir, la elevación de los sustratos contenidos en el segundo tubo. Este último, que se abre hacia afuera en la dirección del tornillo escurridor, se comporta entonces como un conducto de expansión.

• Una vez que un volumen de sustrato saliente, que es equivalente al del sustrato a introducir en el biorreactor, se ha descargado del segundo tanque de acuerdo con la etapa descrita anteriormente, se inyecta biogás o CO2 a una presión adecuada en el primer anillo, de modo que transfiere el sustrato al primer tubo. Dado que este último está abierto en su punto superior al segundo anillo, el sustrato se transfiere, al final del curso de expansión, al punto superior del segundo anillo a través de la línea T.

• Al mismo tiempo que se inyecta el biogás o el CO2 en el segundo anillo, se realiza un microburbujeo intenso pero breve al pie del segundo tubo. Esto genera un empuje de los sedimentos hacia arriba durante la transferencia de una dosis en el sistema de expansión a lo largo del tubo. Un microburbujeo similar se lleva a cabo en el primer tanque, en el momento en que el biogás se inyecta a presión en el punto superior del anillo 1.

Una red de sensores, no mostrada, miden en tiempo real o levemente difieren los valores obtenidos para diferentes parámetros, tales como: la temperatura, el pH, la turbidez de los sustratos durante las diferentes fases, la composición química, la temperatura y la humedad relativa del biogás y del biometano depurado, pero también el nivel de los sustratos en los diferentes tanques.

Un conjunto de varios controladores lógicos programables, no mostrado, procesan las señales recibidas de los sensores, infieren el comportamiento de los efectores y reportan sobre el estado del sistema en una estación de control remoto.

Una red de efectores, no mostrada, como las electroválvulas hidráulicas o neumáticas regulan la circulación de los flujos de sustratos, digestatos, eluatos controlados por los controladores programares o directamente por el operador humano.

Una red hidráulica, no mostrada, transporta los eluatos para ser utilizados como fluido de descoagulación a los puntos críticos de las tuberías de transferencia del sustrato.

Una fracción del bucle del circuito de calentamiento, no representado, pasa a través de un intercambiador de calor alimentado por el dispositivo de refrigeración del generador eléctrico y, como tal, transmite calorías al fluido de transferencia de calor que circula en el circuito de calentamiento de la instalación.

La invención no está limitada a los ejemplos descritos y mostrados; está limitada únicamente por las reivindicaciones. La característica dimensional de los diferentes componentes de la instalación viene determinada en primer lugar por un conjunto de factores físico-químicos que influyen en el volumen de los tanques, en su diámetro, pero especialmente en su altura. Por lo tanto, estas tensiones dependen de la viabilidad técnica del procedimiento.

Además, los factores económicos y contextuales también pueden influir en el dimensionamiento a través del efecto de restricciones presupuestarias, ambientales o culturales.

Considerando que las transferencias de sustratos son el resultado de un empuje hacia abajo ejercido por un gas presurizado en una cámara delimitada por la cara interior de la tapa sobre el anillo y la superficie del sustrato contenida en el anillo, que esta presión de gas induce una sobrepresión de los gases disueltos en los sustratos, que el hidrógeno tiene una presión de 2 bares (200 kPa) inhibe una parte significativa de las reacciones bioquímicas de la secuencia de las cuatro fases de la digestión del metano, hemos determinado un límite al tamaño de las células sobre dos magnitudes, la altura y el volumen del anillo, considerando un sustrato muy turbio que titula hasta el 55% de los sólidos totales.

De hecho, cuanto mayor sea el volumen a transferir y más turbio sea el sustrato, mayor debe ser la fuerza de empuje para superar tanto la masa como la fricción que generan pérdidas de carga.

La alta variabilidad de las configuraciones que se pueden realizar hace que sea prácticamente imposible modelar los valores límite con un alto grado de precisión dado que debe considerarse la anchura del anillo, su altura, el tipo de sustrato y los parámetros que determinan las fuerzas de fricción en configuraciones regulares y singulares que crean pérdidas de carga. Por lo tanto, recurrimos a un enfoque experimental resumido como prototipo para determinar los valores límite que no entregan el campo holístico de factibilidad del procedimiento, sino solo los umbrales que hemos adoptado para la seguridad que brindan en una determinada zona de factibilidad.

Estos umbrales dimensionales se traducen ventajosamente en los siguientes valores típicos, proporcionados de forma no limitativa:

• Altura máxima del sustrato en los tanques: entre 7 metros y 10 metros.

• Anchura máxima del anillo: entre 1,5 metros y 2,5 metros.

• Diámetro máximo del tubo: entre 3 metros y 4 metros.

• Turbidez máxima del sustrato: entre 55% y 75% de sólidos totales en suspensión.

Además, los inventores han considerado la necesidad de optimizar la termodinámica del sistema, el cual es termófilo (55 °C) considerando el hecho de que más allá de un volumen de aproximadamente 500 m3, las transferencias de calor y la agitación hidráulica excedieron el umbral de aceptabilidad para el consumo de energía que habíamos establecido al 25% de la capacidad de producción extraída del reciclamiento del biometano.

A modo de ejemplo puramente no limitativo, para realizar una oferta comercial adaptada a los objetivos perseguidos por el inventor, este ha desglosado la instalación que se acaba de describir en varios modelos que varían según su capacidad de tratamiento y el tipo de sustrato a tratar. Uno de estos modelos está configurado para ser resguardado en dos contenedores marítimos del tipo "20' high Cube", de conformidad con la norma ISO de 1967, que se disponen en plano. El primer contenedor contiene los biorreactores, la tolva de carga asociada a la trituradora y al tanque de dilución y precalentamiento, así como una bomba de suministro. El segundo contenedor está reservado para el armario eléctrico, en la estación de control, el tornillo extrusor, los generadores eléctricos y los filtros para el biogás.

Este equipo extremadamente compacto y versátil también es modular ya que es posible agregar hasta tres "contenedores de biorreactores" para aumentar las capacidades de tratamiento de la planta en función de sus necesidades en el momento, sin que el contenedor técnico tenga un tamaño insuficiente. Con una instalación de este tipo, un operador puede tratar todos los días hasta 1 m3 de sustrato triturado y diluido, lo que representa, por ejemplo, unos 375 kg de residuos de cocina y servicio y 25 kg de grasa procedente de un depósito de grasa. En esta configuración, la producción de biometano será de aproximadamente 34,5 Nm3 por día, los digestatos o eluatos líquidos se producen a aproximadamente 0,14 m3 por día y los digestatos sólidos después de la extrusión a aproximadamente 0,35 m3 por día.

Claims (9)

REIVINDICACIONES

1. Instalación para el tratamiento de residuos orgánicos, con el fin de producir biogás y recuperar al menos una parte del biogás producido, comprendiendo dicha instalación:

- un primer tanque (1) que comprende primeros medios de separación (15) que se extienden sobre una porción de la altura del tanque, para definir un primer compartimento central o tubo (11), un primer compartimento periférico o anillo (12), cerrado en su porción superior, así como un primer compartimento para agitación e intercambios bioquímicos (16) proporcionando exclusivamente la comunicación entre estos dos compartimentos, en la porción inferior del tanque, comprendiendo el primer compartimento para agitación primeros medios de agitación (17),

- un segundo tanque (2) que comprende segundos medios de separación (25) que se extienden sobre una porción de la altura del tanque, para definir un segundo compartimento central o tubo (21), un segundo compartimento periférico o anillo (22), cerrado en su porción superior, así como un segundo compartimento para agitación e intercambios bioquímicos (26) proporcionando exclusivamente la comunicación entre estos dos compartimentos, en la porción inferior del tanque, el segundo compartimento para agitación comprende segundos medios de agitación (27),

- medios (ALIM) de alimentación de los residuos a tratar, en el primer anillo,

- medios (T) de transferencia de los residuos parcialmente tratados, desde el primer tubo (11) hasta el segundo anillo, de tal forma que el primer tubo (11) se comunica en la porción superior exclusivamente con la parte superior del segundo anillo (22), por medio de una tubería,

- medios (EVAC) de descarga de los residuos tratados, fuera del segundo tubo,

- medios (43, 44) de circulación de los residuos mediante forzamiento neumático, desde el primer anillo (12) hasta el segundo tubo (21), comprendiendo dichos medios de circulación:

- - una línea de circulación de gas (43) que desemboca en la porción superior del primer anillo (12) y que permite crear una presión suficiente en la manta de gas del anillo (12) con el fin de provocar una subida en el primer tubo (11) mediante forzamiento neumático de un volumen de sustrato correspondiente al de los materiales entrantes, y

- - una línea de circulación de gas (44) que desemboca en la porción superior del segundo anillo (22) que permite igualmente proceder mediante forzamiento neumático a la descarga del segundo tubo (21) de un volumen de digestatos correspondiente al de los materiales entrantes; donde la instalación por lo tanto está dispuesta de tal manera que los residuos a tratar son transferidos sucesivamente desde el primer volumen formado por el primer anillo (12), hasta un segundo volumen formado por el primer tubo (11), luego hasta un tercer volumen formado por el segundo anillo (22), luego hasta un cuarto volumen formado por el segundo tubo (21), antes de ser descargados del segundo tubo (21) por una tubería del segundo tanque (2), gracias a una alimentación semicontinua con forzamiento neumático.

2. Instalación de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque los medios de transferencia de los residuos parcialmente tratados comprenden dicha tubería, la cual forma una línea de transferencia que conecta una salida del primer tanque y una entrada del segundo tanque, estando dicha salida a una altitud que es mayor que la altitud de dicha entrada.

3. Instalación de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, caracterizada porque además comprende medios de flotación (52, 17; 45, 27) de sedimentos, dispuestos en las proximidades del fondo de al menos un tubo.

4. Instalación de acuerdo con la reivindicación precedente, caracterizada porque los medios de flotación de sedimentos comprenden al menos un conducto destinado a transportar un gas microburbujeante, ventajosamente un gas anaeróbico como biogás, nitrógeno o dióxido de carbono, suministrando este conducto al menos un dispositivo microburbujeante provisto en las proximidades del fondo de un tubo respectivo.

5. Instalación de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, caracterizada porque, en su configuración termófila o mesófila, la instalación comprende medios de calentamiento de tanques.

6. Instalación de acuerdo con la reivindicación precedente, caracterizada porque los medios de calentamiento comprenden al menos una red de tuberías radiantes dispuestas en las paredes internas de los anillos y/o en el fondo de estos anillos y/o en el fondo de los tubos.

7. Instalación de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, caracterizada porque comprende un solo primer tanque (1) que comprende un solo compartimento central (11) y un solo compartimento periférico (12), así como un solo segundo tanque (2) que comprende un solo compartimento central (21) y un solo compartimento periférico (22).

8. Procedimiento de implementación de una instalación para el tratamiento de residuos orgánicos de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, comprendiendo dicho procedimiento las siguientes etapas:

- los residuos a tratar son admitidos en el primer tanque (1),

- se lleva a cabo al menos una parte de una etapa de hidrólisis en el primer anillo (12) y al menos una parte de una etapa de acidogénesis en el primer tubo (11),

- los residuos parcialmente tratados se transfieren del primer tubo al segundo anillo (22),

- se lleva a cabo al menos una parte de una etapa de acetogénesis en el segundo anillo (22) y al menos una parte de una etapa de metanogénesis en el segundo tubo (21),

- los residuos tratados se descargan, fuera del segundo tubo.

- procedimiento en el que se activan los medios de circulación (43, 44), de tal manera que los residuos a tratar se transfieren sucesivamente desde el primer volumen formado por el primer anillo (12), hasta un segundo volumen formado por el primer tubo (11), luego hasta un tercer volumen formado por el segundo anillo (22), luego hasta un cuarto volumen formado por el segundo tubo (21), antes de ser descargados del segundo tubo (21) por una tubería del segundo tanque (2), gracias a una alimentación semicontinua con forzamiento neumático,

- y procedimiento en el que además se descarga una fracción de los desechos presentes en el segundo tanque, luego se admite otra fracción de desechos en el primer tanque, teniendo la fracción descargada y la fracción admitida sustancialmente los mismos volúmenes.

9. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque, para cada tanque (1, 2), se asignan diferentes capacidades de recepción y, por lo tanto, diferentes tiempos de retención biológica al compartimento central (11, 21) y al compartimento periférico (12, 22).